岩屑床破坏器清岩效果评价与结构优化设计

彭硕 黄文君 高德利

彭硕,黄文君,高德利. 岩屑床破坏器清岩效果评价与结构优化设计[J]. 石油钻采工艺,2022,44(3):276-282 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.002
引用本文: 彭硕,黄文君,高德利. 岩屑床破坏器清岩效果评价与结构优化设计[J]. 石油钻采工艺,2022,44(3):276-282 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.002
PENG Shuo, HUANG Wenjun, GAO Deli. Evaluation of rock-clearing effect and structure optimization design of cuttings bed breaker[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(3): 276-282 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.002
Citation: PENG Shuo, HUANG Wenjun, GAO Deli. Evaluation of rock-clearing effect and structure optimization design of cuttings bed breaker[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(3): 276-282 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.002

岩屑床破坏器清岩效果评价与结构优化设计

doi: 10.13639/j.odpt.2022.03.002
基金项目: 国家自然科学基金优秀青年科学基金“油气井管柱力学与工程”(编号:52222401);国家自然科学基金青年基金“旋转钻柱动力屈曲临界条件与后屈曲蛇形摆动和螺旋涡动行为研究”(编号:51904317);中国石油大学(北京)科研启动基金“长水平段钻柱动态摩阻扭矩计算模型与振动减阻技术研究”(编号:ZX20180414)
详细信息
    作者简介:

    彭硕(1998-),在读硕士研究生,研究方向为油气井管柱力学。通讯地址:(102249)北京市昌平区府学路18号中国石油大学(北京)。E-mail:18438589799@163.com

    通讯作者:

    黄文君(1986-),2009年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业,研究方向为油气井管柱力学。通讯地址:(102249)北京市昌平区府学路18号中国石油大学(北京)。E-mail:huangwenjun1986@126.com

  • 中图分类号: TE921+.2

Evaluation of rock-clearing effect and structure optimization design of cuttings bed breaker

  • 摘要: 在大位移井、长水平井钻进过程中,破碎的岩屑容易在井筒环空低边堆积形成岩屑床,易导致钻杆屈曲、钻具摩阻和扭矩增大、当量循环密度异常甚至出现卡钻事故。岩屑床破坏器可有效搅动沉积的岩屑床,提高井眼清洁效果。以岩屑床破坏器为研究对象,开展了清岩效果定量评价与结构优化设计研究。通过计算流体动力学揭示了岩屑床破坏器的清岩机理,建立了一套岩屑床破坏器清岩效果评估方法,并利用该方法对3种典型岩屑床破坏器的清岩效果进行了量化评估,确定了清岩效果最优的叶片结构,分析了该叶片结构参数对清岩效果的影响规律,进而优化了结构参数。研究表明:在3种类型叶片结构中,反螺旋形叶片岩屑床破坏器清岩效果最佳,通过增加螺旋角度和优选叶片数目可明显提高其清岩效果。该研究为岩屑床破坏器的结构优化设计提供了理论基础。
  • 图  1  直棱形叶片岩屑床破坏器

    Figure  1.  Cuttings bed breaker with right prismatic blade

    图  2  螺旋形叶片岩屑床破坏器

    Figure  2.  Cuttings bed breaker with spiral blade

    图  3  V形叶片岩屑床破坏器[17]

    Figure  3.  Cuttings bed breaker with V-shaped blade[17]

    图  4  环空流体流线图

    Figure  4.  Streamline of annular fluid

    图  5  水平井环空岩屑运移图

    Figure  5.  Migration map of the circular cuttings in horizontal well

    图  6  V形叶片岩屑床破坏器

    Figure  6.  Cuttings bed breaker with V-shaped blade

    图  7  不同转速时岩屑床破坏器清洁度

    Figure  7.  Cleanliness of cuttings bed breaker at different rotational speeds

    图  8  不同钻井液排量时岩屑床破坏器清洁度

    Figure  8.  Cleanliness of cuttings bed breaker at different drilling fluid flow rates

    图  9  不同机械钻速时岩屑床破坏器清洁度

    Figure  9.  Cleanliness of cuttings bed breaker at different rates of penetration

