劉少胡，甘泉泉，羅 霄，姬廣奇

（1.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州434023；2.長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北荊州434023；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）

水平井能夠有效增大油氣儲層的開采面積和提高油氣開采效率，廣泛應(yīng)用于陸上非常規(guī)鉆井和海洋鉆井［1-3］。在水平井鉆井過程中，巖屑堆積成床是影響水平井段延伸的關(guān)鍵因素之一。大量鉆井研究和鉆井實踐表明，水平井斜井段中的巖屑運移機(jī)理與垂直井段的不同，斜井段中巖屑顆粒在重力作用下易沉積在下井壁上，從而形成巖屑床［4-6］。若不及時清除水平井斜井段井眼中的巖屑床，則會導(dǎo)致鉆柱的扭矩增大，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)卡鉆等井下安全事故［7-9］。

針對水平井內(nèi)巖屑運移和井眼清潔等問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。例如：Sneha等評估了使用油基鉆井液和水基鉆井液的井眼清潔效率，得到了2種鉆井液的適用工況［10］；Champion等提出了高功率聲波井筒清潔技術(shù)，并將其用于清除各種形式的井筒堵塞材料［11］；Bilgesu等研究了在水平井和斜井鉆井過程中，鉆井液流速、巖屑尺寸、機(jī)械鉆速、鉆柱轉(zhuǎn)速和井斜角對井眼中巖屑運移、沉降的影響規(guī)律［12］；陸洋陽、鄭鋒、王曉松等研制了不同結(jié)構(gòu)的井眼清潔工具［5，13-14］。上述學(xué)者主要針對巖屑清除方法和巖屑沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，但未針對巖屑床破壞器對井眼的清潔效果以及鉆井過程中鉆柱的摩阻、扭矩等參數(shù)的影響展開研究。因此，有必要對巖屑床破壞器的清潔效果進(jìn)行評價分析。

目前，雖已有巖屑床破壞器投產(chǎn)使用，但使用方案不明確且清潔效果不顯著。為此，筆者擬基于CFD（computational fluid dynamics，計算流體動力學(xué)）技術(shù)，對巖屑床破壞器的清潔機(jī)理進(jìn)行研究，并對比分析巖屑床破壞器使用前后水平井斜井段井眼內(nèi)固定巖屑床的破壞情況。然后，分析不同井斜角、鉆井液排量和鉆柱轉(zhuǎn)速下，巖屑床破壞器對水平井斜井段巖屑床的影響規(guī)律，并對巖屑床破壞器的工況參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。最后，通過現(xiàn)場應(yīng)用來驗證巖屑床破壞器的清潔效果。

1 水平井斜井段巖屑運移數(shù)值計算模型的建立

1.1 巖屑運移理論模型

巖屑在井筒內(nèi)隨鉆井液運移，其中鉆井液為液相，巖屑為固相，兩者形成多相混合流體，其控制方程如下［15-16］。

1）連續(xù)性方程為：

式中：vm為混合流體的平均質(zhì)量流量，kg/s；ρm為混合流體的密度，kg/m3。

2）動量方程為：

式中：p為靜壓力，Pa；ρmg和F分別為單位質(zhì)量混合流體受到的重力和外力，N；g為重力加速度，m/s2；τ為混合流體的應(yīng)力張量，無因次。

式中：μ為鉆井液黏度，Pa·s；I為混合流體的單位張量，無因次。

3）能量守恒方程為：

式中：cp為混合流體的比熱容，J（/kg·K）；u為混合流體的流速，m/s；T為混合流體的溫度，K；k為混合流體的傳熱系數(shù)，W（/m·K）；ST為混合流體內(nèi)熱能及黏性作用下混合流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，J。

1.2 巖屑顆粒運移分析

圖1所示為水平井斜井段中巖屑運移時的受力分析示意圖。假設(shè)鉆井液為單相連續(xù)性流體［17-18］，在水平井斜井段，巖屑運移時受到沉降力Fg、鉆井液舉升力FL、巖屑拖曳力FD、鉆井液壓力梯度力FΔp、鉆柱旋轉(zhuǎn)附加啟動力Fx和摩擦力Ff的影響。

