脉冲射流式岩屑床清理工具的研究

韩雪莹，李衡，王汉卿，刘丹婷，张海超，夏成宇

(1.长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023；2.中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院，四川德阳 618000;3.中石化西南石油工程有限公司钻井一分公司，四川成都 610000；4.山东威玛装备科技股份有限公司，山东东营 257000)

0 前言

随着深层油气资源开发，大位移及水平井被广泛开发应用，由于该井段处于岩屑堆积严重井段，难以被钻井液的反循环作用运移到井口，随着岩屑床厚度不断增加，甚至埋没钻杆，进而导致高摩阻、高扭矩、固井质量差等一系列问题，严重时造成卡钻、钻具断裂等井下事故，造成严重经济损失。

为了解决此类问题，提高岩屑运移方法与岩屑床破坏器得到广泛应用，国内外针对岩屑床破坏器的研究主要为机械式叶片岩屑清理工具。RODMAN等研究了一种叶片结构井眼清洁工具，AHMED等通过实验方法研究了不同叶片结构岩屑清理效率，PUYMBROECK等提出了一种复合型叶片井眼清洁工具，并通过实验验证了该工具能有效提高岩屑运移效率。孙浩玉应用CFD软件对岩屑床清除器流场速度、压力及液流运动迹线进行数值模拟研究，发现V形槽可加快进口轴向速度,增强周围流场的湍流强度,有利于井筒岩屑的运移和清除。程玉生通过建立大斜度井岩屑运移三层模型，开发井眼清洁状况分析软件，发现提高钻井液密度、排量、转速等都会对井眼清洁状况有所改善。孙晓峰等针对复杂结构井在大斜度和水平井段易出现井眼清洁问题，系统地研究了岩屑清理工具以及优化。吴欣袁等采用计算流体动力学分析了井眼清洁工具在大位移及水平井段流场扰动作用机制，发现该工具对流场具有导流和搅拌的作用，并且加速岩屑颗粒运动，有利于岩屑携带。吴百川等应用有限元软件对比分析了“V”形和螺旋型岩屑床清洁工具性能和安全系数，认为螺旋型工具的岩屑清理效能比“V”形工具低。景帅等人通过建立井眼清洁数学模型，分析了不同钻井参数对环空压耗和井眼清洁程度的影响。

因此，本文作者根据环空岩屑运移机制和两相流理论，参考文献[11]设计一种射流式岩屑床清洁工具，分析了该工具的喷嘴喷射角度、喷嘴流速、岩屑粒径、钻井液排量对岩屑质量的影响，得出最优的喷射角度，指导现场作业。

1 结构与原理

射流式岩屑床清理工具主要由母接头、外套管、公接头、轴承、中心管、密封橡胶圈组成，如图1所示。钻井液流向为箭头所指方向，该工具重力块结构在自身的重力作用下，使得中间脉冲射流喷嘴在径向方向上产生一股脉冲高速流体，由于中心管两端没有与母接头、公接头进行螺纹连接，不会与外套管一起旋转，从而使主流道与喷嘴产生间断式的脉冲射流。

图1 脉冲射流式岩屑床清洁工具

脉冲射流喷嘴的结构如图2所示，从图中可以看出：喷嘴位于静止的中心管，并且始终指向环空下部，外套管上的流道口均匀分布3个，并且与喷嘴出口形状相同，中间圆形流道口始终处于接触状态。钻杆带动外套管旋转，从而使喷嘴出口的连通面积发生周期性变化，在环空内外压差作用下产生周期性脉冲射流。

图2 脉冲射流式喷嘴结构

2 关键参数分析

2.1 喷射时间

根据实际工况，设定该工具的钻杆转速为=80 r/min，钻杆旋转一周所需时间为0.75 s，为了增加喷嘴喷射时间，故在外套管设置3个均布环槽，每个环槽角度=40°，故在一个周期内的喷射时间为0.25 s,计算公式如下。由于环槽边界与喷嘴接触时间短，不考虑环槽与喷嘴初始接触和分离时的过流面积变化，通过Fluent中Profile文件实现喷嘴周期性脉冲射流。

(1)

