大斜度井偏心环空钻柱旋转对岩屑运移的影响

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1、DOI:10.3969/j.issn.1006－6535.2015.06.031大斜度井偏心环空钻柱旋转对岩屑运移的影响12323孙晓峰，纪国栋，王克林，曲从锋，蒋天洪(1.中国石油大学，北京102200;2.中国石油钻井工程技术研究院，北京100000;3.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒841000)摘要:在钻井过程中，当液流速度小于岩屑悬浮运移速度时，岩屑容易在大斜度井段沉降并形成岩屑床，导致钻柱卡钻、高摩阻和扭矩、低机械钻速等问题。建立大斜度偏心环空三维物理模型，采用结构网格划分环空流体域，用滑移网格模拟钻柱旋转。基于欧拉固

2、液两相流模型和Ｒealizablek－ε紊流模型，考虑钻井液对岩屑的举升力、岩屑加速产生的虚质量力以及固液间的动量交换，模拟了钻柱旋转条件下井斜角、岩屑注入浓度、钻井液速度和黏度对岩屑运移的影响。研究表明:钻柱旋转使得岩屑床床面沿旋转方向倾斜，沿井眼呈不对称分布状态，并能够显著减小环空岩屑浓度，其变化幅度受钻井液入口流速、井斜角、钻井液黏度和岩屑注入浓度的影响，但当转速达到某一临界值后，旋转作用效果将减弱。研究结果可为采取合理措施提高岩屑运移效率提供参考。关键词:偏心环空;大斜度井;钻柱旋转;岩屑运移;岩屑体积浓度中图分类号:TE24文

3、献标识码:A文章编号:1006－6535(2015)06－0133－04心环空三维物理模型(图1)。环空结构为215.90引言mm×127.0mm，偏心度为0.5，环空长度为12m。在大斜度和水平井段钻进过程中，由于钻井液利用滑移网格模拟钻柱旋转，CFD数值模拟边界携带岩屑效率较低，容易形成岩屑床，并引发钻井条件为速度入口和压力出口。壁面附近低雷诺数事故，为此，有必要开展大斜度井段和水平井段岩区域选择标准壁面函数，且钻柱壁面和井壁采用不屑运移规律研究，而鉴于影响岩屑运移的因素众可滑移边界。模拟参数见表1。［1］多，应重点研究与实际钻井工

4、况接近的钻柱旋转条件下岩屑运移规律问题。针对钻柱旋转条件下的岩屑运移问题，国内外学者进行了大量研［2－12］究。此次研究将利用CFD(ComputationalFlu-idDynamics)模拟大斜度偏心环空钻柱旋转条件下井斜角、岩屑注入浓度、钻井液黏度等参数对岩屑运移规律的影响，为采取合理措施提高岩屑运移效率提供参考。图1大斜度偏心环空物理模型1数值模拟物理模型2数值模拟控制方程为了模拟环空岩屑运移过程，建立了大斜度偏以钻井液和岩屑的质量守恒、动量守恒为基础，收稿日期:20150718;改回日期:20150923基金项目:国家自然科学

5、基金项目“钻柱旋转作用的大位移井环空岩屑运移机制研究”(51204056);中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“钻井新装备新工具研制”(2014B－4314)作者简介:孙晓峰(1980－)，男，讲师，2005年毕业于大庆石油学院油气储运专业，2014年毕业于东北石油大学石油与天然气工程专业，获博士学位，现从事油气钻井井眼清洁技术和井控工艺科研工作。134特种油气藏第22卷考虑上举力、固液间动量交换等因素，结合Ｒealiza-bleκ－ε紊流模型，采用压力耦合方程的半隐式表1CFD模拟参数岩屑钻井液钻井液入岩屑注环空尺寸/岩屑密

6、度/钻井液密度/钻柱转速/mm偏心度直径/黏度/－3－3－1口速度/入浓度/(kg·m)(kg·m)(r·min)－1mmmPa·s(m·s)%215.9×127.00.5810～302500120080～2001.25～2.091.0～1.6算法SIMPLE求解封闭方程。vf、vs为钻井液和岩屑运动速度，m/s;ρf、ρs为钻井3钻井液质量方程:液和岩屑密度，kg/m;为哈密顿算子。(α)+·(αv)=0(1)钻井液动量方程:fρffρfft岩屑质量方程:dvf=－αp+αμ(v+vT)+αρg+Ｒfffffffsfd

7、t(αsρs)+·(αsρsvf)=0(2)(3)t式中:αf、αs为钻井液和岩屑体积分数，αf+αs=1;岩屑动量方程:dvsT2=－αsp+[αsμs(vs+vs)+αsλsμsvsI]+αsρsg+Ｒfs+Flift(4)dt32式中:g为加速度，m/s;Flift为钻井液作用于岩屑转速等参数的影响，随着钻柱转速增加，在宽间隙的升力，N;Ｒfs、Ｒsf为钻井液和岩屑间的作用力，且处钻井液轴向速度减小，而窄间隙处速度增加，且Ｒfs=－Ｒsf，N;p为钻井液和岩屑共同受到的压力，钻井液流速越大，轴向速度越大;当转速增至

8、160Pa;μf、μs为钻井液和岩屑动力黏度，Pa·s;I为单r/min后，轴向速度变化并不明显。钻井液切向速位张量;λs为岩屑体积黏度，Pa·s;上标T表示矢度主要由钻柱旋转作用产生，但由于钻井液的黏量坐