围压条件下脉冲射流提高清岩效果数值模拟研究

刘　爽　李根生　史怀忠

（中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京　102249）

围压条件下脉冲射流提高清岩效果数值模拟研究

刘爽李根生史怀忠

（中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京102249）

脉冲射流钻井技术具有高效清岩能力，但其提速机制还不十分清楚。通过建立围压条件下单喷嘴脉冲射流井底清岩物理模型，对脉冲射流清岩过程进行了数值模拟研究，分析了影响脉冲射流清岩效果的主要因素。结果表明，非稳态旋流是脉冲射流提高清岩效果的主要原因之一，在相同排量条件下，脉冲射流清岩效率比连续射流平均提高约1~1.6倍。脉冲射流清岩效率随着喷嘴直径和入口流速的增大而增大；围压对脉冲射流清岩过程影响较小；低频率脉冲射流的清岩总体效果较好；随着岩屑粒径增大，井底冲击区域内岩屑分布非均匀性增强，脉冲射流清岩效率降低。研究结果对指导脉冲射流提速技术的工程实践具有一定的参考价值。

钻井；脉冲射流；清岩；岩屑；数值模拟

随着深地层和超深地层油气的开发，低钻井速度和长钻井周期已经成为深井钻井巨大的挑战［1-2］。井底岩屑的有效清除是钻井提速的一个重要方面，针对钻井过程中井底清岩问题，增大泵排量是最直接有效的方法，但由于地面和井下设备、井深、水力能量等条件的限制，增大排量受到设备、成本等各个方面的制约。利用射流钻井技术可以改善井底水力能量分布，提高井底净化能力，从而达到提高深井钻速的目的［3-4］。

脉冲射流钻井技术是在常规射流钻井技术基础上提出的，近几年快速发展的有效提速钻井技术，应用在井下增压、超高压射流等多个方面［5］。脉冲射流钻井技术利用有限的井底水力能量产生局部脉冲负压、瞬时冲击压力等作用，改善井底净化条件和岩石应力状态［6］。Wells和Bizanti对射流紊流和波动产生的携岩效果进行了实验与理论研究，得出射流流体的紊流和波动有利于提高携岩效果［7-8］。熊继有等通过对脉冲射流喷嘴的研究，理论分析了脉冲射流清岩机理，得出脉冲射流有利于降低井底岩屑的压持效应［9］。王瑞和等对自激脉冲射流技术进行了水动力的分析，进一步实验验证了脉冲射流技术对井底清岩具有较好的效果［10］。因此深入研究脉冲射流高效清岩原理对工程应用具有重要意义。

目前，国内外学者多关注射流辅助破岩机理与相关工具的研制开发，对常规射流的清岩作用也有相关研究，但对脉冲射流高效清岩对钻井提速的影响研究较少。借鉴常规射流清岩研究经验，射流冲击所产生的应力波与静压力共同作用导致岩屑层的破坏［11］，因此对于脉冲射流清岩研究，岩屑层的破坏主要是脉冲射流产生的应力波与波动压力共同作用的结果。为了研究脉冲射流清除井底岩屑效果，笔者根据流体力学原理，利用有限元方法，建立了井底边界条件下单喷嘴脉冲射流井底清岩物理模型，在模型中设定了初始静止岩屑层模拟井底岩屑。研究中，对比分析了脉冲射流与常规连续射流的清岩效果差异，并对岩屑尺寸、围压、脉冲射流频率和喷嘴尺寸等因素的影响规律进行了详细分析。

1　物理模型

在脉冲射流清岩过程中，脉冲流体经喷嘴首先进入射流冲击区域，再对井底壁面的岩屑层产生冲击清岩作用，悬浮的岩屑随流体流动被携带出井底。笔者将井底空间和围压条件进行简化，建立了单喷嘴脉冲射流井底清岩流场物理模型，该模型主要由喷嘴、射流流体区域和岩屑区域三部分组成，如图1所示。

图2是脉冲射流清岩物理模型三维网格图，在对模型进行网格划分时，网格单元采用非结构性的混合网格，以四面体网格单元为主，在适当位置采用六面体、锥体、楔形的网格单元，并且采用局部网格划分法，在压力梯度变化较大的喷嘴直线段和岩屑冲击区域加密网格，共划分了296 030个网格单元。