式中：为喷射时间；为喷嘴总角度；为一个周期的时间。

2.2 喷射速度

脉冲射流岩屑床清理工具示意如图3所示，该工具通常安装在水平井段。周期性脉冲钻井液是钻井液流经该工具形成的，如图2所示，为了得到喷嘴的喷射速度，需要对钻杆内和环空的反循环流体压差进行分析。由于钻井液的压力损失主要由螺杆总成和钻头造成，通过前人的研究，该压差大小为2～6 MPa，文中设计的喷嘴直径为25 mm，由公式(2)得喷嘴的喷射速度。结合以上喷射时间和喷射速度，通过Fluent读取Profile文件产生周期性的脉冲射流。

图3 脉冲射流式喷嘴结构

(2)

式中：Δ为压降，Pa;为流量，m/s；为过流总面积,m；为流体密度，kg/m;为小孔流量系数，一般取=0.82。

2.3 湍流模型

由于脉冲射流式岩屑床破坏器内部流场复杂，并且环空内属于两相流流动。为了提高流场的计算精度，故采用RNG-湍流模型，该模型在旋转流场中应用效果良好，其输运方程为

(3)

式中：为钻井液密度，kg/m；为湍动能，m/s；为湍动耗散率，m/s；为动力黏度系数，kg/(m·s)；为时均速度，m/s；为由层流速度梯度而产生的湍流动能，J；为由浮力而产生的湍流动能，J；1、2、3为常量，1=142，2=168，3=13；和分别为方程和方程的湍流普朗特数；和为用户定义的源项。

考虑到该旋转流场中的流体满足非牛顿流变特性，故满足幂律流体模型，其幂律流体的流变方程为

=

(4)

式中：为剪切应力，Pa；为稠度系数，Pa·s；为剪切应变率，s；为流性指数。

3 仿真模型

3.1 几何模型

根据现场实际水平井组合参数建立脉冲射流工具与传统携岩钢钻杆三维模型，如图4所示。实际水平井段很长，为了研究方便取模型长12 m，考虑井壁和钻杆表面光滑。将带喷嘴的三维环空井眼模型处于模型的中间位置，采用六面体单元对所建立模型进行网格划分。

图4 环空几何模型

3.2 边界条件

考虑模拟运算中的收敛性和稳定性，湍流流场的计算采用二阶迎风格式和Simple算法。根据实际工况对模型入口边界条件定义为：钻井液速度入口和岩屑颗粒为质量入口；出口边界条件定义为Outflow；壁面边界条件定义为：将井壁设为Stationary Wall，钻杆表面为Moving Wall；喷嘴入口为周期性速度入口，具体模拟参数见表1。表2为直读式旋转黏度计在不同转速下测试的密度分别为1.92、2.28 g/cm时钻井液的读数值。文中钻井液的密度为1.92 g/cm，在转速为600、300 r/min时旋转黏度计读数分别117 mPa·s和67 mPa·s，由公式(5)可以算出为0.8，为0.23。

表1 基本参数

表2 钻井液参数

(5)

式中：为钻具内钻井液流变指数，无因次；为钻具内钻井液稠度系数，Pa·s；为钻井液转速为600 r/min的读数；为钻井液转速为300 r/min的读数。

4 数值计算

4.1 脉冲工具使用前后井眼环空内岩屑质量对比分析

通过对水平井环空内岩屑质量数值仿真研究，图5为使用脉冲射流式岩屑床清洁工具的前后环空内岩屑质量随时间变化的曲线。可知：随着时间的推移，岩屑沉降逐渐趋于稳定，未使用射流岩屑床清洁工具时沉降的环空内岩屑质量最多时达到了7.5 kg左右，容易造成岩屑堆积；相较于使用射流岩屑床清洁工具前，工具使用后的岩屑质量有了明显的降低，环空内岩屑质量降低了30%左右。由此可见，脉冲射流式岩屑床清洁工具冲击岩屑的效果非常明显。其原理为在重力作用下，脉冲射流喷嘴在径向方向上产生一股脉冲高速流体来冲击沉积在管壁下方的岩屑，使岩屑床发生破坏。由于该工具不会随着外套管一起旋转，因此会在主流道与喷嘴之间产生间断式的脉冲射流，阻止岩屑床的产生，使环空井眼内低速区的岩屑更易进入上部高速区，便于岩屑在环空内的横向运移，提升了井筒清洁效率。

