常规钻井螺旋扶正器携岩举升数值计算研究-.pdf

201 0在 第4 卷 第5 期 天 然 气 技 术 Na t u r a l Ga s T e c h n o l o g y Vo 1 ． 4． No． 5 0c t ． 2 01 0 d o i 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 6 7 3 9 0 3 5 ． 2 0 1 0 ． 0 5 ． 0 1 5 常规钻井螺旋扶正器携岩举升数值计算研究 陈正茂 熊继有 1 ． 西南石油大学，四川成都6 1 0 5 0 0 ；2 ． 西华师范大学管理学院， 四川南充6 3 7 0 0 2 摘要 在常规钻井中，螺旋扶正器随钻柱高速旋转，钻井液通过螺旋扶正器时，螺旋扶正器产生的强烈旋 流必然会对钻井液携带岩屑举升能力产生不同程度的影响。以多相流理论为基础，建立三维流体动力学模型，并 采用有限体积法对该模型进行计算，定量评价了螺旋扶正器的携带岩屑举升能力。计算结果表明，入口岩屑的上 返初始浓度对携带岩屑举升能力影响较大，随着初始岩屑浓度的增加，出口岩屑最快上返速度相应加快；颗粒直 径越 大，螺旋扶正 器产生的强烈旋流携带效果越 明显 。 关键词常规钻井携带岩属举升螺旋扶正嚣数值计算 中图分类号T E 8 2 1 文献标识码A 文章编号1 6 7 3 9 0 3 5 2 0 1 0 1 0 5 0 0 4 4 0 3 O引言 常规钻井 中，大量岩屑颗粒 流经螺旋扶正 器 ， 螺旋扶正器的携带岩屑举升效果的好坏直接影响着 钻井速度 。如果举升效果较差 ，大颗粒岩屑将会滞 留在井底 ，造成钻头牙齿重复切削 ，反之 ，将有利 于举升井底岩屑 ，加快岩屑 向井 口运移的速度。国 内外学者对空气钻井中的岩屑运移机理进行 了大量研 究n ，但很少涉及到常规钻井旋流对岩屑举升的影 响，仅有少数文献对螺旋扶正器的环空压降和流动 规律进行 了初 步研究 。笔者 以多相流理论为基 础 ，建立三维流体动力学模型 ，对螺旋扶正器的携 带岩屑举升能力进行数值分析 ，并研究不 同岩屑颗 粒群 流经螺旋 扶正器 时的速度 、浓度分 布变化 规 律 ，以及颗粒直径对螺旋扶正器携岩能力的影响 。 笔者得出的数值计算方法及研究成果对常规钻井中 螺旋扶正器的设计具有一定的指导意义。 l 螺旋扶正器的携岩举升力学模型与边界条件 钻头牙齿切削岩石产生大量岩屑后 ，随钻井液 沿环空向上运移 ，当运移至螺旋扶正器处时，经过 螺旋扶正器的导向，钻井液携带岩屑流向螺旋流 道 ，此时 ，岩屑颗粒和钻井液随螺旋扶正器高速旋 转 ，岩屑颗粒浓度发生变化。在流经螺旋扶正器 的 过程 中，岩屑不仅要承受重力及浮力 ，同时还要受 到离心力以及螺旋流给与的多种力作用 ，使岩屑颗 粒 可能会发生堆积 ，影响螺旋扶正器的携带岩 屑举 升能力。 螺旋扶正器 的携带岩屑举升实质上是一个液 固 两相流问题 ，岩屑颗粒为离散相 ，作为载体的钻井 液为连续相。当岩屑浓度低于0 ． 5％时 ，颗粒之间的 相互作用可以忽略。因此，笔者采用M ix t u r e 模型对 这种情况进行计算。 1 ． 1 力学模型 在建立力学模型之前 ，先用式 1 对流经螺旋扶 正器的钻井液进行流型判别 。 尺 e丝 1 式中 为雷诺数 ，若 小 于 2 0 0 0 ，钻井液流动属 层 流；若 大于2 0 0 0 ，钻井液流动属紊流。 