0 引言

岩屑床不仅影响钻井液的正常循环，造成憋泵、憋钻及砂卡等问题，而且增大了钻具摩阻，影响钻压的有效传递，严重影响钻井速度。因此，及时有效地清除岩屑床是亟待解决的问题^[1]。

目前，常用的岩屑床清除方法主要有短起下钻、划眼及增大循环排量等^[2]。其中，短起下钻和划眼都必须停钻，降低了钻井时效；增大循环排量，一方面可能对井壁造成过度冲刷，导致其垮塌；另一方面，由于机泵条件限制，可能无法增大循环排量。学者们研制了不同类型的辅助携岩工具，多为对工具整体结构进行分析，对其结构参数的优化缺乏深入研究，制约了该工具的进一步应用和推广。为此，笔者设计了V形叶片辅助携岩工具，工具通过水力和机械的双重作用不仅能防止岩屑沉积^[3]，而且能够对已经形成的岩屑床进行及时清除。利用CFD软件对V形叶片进行了流场仿真，研究了工具的叶片高度、宽角度及转折角等结构参数对工具应用效果的影响规律，并对V形叶片的结构参数进行了优化，对V形工作段进行流体和强度分析，确定了最佳的工具结构，所得结论可为V形叶片辅助携岩工具的后续研究和应用提供理论依据。

1 工具结构与工作原理 1.1 结构

V形叶片辅助携岩工具由接头段和工作段组成，其结构如图 1所示。工具内部有贯通孔，上、下端分别加工有内螺纹和外螺纹，用于连接钻柱或其他井下工具。在接头段与工作段之间有弧面凹槽，与工作段圆滑过渡。该槽的作用有：①与工作段流道形成1个流畅的通道；②增加接头段螺纹连接的强度。工作段外径略小于井眼直径，工作段为V形叶片结构，叶片外表面镶嵌硬质合金体以提高耐磨能力。

1.2 工作原理

辅助携岩工具特殊的V形叶片结构不但对堆积的岩屑床有机械清除作用，而且对岩屑颗粒有推动和加速作用^[4]，主要体现在以下2个方面：① V形叶片的前端锐角(见图 2)可挖掘岩屑使其进入V形排屑槽内，同时由于工作段过流面积减小，钻井液流速增加，V形槽内外产生压力差，使脱离井壁低边的岩屑吸附至V形槽内，在工具的旋转作用下举升进入环空高边的上升流区；② V形叶片带有转折角(见图 3)，使流经的钻井液速度和方向发生剧烈变化，其产生的强烈紊流增加了钻井液切向速度，其切向拖拽力能有效抑制岩屑床的形成。上升的旋流使岩屑颗粒与钻井液混合形成拟均匀流，并沿井眼轴向运移上返，从而提高岩屑清除效率^[5]。

2 模拟模型与模拟参数 2.1 模拟模型

辅助携岩工具的V形叶片结构是清除岩屑最核心部分，对钻井液的流场影响最大，因而对辅助携岩工具进行简化处理，只对V形叶片工作段进行模拟分析^[6-8]。V形叶片工作段模型如图 4所示。

辅助携岩工具流场数值模拟选用MRF模型进行模拟，对V形叶片结构槽内流体选用旋转坐标系，井筒周围流体组成的域选用普通坐标系。选用混合单元划分网格，其湍流模型采用标准k-ε方程模型，选用Simplec算法作为模型解法。

连续性方程为：

(1)

k方程如下：

(2)

ε方程如下：

(3)

式中：G_k为湍动能产生率，；μ_e为有效黏性系数，μ_e=μ₁+μ；ρ为钻井液密度；r为极坐标计算半径；u为井口方向速度；v为r方向速度；C₁、C₂、σ_k和σ_ε为模型系数。

进口采用Velocity-inlet速度入口边界条件。出口采用自由出口outflow，外壁面按无滑移处理，内壁面按旋转壁面处理。

2.2 模拟参数

辅助携岩工具岩屑床的清除能力与V形叶片结构参数直接相关，影响其工作效果的参数有V形叶片高度、V形叶片宽角度及V形叶片转折角度。假设钻井液排量为18 L/s，钻具转速为65 r/min，钻井液密度为1.5 g/cm³，通过改变V形叶片结构参数(见表 1)，利用CFD软件对工具的循环流场进行模拟分析，进而完成工具优化。笔者研究的V形叶片外径为157 mm。

3 模拟结果分析与参数优化^[9] 3.1 V形叶片高度优化

图 5为外径157 mm的叶片在不同高度时的速度流场图。由图可以看出，在V形叶片逆向折转结构处出现最高速度，且速度分布不规则，产生的旋流效果最佳，对钻井液的扰动能力最强。

图 6为不同叶片高度时钻井液速度曲线。从图可以看出，由于V形叶片高度不同，流经工具的钻井液速度变化不同，V形叶片的高度在25 mm左右时，钻井液流速提高最快，与进口相比，钻井液速度增大了2.1倍左右，最高流速达到4.42 m/s，周围流场呈螺旋状分布，其速度和方向的改变增加了辅助携岩工具周围流场的紊流程度，且影响范围较广。

3.2 V形叶片宽角度优化

图 7为外径157 mm、高度25 mm的V形叶片在不同宽角度时的速度流场图。由图可以看出，V形叶片的宽角度越小，流体的环空越大，在V形槽内逆向转折产生2级梯度上升旋流，主旋流负责加速上升旋转，加快提高钻井液的速度，次旋流主要起到辅助上升运转岩屑的作用。在此旋流作用下，槽内岩屑颗粒与钻井液混合形成均匀流，有利于岩屑的悬浮和运移。

但V形叶片的宽角度越小，工具的截面积也越小，为了保证工具的下井安全，需要对工具进行强度校核。笔者对外径157 mm、高度25 mm，叶片宽角度分别为30°、45°及60°的V形叶片辅助携岩工具进行强度校核。计算时本体材料选用40CrMnMo，泊松比0.3，弹性模量206 GPa，选取的拉伸载荷为3 950 kN，扭矩为20 kN·m。图 8为拉伸载荷3 950 kN、宽角度30°时叶片的应力云图。图 9为扭矩20 kN·m、宽角度30°时叶片的应力云图。

从图 8和图 9可以看出，在拉伸和扭矩载荷的作用下最大应力都发生在V形叶片转折处。作为本体的薄弱环节，拉伸应力略低于材料的屈服强度640 MPa，不满足下井安全系数要求。当叶片宽角度为45°和60°时，辅助携岩工具都满足强度要求，但60°宽角度的叶片太薄，建议宽角度取45°。

3.3 V形叶片转折角优化

分别取转折角为60°、90°、120°和150°进行数值模拟，如图 10所示。由图可知，随着V形叶片转折角增大，钻井液返流速度增加，对工具周围岩屑的冲洗作用增强，V形叶片转折角为150°时对钻井液的扰动能力最强，携岩和清砂效果最佳。

4 结论

(1) 叶片高度与钻井液流速不成正比，V形叶片高度为25 mm时产生的旋流效果最佳，对钻井液的扰动能力最强。

(2) V形叶片宽角度越小，流体的环空越大，在V形槽内逆向转折产生2级梯度的上升旋流，综合考虑强度要求，叶片宽角度取45°较为适合。

(3) V形叶片转折角增大，工具周围岩屑的冲洗作用增强，V形叶片转折角为150°时对钻井液的扰动能力最强，携岩和清砂效果最佳。