圖1 水平井斜井段中巖屑運移時的受力分析示意圖Fig.1 Diagram of force analysis of cuttings during moving in inclined section of horizontal well

巖屑受到的沉降力為：

式中：d為巖屑當(dāng)量直徑，mm；ρs為巖屑密度，g/cm3；g為重力加速度大小，m/s2；ρf為鉆井液密度，g/cm3。

巖屑受到的鉆井液舉升力為：

式中：CL為舉升系數(shù)，無因次；AL為舉升力作用面積，m2；uf為摩阻流速，m/s。

巖屑受到的巖屑拖曳力為：

式中：CD為拖曳系數(shù)，無因次；AD為流體流動方向上巖屑的投影面積，m2。

巖屑受到的鉆井液壓力梯度力為：

式中：Gp為井眼環(huán)空內(nèi)鉆井液壓力梯度，Pa/m。

巖屑受到的鉆柱旋轉(zhuǎn)附加啟動力為：

式中：vR為鉆柱旋轉(zhuǎn)引起的鉆井液周向流速，m/s。

在水平井斜井段，巖屑床破壞器破壞巖屑床后，為使得巖屑懸浮，需滿足：

式中：θ為井斜角，（°）。

當(dāng)巖屑床被破壞后，巖屑沿井眼環(huán)空運移時需滿足：

1.3 巖屑運移數(shù)值計算流程

巖屑床破壞器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其總長度為10 m，兩端設(shè)有耐磨接頭段，中間設(shè)有破壞棱槽，共5條。巖屑床破壞器工作時通過破壞棱槽的攪拌實現(xiàn)對巖屑床的破壞。為方便運移巖屑和提高巖屑運移速度，在巖屑床破壞器后段設(shè)置螺旋槽。

圖2 巖屑床破壞器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of cuttings bed destroyer

利用CFD軟件對水平井斜井段中的巖屑運移情況進(jìn)行數(shù)值分析，具體流程如圖3所示。首先，根據(jù)鉆井現(xiàn)場A井的井眼軌跡和鉆具組合，按照實際尺寸，利用CAD（computer aided design，計算機(jī)輔助設(shè)計）軟件建立含巖屑床破壞器的井眼環(huán)空三維模型。鑒于井眼直徑為311.15 mm，選用直徑為139.7 mm的鉆桿和巖屑床破壞器；井眼環(huán)空長度為20 m，巖屑床破壞器偏心放置，偏心距為31.75 mm。然后，對所建立的含巖屑床破壞器的井眼環(huán)空三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于靠近巖屑床破壞器外壁和套管內(nèi)壁處巖屑顆粒運移復(fù)雜，容易導(dǎo)致計算結(jié)果不收斂，對壁面處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化（如圖4所示）。采用滑移網(wǎng)格定義巖屑床破壞器和鉆桿區(qū)域的旋轉(zhuǎn)運動；進(jìn)出口邊界分別設(shè)置為速度入口和壓力出口，出口壓力按井深3 000 m處的壓力進(jìn)行設(shè)定。通過分析巖屑在水平井斜井段井眼環(huán)空內(nèi)的流動狀態(tài)以及井眼環(huán)空內(nèi)流體介質(zhì)的流相屬性，確定多相流模型為Eulerain模型，控制模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型［19］。完成邊界條件設(shè)置后，對水平井斜井段中的巖屑運移情況進(jìn)行數(shù)值分析。

圖3 水平井斜井段中巖屑運移情況數(shù)值分析流程Fig.3 Numerical analysis process of cuttings migration in inclined section of horizontal well

圖4 含巖屑床破壞器的井眼環(huán)空三維模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing of three-dimensional model of wellbore annulus with cuttings bed destroyer

