岩屑床破坏器在水平井斜井段的清洁效果研究

刘少胡，甘泉泉，罗 霄，姬广奇

（1.长江大学机械工程学院，湖北荆州434023；2.长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州434023；3.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）

水平井能够有效增大油气储层的开采面积和提高油气开采效率，广泛应用于陆上非常规钻井和海洋钻井［1-3］。在水平井钻井过程中，岩屑堆积成床是影响水平井段延伸的关键因素之一。大量钻井研究和钻井实践表明，水平井斜井段中的岩屑运移机理与垂直井段的不同，斜井段中岩屑颗粒在重力作用下易沉积在下井壁上，从而形成岩屑床［4-6］。若不及时清除水平井斜井段井眼中的岩屑床，则会导致钻柱的扭矩增大，严重时甚至会引发卡钻等井下安全事故［7-9］。

针对水平井内岩屑运移和井眼清洁等问题，国内外学者开展了大量研究。例如：Sneha等评估了使用油基钻井液和水基钻井液的井眼清洁效率，得到了2种钻井液的适用工况［10］；Champion等提出了高功率声波井筒清洁技术，并将其用于清除各种形式的井筒堵塞材料［11］；Bilgesu等研究了在水平井和斜井钻井过程中，钻井液流速、岩屑尺寸、机械钻速、钻柱转速和井斜角对井眼中岩屑运移、沉降的影响规律［12］；陆洋阳、郑锋、王晓松等研制了不同结构的井眼清洁工具［5，13-14］。上述学者主要针对岩屑清除方法和岩屑沉降规律进行了研究，但未针对岩屑床破坏器对井眼的清洁效果以及钻井过程中钻柱的摩阻、扭矩等参数的影响展开研究。因此，有必要对岩屑床破坏器的清洁效果进行评价分析。

目前，虽已有岩屑床破坏器投产使用，但使用方案不明确且清洁效果不显著。为此，笔者拟基于CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）技术，对岩屑床破坏器的清洁机理进行研究，并对比分析岩屑床破坏器使用前后水平井斜井段井眼内固定岩屑床的破坏情况。然后，分析不同井斜角、钻井液排量和钻柱转速下，岩屑床破坏器对水平井斜井段岩屑床的影响规律，并对岩屑床破坏器的工况参数进行优选。最后，通过现场应用来验证岩屑床破坏器的清洁效果。

1 水平井斜井段岩屑运移数值计算模型的建立

1.1 岩屑运移理论模型

岩屑在井筒内随钻井液运移，其中钻井液为液相，岩屑为固相，两者形成多相混合流体，其控制方程如下［15-16］。

1）连续性方程为：

式中：vm为混合流体的平均质量流量，kg/s；ρm为混合流体的密度，kg/m3。

2）动量方程为：

式中：p为静压力，Pa；ρmg和F分别为单位质量混合流体受到的重力和外力，N；g为重力加速度，m/s2；τ为混合流体的应力张量，无因次。

式中：μ为钻井液黏度，Pa·s；I为混合流体的单位张量，无因次。

3）能量守恒方程为：

式中：cp为混合流体的比热容，J（/kg·K）；u为混合流体的流速，m/s；T为混合流体的温度，K；k为混合流体的传热系数，W（/m·K）；ST为混合流体内热能及黏性作用下混合流体机械能转换为热能的部分，J。

1.2 岩屑颗粒运移分析

图1所示为水平井斜井段中岩屑运移时的受力分析示意图。假设钻井液为单相连续性流体［17-18］，在水平井斜井段，岩屑运移时受到沉降力Fg、钻井液举升力FL、岩屑拖曳力FD、钻井液压力梯度力FΔp、钻柱旋转附加启动力Fx和摩擦力Ff的影响。

图1 水平井斜井段中岩屑运移时的受力分析示意图Fig.1 Diagram of force analysis of cuttings during moving in inclined section of horizontal well