假设条件：（1）脉冲射流入口速度简化为余弦函数；（2）仅考虑单喷嘴情况，喷嘴位于井眼中心；（3）不考虑钻头的旋转与振动，简化围压和钻头条件，将钻头面简化为平面约束；（4）忽略流体的压缩性。

图2　脉冲射流清岩物理模型网格划分

2　边界条件及特殊处理

文中进行的数值模拟计算主要研究脉冲射流清岩过程中冲击区域内剩余岩屑的体积分数随时间的分布规律，在模型中设定固定量的岩屑层作为清岩对象，暂不考虑岩屑的产生。由于脉冲射流为非定常流动，采用非稳态模型进行计算。考虑到模型中液固两相流动，采用Euler多相流模型。脉冲射流在冲击区域内的流动状态为复杂的湍流运动并伴有旋流产生，因此采用Realizable k-ε湍流模型。对边界条件进行以下的设定。

（1）入口边界条件。采用速度入口边界条件，以余弦型时间函数为例进行分析，脉冲射流速度为

（2）出口边界条件。采用了压力出口（pressureoutlet）的边界条件，其物理意义是在出口施加一定压力值模拟环空围压的效果。

（3）其他壁面边界条件。采用固定壁面边界条件对模拟计算的区域进行封闭。

（4）在模型设置中设定岩屑区域和流体区域如图1。初始时刻设定流体区域内岩屑浓度为0，流体介质为水，密度为1 000 kg/m3，黏度0.001 Pa·s；初始时刻设定岩屑区域为静止岩屑，初速度为0，岩屑浓度为100%。

3　数值模拟结果及讨论

3.1脉冲射流与连续射流井底清岩效果对比分析

脉冲射流与连续射流的区别在于喷嘴入口的射流流动方式不同，脉冲射流是非定常流动，连续射流则为定常流动。为了对比研究脉冲射流与连续射流清岩能力，在相同排量条件下对脉冲射流清岩和连续射流清岩进行了对比分析。方案的具体参数设计为喷嘴直径10 mm；围压5 MPa； 初始时刻喷距30 mm； 岩屑直径5 mm； 初始时刻固相体积分数55.5%。

图3所示为在岩屑粒径5 mm条件下井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度随时间变化的曲线。在连续射流作用下，井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度近似呈直线下降；在脉冲射流作用下，整个井底冲击区域的流体流速均具有随时间变化的不稳定性，导致对射流清岩和流体携岩能力产生波动影响。在脉冲射流清岩过程中，前期岩屑体积浓度快速下降，当剩余岩屑量较少达到某一值时，出口处出现携岩不连续，剩余的少量岩屑随涡流在井底空间内由上到下旋转，直至再次运动到出口处，岩屑随流体被携出井底，因此出现井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度呈阶梯状下降。

如图3，在任意时刻，脉冲射流作用下的井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度总低于连续射流作用下的井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度，说明脉冲射流清岩效果优于连续射流。以单位时间内清除的岩屑体积为清岩效率进行2种射流的比较，得到脉冲射流清岩效率比连续射流清岩效率平均提高约1~1.6倍。

图3　不同射流方式冲击区域内岩屑体积浓度随时间变化

图4为脉冲射流清岩过程中部分时间的井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度变化云图。从云图中可以看到，由于脉冲射流的射流速度随时间具有脉动性，并且受到不稳定旋流的影响，脉冲射流清岩过程：脉冲射流冲击到岩屑区域，逐渐穿过岩屑层，由于喷距的延长，冲击面积逐渐扩大，并通过漫流推动表层岩屑向出口移动，当射流到达岩层底部，脉冲射流在有限的空间内就形成非稳态旋流，岩屑浓度较高时，局部旋流卷吸岩屑运动，当岩屑浓度降低时，旋流占据井底全部空间，清扫井底不同位置的岩屑，流场上端钻头面处岩屑随脉冲旋流运动。

图4　脉冲射流清岩过程岩屑体积浓度变化云图

图5为连续射流清岩过程中部分时间点的井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度变化云图。从云图可看到，连续射流清岩过程是：连续射流冲击到岩屑区域，以恒定速度逐渐射穿岩屑区域，由于喷距的延长，冲击范围逐渐增大，并通过漫流推动表层岩屑向出口移动，当射流到达岩层底部后，漫流是推动冲击区域内剩余岩屑完全脱离岩层底部的主要动力，稳态旋流的作用很小，上部钻头面处岩屑较难清除。

