页岩气作为一种清洁能源,其能够减少温室气体排放,有效地对抗全球气候变化
[1-4]。此外,页岩气的开发能够降低国家对于外部能源供应的依赖,增强国家的能源安全,并通过促进相关技术与服务行业的发展来推动经济增长与就业。同时,页岩气产业的发展也推动了能源技术的创新,提升了中国在全球能源市场中的地位,并有助于优化国家的能源消费结构,推动能源消费向更清洁与高效的方向转变,从而支持国家的可持续发展
[5-8]。在页岩气的开发历程中,水平井技术通过延长井下水平段长度,增加了井眼与页岩气藏的接触面积,有效地提高了单井产量与开发效率
[9-10]。其次,水平井技术可实现多层合采,减小对储层的伤害,降低生产成本
[11-12]。因此,水平井是用于页岩气高效开发的主要井型。然而,随着深层页岩气水平井的水平段长度不断加深,钻井过程中所产生的岩屑受自身重力与运动方式的影响,其易在水平段环空中发生沉积,进而对钻井作业的安全性与高效性造成影响。
目前,学者们已针对页岩气水平井井眼高效清洁技术进行了广泛研究,并取得了一系列科研成果。张杰等
[13-18]通过相似性实验发现,岩屑在环空中的运动方式主要包括上浮、沉降与翻滚3种,并通过对比研究稳态与非稳态岩屑运移模型的优缺点,提供出了一种基于录井数据与固-液两相流理论的全瞬态岩屑运移模型。李鑫等
[19]通过对全瞬态岩屑运移模型进行优化,提出了一种适用于全倾角范围的岩屑最小运移速度计算模型。李斌等
[20-21]通过优化后的数学模型进行数值模拟研究发现,在环空流体流速较高的情况下,环空岩屑的运移效率受岩屑尺寸的影响较小,但受井斜变化的影响较大。在掌握了基本的环空岩屑运移规律后,学者们开始对机械清岩装置的结构与运动方式的改变对环空岩屑运移规律的影响进行研究。徐声驰等
[22]通过数值模拟研究发现,机械清岩装置的叶片所引起的环空流体扰动会对不同机械转速下的岩屑沉积行为产生不同程度的影响,并进一步提出了岩屑沉积指数的概念。李林等
[23]通过实验测试进一步发现,钻柱机械转速与井斜角的增加能够显著提高岩屑在环空中的运移速度。武治强等
[24]对常规机械清岩装置的结构进行了优化,进一步设计了四叶形机械清岩装置,并通过数值模拟研究证实了该装置能够在环空中引起局部流体扰动,有效驱动岩屑运移。吴文兵等
[25]基于环空固-液两相流理论,提出了一种用于水平段岩屑清理过程中的岩屑床高度计算方法。
上述研究成果已经在一定程度上揭示了岩屑在水平段环空中的运移规律,并在如何优化机械清岩装置性能方面取得了一定的进展。当前,页岩气水平井井眼清洁技术研究聚焦于岩屑运移机理建模与机械清岩装置优化,学者们通过固-液两相流理论构建瞬态模型并揭示井斜角对岩屑运移的主控性,同时针对机械装置开展结构改进,发现局部流体扰动(如四叶形设计、叶片转速调控)可显著提高岩屑迁移效率。然而,现有技术仍面临复杂地层适应性不足、装置参数与钻井液性能协同性差等问题,尤其在深层页岩气水平井中,高应力、强非均质性环境对岩床动态控制提出更高要求。
为了进一步提高深层页岩气水平井的井眼清洁效率,在分析现有研究成果的基础上,设计一套适用于深层页岩气水平井的高效机械清岩装置,在保留常规机械清岩装置优势的基础上,该装置通过两段制设计将射流方式由持续射流改变为了间断性脉冲射流,并能够有效防止岩屑在运移过程中侵入喷嘴。其次,通过数值模拟对比分析不同射流角度、叶片结构与机械转速下的水平段环空流体扰动与岩屑运移情况,并基于数值模拟结果对装置结构进行进一步优化。相关研究成果可为深层页岩气水平井的井眼高效清洁提供一定的理论与技术支撑。
1 装置设计
1.1 射流方式设计
在对深层页岩气水平井进行井眼清洁作业时,若机械清岩装置的射流方式为持续射流,则环空流体会始终处于高速流动的状态,进而在环空中引发较高的循环压耗。由于深层页岩气水平井的水平段地层对井筒压力变化较为敏感,存在易破碎垮塌的风险,故在环空循环压耗较高的情况下,水平段地层极易发生破裂或坍塌,进而引发钻井液漏失或钻具阻卡等井下复杂工况。因此,适用于深层页岩气水平井的机械清岩装置需既能保障岩屑在水平段环空中的清理效率,又不会在环空中引发较高的循环压耗,从而有效实现安全高效的井眼清洁作业。
