CN112502648B - 一种叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法，这种叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法是在叶片中部设置径向防泥包通孔或径向防泥包槽，增加叶片部的径向流通通道，以中部大流速降低泥包形成概率；径向防泥包通孔底边与工具环形主体相重合，径向防泥包通孔截面面积大于叶片截面积的1/4，小于叶片截面面积的2/3；叶片中还设置轴向防泥包通孔或轴向防泥包槽，轴向防泥包通孔底边与工具环形主体相重合。本发明叶片中部位置设置径向防泥包通槽，提高叶片中部流速，冲刷叶片区域，降低泥包生产概率；叶片还设置轴向防泥包通槽，叶片旋转时，在叶片根部及管体表面形成局部涡流区，降低颗粒泥质的着床机率，防止工具泥包。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井设备井眼清洁工具，具体涉及一种叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法。
背景技术
石油天然气资源开采钻井过程中，为保证井眼清洁，经常使用能够提高岩屑清洁效率的井眼清洁工具，尤其是定向井、水平井和大位移井钻井时应用经井眼清洁工具可以显著提高携屑效率。井眼清洁工具按清砂原理可分为两种，一种是水眼类的岩屑清除工具，另一种是叶片类的岩屑清除工具(叶片类型包括螺旋线形、直棱形、V形等)。从工具结构安全和清砂效果来看，叶片类清砂工具更具优势。
叶片类岩屑清除工具在使用时，如果钻遇黏土含量高，粘度大的砂岩，粉砂岩等储层，极易出现泥包问题，工具叶片在旋转过程中会被泥质颗粒、岩屑等包裹，轻则造成工具失效，泥包堵塞井筒，钻井液循环不畅，严重的会造成井筒憋压，发生憋泵甚至烧钻事故。
以螺旋形叶片岩屑清洁工具为例，导致工具泥包的原因主要包括：(1)钻进工况，工具在旋转工作时叶片内侧会形成低压吸附区(叶片清屑效果越好，低压吸附效果越强)，吸引钻井液中的泥沙颗粒附着于叶片内侧并不断向周向延伸，最终形成工具泥包。(2)在接单根、接立根等停泵工况，钻井液中的岩屑颗粒自由沉降，由于叶片高度远高于钻杆本体高度，岩屑在经由叶片区时会发生阻滞，部分颗粒因钻井液中泥质成分的胶连作用沉积在叶片外侧，岩屑和泥质不断沉积压实，最终形成泥包。针对以上问题提出新型叶片结构设计方法，解决泥包问题。
发明内容
本发明的目的是提供了一种叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法，这种叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法用于解决现有叶片类岩屑清除工具在使用时出现的泥包问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法是在叶片中部设置径向防泥包通孔或径向防泥包槽，增加叶片部的径向流通通道，以中部大流速降低泥包形成概率；径向防泥包通孔底边与工具环形主体相重合，径向防泥包通孔截面面积大于叶片截面积的1/5；
径向防泥包通孔局部流速增量计算：
式(1)、(2)、(3)中，ζ为入口阻力系数；A3为通孔或槽截面积(m2)；A2为叶片截面积(m2)；A1为叶片覆盖面积(m2)；U为速度变化，无量纲；
钻井液径向流动时，叶片类井眼清洁工具表面冲刷强度与流速关系为：
δhδd～Sc1/3 (8)
EC＝const·Ua (9)
式(4)-(9)中：Sh舍伍德数，为全部质量传递与分子扩散引起的质量传递的比率；Re，雷诺数，为惯性力与摩擦力的比值；Sc施密特数，为动量传递与分子扩散引起的质量传递见的比值；K为传质系数；L为特征尺寸；γ为运动粘度；D为分子扩散系数；U为平均流速；x为离流态突变处的距离；d为管道直径；δh粘滞底层厚度；δd扩散边界层厚度；c、n1、n2、n3为常数；EC为工具表面冲刷强度，a为常数。
