李 斐 魏 來 郝英狀 劉禹銘 郝宙正 路飛飛 鄒書強

1. 中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院, 新疆 烏魯木齊 830011;2. 中國石化縫洞型油藏提高采收率重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830011;3. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司, 天津 300452

0 前言

因巖屑攜帶困難,不斷沉積形成的巖屑床是大斜度、大位移定向井和水平井鉆井施工過程中普遍存在的問題,巖屑床造成的憋泵、蹩鉆等復(fù)雜情況會嚴重影響鉆井安全和鉆進效果,可能帶來較大的經(jīng)濟損失[1-6],必須及時、有效地清除巖屑床。傳統(tǒng)巖屑清除方法主要有:提高鉆桿轉(zhuǎn)速、環(huán)空鉆井液流動速度和改善鉆井液性能及機械清除等[7-13]。但是,受鉆井工具的限制,提高鉆桿轉(zhuǎn)速可能會造成鉆具失效;提高環(huán)空鉆井液流動速度不僅受到鉆井泵功率限制,還會造成對井壁的過度沖刷;改善鉆井液性能需要較高費用,且對巖屑床清除效果的提升很有限;機械清除會加大起下鉆工作量,降低工作效率。

目前,國內(nèi)外學(xué)者提出在鉆桿上增設(shè)螺旋槽道結(jié)構(gòu)的新型水力機械井眼凈化裝置[14-17],槽道結(jié)構(gòu)對鉆井液具有攪動作用,可提高巖屑攜帶能力。陳鋒等人[18]通過在鉆桿外表面布置特殊的螺旋槽道結(jié)構(gòu),研發(fā)了一種高效巖屑床清除工具,并通過數(shù)值仿真揭示了此種結(jié)構(gòu)鉆桿實現(xiàn)巖屑清除的工作原理。余萬順等人[19-20]以三種不同螺旋槽道葉片形狀(螺旋形葉片、V形葉片、直棱形葉片)的巖屑床清除工具為研究對象,研究了不同的葉片形狀對巖屑床清除工具作用效果的影響規(guī)律。結(jié)果表明:三種螺旋槽道葉片形狀均能有效地提高巖屑床的清除效果,但它們的流場特征卻不同,在巖屑床清除效果方面,螺旋形和V形巖屑床清除工具強于直棱形。該作者通過設(shè)計不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋形巖屑床清除工具,進一步研究了葉片長度、高度和葉片數(shù)對巖屑床清除工具作用效果的影響規(guī)律。

對巖屑床清除工具的研究仍處于起步階段,針對螺旋葉片相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)(螺旋槽道長度、螺旋葉片螺距等)的研究較少。本文采用流體動力學(xué)的方法,進一步研究了巖屑床清除工具螺旋槽道相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對其清除性能的影響和規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型

流體運動控制方程主要包括連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程,其通用控制方程為[21]:

(1)

式中:t為時間變量,s;ρ為密度,kg/m3;φ為通用變量,可以代表速度分量u、v、w等求解變量,m/s;V為速度矢量,m/s;Γ為廣義擴散系數(shù);S為廣義源項。式(1)各項分別對應(yīng)于瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項。

Reynolds平均法是目前使用最為廣泛的湍流數(shù)值模擬方法,由于Realizable k-ε湍流模型對強旋流動計算相較于其他幾種湍流模型有較高的精度,本文選用Realizable k-ε湍流模型。

2 數(shù)值計算模型

2.1 幾何模型

巖屑床清除器最為主要的特征之一就是它的螺旋槽道結(jié)構(gòu),它可以改變環(huán)空流場的流動特性,對沉積在井底的巖屑產(chǎn)生更有力的沖刷效果,合理的槽道結(jié)構(gòu)設(shè)計可以在一定程度上把巖屑導(dǎo)向井眼上方。圖1給出了巖屑床清除工具螺旋槽道的結(jié)構(gòu)示意圖,L1代表第一段螺旋槽道的長度,L2代表第二段螺旋槽道的長度,P代表螺距。螺旋槽道的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為:巖屑床清除工具的鉆桿直徑89 mm,葉片數(shù)5,螺旋槽道段最大外徑120 mm,旋轉(zhuǎn)速度60 r/min。此外,井眼直徑165 mm。