为截 面平均速度 ，i n／s ；d为截 面直径 ，m； 为黏度 ， mPa s o 对于层流，采用以下连续方程 收稿 日期2 0 1 0 0 2 0 3 修订 日期 2 0 1 O 一 0 9 1 4 本文受到 家 『 1 然科学 基金项 目 编号 9 0 6 1 0 0 1 3 的资助 。 作者简 介陈 茂 1 9 6 9 一 ，博土 ，讲师，从事营销竹删 、项 H规划 及技术经济 价 、过程控制 与风险评估的教学 j 研究T 作 ． ． E ma i l ／ I Z I I I C W I u s i l l a ． C O I l 1 44 ／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第2 3 期 天然气技术 钻井工程 啬 p V p 0 08． 135RR e 盯 ⋯e _ 1 。 。0 0 ⋯ ， 式中p 为流体混合密度 ， ／ n l ；谚 为流体混合后 的平均速度 ，I n ／s ； 为时间 ，s 。 其 中 一 O l k pk V k 一 生L一 3 m J ／ 式 中k 为相数 ；O ／ 为第 后 相 的体积分数 ，％；p 为第 k 相 的密度 ，k g ／m ； 为第 k相流体 的平 均速度 ， m ／S 。 p ． 4 p m ‘ 动量方程 盖 p 方 V p 才 才 一 V p V v 方 ] p 客 5 式 中 为压力 ，P a ；／ 1 ． 为流体 混合 黏度 ，mP a T 为转置 ；g 为重力加速度 ，m／ s 2 ； 为体积力，N 。 ． 6 m 式中 为第k 相的黏度，m P a S 。 岩屑颗粒的体积份数方程为 景 p V p 一 V 由 ， 7 式中P为岩屑颗粒 ； 为岩屑颗粒的体积分数 ，％； 为岩屑颗粒 的密度 ，k g ／m ； ． 为岩屑颗粒 的 漂移速度 ，m／s 。 ． 和 通过式 8 相联系 ∑ 8 tI m 式中 为岩屑颗粒 与流体 的相对 速度 ； 为岩屑 颗粒与第k 相的相对速度。 9 式 中 为岩屑颗粒的弛豫 时间 ，s ；a为岩屑颗粒的 加速度 ，m／s 。 根据参考文献[ 8 ] ， 可表示为 1 o 一1 式中 为岩屑颗粒直径 ，m； 为曳力 ，N；／ X q 为岩 屑颗粒黏度 ，m P a s 。 天然气技 术 ／ 45 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 卷 陈正茂，等常规钻井螺旋扶正器携岩举升数值计算研究 第5 期 图2螺旋扶 正器局部放大图 高速旋转 ，导致 部分岩 屑紧贴 于叶片上 跟随其转 动 ，但此处的岩屑不会沉积及引起螺旋流道堵塞。 3 参数敏感性分析 3 ． 1 岩屑浓度对携带岩屑举升能力的影响 螺旋扶正器 的优劣在于是否降低了岩屑 的上返 速度和引起岩屑沉降 ，而评价其携岩效果的好坏 ， 则主要是 比较螺旋扶正器上方的岩屑速度及岩屑浓 度的变化 。人 口岩屑上返初始浓度对携带岩屑举升 影响较大，随着初始岩屑浓度的增加，螺旋扶正器 的出口岩屑最大上返浓度相应增加 图 3 ，同时 ，出 口岩屑最快上返速度相应加快 图 4 ，说 明螺旋扶正 器的高速旋转引起 的旋流有利于岩屑颗粒 的举升。 图3 入口岩屑上返初始浓度与出口岩屑上返浓度间的关系图 图4 入口岩屑上返初始浓度与 出口岩屑最快上返速度间的关系图 3 ． 2 颗粒直径对携带岩屑举升能力的影响 是否能携带并举升不 同直径 的岩屑颗粒 ，是评 46 ／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y 价螺旋扶正器优劣的另一个关键因素。