2. 东北石油大学
2. Northeast Petroleum University
0 引 言
在水平井钻井过程中,在稳斜段和水平井段由于钻柱重力的作用,其在井眼中靠向下井壁,使周围的间隙宽窄变化明显,造成井眼中宽间隙处流速大,窄间隙处流速小,剪切速率增大,岩屑易沉向下井壁且不易清除,从而形成岩屑床[1]。岩屑床会导致水平井钻柱摩阻扭矩大和钻压施加困难,易发生沉砂卡钻事故,甚至影响下套管作业和固井质量,有效破坏并清除岩屑床对于提高水平井钻完井效率至关重要[2]。岩屑清除工具不仅能防止岩屑床的形成,而且对形成的岩屑床能及时破坏和清除,具有水力和机械双作用破坏和清除岩屑床的特点[3-4]。
笔者针对水平井岩屑床清除难题设计了3种不同结构的岩屑清除工具,通过工具特定的几何结构引起周围钻井液流场剧烈变化来破坏和清除岩屑床;利用CFD软件对3种工具周围的流场进行仿真模拟,从速度场、压力场和液流运动轨迹对数值模拟结果进行分析,掌握了工具结构对钻井液流场的影响规律,并对3种工具的岩屑清除效果进行了对比,得出了最优的工具结构。所得结论为岩屑清除工具的后续研制和应用提供了理论支持。
1 技术分析 1.1 结构水平井岩屑清除工具安装在相邻2根钻杆之间,由上接头、本体、叶片和下接头等组成。岩屑清除工具工作时,通过钻杆旋转带动叶片转动,造成钻井液紊流,将堆积岩屑重新悬浮并清除。叶片结构有直棱形、反螺旋V形和正螺旋V形等3种(见图 1)。直棱形叶片平行于钻杆轴线,叶片横截面为矩形,正螺纹V形叶片横截面为菱形,反螺旋V形叶片与正螺旋V形叶片的V形开口方向相反,反螺旋V形叶片的开口方向与钻杆旋转方向一致,正螺旋则相反。上接头轴向贯通,上端和下端分别与钻杆和本体相连,本体中空,上端和下端分别与上接头和下接头相连,5个叶片均匀分布在本体中间位置。上接头、本体、叶片和下接头一体化加工,无任何活动部件,可保证工具强度。在叶片外表面镶嵌硬质合金片以提高工具的耐磨能力。
1.2 工作原理
水平井钻井过程中,将岩屑清除工具安装在造斜段和水平段钻杆上,工具随钻杆一起转动,叶片搅动产生紊流将岩屑床颗粒重新悬浮,以便钻井液将岩屑及时运移出井眼。环空钻井液流经岩屑清除工具快速旋转的叶片结构时,流动速度和方向剧烈变化,产生旋流,这会进一步增强工具周围液流的紊流强度,使钻井液携岩和清岩的能力提高,从而实现井眼净化,提高岩屑清除效率。
1.3 主要技术参数设计了3种适用于ø 215.9 mm(8 1/2 in)井眼的岩屑清除工具,工具本体外径127 mm,内径70 mm,长度1.37 m,叶片数量5个,叶片外径186 mm。直棱形叶片高28 mm,宽40 mm,V形叶片螺旋升角50°,螺距1 000 mm。V形叶片的上部为正螺旋,下部为反螺旋,上部和下部螺距相同,长度之比为1∶1,叶片上、下端面有45°倒角。
2 岩屑清除工具流场数值模拟 2.1 物理模型建立岩屑清除工具的叶片结构是清除岩屑的核心部分,对周围钻井液流场影响最大,其他部分外表面光滑,对流场的影响可忽略不计。因此,在数值模拟时可将工具模型进行简化,仅对叶片结构进行模拟。岩屑清除工具工作过程中,受自身重力影响会紧贴下井壁,叶片下表面与井壁内表面重合。简化后的三维物理模型如图 2所示。
2.2 网格划分
岩屑清除工具旋转过程中,叶片之间的空槽内充满钻井液,这部分流体会随工具一起旋转,而工具外围的流体却不会随之旋转,因此槽内的流体必须与外围流体分割开来,单独考虑。岩屑清除工具流场数值模拟属于包含有可动区域流动问题的数值模拟,选用多参考系模型(MRF)进行模拟,将槽内旋转的流体单独作为一个计算区域进行网格划分,并为其设立一个旋转坐标系,外围流体组成的计算区域选用普通三维坐标系。选用四面体/五面体混合网格将上述2个计算域平铺成非结构化网格,如图 3所示。直棱形、反螺旋V形和正螺旋V形叶片结构划分的网格总数分别为143 591、660 475和656 978。
2.3 求解模型与离散方法