图5　连续射流清岩过程岩屑体积浓度变化云图

3.2脉冲射流井底清岩参数影响规律分析

3.2.1岩屑直径岩屑直径是影响水力脉冲射流井底清岩效果的主要因素之一。小粒径岩屑便于被携带，大粒径岩屑很容易二次沉积，导致钻头重复研磨破碎岩屑，降低钻井效率。数值模拟方案具体参数设计为：岩屑直径1 mm、3 mm、5 mm、7mm； 影响分析时的参数组合，喷嘴直径10mm； 围压5 MPa；初始时刻喷距30 mm； 脉冲频率10Hz； 初始时刻固相体积分数55.5%；速度脉冲幅值100 m/s。

图6是在不同岩屑粒径条件下脉冲射流清岩过程中井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度随时间变化曲线。从图中曲线可以观察到，在脉冲射流清岩过程中，岩屑粒径越小，脉冲射流快速清岩时间越早，清岩时间越短。随着岩屑粒径增加，大颗粒岩屑分布的非均匀性增强，清岩难度增大，脉冲射流快速清岩时间延后。

图7所示为在脉冲射流清岩过程中不同时刻井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度随岩屑粒径的变化曲线。从图中可以观察到，在任意时刻，随岩屑粒径越大，井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度越高，近似呈线性增加。

图6　不同岩屑粒径条件下冲击区域内岩屑体积浓度随时间变化

图7　不同时刻冲击区域内岩屑体积浓度随岩屑直径变化

3.2.2围压研究围压对于脉冲射流井底清岩的影响，数值模拟方案具体设计如下：围压值分别为 0 MPa，5 MPa，10 MPa，30 MPa； 围压影响分析时其余参数组合：岩屑粒径5 mm； 喷嘴直径5mm； 初始时刻喷距30 mm； 脉冲频率10 Hz； 初始时刻固相体积分数55.5%；速度脉冲幅值100 m/s。

图8所示为不同围压条件下井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度随时间变化曲线。不同围压条件的曲线变化趋势相同，且基本重合。图9所示为不同时刻井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度随环空围压变化曲线，在保证其他参数一定的情况下，随着环空围压增大，井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度稍有增加，但增加量很小，基本可以忽略。说明在岩屑脱离井底母岩后围压对脉冲射流清岩效果基本没有影响。

图8　不同围压下冲击区域岩屑体积浓度随时间变化

图9　不同时刻冲击区域内岩屑浓度随围压值变化曲线

3.2.3脉冲频率在研究脉冲频率对于脉冲射流井底清岩的影响时，改变入口脉冲射流速度频率，模拟不同脉冲频率条件对脉冲射流清岩的影响，数值模拟方案具体设计如下：脉冲频率分别为5 Hz、10 Hz、20 Hz、30 Hz； 脉冲频率影响分析时其余参数组合: 岩屑粒径5 mm； 喷嘴直径5 mm； 初始时刻喷距30 mm； 围压5 MPa； 初始时刻固相体积分数55.5%；速度脉冲幅值100 m/s。

图10所示为不同脉冲频率条件下井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度随时间变化曲线。在清岩前期，岩屑浓度较高时，低频率的脉冲射流清岩效果较好，低频脉冲射流在井底能够产生长周期的脉冲旋流，这样的旋流具有较强的卷吸作用；随着岩屑浓度降低，高频率的脉冲射流清岩效果逐渐改善，高频率脉冲射流缩短了旋流的旋转周期，加快了携岩速度。随着入口脉冲射流频率改变，井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度发生一定的变化，对比不同脉冲频率清岩的总体效果，低频率脉冲射流具有较高的清岩能量。

3.2.4喷嘴直径喷嘴直径是脉冲射流井底清岩的重要影响因素之一。研究喷嘴直径对于脉冲射流井底清岩影响的数值模拟方案具体设计如下：喷嘴直径5 mm、10 mm、15 mm、20 mm； 影响分析时的参数组合， 岩屑粒径5 mm； 围压5 MPa； 初始时刻喷距30 mm； 脉冲频率10 Hz； 初始时刻固相体积分数55.5%；速度脉冲幅值100 m/s。