上述方案中的叶片中还设置轴向防泥包通孔或轴向防泥包槽，轴向防泥包通孔底边与工具环形主体相重合，轴向防泥包通孔截面面积大于叶片截面积的1/4，小于叶片截面面积的2/3，在叶片旋转过程中，降低叶片根部岩屑泥质着床机率，防止工具泥包。
上述技术方案中的叶片中还设置防泥包侧槽，防泥包侧槽设置于叶片的侧面，顶部长度小于叶片顶缘长度的1/2，防泥包侧槽连通叶片内侧与油井套管环空，减低工具旋转过程中低压所带来的强吸附力，防止工具泥包。
上述方案中径向防泥包槽上缘与叶片上缘相合，径向防泥包槽槽底位于叶片中部，不触及工具主体表面。
上述方案中径向防泥包槽上缘与叶片上缘相合，径向防泥包槽槽底与工具环形主体相重合。
上述方案中径向防泥包通孔或径向防泥包槽横截面为类梯形或三角形或正方形或长方形或机翼形或双曲线形。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法，叶片中部位置设置径向防泥包通槽，提高叶片中部流速，冲刷叶片区域，降低泥包生产概率。
2、本发明中的叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法，叶片位置设置轴向防泥包通槽，在叶片旋转过程中，在叶片根部及管体表面形成局部涡流区，降低颗粒泥质的着床机率，防止工具泥包。
3、本发明中的叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法，叶片位置设置防泥包侧槽，连通叶片内侧与钻井液环空，降低工具旋转过程中低压所带来的强吸附力，防止工具泥包。
附图说明
图1是本发明实施例的应用防泥包设计方法的双螺旋叶片井眼清洁工具轴测图；
图2是本发明实施例的叶片区防泥包开槽结构示意图；
图3是本发明实施例的叶片区横截面示意图；
图4是本发明实施例的叶片区防泥包侧槽横截面示意图；
图5是本发明实施例的叶片区径向防泥包通槽横截面示意图；
图6是本发明实施例的叶片区轴向防泥包通槽纵截面示意图；
图7是本发明实施例的叶片区岩屑颗粒运动示意图；
图8是本发明实施例的叶片区表面开槽型式示意图；
图9是本发明实施例的叶片区全通槽型式示意图；
图10是本发明实施例的叶片区通孔型式示意图。
图中：图中：1公螺纹接头，2母螺纹接头，3正螺旋叶片，4反螺旋叶片，5工具旋转方向，61叶片周向面，62叶片迎液面，63叶片背液面，7倒角体加工部，9工具环形主体，11岩屑颗粒，31正螺旋叶片径向防泥包通孔，32正螺旋叶片轴向防泥包通孔，41反螺旋叶片径向防泥包通孔，42反螺旋叶片防泥包侧槽，81叶片横截面，82侧槽横截面，101侧槽切削横截面，102径向防泥包通孔切割横截面，103轴向防泥包通孔切割横截面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
如图1所示，这种叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法是在叶片上不同的开槽设计，在叶片迎液面62形成多组不同压力梯度和速度梯度的涡，抑制泥包的形成，有效降低工具叶片泥包风险。具体是在叶片中部设置径向防泥包通孔或径向防泥包槽，增加叶片部的径向流通通道，以中部大流速降低泥包形成概率；在岩屑清洁叶片中设置轴向防泥包通孔或轴向防泥包槽，在叶片旋转过程中，降低叶片根部岩屑泥质着床机率，防止工具泥包；在岩屑清洁叶片中设置防泥包侧槽，防止工具泥包。
防泥包工作原理，径向防泥包通孔或径向防泥包槽可以提高叶片中部流体流速，冲刷叶片区域；轴向防泥包通孔或轴向防泥包槽在旋转过程中会在叶片根部和工具主体表面产生涡街漩涡，扰动底层钻井液，降低颗粒泥质的着床机率；防泥包侧槽在旋转过程中，连通叶片内侧与钻井液环空，减低工具旋转过程中低压对环空钻井液固相颗粒所带来的强吸附力，三重防泥包槽设计，有效降低工具泥包风险。
如图1所示，本发明实施例的应用防泥包设计方法的双螺旋叶片井眼清洁工具，包括公螺纹接头1和与之配合的母螺纹接头2，由公接头至母接头依次配置正螺旋叶片3与反螺旋叶片4。
参阅图1，图2与图3所示，为本发明实施例的应用防泥包设计方法的双螺旋叶片井眼清洁工具叶片本体横截面示意图，工具在正常运转中沿工具旋转方向5旋转，叶片与工具旋转方向5相同的一侧为叶片迎液面62，另一侧为叶片背液面，顶部外缘为叶片周向面61。