为了实现上述设计目标,需将机械清岩装置的持续性射流方式改变为间断性射流方式。具体的设计方式为,将机械清岩装置的本体结构分为外部控制环体与内部旋转环体两部分。其中,外部控制环体与地层保持相对静止,而内部旋转环体会在钻柱完成旋转一周时与外部控制环体的喷嘴连通一次。在完成有效连通后,钻柱中的流体会在液柱压力的驱动作用与钻柱旋转的偏心作用下由喷嘴处喷出,从而完成单次清岩作业。上述设计方式将机械清岩装置的持续清岩方式改变为间断性的脉冲清岩方式,有效地降低了环空流体流动的循环压耗,增强了水平段岩屑清理过程中的井壁稳定性。射流控制装置示意图如
图1所示。
1.2 机械组合设计
当水平段环空中的岩屑通过高速流体的携带作用而发生运移时,其会受自身重力与运动方式的影响而产生下沉的趋势。若经机械清岩装置驱动后的环空流体流速仍无法满足水平段环空中的岩屑清理需求,则岩屑会发生二次沉积,进而引发钻具阻卡甚至埋钻的井下复杂工况。因此,当机械清岩装置的射流方式由持续性射流改变为间断性射流后,应仍能够充分保障水平段环空中的岩屑清理需求。
为了实现上述设计目标,首先需将机械清岩装置的喷嘴设计形式由平行设计改变为倾斜设计,同时在装置的轴向上共设置有3个喷嘴,相邻喷嘴之间的夹角为120°。这样的设计方式既提高了环空流体的流动速度,保障了水平段环空中的岩屑清理效率,又能够使岩屑在水平段环空中运移时的受力状态保持较为良好的均匀性。其次,将螺旋角为60°的六叶片清岩装置安装于该装置的前端,用于增强环空流体的扰动,并起到扶正器的作用,以防止水平段环空中的岩屑在运移过程中侵入喷嘴,影响机械清岩装置的作业效率。机械组合结构采用两段制设计方式,装置机械组合如
图2所示。
1.3 装置安装设计
机械清岩装置的安装位置应在考虑钻具组合合理性的基础上尽可能地靠近钻头位置。在这样的安装位置下,当喷嘴处于未开启的状态时,机械清岩装置能够通过前端的螺旋结构,配合钻柱旋转实现高效清岩的目的。当喷嘴处于开启的状态时,增大后的流体排量可进一步辅助钻头的水力破岩效果。
2 结构优化
2.1 模型网格划分
在针对数值模拟区域进行网格划分时,共设置有2个模拟单元,即外部流场单元与机械结构单元。由于2个模拟单元均属于动态单元,因此在划分网格模型时需采用滑移网格模型。在2个模拟单元中,由于外部流场单元在数值模拟过程中所产生的变化幅度较小,几乎不存在网格挤压而出现负网格的情况,因此可采用六面体网格划分方式将外部流场单元转化为有限元形式。其次,由于机械结构单元存在机械本体运动与内部流体流动2种运动形式,变化幅度较大,易出现负网格的情况,因此需使用四面体网格划分方式来增加机械结构单元的整体网格数量。另一方面,在开展数值模拟时,设定井眼尺寸为241.30 mm,钻杆尺寸为149.20 mm,机械清岩装置外径为171.20 mm,长度为1.50 m,齿高为17.50 mm,齿宽为32.00 mm。
2.2 射流角度对清岩效果的影响
机械清岩装置的射流角度变化会改变环空流体的冲击方向与覆盖范围,从而影响环空岩屑运移的动力学特性与清洁效率。若射流角度过小,则会导致射流能量集中于局部区域,易引发岩屑二次卷吸或环空回流现象,削弱整体清岩能力;若射流角度过大,则会降低射流垂向冲击力,岩屑受水平剪切作用增强,难以及时脱离井底堆积层。因此,开展机械清岩装置射流角度变化对清岩效果影响的数值模拟研究,可揭示射流覆盖面积、临界悬浮速度和最优输运角度之间的量化关系,指导机械清岩装置参数的实时适配,从而进一步提高环空岩屑的清理效率。
在针对射流角度对清岩效果影响的模拟中,设定钻井泵的瞬时排量为30 L/s,钻柱的机械转速为70 r/min,机械清岩装置的叶片结构为螺旋结构,喷嘴的倾斜角度分别为45°、60°与75°。不同射流角度下的水平段环空流体扰动与岩屑运移情况如
图3所示。
如
图3所示的数值模拟结果表明,当射流角度分别为45°、60°与75°时,水平段环空中的流体流速峰值分别约为1.75、1.86、1.97 m/s,岩屑运移速度的峰值分别约为1.67、1.78、1.72 m/s。产生上述变化特征的主要原因是,若基于水平段环空中的流体流速模拟结果进行雷诺数计算可知,当射流角度小于60°时,环空中的流体流动状态基本处于层流到紊流之间的过渡流状态,岩屑在水平段环空中运移时的受力状态基本可以保持良好的均匀性。但当射流角度大于60°时,环空中的流体流动状态会完全处于紊流状态,流体流动的规律性变差,岩屑在水平段环空中运移时的受力状态难以保持均匀性,进而导致岩屑易发生二次沉积,清理效率下降。因此,当机械清岩装置的喷嘴倾斜角度在0°~60°的范围内时,水平段环空中的流体流动速度与岩屑运移速度会随射流角度的增大而增加。但当喷嘴倾斜角度超过60°时,岩屑在水平段环空中的运移速度会随射流角度的增大而产生下降的趋势。
