0 引言
在定向井井斜大于45°的井段，钻井液携带岩屑效率低，岩屑易堆积形成岩屑床，影响钻井安全和工作效率[1]。国内外有关研究人员提出使用水力机械井眼净化装置来清除岩屑床。这种岩屑清洗装置的表面设有清洗叶片，可借助钻杆旋转带动工具上叶片进行搅动，引起周围流场的剧烈变化，对岩屑床起到破坏作用，进而提高岩屑携带与清洗能力[2-7]。但由于设备限制及定向井段的作业要求，钻杆的转速往往较低，所以会在一定程度上影响工具的清洗能力。
鉴于此，笔者设计了自旋转岩屑清洗工具。该工具不依靠钻杆，可以通过水力能量来提供旋转动力。首先通过工具外流场数值模拟分析得到清洗叶片在不同转速下的阻力扭矩曲线；再设计内部涡轮叶片结构，模拟得到内流场涡轮的动力扭矩，结合密封摩擦阻力，得到自旋转岩屑清洗工具的工作转速；最终根据流线图、速度场等，将自旋转岩屑清洗工具的井眼清洗能力与叶片固定式岩屑清洗工具井眼清洗能力进行对比。所得结论可为自旋转岩屑清洗工具的后续研制和应用提供理论支持。
1 结构设计自旋转岩屑清洗工具主要由上接头、分流喷嘴、旋转清洗套和下接头4部分组成，其表面清洗叶片采用反螺旋V形叶片结构(见图 1)，3个叶片均匀分布于本体上。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，提高了流体的湍流强度，有利于岩屑的携带和清除[8]。
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| 图 1 自旋转岩屑清洗工具清洗叶片结构 Fig.1 The blade structure of the self-rotating cutting removing tool |
内部流体在上接头内部的分流喷嘴处分流，部分流体流入上接头与旋转清洗套之间的环空中，液体流经位于上接头上的涡轮定子叶片后，流向发生改变，进而冲刷位于旋转清洗套内的涡轮转子，为旋转清洗套提供旋转动力(见图 2)。
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| 图 2 自旋转岩屑清洗工具工作原理 Fig.2 Working principle of the self-rotating cutting removing tool 1—上接头；2—分流喷嘴；3—旋转清洗套；4—动密封圈；5—滚动轴承；6—下接头。 |
2 自旋转岩屑清洗工具外部流场分析 2.1 外流场仿真计算
外流场仿真区域为反螺旋V形清洗叶片与ϕ215.9 mm(8½in)井眼间的环空区域。当清洗叶片转动时，会使附近的环空上返流体产生剧烈的速度变化，形成强湍流流场。选取k-epsilon-Realizable双方程湍流模型进行计算，该模型在工业流动计算中应用较为广泛，在模拟管道流动及强旋流动等方面具有较高的精度。模型的数值解法采用压力基求解器中的Simplec分离算法，该算法适用于低速不可压缩流体，收敛较快，符合V形清洗叶片与井眼间的模拟工况[9]。
采用多参考系模型(MRF)进行模拟，将靠近工具清洗叶片表面的流体与外围流体划分为2个计算域(见图 3)。这是因为在V形清洗叶片旋转时，叶片间流体随工具一起旋转，所以内部流体区域为运动域，对其施加转速，外部流体区域不施加转速，2个计算域之间使用通量差值传递方法进行信息交换。
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| 图 3 双计算域模型网格 Fig.3 Mesh of dual computational domain model |
网格划分时采用ANSYS ICEM软件，用人工拓扑进行网格划分，所得网格均为高质量的六面体结构网格，适合流体仿真计算，划分后网格总数为570 405。
2.2 阻力扭矩模拟排量为26 L/s时，反螺旋V形清洗叶片在不同转速下所承受的流体阻力扭矩。流场入口采用速度入口条件，速度为1.5 m/s，出口采用压力出口边界，与环境压力一致；工具转速分别取0、60、120、240和480 r/min。
根据流场计算结果分别得到不同转速下清洗叶片压力面和吸力面承受的压力(图 4为120 r/min转速下清洗叶片吸力面的压力云图)，整合得到扭矩。阻力扭矩曲线见图 5。从图可见，阻力扭矩随转速的增加而增大。
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| 图 4 清洗叶片吸力面及压力面压力云图 Fig.4 Pressure distribution of suction surface and pressure surface of cutting removing blade |
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| 图 5 不同转速下的外流场阻力扭矩 Fig.5 The resistant torque of external flow field at different RPM |
3 自旋转岩屑清洗工具内部流场分析 3.1 涡轮叶片设计
自旋转岩屑清洗工具内部采用涡轮结构来为清洗叶片提供旋转动力，其中涡轮叶片定、转子的叶型设计为涡轮设计的关键，它会直接影响涡轮的性能及效率。叶片型线上存在不连续曲率是传统涡轮钻具效率低下的原因，为此笔者采取5次多项式的设计方法对型线进行设计，五次多项式型线具有3阶连续性，可以消除型线上不连续曲率[10]。根据既定的设计参数求解5次多项式方程，得到定、转子吸力面和压力面的方程如下：
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(1) |