在喷嘴入口脉冲射流速度相同的前提下，喷嘴直径的大小直接影响排量。图11所示为不同喷嘴直径条件下井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度随时间变化曲线。随时间延长，不同喷嘴直径条件下井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度均呈下降趋势，随着喷嘴直径的越大，曲线的梯度变化越小。图12所示为不同时刻井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度随喷嘴直径的变化曲线。喷嘴直径的越大，喷嘴截面积越大，井底冲击区域内剩余岩屑的体积浓度近似呈线性降低。

图10　不同脉冲频率下冲击区域岩屑体积浓度随时间变化

图11　不同喷嘴直径下冲击区域内岩屑体积浓度随时间变化曲线

图12　不同时刻冲击区域岩屑浓度随喷嘴直径变化曲线

4　结论

（1）在相同条件下，连续射流井底清岩的岩屑体积浓度随时间呈线性下降，脉冲射流井底清岩的岩屑体积浓度呈波动下降，且在任意时刻，脉冲射流清岩能力都强于连续射流。

（2）随着岩屑粒径增大，井底冲击区域内岩屑分布非均匀性增强，脉冲射流清岩效率降低。

（3）在岩屑脱离井底母岩后围压对脉冲射流清岩效果基本没有影响。

（4）针对岩屑浓度较高的区域，低频脉冲射流清岩效果较好。在现场作业条件允许下，应该选择低频脉冲射流，不仅降低设备共振破坏的风险，还能够提高脉冲射流的清岩效果。

（5）在喷嘴入口脉冲射流速度恒定的条件下，在任意时刻，随着喷嘴直径提高，脉冲射流冲击压力增强，冲击范围增大，脉冲射流井底清岩能力增强。在现场工况允许的前提下，应该适当增大泵排量和喷嘴直径，提升脉冲总能量，从而可以提升脉冲射流清岩速度。

［1］谭春飞，李树盛. 影响深井和超深井钻速的主要原因分析［J］. 石油钻采工艺，1998，20（4）：32-35.

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（修改稿收到日期2015-04-05）

〔编辑薛改珍〕

Numerical simulation research on improving cleaning cuttings effectiveness with pulsed jet under confining pressure

LIU Shuang, LI Gensheng, SHI Huaizhong
（State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

The drilling technology with pulsed jet is highly capable of cleaning the cuttings, but its acceleration mechanism remains unknown. By establishing a physical model for bottom hole cleaning cuttings by pulsed jet with single-nozzle under confining pressure, the numerical simulation research was conducted on the whole process of cleaning cuttings by pulsed jet, and the main factors affecting the cleaning cuttings effect by pulsed jet was analyzed. The research finding shows that unsteady state rotational flow is one of the main reasons for improvement of cleaning cuttings effect by pulsed jet. Under the same flow rate, the cleaning cuttings efficiency by pulsed jet is about 1-1.6 times that of continuous jet in average. The efficiency of cleaning cuttings by pulsed jet increases with the increase of nozzle diameter and inlet flowrate. The confining pressure has small effect on the process of cleaning cuttings by pulsed jet. The overall effect of cleaning cuttings by low frequency pulsed jet is good, with the increase of particle sizes, the heterogeneity of cuttings distribution within the impact area at hole bottom is intensified and the efficiency of cleaning cuttings by pulsed jet is reduced. The resulting conclusions provide a theoretical guidance for research on acceleration technique by pulsed jet.

drilling; pulsed jet; cleaning cuttings; cuttings; numerical simulation

TE21

A

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0006– 05

10.13639/j.odpt.2015.03.002

国家自然基金创新群体项目“复杂油气井钻井与完井基础研究”（编号：51221003）；国家自然科学基金重大国际（地区）合作项目 （编号：51210006）。

刘爽，1986年生。油气井工程专业在读博士研究生。电话：010-89733988。E-mail：851846623@qq.com。通讯作者：李根生，1961年生。博士生导师。

引用格式：刘爽，李根生，史怀忠.围压条件下脉冲射流提高清岩效果数值模拟研究［J］.石油钻采工艺，2015，37（3）：6-10.