叶片横截面81为类等腰梯形，上下两边为圆弧形，叶片底边与工具环形主体9相重合，叶片周向面61直径与提升短节相平齐或略低于钻杆接头；叶片迎液面62，叶片背液面63边线为直线形，叶片迎液面62为扰流面，起搅动钻井液作用，叶片背液面63为支撑面，起加固叶片作用。在工具横截面上两边线夹角满足
其中n为钻井最大转速，单位r/min。
参阅图2与图4所示，为本发明实施例的应用防泥包设计方法的双螺旋叶片井眼清洁工具叶片防泥包侧槽横截面示意图，侧槽横截面82为类梯形，防泥包侧槽切削横截面101为三角形，防泥包侧槽顶部长度应小于叶片顶缘长度的1/2，以保证侧开槽不影响叶片清砂效果及叶片顶部的硬质合金柱镶嵌的足够空间。正螺旋叶片上设置正螺旋叶片径向防泥包通孔31和正螺旋叶片轴向防泥包通孔32，反螺旋叶片4设置反螺旋叶片径向防泥包通孔41和反螺旋叶片防泥包侧槽42，正螺旋叶片和反螺旋叶片的两端设置倒角体加工部7，使正螺旋叶片和反螺旋叶片的两端均与工具环形主体通过倾斜面进行过渡。
叶片沿圆周方向的压力分布表示：
当η＝0时，叶片迎液面62压力关系为：
其中：R为叶片表面的曲率半径；P为钻井液压力；r为叶片外径；ω为叶片旋转角速度；δ为叶片厚度；ρ为钻井液密度。
可知，当叶片旋转角速度增大时，叶片迎液面62压力下降，导致负压现象逐渐加强，加剧叶片迎液面62泥包的形成。当叶片侧开槽，叶片曲率半径减小，叶片迎液面62压力升高，极大的缓解了叶片负压现象，有利于阻止泥包生成，降低工具泥包风险。
参阅图1和图7所示，在停钻关泵后，钻井液中的岩屑颗粒11由于重力自由沉降，在经过叶片区时，会受到正、反螺旋叶片的阻力作用，把重力进行分解，在正、反螺旋叶片上的下滑方向与重力方向夹角分别为β，Φ。由图可知随着岩屑颗粒11的下滑反叶片上β逐渐减小，阻力减小，正螺旋叶片上Φ逐渐增大，阻力增加，岩屑会在正叶片迎液面堆积。
参阅图2与图5所示，为本发明实施例的应用防泥包设计方法的双螺旋叶片井眼清洁工具叶片径向防泥包通孔横截面示意图，正螺旋叶片上防泥包通孔31与反螺旋叶片上防泥包通孔41在径向上相连通，位于叶片中部，可以实现在径向上增大叶片中部钻井液流速，清除正螺旋叶片迎液面62的岩屑堆积问题，防止工具泥包。
如图5所示，径向防泥包通孔切割横截面102可以为类梯形、三角形、正方形、长方形、机翼形或双曲线形等剖面形状，径向防泥包通孔底边与工具环形主体9相重合，截面面积等于叶片截面81的1/5，以保证泥包清除效果。
径向防泥包通孔或径向防泥包槽局部流速增量计算：
其中，ζ为入口阻力系数；A3为通孔或槽截面积(m2)；A2为叶片截面积(m2)；A1为叶片覆盖面积(m2)；U为速度变化，无量纲。
钻井液径向流动时，工具表面冲刷强度与流速关系为：
δhδd～Sc1/3(8)
EC＝const·Ua (9)
其中：Sh(舍伍德数)为全部质量传递与分子扩散引起的质量传递的比率；Re(雷诺数)为惯性力与摩擦力的比值；Sc(施密特数)为动量传递与分子扩散引起的质量传递见的比值；K为传质系数(m/s)；L为特征尺寸(m)；γ为运动粘度(m2/s)；D为分子扩散系数；U为平均流速(m/s)；x为离流态突变处的距离(m)；d为管道直径(m)；δh粘滞底层厚度；δd扩散边界层厚度；c、n1、n2、n3为常数。EC为工具表面冲刷强度，a为常数。
可知，设置径向防泥包通孔或径向防泥包槽后，截面局部速度变化明显，局部流速显著提高。钻井液流速的升高使工具表面冲刷强度得以显著改善，有利于工具表面泥包的清除。
参阅图5与图8所示，叶片开槽或孔型式可分为三种，包括表面开槽，开槽上缘与叶片上缘相合，开槽下缘位于叶片中部，不触及工具主体9表面，如图8所示；全通槽，开槽上缘与叶片上缘相合开槽下缘与叶片下缘相合，如图9所示。通孔，孔上缘位于叶片中部，不触及叶片上缘，孔下缘与叶片下缘相合，如图10所示。
参阅图2与图6所示，为本发明实施例的应用防泥包设计方法的双螺旋叶片井眼清洁工具叶片轴向防泥包通孔横截面示意图，切削位置为正螺旋叶片两端，据叶片端部距离为叶片长度的1/8，以保证不与两侧倒角7相冲突。在叶片旋转过程中，轴向通孔会在工具环形主体9表面和正向螺旋叶片3根部产生涡街漩涡，在底层形成局部扰流，避免岩屑在工具表面的着床抑制泥包的早期生成，防止工具泥包。
