新型铝合金钻杆对岩屑运移效率提升研究

李俊雄，吴昱，王海斌，周国彬，张海超，赵小龙，夏成宇

(1.长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023；2.中石化西南石油工程有限公司钻井一分公司，四川成都 610500；3.中石化胜利石油工程有限公司黄河钻井总公司，山东东营 257000；4.山东威玛装备科技股份有限公司，山东东营 257000；5.中石化胜利油田石油工程技术研究院，山东东营 257000)

0 前言

随着深层油气资源的开发，大位移及水平井因能有效增大油层的开采面积而被广泛开发应用。大位移及水平井的应用虽提高了油气开采的效率，但同样面临诸多问题。在钻井过程中，水平井及大斜度井内的岩屑通常会在环空井眼下部沉积形成岩屑床。由于水平井井段井深很长，岩屑床的厚度会不断增加，甚至将钻杆埋没，进而导致高摩阻、高扭矩等问题，严重时会造成卡钻、钻具断裂等井下安全事故。因此，提出一种提高岩屑清理能力、增强井眼清洁效果的方法显得尤为重要。

为提高岩屑运移效率，传统方式通常是采用增大钻井液排量、改善钻井液性能等来提高携岩能力，这些方式在一定程度上能减缓岩屑床的形成，但同时也增加了钻井成本。国内外学者近些年对于井眼内岩屑清理的问题进行了大量研究。相较于传统方式，多数学者偏向于采用机械式岩屑床破坏工具，并取得了很多大的进步。RODMAN等研究了一种叶片结构井眼清洁工具。AHMED等通过实验方法研究了不同叶片结构工具的岩屑清理效率。PUYMBROECK等提出了一种复合型叶片井眼清洁工具，并通过实验验证了该工具能有效提高岩屑运移效率。HAKIM等提出一种岩屑清除新方法，通过室内实验，将聚合物作为泥浆添加剂，研究了水平井水基泥浆中聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)聚合物浓度对岩屑运移效率的影响。PANG等针对脉冲射流钻井对岩屑运移的影响，运用CFD分析了钻井液进口速度振幅和频率变化对岩屑运移的影响规律。相比于传统钻井，脉冲钻井有利于改善岩屑运移。国内有关井筒清洁方面的研究中，孙浩玉应用CFD软件对岩屑床清除器流场速度、压力及液流运动迹线进行数值模拟研究，发现V形槽可加快进口轴向速度,增强周围流场的湍流强度,有利井筒岩屑的运移和清除。程玉生通过建立大斜度井岩屑运移三层模型，开发井眼清洁状况分析软件，发现提高钻井液密度、排量、转速等都会改善井眼清洁状况。孙晓峰等针对复杂结构井在大斜度和水平井段易出现井眼清洁问题，系统地研究了岩屑清理工具以及优化。吴欣袁等采用计算流体动力学分析了井眼清洁工具在大位移及水平井段流场扰动作用机制，发现该工具对流场具有导流和搅拌的作用，并且可加速岩屑颗粒运动，有利于岩屑携带。刘少胡等基于CFD，对岩屑床破坏器的清洁机制进行研究，并通过对比分析得到岩屑床破坏器的清洁效果，分析了不同井斜角、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，以更好地发挥其清洁作用。

综上所述，机械式岩屑床清理工具通过增强流场湍流强度的方式破坏岩屑床以提升岩屑运移效率。岩屑床破坏工具虽然可以在短距离范围内提升井眼清洁度，但是水平井及大斜度井井深很长，工具的使用难以达到很好的效果。为此，本文作者提出并设计一种新型铝合金钻杆。该钻杆内设有浮腔，可以使钻杆悬浮在环空井眼的上方，使井眼内钻井液高速区与岩屑床处于相近区域，以提升岩屑运移的效率。对新型铝合金钻杆进行强度校核分析，以确保满足使用需求。通过Fluent软件分析不同岩屑粒径、钻井液排量、钻井液密度、钻杆转速下，新型铝合金钻杆相较于传统钢钻杆对岩屑清理能力的提升。