2.3 叶片结构对清岩效果的影响
机械清岩装置叶片结构的变化会直接影响环空流体的剪切力与涡旋强度,从而影响环空岩屑运移的动力学特性与清洁效率。若叶片结构过于平滑,则会导致环空流体流动路径单一,无法扰动环空底部的岩屑沉积层;若叶片结果过于复杂,则会导致局部湍流加剧,促使细颗粒岩屑二次卷吸或悬浮能力下降,甚至形成环空回流。因此,开展机械清岩装置叶片结构变化对清岩效果影响的数值模拟研究,能够建立岩屑剥离临界剪应力与叶片动力特性的定量关联,为动态调控机械清岩装置适应井下复杂工况提供理论支持。
在针对叶片结构对清岩效果影响的模拟中,设定钻井泵的瞬时排量为30 L/s,钻柱的机械转速为70 r/min,喷嘴的倾斜角度为60°,机械清岩装置的叶片结构分别为直楞结构、V字结构与螺旋结构。不同叶片结构下的水平段环空流体扰动与岩屑运移情况如
图4所示。
如
图4所示的数值模拟结果表明,当机械清岩装置的外部机械结构分别为直楞结构、V字结构与螺旋结构时,水平段环空中的流体流速峰值分别约为1.75、1.94、1.86 m/s,岩屑运移速度的峰值分别约为1.67、1.58、1.78 m/s。产生上述变化特征的主要原因是,由机械清岩装置的3种外部机械结构在水平段环空中所引起的流体扰动情况可知,当外部机械结构为螺旋结构时,其在旋转过程中所引起的流体流动流线最具有规律性。在上述流场特征的影响下,岩屑在水平段环空中运移时的受力状态基本可以保持较为良好的均匀性。相比之下,V字结构在旋转过程中所形成的流体流动流线最为杂乱,在该流场特征的影响下,岩屑在水平段环空中运移时的受力状态难以保持良好的均匀性,进而导致岩屑易发生二次沉积,岩屑清理效率下降。因此,在机械清岩装置的3种外部机械结构中,螺旋结构的清岩效果最佳,而V字结构的清岩效果最差。
2.4 机械转速对清岩效果的影响
机械清岩装置机械转速的变化对环空流体流动与岩屑运移的扰动强度与能量传递效率具有显著影响作用。若转速不足,流体剪切力与涡旋作用减弱,难以打破岩屑颗粒沉积的静态平衡,导致环空底部岩屑床持续堆积;若转速过高,可能引发过量紊流,加剧岩屑二次破碎与微细颗粒悬浮扩散,降低泥浆有效携岩能力,同时加速装置磨损与能量损耗。因此,开展机械清岩装置机械转速变化对清岩效果影响的数值模拟研究,能够明确清岩装置临界阈值速度、能耗效率最优区间等核心参数,为突破传统固定转速工况的局限性提供理论支撑。
在针对机械转速对清岩效果影响的模拟中,设定钻井泵的瞬时排量为30 L/s,喷嘴的倾斜角度为60°,机械清岩装置的外部叶片结构为螺旋结构,钻柱的机械转速分别为70、90、110 r/min。不同机械转速下的水平段环空流体扰动与岩屑运移情况如
图5所示。
如
图5所示的数值模拟结果表明,当钻柱的机械转速分别为70、90、110 r/min时,水平段环空中的流体流速峰值分别约为1.86、1.91、1.95 m/s,岩屑运移速度的峰值分别约为1.78、1.66、1.54 m/s,产生上述变化特征的主要原因是,由不同机械转速下的水平段环空流体扰动情况可知,当钻柱的机械转速为70 r/min时,水平段环空中的流体流动流线能够保持良好的规律性,岩屑在水平段环空中运移时的受力状态较为均匀。但当钻柱的机械转速由70 r/min进一步提高,水平段环空中的流体流动流线逐渐变得杂乱。在该流场特征的影响下,岩屑在水平段环空中的受力状态难以保持较为良好的均匀性,易发生二次沉积。因此,在对页岩气井水平段的岩屑进行清理作业时,钻柱的机械转速不应超过70 r/min,以保持良好的岩屑清理效率。
3 结论
(1)当机械清岩装置的射流角度在0°~60°的范围内时,水平段环空中的岩屑清理效率会随射流角度的增加而逐渐提高,但当射流角度超过60°时,环空岩屑的清理效率会随射流角度的增加而产生下降的趋势。
(2)当机械清岩装置的外部叶片结构为螺旋结构时,其对水平段环空中的岩屑清理效果最佳,但当外部叶片结构为V字结构时,水平段环空中的岩屑清理效果最差。
(3)若钻柱的机械转速未超过70 r/min,则水平段环空中的岩屑清理效率会随钻柱机械转速的增加而提高,但当钻柱的机械转速超过70 r/min时,水平段环空中的岩屑清理效率会随钻柱机械转速的增加而下降。
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