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(2) |
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(3) |
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(4) |
考虑到涡轮定、转子在周向上的周期性分布，内流场仿真区域为单个定、转子的涡轮流域。首先采用NUMECA软件中的AUTOGRID 5模块对流道进行网格划分，划分网格为六面体结构网格(见图 6)，总网格数719 340。
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| 图 6 涡轮流道网格划分 Fig.6 Meshing of turbine flow channel |
选取k-epsilon双方程湍流模型进行计算，求解器为EURANUS，具有多重网格加速技术，求解性能良好。其中，定子部分流体域静止，转子流体域分别给定0、50、100、200和400 r/min的转速，2个计算域之间使用通量差值传递方法进行信息交换。
3.3 动力扭矩涡轮进口流量为7.7 L/s，出口为环境压力边界，定、转子叶片数都为20，根据内流场不同转速下的计算结果可以得到转子表面压力(图 7为100 r/min转速下叶片表面的压力云图)，整合出输出转子的动力扭矩，动力扭矩曲线见图 8。
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| 图 7 叶片表面压力云图 Fig.7 The pressure distribution of the blade surface |
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| 图 8 不同转速下的内流场动力扭矩曲线 Fig.8 Dynamic torque of internal flow field at different RPM |
除外部流域对旋转工具产生阻力外，动密封圈也会对旋转工具产生摩擦阻力，通过计算得到阻力扭矩约0.5 N·m，绘制总阻力扭矩曲线。该曲线与动力扭矩曲线的交点即为工具工作转速，约160 r/min，如图 9所示。
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| 图 9 工作转速的确定 Fig.9 The determining of working RPM |
4 工具性能对比
假设复合钻进转速为60 r/min，采用同样尺寸的清洗叶片，与工作转速160 r/min下的自旋转岩屑清洗工具进行性能对比。
4.1 速度场对比在轴向取5个等距特征截面，在径向取1个特征截面，2种工作转速下的流场速度云图如图 10所示。
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| 图 10 速度云图对比 Fig.10 Comparison of velocity distribution |
从图 10可以看出，转速60 r/min时，流场中最高流速为2.98 m/s；转速160 r/min时，流场中最高流速为4.22 m/s。从不同转速下的速度差异云图也可以看出，由于自旋转岩屑清洗工具的转速更快，所以其整体提速效果更好，比传统的井眼清洁工具的流速提高了1.4倍，从而大大增加了清洗工具周围流场的湍流程度，使流体携岩和清岩能力得以迅速提高。
4.2 涡流强度岩屑清洗工具周边的钻井液会随着清洗叶片的转动产生一定的涡流效果[11-13]。这是由于反螺旋V形清洗叶片结构的影响，流体在清洗叶片表面及叶片间的槽道形成了涡流，涡流改变了环空中流体的流动特性，使得沉积的岩屑更容易被“吸入”叶片间的槽道，在离心力的作用下，它被甩向井眼的高边方向，再随环空钻井液上返排出。
通过分析转速160和60 r/min下流场周向速度差异流线图(见图 11)，可以看出高转速下的切向涡流速度明显高于低转速下的涡流速度。平均周向涡流速度提高约0.78 m/s，提高了63%。因此，自旋转井眼清洗工具的涡流强度更高，更有利于岩屑的携带和清除。
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| 图 11 环空周向流线速度对比 Fig.11 Comparison of annular circumferential streamline velocity |
5 结论
针对传统岩屑清洗工具只能依靠钻柱旋转来清洗岩屑的缺陷，笔者设计了自旋转岩屑井眼清洗工具。通过对工具内、外流场的数值模拟，得到工具的工作转速，将其与传统岩屑清洗工具的清洗效果进行对比，得到以下结论。
(1) 根据不同转速下清洗器外部阻力仿真结果，工具的内部涡轮结构可以为清洗工具提供动力，其工作转速约为160 r/min，相比固定式清洗工具的转速有了显著提高。
(2) 在一定转速下反螺旋V形清洗叶片可以提升周围流域的环空返速，且随着自身转速的增加，自旋转岩屑清洗工具的流速比固定式清洗工具的流速提高了1.4倍，对水平段堆积岩屑的冲刷效果更强，清洗效果更好。
(3) 与固定式清洗工具相比，自旋转岩屑清洗工具周向涡流速度提高了63%，增强了对管道壁面的切应力，同时产生大量的涡结构，形成了高强度的涡流区域，这更有利于岩屑的运移及清理。
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