圖1 巖屑床清除工具模型圖Fig.1 Cuttings bed remover tool model

2.2 計算區(qū)域及邊界條件

巖屑床清除工具在高速旋轉(zhuǎn)下會帶動螺旋槽道中的流體一起旋轉(zhuǎn)運動。因此,計算區(qū)域劃分為旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域,見圖2。對于旋轉(zhuǎn)區(qū)域的流動,采用多參考系模型(MRF)進行模擬。旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域的流場數(shù)據(jù)通過交界面進行數(shù)據(jù)交換。

邊界條件設(shè)置如下:入口設(shè)為速度入口邊界,大小為0.972 m/s(對應(yīng)的環(huán)空流量為15 L/s,環(huán)空截面面積為 0.015 429 m2);出口設(shè)為壓力出口,表壓為0 Pa;井壁(外壁面)采用無滑移固定壁面條件;鉆桿外表面(內(nèi)壁面)采用旋轉(zhuǎn)壁面邊界,旋轉(zhuǎn)速度為60 r/min。

圖2 計算區(qū)域圖Fig.2 Computational domain

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用四面體及六面體的混合網(wǎng)格類型,表面網(wǎng)格最大尺寸4 mm,最小尺寸0.5 mm。為了準確模擬隨鉆堵漏工具旋流噴嘴壁面附近的附面層流動,劃分了邊界層,其第一層高度為0.1 mm,增長率為1.1,共計12層,網(wǎng)格數(shù)量為 1 200 萬,見圖3。

a)表面網(wǎng)格a)Surface mesh

b)邊界層網(wǎng)格b)Boundary layer mesh

3 計算結(jié)果

計算結(jié)果將從截面速度場、環(huán)空流場兩個方面來闡述清除器周圍的流場。首先,對螺旋槽段的形狀進行了設(shè)計以及比選,之后研究了螺旋槽道段的長度比例以及螺距對巖屑清除器性能的影響。

3.1 螺旋槽道形狀

圖4給出了三種不同螺旋槽道形狀的巖屑床清除工具的結(jié)構(gòu)外形示意圖,分別記為A型-簡單螺旋,B型-雙段螺旋,C型-直楞型螺旋。

圖4 不同巖屑床清除工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of different structuresof cutting bed remover tool

圖5給出了不同巖屑床清除工具不同橫截面的速度分布情況,截面位置見圖1,截面1位于入口端,截面2位于第一段螺旋槽段區(qū)域內(nèi),截面3位于第二段螺旋槽道范圍內(nèi),截面4位于出口端。由圖5可知，來流經(jīng)過螺旋槽段后氣流速度均得到不同程度的增大。

通過對比截面1可知，在相同來流條件下,三種巖屑床清除器入口端的流場分布一致,表明了三種工況計算參數(shù)設(shè)置的一致性。在截面2,B型清除工具的截面流速比A、C型清除工具截面流速低。原因在于:A型結(jié)構(gòu)的第一段螺旋葉片螺距與B型相比更小,對氣流的加速作用更強;而C型結(jié)構(gòu)的螺旋槽道形狀的截面積較小且對流體的阻礙作用小于B型,使得截面的流速更大。對于截面3而言,B型清除工具的截面流速更大,這是由于氣流經(jīng)過第一段螺旋槽道加速,到達第二段螺旋槽道后氣流通過的截面面積改變且受到第二段螺旋葉片的引導(dǎo)作用,速度得到進一步的增大;而A、C型結(jié)構(gòu)由于第一段與第二段螺旋槽道結(jié)構(gòu)相同,截面2與截面3的流速分布一致。對比截面4可知，由于氣流通過面積增大,氣流速度會有一定程度的減小。由于B型結(jié)構(gòu)在截面3處的流速更大,因此在出口端截面4,B型清除工具的截面速度場分布更大。綜上所述,B型-雙段螺旋結(jié)構(gòu)的巖屑床清除工具的性能優(yōu)于A型-簡單螺旋和C型-直楞型螺旋結(jié)構(gòu)的巖屑床清除工具的性能。