岩屑受到的沉降力为：

式中：d为岩屑当量直径，mm；ρs为岩屑密度，g/cm3；g为重力加速度大小，m/s2；ρf为钻井液密度，g/cm3。

岩屑受到的钻井液举升力为：

式中：CL为举升系数，无因次；AL为举升力作用面积，m2；uf为摩阻流速，m/s。

岩屑受到的岩屑拖曳力为：

式中：CD为拖曳系数，无因次；AD为流体流动方向上岩屑的投影面积，m2。

岩屑受到的钻井液压力梯度力为：

式中：Gp为井眼环空内钻井液压力梯度，Pa/m。

岩屑受到的钻柱旋转附加启动力为：

式中：vR为钻柱旋转引起的钻井液周向流速，m/s。

在水平井斜井段，岩屑床破坏器破坏岩屑床后，为使得岩屑悬浮，需满足：

式中：θ为井斜角，（°）。

当岩屑床被破坏后，岩屑沿井眼环空运移时需满足：

1.3 岩屑运移数值计算流程

岩屑床破坏器的结构如图2所示，其总长度为10 m，两端设有耐磨接头段，中间设有破坏棱槽，共5条。岩屑床破坏器工作时通过破坏棱槽的搅拌实现对岩屑床的破坏。为方便运移岩屑和提高岩屑运移速度，在岩屑床破坏器后段设置螺旋槽。

图2 岩屑床破坏器结构示意图Fig.2 Structure diagram of cuttings bed destroyer

利用CFD软件对水平井斜井段中的岩屑运移情况进行数值分析，具体流程如图3所示。首先，根据钻井现场A井的井眼轨迹和钻具组合，按照实际尺寸，利用CAD（computer aided design，计算机辅助设计）软件建立含岩屑床破坏器的井眼环空三维模型。鉴于井眼直径为311.15 mm，选用直径为139.7 mm的钻杆和岩屑床破坏器；井眼环空长度为20 m，岩屑床破坏器偏心放置，偏心距为31.75 mm。然后，对所建立的含岩屑床破坏器的井眼环空三维模型进行网格划分。由于靠近岩屑床破坏器外壁和套管内壁处岩屑颗粒运移复杂，容易导致计算结果不收敛，对壁面处的网格进行细化（如图4所示）。采用滑移网格定义岩屑床破坏器和钻杆区域的旋转运动；进出口边界分别设置为速度入口和压力出口，出口压力按井深3 000 m处的压力进行设定。通过分析岩屑在水平井斜井段井眼环空内的流动状态以及井眼环空内流体介质的流相属性，确定多相流模型为Eulerain模型，控制模型为标准k-ε模型［19］。完成边界条件设置后，对水平井斜井段中的岩屑运移情况进行数值分析。

图3 水平井斜井段中岩屑运移情况数值分析流程Fig.3 Numerical analysis process of cuttings migration in inclined section of horizontal well

图4 含岩屑床破坏器的井眼环空三维模型网格划分Fig.4 Meshing of three-dimensional model of wellbore annulus with cuttings bed destroyer

2 岩屑床破坏器使用前后井眼环空内岩屑分布对比分析

图5为岩屑床破坏器使用前后井眼环空内不同截面处的岩屑分布对比。从图5中可以看出，在使用岩屑床破坏器前，井眼环空底层出现岩屑堆积，部分位置的岩屑体积分数达到了60%；在使用岩屑床破坏器后，井眼环空内岩屑的含量大幅减小，岩屑最大体积分数小于18%。由此可见岩屑床破坏器对岩屑床的破坏效果非常明显，这是因为岩屑床破坏器在随钻柱转动时，其破坏棱槽搅动岩屑床并将其破坏，同时棱槽的存在使得流过的钻井液产生紊流，在水力和机械的双效作用下破坏岩屑床，并阻止岩屑沉降。

图5 岩屑床破坏器使用前后井眼环空内不同截面处的岩屑分布对比Fig.5 Comparison of cuttings distribution at different section in wellbore annulus before and after the use of cuttings bed destroyer

以井眼环空三维模型的几何中心为原点，轴向为x方向，建立直角坐标系。岩屑床破坏器使用前后井眼环空轴向上岩屑的最大体积分数对比（取岩屑床破坏器所在位置附近）如图6所示。由图6可以看出，在使用岩屑床破坏器前，井眼环空内岩屑的最大体积分数为35%～45%，在使用岩屑床破坏器后，井眼环空内岩屑的最大体积分数均低于使用前，基本为10%～15%。通过对比发现，使用岩屑床破坏器后，井眼环空内岩屑最大体积分数约降低了25%～30%，说明岩屑床破坏器的清洁效果非常明显。

3 岩屑床破坏器对岩屑床的影响规律分析

根据现场钻井数据可知，岩屑床破坏器的敏感性工况参数——井斜角、钻井液排量和钻柱转速对岩屑床的影响较大。

3.1 岩屑床破坏器影响规律数值分析

3.1.1 不同井斜角下岩屑床破坏器的影响规律

由A井的现场数据可知，岩屑沉积主要发生在水平井段和斜井段。为进一步分析不同井斜角下岩屑床破坏器对岩屑床的影响规律，取不同的井斜角（15°，30°，45°，60°，75°和90°），其余边界条件相同，对岩屑床破坏器的使用效果进行数值分析。

