基于RDM技术中双壁钻杆环空钻井液流动模拟分析

1、基于RDM技术中双壁钻杆环空钻井液流动模拟分析     摘要：采用小排量后，加之双壁钻杆流道容积本身较小，可大幅度减少钻井液用量，节约钻井成本。分析得出的双壁钻杆环空内钻井液流动规律，可对建立该技术下井底压力计算模型、优化定位块结构、优选钻井水力参数、研究钻井液冲蚀和腐蚀钻具等提供依据，对RDM钻井技术的发展具有积极作用。关键词：RDM技术,双壁钻杆,环空钻井液,流动模拟     0引言     ReelWell钻井方法(ReelWellDrillingMethod

2、，RDM)是一项新的钻井新技术，最初是为解决连续管钻井中井眼清洗问题而提出来的1。RDM于2004年创建，主要由挪威国家石油公司、挪威科学研究委员会进行理论研究、配套设备的研发与测试;2005年进行可行性分析与调研;2006年完成关键配套设备的研发与测试，同年Shell公司加入研究该技术;2007年在“Ullrigg”钻机上对全尺寸模型进行考证;2008年实际设备再次在该钻机上进行试验;2009年在陆上与海上进行了试验井的钻探试验并取得成功，同年该技术获得了OTC新技术奖的提名17。RDM技术以同心双壁钻杆技术为基础，钻井液从双壁钻杆环空泵入井内，清洗井眼，并携带岩屑从双壁钻杆的内钻杆返回地面

3、，从而实现了钻井液的闭环循环。该技术在井底压力精确控制、钻井液微流量控制、钻压控制、欠平衡钻井、大位移井钻井、井眼清洗、尾管钻井、海洋深水钻井、实现单一直径的井身、提高钻井安全性与作业效率以及有压力挑战性的地层钻进方面具有较大的潜力和优势17。RDM技术中双壁钻杆环空流道中有支撑双壁钻杆内管的定位块，此定位块对钻井液流动产生巨大影响。为此，通过Fluent软件模拟双壁钻杆环空内钻井液流动规律，对建立该技术的井底压力计算模型、优化定位块结构、优选钻井水力参数、研究钻井液冲蚀和腐蚀钻具等提供依据，对该技术的发展具有积极作用。     1研究问题及模型

4、0;    如图1所示，RDM主要由顶驱适配器、双壁钻杆、上部BHA(由滑动活塞等组成)、下部BHA(包括钻头、下部扩眼器、井下动力钻具、流动转换接头、双浮动阀)、地面数据采集系统、传感装置、旋转控制装置、防喷器、液压系统、钻井液循环及处理系统和其他的辅助装备组成1，3。RDM与常规钻井主要差异为钻井液循环通道不同:RDM中钻井液由双壁钻杆环空输送到井底，携岩从双壁钻杆内钻杆返回地面，流道均在钻杆和钻杆环空;常规钻井中钻井液由钻杆输送到井底，携岩从钻杆与井筒环空返回地面，流道包括钻杆、裸眼井筒和套管井筒。笔者参照文献4中的双壁钻杆进行模拟，双壁钻杆是用常规钻杆改造

5、而成的，在常规钻杆里面采用了一种专用的装置进行改造，这种装置使得双壁钻杆与常规钻井环空模型有一个显著的区别，图2为同心双壁钻杆环空流道几何模型。可以看出，双壁钻杆的外壁和内壁之间均匀分布有4个内管定位块，定位块有2个作用:将钻杆的内壁和外壁固定在一起;使内管居中，内管与外管的同心度得以保证。图1RDM与常规钻井示意图1、16钻井液处理与循环系统;2顶驱适配器;3液压系统;4旋转控制装置;5防喷器;6、14套管;7滑动活塞;8双壁钻杆;9双浮动阀;10、12BHA;11流动转换接头;13钻柱;15防喷器。图2同心双壁钻杆几何模型1外管;2内管;3定位块。基础参数:外管采用常规114.3mm(4英

6、寸)钻杆，其外径为114.3mm，内径为100.5mm，壁厚6.88mm;内管采用常规60.3mm(2英寸)钻杆，其外径为60.3mm，内径为46.3mm，壁厚7.0mm;钻杆的绝对表面粗糙度为0.04678mm。研究管段取定位块以上5000mm、以下5000mm的一段双壁钻杆进行模拟分析。钻井液密度1300kg/m3，粘度为47mPa?s，比热容为3100J/(kg?K)，导热系数为0.7W/(m?K);固相颗粒密度为2500kg/m3，比热容为1000J/(kg?K)，导热系数为0.3W/(m?K)。液固两相流混合物从双壁钻杆环空上部入口进入，钻井液流速为1.5m/s，固相颗粒流速为1m/