    图  10  4种结构岩屑床破坏器结构示意图

    Figure  10.  Schematic diagram of the cuttings bed breakers with four types of structures

    图  11  4种结构岩屑床破坏器周围钻井液横向速度(x=1.75 m)

    Figure  11.  Lateral velocity of drilling fluid around the cuttings bed breakers with four types of structures (x=1.75 m)

    图  12  4种结构岩屑床破坏器周围钻井液的平均横向速度

    Figure  12.  Average lateral velocity of drilling fluid around cuttings bed breakers with types of four structures

    图  13  4种岩屑床破坏器的清洁度

    Figure  13.  Cleanliness of cuttings bed breakers with 4 types of structures

    图  14  不同反螺旋角度叶片

    Figure  14.  Blades with different reverse helix angles

    图  15  不同螺旋角度叶片岩屑床破坏器清洁度

    Figure  15.  Cleanliness of cuttings bed breaker with blades in different helical angles

    图  16  不同叶片数时岩屑床破坏器清洁度

    Figure  16.  Cleanliness of cuttings bed breaker with different number of blades

    表  1  岩屑床破坏器清岩效果模拟参数

    Table  1.   Simulation parameters for rock-clearing effect of cuttings bed breaker

    参数数值参数数值
    井眼直径/mm215.9机械钻速/(m · h−1)40
    钻杆直径/mm139.7钻杆转速/(r · min−1)120
    井筒长度/m2岩屑密度/(kg · m−3)2500
    岩屑直径/mm1钻井液表观黏度/(mPa · s)40
    排量/(L · s−1)35钻井液密度/(kg · m−3)1125
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出版历程
  • 修回日期:  2022-03-05
  • 网络出版日期:  2022-09-26

岩屑床破坏器清岩效果评价与结构优化设计

doi: 10.13639/j.odpt.2022.03.002
    基金项目:  国家自然科学基金优秀青年科学基金“油气井管柱力学与工程”(编号:52222401);国家自然科学基金青年基金“旋转钻柱动力屈曲临界条件与后屈曲蛇形摆动和螺旋涡动行为研究”(编号:51904317);中国石油大学(北京)科研启动基金“长水平段钻柱动态摩阻扭矩计算模型与振动减阻技术研究”(编号:ZX20180414)
    作者简介:

    彭硕(1998-),在读硕士研究生,研究方向为油气井管柱力学。通讯地址:(102249)北京市昌平区府学路18号中国石油大学(北京)。E-mail:18438589799@163.com

    通讯作者: 黄文君(1986-),2009年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业,研究方向为油气井管柱力学。通讯地址:(102249)北京市昌平区府学路18号中国石油大学(北京)。E-mail:huangwenjun1986@126.com
  • 中图分类号: TE921+.2

摘要: 在大位移井、长水平井钻进过程中,破碎的岩屑容易在井筒环空低边堆积形成岩屑床,易导致钻杆屈曲、钻具摩阻和扭矩增大、当量循环密度异常甚至出现卡钻事故。岩屑床破坏器可有效搅动沉积的岩屑床,提高井眼清洁效果。以岩屑床破坏器为研究对象,开展了清岩效果定量评价与结构优化设计研究。通过计算流体动力学揭示了岩屑床破坏器的清岩机理,建立了一套岩屑床破坏器清岩效果评估方法,并利用该方法对3种典型岩屑床破坏器的清岩效果进行了量化评估,确定了清岩效果最优的叶片结构,分析了该叶片结构参数对清岩效果的影响规律,进而优化了结构参数。研究表明:在3种类型叶片结构中,反螺旋形叶片岩屑床破坏器清岩效果最佳,通过增加螺旋角度和优选叶片数目可明显提高其清岩效果。该研究为岩屑床破坏器的结构优化设计提供了理论基础。