1 新型铝合金钻杆原理及结构设计

1.1 新型铝合金钻杆原理

钻井过程中钻头破岩所产生的岩屑由钻井液携带返回地面，由于岩屑的密度大于钻井液的密度，岩屑颗粒在大斜度及水平井段运动时受到重力作用会逐渐向环空井眼底部沉降。环空井眼内的岩屑颗粒受到流体的拖曳作用、举升作用、浮力作用等，并克服重力、塑性力等阻力作用，形成3种运动形式，分别为固定式、移动式和悬浮式。在环空井眼内，因钻杆的旋转和钻杆所在的位置不同会导致钻井液呈现不同的轴向速度。

如图1所示，当钻杆偏向于环空下部时，流体高速区位于环空上部，岩屑沉降的位置相对于竖直方向有一定的偏移；当钻杆偏向于环空上部时，流体高速区位于环空下部，与岩屑床位置有很大程度的重合。

图1 流体高速区位置

如图2所示，当钻杆偏向于环空上部时，岩屑颗粒都是悬浮状态，处于流体高速区，钻井液更容易携带岩屑在环空井眼内运动，提高井眼的清洁程度，同时也可以减少钻井液压耗、降低摩阻，有效避免钻井事故的发生。

图2 井筒内岩屑颗粒分布

1.2 新型铝合金钻杆结构设计

随着钻井技术的发展，油气的开采向深井和超深井迈进，传统钢钻杆因自重过大、弹性余量不足等问题已难以满足现场需求。而铝合金钻杆因其密度低、强度高、无磁性等特性备受青睐，成为了取代钢钻杆的最佳选择。在大斜度及水平井段，为使钻杆能悬浮在井眼上部，结合现有铝合金钻杆设计出一种新型铝合金钻杆。由于铝合金钻杆相对于钻井液密度较大，需给铝合金钻杆内添加浮力腔体结构，以给整个钻杆提供浮力，使新型铝合金钻杆能在井眼内悬浮。新型铝合金钻杆内部的浮腔结构能改变钻杆内部流场和钻井液的流变性、降低钻杆内部的压耗。在大斜度井及水平井段安装新型铝合金钻杆，可以极大程度地降低钻具所受的重力，增加钻井的延伸率。同时，由于钻杆悬浮在井眼上部，也可以降低钻杆所受的摩擦力，减缓钻杆的磨损。此外，新型铝合金钻杆的使用增大了钻杆的携岩能力，提升了井眼清洁度。

在标准铝合金钻杆[图3(a)]的基础上进行改进设计，新型铝合金钻杆的整体结构如图3(b)所示。改进铝合金钻杆主要结构有母接头、钻杆主体、浮力腔体、公接头。

图3 钻杆结构

2 新型铝合金钻杆的强度校核

对铝合金钻杆进行力学分析，该钻杆在实际工况中随着钻柱下放到水平井段处，在钻进过程中,钻杆柱受到的载荷主要有钻杆自重、转盘扭矩、泥浆静压力和浮力作用、钻压等作用，钻杆柱的受力情况如图4所示。假设该钻杆已经悬浮在环空上部某个位置，忽略钻井液和钻杆内部与外部流动作用力。该钻杆一端连接处视为固定端约束，钻杆悬浮依靠浮力腔体提供的浮力。浮力腔体、钻杆内腔和钻杆外表面受到流体的压力，视浮力腔体受到向上的浮力和表面压力，钻杆内腔和外表面受到表面压力。其中，为母接头端面，受固定约束，、和分别为钻杆外表面、浮力腔体表面和钻杆内腔面受内压力，为钻杆所受重力，为钻杆所受浮力，为钻杆所受扭矩，为公接头端面受钻压。