图5 表明，随 着岩屑颗粒直径的增加 ，螺旋扶正器 的出口岩屑最 大上返浓度逐渐增大 ，呈线性关系 ，而岩屑平均上 返浓度始终保持不变 ，这说明岩屑颗粒越大 ，越不 易引起沉降或堆积在螺旋扶正器下方。从图6 可以看 出螺旋扶正器对岩屑的举升效果 ，随着岩屑颗粒直 径 的增加 ，出口岩屑的最快上返速度逐渐加快 ，这 说明颗粒直径越大，螺旋扶正器产生的强烈旋流携 带效果越明显 。 岩屑颗粒直径／ m m 图5 岩屑颗粒直径与出口岩屑上返浓度间的关系图 岩屑 颗 粒直 径／ m m 图6 岩屑颗粒直径与出口岩屑最快上返速度问的关系图 4 结论 1 入 口岩屑上返初始浓度对携带岩屑举升能力 影响较大 ，随着初始岩屑浓度 的增加 ，出口岩屑最 快上返速度相应加快 ，这说明螺旋扶正器的高速旋 转引起的旋流有利于岩屑颗粒的举升。 2 岩屑颗粒直径越大，螺旋扶正器产生的强烈 旋流携带效果越明显 。 3 数值计算方法及研究成果对常规钻井中螺旋 扶正器的设计具有一定的指导意义。 参考文献 [ 1 ]孟英峰，练章华，李永杰 ，等． 气体钻水平井的携岩研究 及在 白浅 l 1 l H井的应用 [ J ] ． 天然气工业 ，2 0 0 5 ，2 5 8 5 o 一 5 3 ． 下转第6 o 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 卷 张良万，建南地区克服窄安全密度窗口的钻井技术 第5 期 力系数低而孔隙发肓好 、极易发生漏失的产层 ，可 应用屏蔽暂堵产层保护技术 ，在钻进过程 中对其进 行有效保护，同时使其具备一定的承压能力，为安 全钻开下部产层创造条件。 5 实施高密度 随钻堵漏浆钻进技术。对于地层 压力高 ，但承压能力难 以提高的地层 ，在钻进 中可 采用高密度随钻堵漏浆钻进。 6 选 择合适的堵漏方法。由于地层漏失点多 ， 情况 复杂 ，使得 长裸 眼井段 喷漏 同存无 法完全 避 免 。建南地区的井上部地层承压能力应以固井水泥 浆 的密度为基准 ，并采取钻开一层 、封堵一层 、试 压合格一层的技术措施 ，堵漏剂 和堵漏方法 的选择 应根据地层性质来决定。 7 固井前提高承压 。固井前采用桥浆或非渗透 抗压处理剂 K S Y 提高承压后 能保证水泥浆返至地 面，以提高固井质量效果。 4 ． 2 防漏堵漏措施 根据不 同地层的漏失特点 ，应采取不 同的防漏 堵漏 措施 。对 于上部 承压能力 要求不 高的渗漏 地 层 ，应采取加入 随钻堵漏剂和静止堵漏相结合 的办 法 ；对于要求承压 的渗漏地层 ，应采取加入 随钻堵 漏剂和小颗粒堵漏剂的桥浆进行封堵并适当蹩压的 方法 ；对于要求承压的裂缝性地层 ，应采取加入复 合堵漏剂 的桥浆进行封堵并蹩压至所要求的承压值 的方法。其具体措施为 1 对于漏速低 于 1 5 m ／h 的渗透性漏失 ，使用 Q s 一 2 、F T 一 3 8 8 等填充材料及D F 一 1 、S D L 等细颗粒堵 漏材料进行随钻堵漏。 上接第4 6 页 [ 2 ]C h i u ． I k o k u ， J ． J ． A z a r ， C ． R a y Wi l l i a ms ． P r a c t i c a l A p p r o a c h t o V o l u me R e q u i r e m e n t s f o r A i r a n d G a s D r i l l i n g[ R ] ． S P E 9 4 4 5 一MS ． [ 3 ]胡小房． 