English Abstract

彭硕,黄文君,高德利. 岩屑床破坏器清岩效果评价与结构优化设计[J]. 石油钻采工艺,2022,44(3):276-282 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.002
引用本文: 彭硕,黄文君,高德利. 岩屑床破坏器清岩效果评价与结构优化设计[J]. 石油钻采工艺,2022,44(3):276-282 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.002
PENG Shuo, HUANG Wenjun, GAO Deli. Evaluation of rock-clearing effect and structure optimization design of cuttings bed breaker[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(3): 276-282 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.002
Citation: PENG Shuo, HUANG Wenjun, GAO Deli. Evaluation of rock-clearing effect and structure optimization design of cuttings bed breaker[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(3): 276-282 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.002
    • 在大位移井、水平井钻进过程中,岩屑在重力作用下不断沉积形成岩屑床,岩屑床的存在会导致一些井下复杂发生,如钻具摩阻和扭矩增大、高当量循环密度钻井液易压漏地层、机械钻速明显降低等,这些严重制约着作业安全和钻井效率[1-2]

      目前,清理岩屑床主要措施包括提高排量、提高转速、改善钻井液性能、采用岩屑清除工具等[2-5]。岩屑床破坏器作为一种可有效提高井眼内岩屑输送效率的工具,不但能够对已经形成的岩屑床进行破坏,而且能及时将岩屑从井筒环空中输送出去[6-7]。Puymbroeck[8-9]发明了一种具有双螺旋槽道的岩屑床破坏器(Hydroclean TM),该工具清除岩屑床效果良好。Boulet等[10]研制了具有水力清洁区和水力承载区两种槽道结构的井眼清洁工具,并对其水力清洁效果进行了模拟。纪国栋等[11-12]设计了3种不同结构的岩屑清除工具,针对工具的螺旋角、转速等参数对钻井液湍流强度的影响进行了研究。耿燕等[13]对V形叶片进行计算流体动力学模拟,研究了叶片高度、转折角以及螺旋角等结构参数对工具携岩效果的影响规律。以上学者对岩屑床破坏器清岩效果研究大多属于半定量半定性研究,尚未形成一套清岩效果定量评价方法。笔者应用计算流体动力学研究了叶片结构对于工具清岩效果的影响规律,并提出了一种岩屑床破坏器清洁效果定量评价指标,利用该指标开展了叶片结构优选与参数优化研究。

    • Swielik[15]设计了一种直棱形叶片岩屑床破坏器,如图1所示。该工具两端有公接头、母接头,与钻杆相连接,在钻杆本体上设置有直棱形叶片和条状凹槽。工具随钻杆转动过程中,直棱叶片对钻井液有推进作用,钻井液在工具一侧向环空上部运动,对岩屑颗粒形成向上的推力,从而减缓了颗粒沉降;钻井液在另一侧向环空低边运动,加速了钻井液和岩屑向下运动,对环空低边处的岩屑床表面的岩屑颗粒起到冲击作用,促使岩屑颗粒脱离岩屑床层上表面进入悬浮层。

      图  1  直棱形叶片岩屑床破坏器

      Figure 1.  Cuttings bed breaker with right prismatic blade

    • Tzallas等[16]设计了一种螺旋形叶片岩屑床破坏器,如图2所示,该工具本体上安置有3条螺旋叶片,每条叶片沿圆周延伸120°,3条叶片可覆盖360°的清洁区域。叶片表面安装有可伸缩的清洁元件,可以将大岩屑颗粒研磨破碎形成细小颗粒,岩屑床破坏器工作时,螺旋形叶片对岩屑床起到搅动作用,同时对于钻井液施加轴向上的分力,提高钻井液轴向上流速,达到更好的清洁效果。

      图  2  螺旋形叶片岩屑床破坏器

      Figure 2.  Cuttings bed breaker with spiral blade

    • Halliburton公司在1999年研制了Cuttings Bed Impeller (CBI)工具(图3),该工具主要包括V形叶片、V形槽道和过渡剖面段。V形槽处环空截面积最小,钻井液流速最大,对沉降在环空底部的岩屑床起到冲刷作用。V形叶片的旋转会提高周围钻井液的轴向和切向速度,显著增加此处流场的紊流程度,有利于产生能量较大的漩涡,从而将岩屑卷入槽道中进而进入悬浮层。

      图  3  V形叶片岩屑床破坏器[17]

      Figure 3.  Cuttings bed breaker with V-shaped blade[17]