岩屑清除工具旋转过程中,周围流体做湍流运动,湍流模型的选择以精度高、应用简单和节约计算时间为原则。前人大量试验证实,标准κ-ε模型在模拟高雷诺数流动方面优于其他模型[5]。但是对于特定的流动问题,方程中的参数取值不可能完全通用,C1和C2是在ε方程的推导过程中引入的2个经验常数,本身无具体含义,然而经验表明,二者的取值对计算结果影响较大。本研究中采用标准κ-ε模型对岩屑清除工具周围流场进行模拟,根据前5步迭代结果取C1、C2的值分别为1.44和1.92。
控制方程包括连续性方程、κ方程和ε方程,控制方程组采用有限体积法进行离散,以Simple方法进行求解[5-6]。
连续性方程、κ方程及ε方程分别如式(1) 、式(2) 和式(3) 所示:
式中:Gκ为湍动能产生率,μe为有效粘性系数,σκ、σε为模型系数,r为极坐标中计算半径,ρ为钻井液密度,u、v分别为井口方向和r方向速度。
2.4 边界条件入口边界定义速度入口,速度方向垂直于入口边界,模拟钻井液流量32 L/s,折算成初速度为2 m/s。出口边界定义为自由出口,物理意义是出口压力和速度充分发展。外壁面按无滑移处理,壁面处u、v、ω、κ、ε均为0,内壁面按旋转壁面处理,其转速和方向与钻具转速和方向相同,钻具转速取200 r/min。
2.5 模拟结果分析设定转速200 r/min,钻井液密度 1.19 g/cm3,黏度0.015 kg/(m·s),对3种岩屑清除工具流场进行数值计算。由于模型选取及网格划分合理,计算很快收敛,3种结构迭代步数均不超过500步。
2.5.1 速度场分析3种叶片结构在距离入口70 mm的横截面上速度分布情况如图 4所示。
由图 4可以看出,叶片的存在对钻井液具有一定的切向加速作用,尤其在工具低边加速效果更明显。入口切向速度为0.00 m/s,直棱形叶片将速度提高到3.29 m/s,反螺旋V形叶片将速度提高到2.68 m/s,正螺旋V形叶片将速度提高到2.54 m/s,直棱形叶片的切向加速效果最好。3种叶片结构在轴线上的速度分布如图 5所示。由图可以看出,叶片的存在对钻井液具有一定的轴向加速作用,入口轴向初速度为2.00 m/s,直棱形叶片最高速度2.25 m/s左右,反螺旋V形叶片最高速度2.50 m/s左右,正螺旋V形叶片最高速度略高于2.00 m/s,反螺旋V形叶片加速效果最好,且速度在轴线上的分布极不规则,造成的钻井液湍流效果最优,正螺旋V形叶片加速效果不明显,直棱形叶片轴线上的速度最为规则,造成的钻井液湍流效果最差。从切向加速效果来看,直棱形叶片对钻井液的扰动能力最强;从轴向加速和流体湍流效果来看,反螺旋V形叶片对钻井液的扰动能力最强。
图 6、图 7分别为直棱形叶片、反螺旋V形叶片周围三维流场分布图。2图中相邻圆环截面之间的距离为1 m。从图可见,直棱形叶片对钻井液流场的影响范围在2 m左右,反螺旋V形叶片对钻井液流场的影响范围在12 m左右。综合分析认为,反螺旋V形叶片对周围流体的扰动能力最强,最有利于岩屑的悬浮和携带。
2.5.2 压力场分析
图 8为反螺旋V形叶片高、低边压力分布图。由图可以看出,工具靠近岩屑床的低边压力低,高边压力高,这是由低边环空面积小、压力损耗大造成的,这与前文分析的低边速度高的情况相吻合。
2.5.3 流线图分析
图 9为反螺旋V形叶片结构周围的三维流线轨迹。由图可以看出,工具的旋转给周围钻井液带来一定的旋流作用,进一步强化了钻井液的湍流效果,这对岩屑的携带和清除极为有利。
3 结 论
(1) 直棱形、反螺旋V形和正螺旋V形3种叶片结构对周围钻井液均有不同程度的加速作用,直棱形叶片切向加速效果最明显,反螺旋V形叶片轴向加速效果最明显,周围钻井液的轴向速度分布不规则,湍流效果好,且波及范围广。综合分析认为,反螺旋V形叶片结构的岩屑清除工具的岩屑清除效果最好。
(2) 岩屑清除工具靠近岩屑床的低边环空面积小,压力损耗大,工作过程中呈现低边低压、高边高压的现象。
(3) 反螺旋V形叶片结构在旋转过程中会使周围流体产生旋流,增加了流体的湍流强度,有利于岩屑的携带和清除。
(4) 通过对比3种不同结构的岩屑清除工具流场规律,确定了工具的最优结构,这为水平井岩屑清除工具的研制提供了理论支持。
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