干空气钻井环空携岩理论研究 [ J ] _ 石油钻井工 程 ，1 9 9 6 ，3 2 1 - 7 ． [ 4 ]舒秋贵． 在旋流器作用下环空液体流动规律的研究与应用 [ D] ． 成都西南石油大学 ，2 0 0 4 ． [ 5 ]舒秋贵． 在旋流器作用下环空流场旋流衰减规律研究[ J ] ． 天然气工业 ，2 0 0 5 ，2 5 9 5 7 6 0 ． [ 6 ]舒秋贵． 在旋流器作用下环空液体流动规律的实验研究 60 ／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y 2 在 目的层 出现渗漏时 ，使用屏蔽暂堵剂对漏 层进行封堵。 3 对于因密度窗口窄而出现的漏失 ，采取静止 6 ～ 8 h 、 适当降低钻井液密度、降低钻井液的结构强 度 、减小排量 降低环空返速 、起下钻时放慢速度的 措施 ，以减小激动压力来平衡漏失。 4 对于漏速高于 1 5 m 。 ／h的裂缝性漏失 ，选择 使用桥浆 、水泥浆 、桥浆 水泥浆对漏层进行封堵。 5 针对裸眼地层承压能力不足的问题 ，根据地 层特点 ，通过提高桥浆钢性多棱角材料 的尺寸及浓 度 ，丰富堵漏材料的几何形状及添加钢性可溶纤维 粒子等措施优化桥浆 的配方 ，以提高裸 眼井段的承 压能力。 6 在喷漏同存、不具备起钻条件的情况下，采 用 D F 一 1 、S D L 、Z D 一 1 等细颗粒堵漏材料 ，然后逐步 加大尺寸 、丰富形状 、提高浓度 ，再通过控制一定 的回压或提高钻井液密度 的方法逐步提高地层的承 压能力。 4 - 3 桥浆堵漏工艺措施 堵漏方法确定后 ，在堵漏剂 的选择上应根据地 层裂缝的大小选择合适的堵漏材料 ；桥浆的配方应 考虑不 同粒级 、不 同形状 、不同硬度及变形粒子的 合理搭 配 ；堵漏 材料 的浓度应 根据漏 失速度来选 取。主要桥浆堵漏配方见表 1 。 在堵漏工艺上 ，应采用桥浆 水泥堵漏 ，并适 当蹩压，通过优质 致密、高强度 内、外滤饼的形 成 ，达到提高地层承压能力的目的。具体过程为 ① 根据漏速 、地层岩性 、钻时变化 、前期施工情况 [ J ] ． 西部探矿工程 ，2 0 0 5 ，1 7 1 0 5 5 5 8 ． [ 7 ]舒秋贵，刘崇建，刘孝良，等． 在旋流器作用下环空螺旋 流场压降研究E J ] ． 天然气工业 ，2 0 0 6 ，2 6 2 8 6 8 7 ． [ 8 ] M．Ma n n i n e n ，V． T a i v a s s a l o ，S ．K a l l i o ．O n t h e Mi x t u r e M o d e l fo r Mu h i p h a s e F l o w[ M] ． 芬 兰 V 1 T r P u b l i c a t i o n s ， 1 99 6． [ 9 ] V i c t o r Y a k h o t ， S t e v e n A． O r s z a g ．R e n o r m ali z a t i o n g r o u p a n a l y s i s o f t u r b u l e n c e l J J ． J o u r n a l of S c i e n t i f i c C o mp u t i n g ， 1 9 8 6 。1 1 3 5 1 ． 编辑卢栎羽 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m