图5 脉冲工具使用前后岩屑质量对比

4.2 喷嘴角度对脉冲工具携岩能力的影响

在实际钻井过程中，钻杆的旋转会使岩屑的沉积发生偏移，因此改变喷嘴与竖直方向的角度对脉冲工具进行岩屑清理及岩屑沉降影响是非常显著的。图6分别为无喷嘴状态下的脉冲工具(普通携岩钻杆的仿真模型)与喷嘴角度在0°、30°、60°及90°之间岩屑体积分数云图。可知：带有喷嘴的脉冲工具的云图中岩屑在井眼环空沉积量明显减少，且岩屑在无喷嘴状态下沉积量最多，喷嘴角度在90°时沉积量最少，冲击岩屑的效果最好。说明喷嘴在90°时，喷嘴射流能有效地破坏岩屑床，岩屑所受的剪切力最大，环空中的岩屑更容易向环空上方流动，岩屑运移的效果更好。图7为喷嘴角度分别在0°、30°、60°及90°时随时间变化，环空中岩屑质量的对比分析图，可以看出随着时间的变化，喷嘴在90°时岩屑的质量远远低于其他角度，清洁效果更好。

图6 不同喷嘴角度下岩屑的体积云图

图7 不同喷嘴角度下岩屑质量对比

4.3 喷嘴流速对脉冲工具携岩能力的影响

脉冲工具射流喷嘴的速度由钻杆内和环空的反循环流体压差所决定。根据实际工况对不同的喷嘴速度进行仿真分析，在仿真模型中设置机械转速为14 m/h、岩屑粒径为4 mm、钻井液排量为30 L/s、钻井液密度为1.8 g/cm，通过上述公式设置不同压差下的喷嘴流速，分析不同的喷嘴流速对环空井眼内岩屑质量的影响。由图8可知：随着喷嘴速度的增加，岩屑的质量逐渐减少，当流速达到一定数值之后，岩屑的质量逐渐趋于稳定。因此，在钻井过程中该工具的使用不需要很大的压差，即可以得到很好的岩屑清洁效果。

图8 不同喷嘴速度下岩屑质量对比

4.4 岩屑粒径对脉冲工具携岩能力的影响

在钻井过程中，环空内岩屑质量受岩屑粒径的影响较大。岩屑粒径越大，岩屑所受的重力也大大增加，更易沉积在环空底部形成岩屑床，导致岩屑难以启动；岩屑粒径越小，岩屑之间的附着力也会增加，所以岩屑粒径太小也会导致岩屑粘接在一起难以运移。在仿真模型中设置机械转速为14 m/h、钻井液排量为30 L/s、钻井液密度为1.8 g/cm，通过改变岩屑粒径的大小，分析脉冲工具使用前后对环空内岩屑质量的影响。如图9所示，使用工具后，随着岩屑粒径的变大，环空井眼内岩屑的沉积质量增加；相同粒径时，使用脉冲工具后岩屑质量大幅度降低，可见脉冲工具能有效地破坏岩屑床，极大地提高岩屑运移效率。

图9 不同粒径下岩屑质量对比

4.5 钻井液排量对脉冲工具携岩能力的影响

岩屑在井筒运动的过程中分为固定层、扩散层和悬浮层。为使井眼达到更好的清洁效果，应使更多的岩屑处于悬浮层。钻井液的排量决定了环空井眼内钻井液的速度，而钻井液速度的增加，岩屑所受的举升力和拖曳力也会增加，也会加快岩屑向井眼运移。在仿真模型中设置机械转速为14 m/h、岩屑粒径为3 mm、钻井液密度为1.8 g/cm，通过改变钻井液排量的大小，分析脉冲工具使用前后对环空内岩屑质量的影响。如图10所示，在不同的排量下，脉冲工具的使用也能达到好的效果，可见岩屑清理工具能提高井眼清洁效率。

图10 不同排量下岩屑质量对比

5 结论

通过环空岩屑运移机制和两相流理论的研究，设计出一种脉冲射流式岩屑床清理工具。脉冲工具通过射流破坏沉积在底部的岩屑床，使岩屑由环空内的低速区更易进入高速区，可提高岩屑运移的效率。通过Fluent对脉冲工具喷嘴角度和射流速度的研究，得出在钻杆转速为80 r/min时，最佳的喷嘴角度为90°。而当射流速度逐渐增大时，环空内岩屑质量趋于稳定。此外，对比分析了脉冲工具使用前后在不同钻井液排量、岩屑粒径下的岩屑运移能力，得出岩屑床破坏工具可极大提高岩屑运移效率并预防钻井时由于岩屑堆积造成的卡钻事故。