7、s，固相颗粒的体积分数为0.05%，固相颗粒直径为0.5mm。根据实际工程的精度需要，为确保网格质量，在网格划分前手动对所模拟的环空流道模型进行了分解，整个模拟范围分为3个区域进行网格划分。网格划分时，首先手动将3个区域的所有线段进行线网格划分，然后分别对3个区域采用Hex和Map的划分方式进行体网格划分，得到的体网格如图3所示。完成网格划分后进行边界类型定义时，定义上部进口面为速度入口边界，下部出口面为自由出流边界，还分别定义了钻杆外壁面和内壁面。图3模型网格图对动力粘度为常数的不可压缩粘性流体，笛卡尔坐标系下的动力学基本方程如下8:ux+vy+wz=0(1)ut+uux+vuy+wuz=g

8、x1px+2ux2+2uy2+2uz()2(2)vt+uvx+vvy+wvz=gy1py+2vx2+2vy2+2vz()2(3)wt+uwx+vwy+wwz=gz1pz+2wx2+2wy2+2wz()2(4)式中，     u、v、w分别为x、y、z方向的速度分量，为密度，为动力粘度，p为流体微元体上的压力，gx、gy、gz为分别为x、y、z方向的重力加速度分量。     2模拟结果与分析     图4为钻井液在双壁钻杆环空内的压力场分布云图。图中包括所研究双壁钻杆管段环空流

9、道的压力场全局图、定位块处的压力场局部放大图和定位块处的压力场剖视图。由图可以看出，由于定位块处的钻井液过流面积变小，使得压力总体上历经了由小变大再变小的过程，研究管段两端的压力差约为210Pa。在定位块前端，双壁钻杆管段环空流道内由于摩阻使得压力出现了减小的现象。在定位块处出现了绕流现象，压力场分布发生了明显的变化，在定位块处出现4个轴对称的最低压力区和4个最高压力区，压力最高约为4.1kPa，压力最低约为0.0127Pa;定位块迎流面较远处压力分布还比较均匀、压力值也较大，但在定位块迎流面的壁面处的压力很小;定位块两侧由于钻井液流动发生了搅动使得压力有所升高;在流过定位块到达背流面的压力却

10、非常低，而且低压力影响区较大;定位块迎流面与背流面的最大压差约1.68kPa。在定位块后端，同样由于摩阻使得压力出现了减小的现象。图4压力场分布云图图5、图6分别为钻井液在双壁钻杆环空内的流速场分布云图和流速场矢量图。图5流速场分布云图图6流速场矢量图由图可以看出，由于定位块处的钻井液过流面积变小，使得流速总体上经历了由小变大再变小的过程。在定位块前端，双壁钻杆管段环空流道内流速没有发生明显变化。在定位块处出现了绕流现象，流速场分布发生了明显的变化，在定位块处出现4个轴对称的最低流速区和4个最高流速区，流速最高约为2.51m/s，流速最低约为0.014m/s;定位块迎流面流速分布比较均匀，在定

11、位块迎流面的壁面处流速基本为0;定位块两侧流速急剧升高，这是由于定位块处的钻井液过流面积变小造成的;定位块背流面的流速也非常低，但低速区域较小，使得定位块后端的管段内钻井液流速趋于均匀。在定位块后端，钻井液流速较为均匀。另外，由于钻井液粘度高，双壁钻杆壁面处的流速明显低于流道中央的流速。图7为钻井液在双壁钻杆环空内的岩屑体积分数分布云图。由图可以看出，双壁钻杆环空内的岩屑体积分数分布大体上均匀，在定位块壁面处的岩屑体积分数最大，岩屑体积分数最高为0.0591%，岩屑体积分数最低约为0.0334%。这是由于定位块壁面处的流速低，不能有效地携带岩屑，岩屑在定位块壁面处的浓度便急剧升高。 

12、    3结束语     通过分析，在双壁钻杆环空流道内定位块处，压力降低后逐渐增大，流速增加后迅速降低，在定位块后端形成的流速核心区保持一段距离后渐趋消失，在定位块处出现4个轴对称的最低流速区、4个轴对称的最高流速区、4个轴对称的最低压力区和4个轴对称的最高压力区，其中，最低流速区对应于最低压力区，最高流速区对应于最高压力区。岩屑体浓度分布大体上均匀，只是在定位块壁面处的岩屑浓度最高。综上所述，由于采用双壁钻杆流道的过流面积较常规钻井过流面积小很多，而且在双壁钻杆接头处由于定位块的存在，使得双壁钻杆流道内的压力损失较多，这样便不宜采用大排量进行钻进，因为排量大导致钻井液在钻杆内的流速过快，使得压力在双壁钻杆接头处损失过大，从而导致钻井液循环压耗变大，故需要采用适宜的小排量进行钻进。     参考文献     1陈颖杰，马天寿，曾欣，等.国外ReelWell钻井新技术及其应用J.石油机械，2010，38(8):8792.     2陈颖杰，金衍，陈勉，等.RDM技术及其在深水