图4 铝合金钻杆载荷施加示意

运用ANSYS软件对悬浮式铝合金钻杆进行力学分析，模型材料为软件自带铝合金材料，在多种复合载荷作用下，通过分析得到悬浮式铝合金钻杆受到的Mises等效应力以及等效应变，结果如图5所示。可知：公母接头的最大等效应力位于加强筋与浮力腔体的连接处，浮力腔体最大等效应力位于中间部位，此处有较大的应力集中，并且相比于其他零件，所受等效应力最大。如图6所示，由于浮力腔体提供较大的浮力，为防止浮力腔体有较大弯曲变形，中部安装的支撑架最大等效应变为0.003 2。

图5 钻杆各零件的Mises等效应力云图

图6 浮力腔体的Mises等效应变云图

此设计强度校核基于形状改变比能理论(第四强度理论)。形状改变比能是引起材料屈服的主要原因，无论在何种应力状态下，只要危险点处的形状改变比能达到了与材料性质相关的极限值，材料就会发生屈服。对于塑性材料，例如钢材、铝、铜等，这个理论与实验结果相符合，且第四强度理论比第三强度理论更符合实验结果。Al-Zn-Mg材料的屈服应力=350 MPa，设安全系数为1.2，则材料的许用应力[]=291.67 MPa。新型铝合金钻杆内部浮力腔体受到的最大应力为228.87 MPa，小于许用应力[]，故改进后的铝合金钻杆强度可满足要求。

3 仿真模型及边界条件

3.1 几何模型

根据现场实际情况，分析在水平井段使用传统钢钻杆和新型铝合金钻杆对岩屑运移的效果。由于水平段很长，为便于研究和计算仿真模型，设水平段长为20 m、井眼直径为215.9 mm、钻杆外径为139.7 mm，模型如图7所示。实际工作中，钻杆在环空井眼内的位置难以确定，但为研究方便，采用偏心度来表示钻杆在井眼内的位置。传统钢钻杆由于自重过大，会沉向井眼底部，所设计的新型铝合金钻杆为悬浮式钻杆，会浮在井眼上部。根据模型坐标，设置钢钻杆为负偏心，铝合金钻杆为正偏心，分别如图7(b)(c)所示。

图7 环空几何模型

3.2 边界条件

将上述模型划分网格后导入Fluent，仿真时选用Eulerian多相流模型，考虑到模拟运算中的收敛性和稳定性，湍流流场采用二阶迎风格式和Simple算法。计算流体域为井壁和钻杆外表面之间的区域，将两表面考虑为光滑。入口边界条件设置为速度入口，根据反循环钻井液的排量来计算，方向为垂直于入口。出口边界条件设置为压力出口。表1所示为仿真所使用的基本参数。

表1 基本参数

4 数值分析

4.1 钻杆转速对岩屑运移的影响

钻杆转速是影响岩屑沉降及井眼清洁程度的重要因素之一，不同转速的钻杆其携岩能力及净化能力也不同。在实际钻井过程中，钻柱的旋转使流场产生循环力，有利于搅动岩屑，破坏岩屑床。同时，钻柱的旋转也有利于岩屑进入高速区，更易于被钻井液携带至地面。在仿真过程中，以钻柱转速为变量，分别分析不同转速下传统钢钻杆和新型铝合金钻杆的携岩能力。图8所示为排量为30 L/s、岩屑粒径为3 mm、钻井液密度为2.1 g/cm时，不同钻杆转速下的钻井液速度云图。可知:同一类型钻杆下，钻井液高速区呈月牙状，随着钻柱的旋转方向偏移一定的角度，并且转速越大，高速区的偏移量越大。图9所示为钻杆转速为80 r/min时，环空井眼内岩屑质量随时间变化的曲线。可知：新型铝合金钻杆的使用改变了环空井眼内高速区的位置，稳定后，井眼内使用传统、新型钻杆所沉降的岩屑质量分别为3.58、2.95 kg，新型铝合金钻杆相对于传统钢钻杆提升效率21.4%，能有效地提高井眼清洁度。

