YK304-445扩孔器不同水眼流量分配计算及应用

王贵亭

摘 要：在扩孔器刀体上设计冲洗齿的流道，可以很大程度上改善扩孔器的“泥包”现象，在扩孔器底部加不同尺寸的水眼可以调节流量在钻头和扩眼器的不同分配。由于扩眼器内部流道不规则，用理论计算流量的分配情况比较复杂且难以实现，而应用数值计算软件进行仿真分析则能够提供相对精确的计算结果。

关键词：扩孔器;水眼;流量分配;刀翼泥包

YK304-445液力扩眼器在土耳其UGS-8井应用过程中发现，由于地层中含膏岩成分较多，刀翼易发生“泥包”，影响机械钻速和进尺。

在扩孔器刀体上设计冲洗齿的流道，可以很大程度上改善扩孔器的“泥包”现象，在扩眼器底部加不同尺寸的水眼可以调节流量在钻头和扩眼器的不同分配。由于扩眼器内部流道不规则，用理论计算流量的分配情况比较复杂且难以实现，本文选择Fluent流体分析软件对扩眼器不同水眼的流量分配进行分析。

1.几何模型建立及網格划分与处理

扩眼器为三刀翼，且几何上存在对称关系，选取扩孔器的1/3进行建模分析，具体图形如图1所示。

对网格进行划分时，由于刀体上的流道相对于整个模型尺寸较小，需要单独剖分出来，进行网格加密（图2所示）。两个矩形流道采用六面体网格，其它部分采用四面体网格。

2.计算模型选择与设置

流体性质设为清水，密度为1000kg/m3，粘度为0.001kg/m-s。正常工作时，扩眼器流量为50L/s，可得流体流速。

流速v计算：

Q-泵排量，L/s，这里取50L/s。

计算得v=49.14（m/s）。

雷诺数的计算：

运动粘度取80℃时水的粘度值0.367×10-6m2/s，计算得到雷诺数Re为4.82×106，从而判断流体流动处于紊流状态，在Fluent计算过程中选择湍流模型。

FLUENT提供的湍流模型包括：单方程（Spalart-Allmaras）模型、双方程模型（标准）κ-e模型、重整化群κ-ε模型、可实现（Realizable）κ-ε模型）及雷诺应力模型和大涡模拟。

根据本模型的计算需求，考虑雷诺数的大小，选择双方程模型（标准κ-e模型），标准模型需要求解湍动能及其耗散率方程。湍动能输运方程是通过精确的方程推导得到，但耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原形方程得到的。该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略。因此，标准模型只适合完全湍流的流动过程模拟。

标准模型的湍动能k和耗散率ε方程为如下形式：

在上述方程中，表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生，是用于浮力影响引起的湍动能产生;可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。湍流粘性系数。

在FLUENT中，作为默认值常数，=1.44，=1.92，，湍动能k与耗散率ε的湍流普朗特数分别为=1.0，=1.3。可以通过调节“粘性模型”面板来调节这些常数值。

3.模型求解及结果分析

当流动和网格不在一条线上时（即：流动斜穿网格线）一阶对流离散增加了对流离散的误差（数值耗散）。对于三角形和四面体网格，流动从来就不会和网格成一条线，此时一般要使用二阶离散来获取更高精度的结果。因此这里选择二阶精度隐式求解模式。

流场初始化选择进口流速，速度设为49.1m/s，迭代次数设为300。

计算得到扩眼器底部水眼出口平均流速为39.88m/s，从而得到下部出口的流量分配。24mm水眼为18.03L/s，则刀体上流量分配为31.97L/s。17mm水眼，为8.44L/s，刀体上流量分配为41.56L/s。

4.旧式YK304-444.5扩眼器土耳其UGS-8井扩眼施工情况

UGS-8井是土耳其盐湖天然气地下储气库项目的第一口井，使用旧式YK304-444.5液力扩眼器。旧式YK304-444.5液力扩眼器共下井5趟，使用工具三套，实际扩眼井段为1130.50-1459.00m。扩眼进尺328.50m，平均机械扩速为3.18m/h。影响机械钻速的主要原因是刀翼出现泥包，扩速慢，影响刀翼张开和收缩。

5.新型YK304-444.5扩眼器土耳其UGS-7井扩眼施工应用

UGS-7井是胜利渤海钻井在土耳其盐湖天然气地下储气库项目的第二口井，使用新型YK304-444.5扩孔器，在刀翼中间增加清洗流道，使刀翼得到充分清洗。利用Fluent流体分析软件对扩孔器不同水眼的流量分配进行分析，选用合适尺寸的水眼，期望达到充分清洗效果。

新型YK304-444.5液力扩眼器共下井4趟，使用工具两套（使用情况见表1），其中第一趟由于新改工具没有及时到达井场，使用旧式工具下井应急。

该井的扩眼施工效果明显优于UGS-8井：

（1）扩眼速度明显提高，平均扩眼机械钻速达到6.93m/h，如果排除掉第一趟使用旧式工具的速度，平均机械扩速达到7.48m/h，比UGS-8井3.18m/h扩速提高了一倍。

（2）扩后井径较大，能够达到设计要求。UGS-8井扩后井径平均约为16″，而本井扩后基本都大于17″，平均井径大于17-1/2″。

6.结论

通过在扩眼器底部加不同尺寸的水眼可以调节流量在钻头和扩眼器的不同分配，在扩孔器扩眼刀体上增加冲洗齿的流道，可以很大程度上改善扩眼器的“泥包”现象，从而大大提高机械钻速，节省钻井时效。

参考文献：

1. HR型液力扩孔器在埃及GPC油田的应用

作者：于海平、刘虎《石油钻探技术》

2. 胜利液力扩眼器在超深井克深19的应用与认识

作者：宁仁磊《中小企业管理与科技》