图6 岩屑床破坏器使用前后井眼环空轴向上岩屑的最大体积分数对比Fig.6 Comparison of maximum volume fraction of cuttings in axis direction of wellbore annulus before and after the use of cuttings bed destroyer

图7为不同井斜角下井眼环空的压耗。从图7可以看出，随着井斜角的增大，井眼环空的压耗逐渐减小；当井斜角为90°（即水平井水平段），井眼环空的压耗最小，为4 kPa。这是因为随着井斜角的增大，井眼环空内钻井液位能提升损耗逐渐减小，使得井眼环空的压耗减小。

图7 不同井斜角下井眼环空的压耗Fig.7 Pressure loss of wellbore annulus under different well angles

不同井斜角下岩屑均主要分布在井眼下方且分布趋势相同，但岩屑的最大体积分数和岩屑床高度不同。图8为不同井斜角下井眼环空内岩屑的最大体积分数和岩屑床高度。从图8中可以看出，不同井斜角下井眼环空内岩屑的最大体积分数呈“驼峰”状分布；当井斜角为15°～45°时，岩屑的最大体积分数和岩屑床高度逐渐增大；当井斜角为60°时，岩屑的最大体积分数为45%，岩屑床高度为28.17 mm，此时岩屑易滑移形成岩屑床，造成井眼堵塞；当井斜角大于60°时，岩屑的最大体积分数有一定的减小，尤其是当井斜角大于75°时，岩屑在重力作用下堆积成床，使得岩屑床高度随着井斜角的增大而增大，此时由于岩屑床形成，岩屑的体积分数减小。

图8 不同井斜角下井眼环空内岩屑的最大体积分数和岩屑床高度Fig.8 Maximum volume fraction of cuttings and cuttings bed height in wellbore annulus under different well angles

3.1.2 不同钻井液排量下岩屑床破坏器的影响规律

由A井的现场数据可知，钻井液环空返速为0.97 m/s，对应的排量V=56.7 L/min。为进一步分析不同钻井液排量下岩屑床破坏器对岩屑床的影响规律，取不同的钻井液排量（V=50，55，60，65和70 L/min），其余边界条件相同，对岩屑床破坏器的使用效果进行数值分析。

图9为不同钻井液排量下井眼环空内同一截面处岩屑的分布情况。从图9中可以看出，当钻井液排量较小时，岩屑主要集中在岩屑床破坏器左下方；随着钻井液排量增大，岩屑从岩屑床破坏器左下方沿破坏棱槽转移到其右下方。当钻井液排量V=50，55 L/min时，井眼环空内岩屑的体积分数最大，最大值为25%；当钻井液排量V＞60 L/min时，井眼环空内岩屑的体积分数稍有减小。

图9 不同钻井液排量下井眼环空内同一截面处的岩屑分布Fig.9 Distribution of cuttings at the same section of wellbore annulus under different drilling fluid displacements

由图10所示的不同钻井液排量下井眼环空内岩屑的最大体积分数可知，随着钻井液排量的增大，岩屑的最大体积分数近似直线减小，即钻井液排量的增大能有效减小井眼环空内岩屑的体积分数，这是因为随着钻井液排量的增大，钻井液流速增大，由于岩屑颗粒所受的拖曳力与钻井液流速的平方成正比，岩屑所受拖曳力增大，利于岩屑运移。同时，由图10所示的不同钻井液排量下的岩屑床高度可知，当钻井液排量为50～70 L/min时，岩屑床高度逐渐减小，这也说明钻井液排量的增大有利于减少井筒内岩屑的沉积。

3.1.3 不同钻柱转速下岩屑床破坏器的影响规律

为进一步分析不同钻柱转速下岩屑床破坏器对岩屑床的影响规律，取不同钻柱转速（110，115，120，125和130 r/min），其余边界条件相同，对岩屑床破坏器的使用效果进行数值分析。