如图6所示，工具轴向防泥包通孔切割横截面103可以为类梯形、三角形、正方形、长方形、机翼形或双曲线形等剖面形状，通孔底边与工具环形主体9相重合，通孔截面面积大于叶片横截面81的1/4，即保证扰流强度又大于岩屑颗粒的直径避免岩屑卡死通槽造成工具防泥包失效；叶片截面面积小于叶片横截面81的2/3，以保证工具叶片结构强度。
其中：d为通孔或槽宽度(m)；ν为钻杆旋转速度(rad/s)，f为漩涡的频率(Hz)，Sr为思特劳哈尔数，m为通孔或槽面积与叶片等效覆盖面积的比值，A4通孔或槽面积(m2)，A5，叶片覆盖面积(m2)。
可知，在叶片做周向旋转过程中，由于轴向防泥包通孔的存在，会在其周围产生涡街，随着旋转速度和开槽截面的增大，涡流越明显，对工具壁面附近的扰流作用越强，钻井液中的固相物质附壁着床难度越高，可以抑制泥包的早期生成，降低工具泥包概率。
工具轴向防泥包通孔或槽型式与轴向防泥包通孔或槽型式相同，包括表面开槽和全通槽，以及通孔，多种槽孔型式可以组合使用，达成防泥包功效。
以上所仅是本发明较佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识，本发明的保护范围以权利要求内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换均为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法，其特征在于：在叶片中部设置径向防泥包通孔或径向防泥包槽，增加叶片部的径向流通通道，以中部大流速降低泥包形成概率；径向防泥包通孔底边与工具环形主体(9)相重合，径向防泥包通孔截面面积等于叶片截面积的1/5；叶片中还设置防泥包侧槽，防泥包侧槽设置于叶片的侧面，顶部长度小于叶片顶缘长度的1/2，防泥包侧槽连通叶片内侧与油井套管环空；
径向防泥包通孔局部流速增量计算：
式(1)、(2)、(3)中，ζ为入口阻力系数；A3为通孔或槽截面积(m2)；A2为叶片截面积(m2)；A1为叶片覆盖面积(m2)；U为速度变化，无量纲；
钻井液径向流动时，叶片类井眼清洁工具表面冲刷强度与流速关系为：
δhδd～Sc1/3(8)
EC＝const·Ua (9)
式(4)-(9)中：Sh舍伍德数，为全部质量传递与分子扩散引起的质量传递的比率；Re，雷诺数，为惯性力与摩擦力的比值；Sc施密特数，为动量传递与分子扩散引起的质量传递见的比值；K为传质系数；L为特征尺寸；γ为运动粘度；D为分子扩散系数；U为平均流速；x为离流态突变处的距离；d为管道直径；δh粘滞底层厚度；δd扩散边界层厚度；c、n1、n2、n3为常数；EC为工具表面冲刷强度，a为常数。
2.根据权利要求1所述的叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法，其特征在于：所述的叶片中还设置轴向防泥包通孔或轴向防泥包槽，轴向防泥包通孔底边与工具环形主体(9)相重合，轴向防泥包通孔截面面积大于叶片截面积的1/4，小于叶片截面面积的2/3。
3.根据权利要求2所述的叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法，其特征在于：所述的径向防泥包通孔或径向防泥包槽横截面为类梯形或三角形或正方形或长方形或机翼形或双曲线形。
4.根据权利要求3所述的叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法，其特征在于：所述的径向防泥包槽上缘与叶片上缘相合，径向防泥包槽槽底位于叶片中部，不触及工具主体表面。
5.根据权利要求3所述的叶片类井眼清洁工具的叶片防泥包设计方法，其特征在于：所述的径向防泥包槽上缘与叶片上缘相合，径向防泥包槽槽底与工具环形主体(9)相重合。
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