    • 在钻井过程中,岩屑在重力作用下逐渐向井眼低边沉降,形成岩屑床。根据岩屑运移状态,整个井眼环空可分成3层,即悬浮层、扩散层与固定层[18]。固定层中岩屑静止躺在下井壁,很难跃移到上层高速区流场中,是导致井眼不清洁的最重要原因。

      在岩屑破坏器本体通常有一定几何形状的螺旋槽道或者不同几何形状的叶片,本体两端通过螺纹接头与钻杆相连接。在钻进过程中,岩屑破坏器随着钻杆一起旋转,环空中钻井液流经螺旋槽道和叶片时产生围绕井筒轴线方向的螺旋流(图4)。岩屑床破坏器的旋转会对环空流场造成扰动,显著提高工具周围钻井液流体的湍流强度,沉积在环空低边的岩屑床受到冲击,搅动表面岩屑颗粒脱离岩屑床,通过扩散层运动到悬浮层(图5),从而大幅度提高钻井液携带岩屑的能力,降低岩屑床厚度。

      图  4  环空流体流线图

      Figure 4.  Streamline of annular fluid

      图  5  水平井环空岩屑运移图

      Figure 5.  Migration map of the circular cuttings in horizontal well

    • 以往对于岩屑床破坏器研究,多是通过井筒中岩屑分布、环空中流场流速等物理量的变化来侧面反映其清岩效果[19-21],缺少直接衡量岩屑床破坏器清岩能力的指标。为了评价岩屑床破坏器的清洁效果以及不同结构参数对岩屑床破坏器性能的影响,利用计算流体动力学方法对其工作时的固液两相流场进行数值模拟,进而提出了一个新的无量纲指标来量化岩屑床破坏器的清岩效果,并定义为清洁度。

      $$ Q = \frac{{\displaystyle\iint {\dfrac{1}{c}{v_2}{\rm{d}}A}}}{{\displaystyle\iint {{v_1}{\rm{d}}A}}} $$ (1)

      式中,Q为清洁度,无因次;$ c $为岩屑体积分数,无因次;v1为钻井液与岩屑混合后速度轴向分量,m/s;v2为流体与岩屑在环空中混合后垂直于轴线的速度分量,即横向分量,m/s;A为环空截面积,m2,如图6(a)所示。

      图  6  V形叶片岩屑床破坏器

      Figure 6.  Cuttings bed breaker with V-shaped blade

      根据式(1)可知,当岩屑床搅动效应比较显著时,横向速度越大,则清洁度越高;当破岩速率较小时,井眼内岩屑质量分数较小,则清洁度也越高。这些规律都是合理的,因此Q可作为评价岩屑床破坏器清岩效果的指标。

      笔者设计了一种V形叶片岩屑床破坏器,该工具的结构模型如图6(b)所示。其中V形叶片最大外径180 mm,叶片高度20.15 mm,叶片V形转折角为170°,叶片区域轴向长度为1 000 mm,4条叶片均匀环绕在工具本体一周。

      采用欧拉双流体模型结合动网格技术、Realizable k-ε湍流模型,研究岩屑床破坏器旋转运动对水平井段环空固液两相流动的影响规律。对岩屑床破坏器最核心位置的V形叶片段与井眼之间的环空流场进行数值模拟,进出口边界条件设为速度入口和压力出口,钻井液与均匀分散的岩屑两相流从入口进入环空,井眼壁面采用无滑移壁面,岩屑床破坏器的旋转通过动网格技术模拟,相关模拟参数的取值见表1

      表 1  岩屑床破坏器清岩效果模拟参数

      Table 1.  Simulation parameters for rock-clearing effect of cuttings bed breaker

      参数数值参数数值
      井眼直径/mm215.9机械钻速/(m · h−1)40
      钻杆直径/mm139.7钻杆转速/(r · min−1)120
      井筒长度/m2岩屑密度/(kg · m−3)2500
      岩屑直径/mm1钻井液表观黏度/(mPa · s)40
      排量/(L · s−1)35钻井液密度/(kg · m−3)1125
    • 在岩屑床破坏器旋转过程中,钻井液可以获得工具的机械能,岩屑床破坏器转速的提高可以增加钻井液的切向动能,提高工具周围的紊流强度[22]。机械钻速为40 m/h,通过改变转速进行数值模拟计算,得到不同转速时清洁度。计算结果见图7