2 巖屑床破壞器使用前后井眼環(huán)空內(nèi)巖屑分布對比分析

圖5為巖屑床破壞器使用前后井眼環(huán)空內(nèi)不同截面處的巖屑分布對比。從圖5中可以看出，在使用巖屑床破壞器前，井眼環(huán)空底層出現(xiàn)巖屑堆積，部分位置的巖屑體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了60%；在使用巖屑床破壞器后，井眼環(huán)空內(nèi)巖屑的含量大幅減小，巖屑最大體積分?jǐn)?shù)小于18%。由此可見巖屑床破壞器對巖屑床的破壞效果非常明顯，這是因為巖屑床破壞器在隨鉆柱轉(zhuǎn)動時，其破壞棱槽攪動巖屑床并將其破壞，同時棱槽的存在使得流過的鉆井液產(chǎn)生紊流，在水力和機(jī)械的雙效作用下破壞巖屑床，并阻止巖屑沉降。

圖5 巖屑床破壞器使用前后井眼環(huán)空內(nèi)不同截面處的巖屑分布對比Fig.5 Comparison of cuttings distribution at different section in wellbore annulus before and after the use of cuttings bed destroyer

以井眼環(huán)空三維模型的幾何中心為原點，軸向為x方向，建立直角坐標(biāo)系。巖屑床破壞器使用前后井眼環(huán)空軸向上巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)對比（取巖屑床破壞器所在位置附近）如圖6所示。由圖6可以看出，在使用巖屑床破壞器前，井眼環(huán)空內(nèi)巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)為35%～45%，在使用巖屑床破壞器后，井眼環(huán)空內(nèi)巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)均低于使用前，基本為10%～15%。通過對比發(fā)現(xiàn)，使用巖屑床破壞器后，井眼環(huán)空內(nèi)巖屑最大體積分?jǐn)?shù)約降低了25%～30%，說明巖屑床破壞器的清潔效果非常明顯。

3 巖屑床破壞器對巖屑床的影響規(guī)律分析

根據(jù)現(xiàn)場鉆井?dāng)?shù)據(jù)可知，巖屑床破壞器的敏感性工況參數(shù)——井斜角、鉆井液排量和鉆柱轉(zhuǎn)速對巖屑床的影響較大。

3.1 巖屑床破壞器影響規(guī)律數(shù)值分析

3.1.1 不同井斜角下巖屑床破壞器的影響規(guī)律

由A井的現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，巖屑沉積主要發(fā)生在水平井段和斜井段。為進(jìn)一步分析不同井斜角下巖屑床破壞器對巖屑床的影響規(guī)律，取不同的井斜角（15°，30°，45°，60°，75°和90°），其余邊界條件相同，對巖屑床破壞器的使用效果進(jìn)行數(shù)值分析。

圖6 巖屑床破壞器使用前后井眼環(huán)空軸向上巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)對比Fig.6 Comparison of maximum volume fraction of cuttings in axis direction of wellbore annulus before and after the use of cuttings bed destroyer

圖7為不同井斜角下井眼環(huán)空的壓耗。從圖7可以看出，隨著井斜角的增大，井眼環(huán)空的壓耗逐漸減小；當(dāng)井斜角為90°（即水平井水平段），井眼環(huán)空的壓耗最小，為4 kPa。這是因為隨著井斜角的增大，井眼環(huán)空內(nèi)鉆井液位能提升損耗逐漸減小，使得井眼環(huán)空的壓耗減小。

圖7 不同井斜角下井眼環(huán)空的壓耗Fig.7 Pressure loss of wellbore annulus under different well angles

不同井斜角下巖屑均主要分布在井眼下方且分布趨勢相同，但巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)和巖屑床高度不同。圖8為不同井斜角下井眼環(huán)空內(nèi)巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)和巖屑床高度。從圖8中可以看出，不同井斜角下井眼環(huán)空內(nèi)巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)呈“駝峰”狀分布；當(dāng)井斜角為15°～45°時，巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)和巖屑床高度逐漸增大；當(dāng)井斜角為60°時，巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)為45%，巖屑床高度為28.17 mm，此時巖屑易滑移形成巖屑床，造成井眼堵塞；當(dāng)井斜角大于60°時，巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)有一定的減小，尤其是當(dāng)井斜角大于75°時，巖屑在重力作用下堆積成床，使得巖屑床高度隨著井斜角的增大而增大，此時由于巖屑床形成，巖屑的體積分?jǐn)?shù)減小。

圖8 不同井斜角下井眼環(huán)空內(nèi)巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)和巖屑床高度Fig.8 Maximum volume fraction of cuttings and cuttings bed height in wellbore annulus under different well angles