不同钻柱转速下岩屑沉积位置随钻柱转动偏心分布且分布趋势相同，但岩屑的最大体积分数和岩屑床高度不同。图11所示为不同钻柱转速下井眼环空内岩屑的最大体积分数和岩屑床高度。从图11中可以看出，当钻柱转速低于115 r/min时，岩屑的最大体积分数和岩屑床高度均较大，这是因为当钻柱转速较低时，岩屑床破坏器的旋转附加启动力较小，对岩屑颗粒运移的影响不足；随着钻柱转速的增大，岩屑床破坏器的旋转附加启动力增大，提高了岩屑的运移速率；当钻柱转速为115～125 r/min时，岩屑的最大体积分数总体呈下降趋势；当钻柱转速为125 r/min时，岩屑的最大体积分数最小，岩屑床高度约为32 mm，趋于稳定。由此可知当钻柱转速超过115 r/min后，岩屑床高度的变化较小。

图10 不同钻井液排量下井眼环空内岩屑的最大体积分数和岩屑床高度Fig.10 Maximum volume fraction of cuttings and cuttings bed height in wellbore annulus under different drilling fluid displacements

图11 不同钻柱转速下井眼环空内岩屑的最大体积分数和岩屑床高度Fig.11 Maximum volume fraction of cuttings and cuttings bed height in wellbore annulus under different drill string rotation speeds

3.2 岩屑床破坏器使用实例分析

DS1井为水平井，其井深为4 223 m（垂深为1 332 m），最大井斜角为89°，其中直径为311.5 mm的井眼的井深为2 600 m，最大井斜角为82°，其井身结构数据如表1所示。钻井时，机械钻速为27 m/h，钻井液排量为3 600 L/min。现场数据显示，该井水平井段的岩屑体积分数大于19%，岩屑床高度大于6.35 mm，需使用岩屑床破坏器进行清洁。岩屑床破坏器的安装方案为：在加重钻柱后安装第1个岩屑床破坏器，之后每隔15根钻柱安装1个岩屑床破坏器，共安装6个。

表1 DS1井井身结构数据Table 1 Well body structure data of DS1 well

图12为岩屑床破坏器使用前后井口处钻柱悬重和扭矩对比。从图12中可以看出，在使用岩屑床破坏器后，各工况下井口处钻柱悬重的变化量不大于0.59 t；钻进扭矩和旋转扭矩分别减小了3.3%和1.2%。这是因为在使用岩屑床破坏器后，井底的岩屑床高度减小，使得钻柱与岩屑床的接触摩擦面积减小，从而导致钻柱扭矩小幅度减小。

图12 岩屑床破坏器使用前后钻柱悬重和扭矩对比Fig.12 Comparison of suspended weight and torque of drill string before and after the use of cuttings bed destroyer

以岩屑床破坏器使用前的井口岩屑返出量为参考，即设第1次收集的井口岩屑返出量为单位1，第2次和第3次收集的岩屑返出量为使用岩屑床破坏器后的。对比岩屑床破坏器使用前后井口岩屑返出量（见图13）发现，使用岩屑床破坏器后岩屑返出量明显增加：第2次和第3次收集的岩屑量分别为第1次收集的3.9倍和1.8倍，这说明岩屑床破坏器有效破坏了前期已形成的岩屑床，同时预防了新岩屑床的生成。

图13 岩屑床破坏器使用前后岩屑返出量对比Fig.13 Comparison of cuttings returned amount before and after the use of cuttings bed destroyer

现场试验结果表明，岩屑床破坏器能够有效破坏堆积在井底的岩屑床，提高岩屑返出量和清洁井眼；岩屑床破坏器可直接安装在钻具中且不会产生额外扭矩，钻进期间能有效减少憋泵、蹩扭现象发生，提高起钻和下钻作业的效率，保证钻井作业的连续性。

4 结 论

1）通过分析岩屑床破坏器对水平井斜井段岩屑床的影响规律，得到了斜井段岩屑床被破坏后岩屑沿井眼环空运移时的力学关系。

2）在对岩屑床破坏器使用效果进行数值分析时，在井眼中设置了固定岩屑床，得到的结果比其他文献更加接近实际。结果表明当井斜角大于45°，钻井液排量大于60 L/min和钻柱转速为115～125 r/min时，岩屑床破坏器的清洁效果最佳。

3）由岩屑床破坏器的现场应用试验结果可知：使用岩屑床破坏器后，井口岩屑返出量最大提高了3.9倍，表明岩屑床破坏器的清洁效果非常明显；同时岩屑床破坏器对正常钻井时钻柱悬重的影响很小，且钻柱扭矩小幅下降，实现了降摩减扭，可有效提高钻井效率和预防钻井时由于岩屑堆积造成的卡钻事故。