      图  7  不同转速时岩屑床破坏器清洁度

      Figure 7.  Cleanliness of cuttings bed breaker at different rotational speeds

      图7可以看出,改变转速对工具清洁度影响比较明显,在相同轴向距离处,岩屑床破坏器清岩能力随着转速增加而增加,随着转速增加,岩屑床破坏器在相同轴向距离处的清洁度呈线性增加,且转速越大,清洁度衰减曲线表现越好。可以认为,提高钻杆转速可以改善岩屑床破坏器的清岩能力。

    • 保持其他模拟参数不变,环空中钻井液排量分别为25、35、45 L/s,观察不同钻井液排量情况下,岩屑床破坏器清岩效果的变化规律,如图8所示。

      图  8  不同钻井液排量时岩屑床破坏器清洁度

      Figure 8.  Cleanliness of cuttings bed breaker at different drilling fluid flow rates

      图8可知,排量越大,即环空入口流速越大,环空中流体湍流强度增加,钻井液携岩能力增强,更多的岩屑颗粒克服重力从岩屑床层上升到悬浮层,岩屑床破坏器清洁效果更好。随着钻井液排量增加,岩屑床破坏器清洁度逐渐降低,当钻井液排量在35 L/s左右时,继续增加钻井液排量对于岩屑床破坏器的清岩效果影响不大,轴向方向清洁度衰减的趋势逐渐减缓。结果表明,提高钻井液排量有助于增强岩屑床破坏器的清洁度和影响范围,但由于对清洁度增益有限,且易造成井壁冲蚀等问题,不宜持续增大排量。

    • 保持其他模拟参数不变,只改变环空中机械钻速,观察不同机械钻速情况下,岩屑床破坏器清岩效果的变化规律,如图9所示。

      图  9  不同机械钻速时岩屑床破坏器清洁度

      Figure 9.  Cleanliness of cuttings bed breaker at different rates of penetration

      图9可知,随着机械钻速增加,岩屑床破坏器的清岩能力逐渐变差,这是由于机械钻速的提高使得进入环空中的岩屑质量分数增加,在相同时间内钻井液需要将更多的岩屑携带出环空,不利于岩屑床破坏器对于井眼的清洁,从而影响了工具的清洁效果。

    • 为了研究叶片形状对于岩屑床破坏器清岩效果的影响,对4种叶片结构岩屑床破坏器进行三维几何建模,如图10所示,4种叶片轴向长度均为1 000 mm,工具本体内径为139.7 mm,叶片外径180 mm,通过计算流体动力学软件进行数值模拟分析,模拟了转速为120 r/min时的环空流场变化规律,根据右手法则,叶片的旋转轴方向为x方向,这也与实际钻井作业中钻杆的旋转方向一致。同时,定义当叶片方向为顺时针时,叶片为正叶片,且螺旋角为正,反之,螺旋角为负。

      图  10  4种结构岩屑床破坏器结构示意图

      Figure 10.  Schematic diagram of the cuttings bed breakers with four types of structures

      图11为岩屑床破坏器周围横向速度云图,可以看出,反螺旋形叶片周围的横向速度最大,其次是V形叶片、直棱形叶片、正螺旋形叶片,即反螺旋形叶片岩屑床破坏器的作用效果较好。

      图  11  4种结构岩屑床破坏器周围钻井液横向速度(x=1.75 m)

      Figure 11.  Lateral velocity of drilling fluid around the cuttings bed breakers with four types of structures (x=1.75 m)

      图12可知,钻井液流经以上4种工具时的横向速度均呈现先增加后减少的趋势,其中V形与正螺旋形叶片岩屑床破坏器的横向速度变化曲线在叶片前半段保持一致,这是由于两种工具前半段结构一致。V形叶片岩屑床破坏器横向速度变化曲线在后半段明显上升,这是由于V形叶片螺旋方向的改变增加了周围流场的紊流程度,且反螺旋形相对正螺旋形叶片对流场扰动效果更好。