3.1.2 不同鉆井液排量下巖屑床破壞器的影響規(guī)律

由A井的現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，鉆井液環(huán)空返速為0.97 m/s，對應(yīng)的排量V=56.7 L/min。為進(jìn)一步分析不同鉆井液排量下巖屑床破壞器對巖屑床的影響規(guī)律，取不同的鉆井液排量（V=50，55，60，65和70 L/min），其余邊界條件相同，對巖屑床破壞器的使用效果進(jìn)行數(shù)值分析。

圖9為不同鉆井液排量下井眼環(huán)空內(nèi)同一截面處巖屑的分布情況。從圖9中可以看出，當(dāng)鉆井液排量較小時，巖屑主要集中在巖屑床破壞器左下方；隨著鉆井液排量增大，巖屑從巖屑床破壞器左下方沿破壞棱槽轉(zhuǎn)移到其右下方。當(dāng)鉆井液排量V=50，55 L/min時，井眼環(huán)空內(nèi)巖屑的體積分?jǐn)?shù)最大，最大值為25%；當(dāng)鉆井液排量V＞60 L/min時，井眼環(huán)空內(nèi)巖屑的體積分?jǐn)?shù)稍有減小。

圖9 不同鉆井液排量下井眼環(huán)空內(nèi)同一截面處的巖屑分布Fig.9 Distribution of cuttings at the same section of wellbore annulus under different drilling fluid displacements

由圖10所示的不同鉆井液排量下井眼環(huán)空內(nèi)巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)可知，隨著鉆井液排量的增大，巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)近似直線減小，即鉆井液排量的增大能有效減小井眼環(huán)空內(nèi)巖屑的體積分?jǐn)?shù)，這是因為隨著鉆井液排量的增大，鉆井液流速增大，由于巖屑顆粒所受的拖曳力與鉆井液流速的平方成正比，巖屑所受拖曳力增大，利于巖屑運移。同時，由圖10所示的不同鉆井液排量下的巖屑床高度可知，當(dāng)鉆井液排量為50～70 L/min時，巖屑床高度逐漸減小，這也說明鉆井液排量的增大有利于減少井筒內(nèi)巖屑的沉積。

3.1.3 不同鉆柱轉(zhuǎn)速下巖屑床破壞器的影響規(guī)律

為進(jìn)一步分析不同鉆柱轉(zhuǎn)速下巖屑床破壞器對巖屑床的影響規(guī)律，取不同鉆柱轉(zhuǎn)速（110，115，120，125和130 r/min），其余邊界條件相同，對巖屑床破壞器的使用效果進(jìn)行數(shù)值分析。

不同鉆柱轉(zhuǎn)速下巖屑沉積位置隨鉆柱轉(zhuǎn)動偏心分布且分布趨勢相同，但巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)和巖屑床高度不同。圖11所示為不同鉆柱轉(zhuǎn)速下井眼環(huán)空內(nèi)巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)和巖屑床高度。從圖11中可以看出，當(dāng)鉆柱轉(zhuǎn)速低于115 r/min時，巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)和巖屑床高度均較大，這是因為當(dāng)鉆柱轉(zhuǎn)速較低時，巖屑床破壞器的旋轉(zhuǎn)附加啟動力較小，對巖屑顆粒運移的影響不足；隨著鉆柱轉(zhuǎn)速的增大，巖屑床破壞器的旋轉(zhuǎn)附加啟動力增大，提高了巖屑的運移速率；當(dāng)鉆柱轉(zhuǎn)速為115～125 r/min時，巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)總體呈下降趨勢；當(dāng)鉆柱轉(zhuǎn)速為125 r/min時，巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)最小，巖屑床高度約為32 mm，趨于穩(wěn)定。由此可知當(dāng)鉆柱轉(zhuǎn)速超過115 r/min后，巖屑床高度的變化較小。

圖10 不同鉆井液排量下井眼環(huán)空內(nèi)巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)和巖屑床高度Fig.10 Maximum volume fraction of cuttings and cuttings bed height in wellbore annulus under different drilling fluid displacements