图8 钻井液速度云图

图9 环空井眼内岩屑质量变化曲线(钻杆转速80 r/min)

4.2 岩屑粒径对岩屑运移的影响

根据现场实际钻井，岩屑颗粒为不规则的块状结构，岩屑粒径通常与钻具类型、地层岩石特性有关，主要分布在1～4 mm。岩屑颗粒越大，岩屑所受重力越大，沉降速度越快，越难以被启动。在黏度较低的钻井液中，小粒径的岩屑颗粒也比较难被清洁。为增加计算收敛性和减少迭代时间，将颗粒模型等效为球形模型。图10和11所示分别为排量为30 L/s、钻杆转速为80 r/min、钻井液密度为2.1 g/cm时，不同岩屑粒径下环空井眼内岩屑质量随时间变化时曲线及直方图和效率提升折线图。可知：岩屑粒径越大，越难以被清洁，井眼内沉积的岩屑越多，新型铝合金钻杆提升的效率越高。这表明，在大粒径下，新型铝合金钻杆在提升井眼清洁程度上具有较大优势。

图10 岩屑粒径对岩屑质量的影响

图11 岩屑质量及效率提升折线图

4.3 钻井液排量对岩屑运移的影响

在所有影响井眼清洁的参数中，钻井液的排量造成的影响最大，在实际操作中的可控性也最强。增大排量有利于岩屑在井眼内悬浮，降低岩屑床厚度。理论上，只要钻井液排量足够大，就可以保证完全携岩，但在实际作业中，排量的设计也需要考虑井壁的冲蚀、循环压耗及泵压等多方面因素。图12和13所示分别为岩屑粒径为3 mm、钻杆转速为80 r/min、钻井液密度为2.1 g/cm时,不同排量下环空井眼内岩屑质量随时间变化的曲线及直方图和效率提升折线图。可知：钻井液排量增大，增加了流体的携岩能力，促进了岩屑颗粒在环空中的流动性，有效提高了井眼清洁程度。在不同排量下，新型铝合金钻杆相对于传统钢钻杆对岩屑的清洁能力都有一定程度的提升。

图12 钻井液排量对岩屑质量的影响

图13 岩屑质量及效率提升折线图

4.4 钻井液密度对岩屑运移的影响

根据上文所述，岩屑在井筒内的运移分为3种形式，增加钻井液密度有利于提高岩屑颗粒所受的浮力，能够使更多的岩屑颗粒处于悬浮状态，有利于被钻井液携带回井口，降低岩屑床的厚度。钻井液同时用于维持井底的压力，高密度的钻井液会导致机械钻速降低。图14和15所示分别为岩屑粒径为3 mm、钻杆转速为80 r/min、钻井液排量为30 L/s时,不同钻井液密度下环空井眼内岩屑质量随时间变化的曲线及直方图和效率提升折线图。可知：高密度的钻井液通过减缓岩屑颗粒下沉的趋势能有效抑制岩屑床的产生，但随着钻井液密度的增大，新型铝合金钻杆所体现的优势也逐渐变小。

图14 钻井液密度对岩屑质量的影响

图15 岩屑质量及效率提升折线图

5 结论

(1)当钻杆处于环空井眼上部时，钻井液高速区与岩屑床高度有一定程度的重合，可以有效提高岩屑运移的效率。基于此，在现有铝合金钻杆的基础上，设计了一种带悬浮腔体的悬浮式铝合金钻杆。对新型铝合金钻杆进行了载荷分析及各零件强度校核，验证了新型钻杆满足强度要求。

(2)在Fluent中建立环空井眼岩屑运移三维模型，定性地对比分析了不同钻杆转速、岩屑粒径、钻井液排量和钻井液密度下新型铝合金钻杆相对于传统钢钻杆岩屑运移效率的提升。新型铝合金钻杆在不同条件下都有更好的携岩能力，特别是对于大粒径的岩屑运移有较大优势。