      图  12  4种结构岩屑床破坏器周围钻井液的平均横向速度

      Figure 12.  Average lateral velocity of drilling fluid around cuttings bed breakers with types of four structures

      对4种叶片岩屑床破坏器的清洁度进行了计算,结果如图13所示。

      图  13  4种岩屑床破坏器的清洁度

      Figure 13.  Cleanliness of cuttings bed breakers with 4 types of structures

      图13可见,相比直棱形叶片岩屑床破坏器,叶片的旋转角度和方向对于清洁度有显著影响,其中反螺旋形叶片岩屑床破坏器的清岩效果最好,其次是V形叶片和直棱形叶片,正螺旋形叶片的清洁效果最差,这是由于钻井液流经叶片段时,在岩屑床破坏器的旋转作用下,钻井液偏离轴线。在转速不变时,随着螺旋角度由正变化到0,再到反螺旋,钻井液流动方向与环空横截面的夹角依次减小,即增大了钻井液流动时的横向速度,加强了对于底部岩屑床的冲刷作用,因此,采用反螺旋形岩屑床破坏器。

    • 针对反螺旋形岩屑床破坏器进行结构参数敏感性分析,叶片几何参数主要包括叶片高度、螺旋角度、数量和长度等,受井下复杂环境限制,叶片尺寸一般不宜设计太大,统一采用高度为20.15 mm、轴向长度为1 000 mm叶片,4条叶片均匀分布在工具本体上。针对叶片螺旋角度和数目进行结构参数优化,建立了7种螺旋角度螺旋形叶片,螺旋角度分别为−5°、−10°、−15°、−20°、−25°、−30°(图14)。

      图  14  不同反螺旋角度叶片

      Figure 14.  Blades with different reverse helix angles

      不同螺旋角度叶片岩屑床破坏器清洁度沿轴向分布情况如图15所示,可以看出,随着叶片螺旋角度增大,清洁度随之增加。

      图  15  不同螺旋角度叶片岩屑床破坏器清洁度

      Figure 15.  Cleanliness of cuttings bed breaker with blades in different helical angles

      保持模拟参数不改变,调整螺旋角度为−30°的岩屑床破坏器叶片数目为2~6条,进行数值模拟,以分析叶片数目对于岩屑床破坏器清岩效果的影响,计算结果如图16所示。

      图  16  不同叶片数时岩屑床破坏器清洁度

      Figure 16.  Cleanliness of cuttings bed breaker with different number of blades

      图16可知,叶片数只有2条时,清洁度较低,叶片数3~6条时,增加叶片数可以提高工具清洁度,但叶片数对于岩屑床破坏器清岩能力增大较弱,在叶片数大于5条时,继续增加叶片数,工具清洁能力不会有显著提高,且工具叶片数过多可能会造成局部压力损耗过大问题。因此,建议采用5条叶片为宜。

    • (1)岩屑床破坏器清岩效果受到转速、排量和机械钻速等钻井参数的影响,随着转速和排量的增加而提高,随机械钻速的增加而降低,因此,建议在合理范围内适当增加钻杆转速和排量以提高岩屑床破坏器的清洁效果。

      (2)叶片结构对岩屑床破坏器清岩能力有很大影响。反螺旋形叶片清洁效果最优,其次是V形叶片、直棱形叶片,正螺旋形叶片清岩效果相对最差。对反螺旋形叶片岩屑床破坏器的结构进行优化设计时,可以通过提高螺旋角度改善岩屑床破坏器工作能力。

      (3)岩屑床破坏器的叶片数目存在最优值。对于反螺旋形叶片结构岩屑床破坏器,叶片数5条左右较合适,数量如果太少,则会降低岩屑床破坏器的清岩效果,数量增加,不仅不会显著提高清洁度,还会提高工具的制造难度。

      (4)本文只针对不同叶片结构岩屑床破坏器的清岩效果进行了研究,确定了最优结构,在后续工作中,应进一步研究岩屑床破坏器的安放位置和使用数量的计算方法,为大斜度井岩屑床破坏器的加放提供理论依据。

参考文献 (22)

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