圖11 不同鉆柱轉(zhuǎn)速下井眼環(huán)空內(nèi)巖屑的最大體積分?jǐn)?shù)和巖屑床高度Fig.11 Maximum volume fraction of cuttings and cuttings bed height in wellbore annulus under different drill string rotation speeds

3.2 巖屑床破壞器使用實例分析

DS1井為水平井，其井深為4 223 m（垂深為1 332 m），最大井斜角為89°，其中直徑為311.5 mm的井眼的井深為2 600 m，最大井斜角為82°，其井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表1所示。鉆井時，機(jī)械鉆速為27 m/h，鉆井液排量為3 600 L/min。現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示，該井水平井段的巖屑體積分?jǐn)?shù)大于19%，巖屑床高度大于6.35 mm，需使用巖屑床破壞器進(jìn)行清潔。巖屑床破壞器的安裝方案為：在加重鉆柱后安裝第1個巖屑床破壞器，之后每隔15根鉆柱安裝1個巖屑床破壞器，共安裝6個。

表1 DS1井井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 1 Well body structure data of DS1 well

圖12為巖屑床破壞器使用前后井口處鉆柱懸重和扭矩對比。從圖12中可以看出，在使用巖屑床破壞器后，各工況下井口處鉆柱懸重的變化量不大于0.59 t；鉆進(jìn)扭矩和旋轉(zhuǎn)扭矩分別減小了3.3%和1.2%。這是因為在使用巖屑床破壞器后，井底的巖屑床高度減小，使得鉆柱與巖屑床的接觸摩擦面積減小，從而導(dǎo)致鉆柱扭矩小幅度減小。

圖12 巖屑床破壞器使用前后鉆柱懸重和扭矩對比Fig.12 Comparison of suspended weight and torque of drill string before and after the use of cuttings bed destroyer

以巖屑床破壞器使用前的井口巖屑返出量為參考，即設(shè)第1次收集的井口巖屑返出量為單位1，第2次和第3次收集的巖屑返出量為使用巖屑床破壞器后的。對比巖屑床破壞器使用前后井口巖屑返出量（見圖13）發(fā)現(xiàn)，使用巖屑床破壞器后巖屑返出量明顯增加：第2次和第3次收集的巖屑量分別為第1次收集的3.9倍和1.8倍，這說明巖屑床破壞器有效破壞了前期已形成的巖屑床，同時預(yù)防了新巖屑床的生成。

圖13 巖屑床破壞器使用前后巖屑返出量對比Fig.13 Comparison of cuttings returned amount before and after the use of cuttings bed destroyer

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，巖屑床破壞器能夠有效破壞堆積在井底的巖屑床，提高巖屑返出量和清潔井眼；巖屑床破壞器可直接安裝在鉆具中且不會產(chǎn)生額外扭矩，鉆進(jìn)期間能有效減少憋泵、蹩扭現(xiàn)象發(fā)生，提高起鉆和下鉆作業(yè)的效率，保證鉆井作業(yè)的連續(xù)性。

4 結(jié) 論

1）通過分析巖屑床破壞器對水平井斜井段巖屑床的影響規(guī)律，得到了斜井段巖屑床被破壞后巖屑沿井眼環(huán)空運移時的力學(xué)關(guān)系。

2）在對巖屑床破壞器使用效果進(jìn)行數(shù)值分析時，在井眼中設(shè)置了固定巖屑床，得到的結(jié)果比其他文獻(xiàn)更加接近實際。結(jié)果表明當(dāng)井斜角大于45°，鉆井液排量大于60 L/min和鉆柱轉(zhuǎn)速為115～125 r/min時，巖屑床破壞器的清潔效果最佳。

3）由巖屑床破壞器的現(xiàn)場應(yīng)用試驗結(jié)果可知：使用巖屑床破壞器后，井口巖屑返出量最大提高了3.9倍，表明巖屑床破壞器的清潔效果非常明顯；同時巖屑床破壞器對正常鉆井時鉆柱懸重的影響很小，且鉆柱扭矩小幅下降，實現(xiàn)了降摩減扭，可有效提高鉆井效率和預(yù)防鉆井時由于巖屑堆積造成的卡鉆事故。