3.2 螺旋槽道長度比例

針對性能較好的B型-雙段螺旋結(jié)構(gòu),進一步研究雙段螺旋槽段長度比例對巖屑床清除工具性能的影響。為對比兩段螺旋槽道長度比例對巖屑清除器性能的影響,建立了四種不同長度比例的計算模型,見圖6。最關(guān)注的指標是截面速度場分布,由于截面1與截面2速度場分布的對比性較弱,圖7僅給出了截面3與截面4的速度場對比結(jié)果。由圖7可知，在螺旋槽道總長不變的情況下,增大第二段螺旋槽道的長度,出口端截面4的速度有所增大,當繼續(xù)增大時,出口端截面的速度變化很小。在第二段螺旋槽道長度對出口截面的影響較小的范圍內(nèi),考慮整體螺旋段旋轉(zhuǎn)摩阻越小越好,優(yōu)選L1/L2=1.4的工況。

圖5 不同巖屑床清除工具的截面速度場分布圖Fig.5 Cross section velocity field distribution of different cuttings bed remover tools

圖6 不同螺旋槽道長度比例模型圖Fig.6 Different proportions of spiral channel length

圖7 螺旋槽道長度比例對速度場的影響圖Fig.7 Effect of spiral channel length ratio on velocity field

3.3 第一段螺旋槽道葉片螺距

下面研究螺旋槽段的葉片螺距對雙段螺旋型清除工具性能的影響,設(shè)計了四種第一段螺旋葉片螺距不同的清除工具進行對比分析,見圖8。圖9給出了不同工況下,計算區(qū)域截面2與截面4的速度分布。由圖9可知，第一段螺旋槽道的葉片螺距對巖屑床清除工具的性能影響較小。

圖8 第一段螺旋槽道不同葉片螺距的清除工具對比圖Fig.8 Removers of different pitch of the first spiral channel

3.4 第二段螺旋槽道葉片螺距

圖10給出了四種第二段葉片螺距不同的清除工具結(jié)構(gòu)。其速度場分布見圖11。由圖11可知，第二段螺旋槽道的螺旋型葉片螺距的影響大于第一段。在螺旋葉片數(shù)以及螺旋槽道長度不變的情況下,第二段螺旋槽道的葉片螺距越小,出口截面的速度更大,更有利于巖屑床清除工具的巖屑清除。

圖9 第一段螺旋槽道葉片螺距對速度場的影響圖Fig.9 Effect of different pitch of the first spiral channel on velocity field

圖10 第二段螺旋槽道不同葉片螺距的清除工具結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Removers of different pitch of the second spiral channel

圖11 第二段螺旋槽道葉片螺距對速度場的影響圖Fig.11 Effect of different pitch of the second spiral channel on velocity field

圖12進一步給出了基于Q準則以速度著色的環(huán)空流場的渦量等值面圖。由圖12可知，第二段螺旋槽道的葉片螺距為50 mm時與其他工況對比,鉆桿以及環(huán)空流場產(chǎn)生的渦量更大,更有利于帶動巖屑做旋轉(zhuǎn)運動把巖屑導(dǎo)向井眼上方。

圖12 基于Q-準則的渦量等值面圖Fig.12 Vorticity isosurface map based on Q-criterion

4 結(jié)論

1)螺旋槽道形狀對巖屑清除工具的性能有很大的影響,通過對三種不同螺旋槽道形狀的巖屑清除工具的流場進行對比分析,結(jié)果表明:雙段螺旋型結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)于簡單螺旋和直楞型結(jié)構(gòu)的巖屑清除工具。

2)雙段螺旋槽道結(jié)構(gòu)的巖屑清除工具的性能受兩段螺旋槽道長度比例、第一段以及第二段螺旋葉片的螺距影響。在螺旋槽道總長不變的情況下,適當增大第二段螺旋槽道的長度,有利于提高其性能;第一段螺旋葉片的螺距對巖屑床清除工具的性能影響較小;第二段螺旋葉片的螺距對巖屑床清除工具的性能影響較大,在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提下,螺距越小性能越好。