钻柱旋转对大位移井井眼净化影响规律的研究

钻柱旋转对大位移井和水平井的井眼清洗和摩阻压耗的影响

第一篇理论模拟

钻柱旋转对大位移井井眼净化影响规律的研究

摘要

为了研究钻柱旋转对井眼净化效果的影响规律, 选择直径215.19 mm井眼及<127.10 mm钻柱作为环空尺寸, 取钻柱的偏心度为0.5, 选择20 m作为轴向长度构造物理模型。采用欧多相流数学模型对问题进行分析处理, 内边界条件设定为旋转, 外边界条件为井壁(不考虑其摩擦效应) 。数值模拟结果认为, 钻柱旋转带动液、固相做周向旋转运动, 其与轴向流动耦合使得环空内固相运动方式与钻柱无旋转时有很大的不同, 类螺旋流动是液、固相的主要运动方式, 钻柱旋转不仅能降低环空内固相含量, 而且还会使固相移动速度增加, 从而促进水平井段的井眼净化。

关键词井眼净化钻柱旋转大位移井沉积床数值模拟

引言

大位移井与常规井最大的区别在于其有较长的水平位移, 使得井下钻屑经过较长的时间才能到达井口, 在这个过程中固相沉积床的形成使井眼净化变得十分困难。影响井眼净化效果的因素很多, 钻柱旋转是其中之一。研究中考虑钻柱旋转将更加接近于大位移井钻井实际, 对旋转影响的研究

有很重要的理论意义和工程价值。

1 欧拉多相流数学模型

根据前人的研究成果[ 7 - 10 ]及大位移井的钻井实际情况, 笔者选择

215.19 mm 井眼及127.10mm钻柱作为环空尺寸, 同时取钻柱的偏心度为

0.5, 根据计算机CPU及内存的实际情况, 选择20m作为轴向长度构造物理模型。通过理论分析、比较及对现场实际情况的调研, 笔者采用欧拉多相流数学模型对问题进行分析处理。所建立的数学模型如下面所述。

1.1 体积分数

体积分数的计算公式

1.2 流体连续性方程

根据实际情况，环空内液相之间没有相互的质量传递

1.3 流体运动方程q相受力包括: 质量力、虚拟质量力、相间相

互作用力、共有压力等

q相受力包括: 质量力、虚拟质量力、相间相

互作用力、共有压力等

1.4 边界条件

物理模型为偏心环形空间, 其一侧端面为液、固2相混合入口, 另一侧端面为液固2 相混合出口; 环空内壁为钻柱, 不考虑接头的影响, 内边界条件设定为旋转; 外边界条件为井壁(不考虑其摩擦效应) 。计算中相应初始条件及参数的设定如下: 井眼直径21519 mm, 流速30 L / s, 粘度25 mPa·s,颗粒直径

1 mm, 转速100 r/min, 偏心度015, 固相体积分数5%。

1.5 网格划分物理模型及网格划分如图1所示。计算中先采用较疏的网格, 再不断进行细化。当计算流场划分为56 ×8×360个网格时, 与它前面使用的网格计算结果相比, 二者之间的差异达到了可以忽略的程度, 因此对环空模拟计

算的整个流场内最终网格数为161 280。图1 模型及网格划分

2 数值模拟结果

对环空流场进行数值模拟计算, 得到环空液固2相流场的流动规律。

2.1 环空固相体积分数分布

分别对内管旋转与非旋转时进行计算, 得到环空固相体积分数截面分布, 如图2所示。从体积分数比较上看, 在考虑内管旋转的情况下, 顺旋转方向固相在做周向运动的液相带动下也做周向运动。固相体积分数在旋转时比非旋转时约降低0.33.液相浓度也相应增加。从图2可以看出, 在考虑内管旋转时对井筒净化进行研究更接近实际情况

2.1 环空固液速度分布

内管旋转不仅使环空下侧固相浓度降低, 还会使固相移动速度增加, 数值模拟结果如图3所示。

2.2 环空固液速度分布

内管旋转不仅使环空下侧固相浓度降低, 还会使固相移动速度增加, 数值模拟结果如图3所示。从固相速度分布图比较上看, 旋转存在时,0.4 m / s速度区已经贯穿环空, 下侧沉积固相, 环空上侧固相流核区流速降低。说明有固相由下侧运动到上侧, 降低了整体的动能。

2.3 环空固相运动方式分析

环空内管旋转对液、固2相流动最大的影响是使两者有了周向运动, 这种周向运动改变了液固单纯的轴向运动方式和稳定的液固分布状况。模拟计算的固相迹线如图4所示。从固相运动迹线上看,内管旋转时一部分固相在进行轴向运动的同时随内管一起做周向旋转运动, 而距离内管较远的固相颗粒则在环空下侧沿眼轴向做波状跃迁运动, 这与内管无旋转时情况相同。固相颗粒的运动示意图如图5所示。从图5可以看出, 固相的运动方式更加接近大位移井的钻井实际工况。

2.4 倾斜井段结果分析

在倾斜井段内, 环空固相主要以回流和螺旋流运动为主, 如图6所示。

2.5 岩屑床高度回归模型

根据数值模拟结果, 运用数理统计原理, 对岩屑床高度进行回归, 得到其回归方程

2.6 影响井眼净化的因素分析

图7为各影响因素对井眼净化影响程度与工程可操作性的关系。受篇幅所限笔者仅分析液相流量、钻柱转速对井眼净化的影响情况。

2.6.1 液相流量的影响

不同流量时环空固相沉积床高度及固相流速变化情况如图8所示。k表示50%积床高度与井眼直径比。从图8可以看出, 随着流量的增加岩屑床高度下降, 流量为30～60 L / s时岩屑床高度下降最快, 同流量区域内岩屑的运动速度明显增大。当流量增加到60 L / s时环空内固相已经全部运动起来, 没有岩屑沉

积, 这与前人的计算结果相符

2.6.2 钻柱转速的影响

不同钻柱转速时环空固相沉积床高度及固相流速变化情况如图9所示。从图9可以看出, 钻柱转速为70～110 r/min时岩屑床高度变化较大, 高度变化的原因是固相被带入液相里。另外上升是由于流体侵入形成的。随着转速增加固相沉积床、移动床的移动速度都在增加, 而主流区流速减小。