基于分流旋流技术的新型井眼清洁工具岩屑运移特性研究与多目标优化设计

针对钻井过程中岩屑运移效率低导致的钻具磨损、环空压力升高等问题，研究人员开发了一种基于分流旋流技术的新型井眼清洁工具。通过CFD-DEM耦合数值模拟和实验验证，揭示了喷嘴参数（数量N、直径Dn 、角度α）及钻杆转速np 对岩屑运移比（CTR）的影响机制，并采用RSM-NSGA-II多目标优化获得最优结构参数组合（CTR达99.87%）。该研究为高效安全钻井提供了创新性解决方案。

　　

钻井过程中，岩屑的堆积会引发钻具磨损、环空压力骤增甚至井壁失稳，传统提高环空流速的方法需消耗巨大泵压能耗。中国石油天然气集团公司资助的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表论文，提出一种融合分流与旋流技术的新型井眼清洁工具，通过数值模拟与多目标优化攻克了这一难题。

研究采用Herschel-Bulkley（H-B）非牛顿流体模型和CFD-DEM（计算流体动力学-离散元法）耦合方法建立数值模型，结合Box-Behnken设计（BBD）和响应面法（RSM）构建回归方程，最终利用非支配排序遗传算法（NSGA-II）实现工具结构的多目标优化。

技术背景
清洁工具通过液压控制分流喷嘴启闭，其旋流设计可破坏岩屑沉积层。数值模型验证显示，环空岩屑浓度模拟误差小于8%，压力降计算精度达93%。

Coulpled CFD-DEM模型
该模型将钻井液视为连续相（CFD），岩屑颗粒作为离散相（DEM），通过双向耦合计算流体-颗粒相互作用力，准确复现了旋流场中岩屑的螺旋运移轨迹。

多目标优化方法
以岩屑运移比（CTR）、压力降（ΔP）和最大壁面压力（P_max
）为优化目标，通过27组BBD实验建立二阶回归模型。方差分析（ANOVA）表明喷嘴角度α对CTR影响最显著（P值<0.0001）。

验证与参数分析
增大喷嘴直径D_n
和数量N可提升CTR，但超过临界值（D_n
=8 mm，N=5）会导致能量损耗剧增。30°喷嘴角度能平衡轴向与切向流速，避免二次流产生；钻杆转速超过48 rpm时，岩屑滞留时间延长反降低效率。

结论与意义
最优参数组合（N=5，D_n
=8 mm，α=32°，n_p
=48 rpm）使CTR达99.87%，ΔP控制在2.82 MPa。该研究首次阐明分流旋流协同作用机制，为井下工具设计提供新范式。Wei Hu等开发的优化方法可推广至其他油气装备设计，对保障深井、超深井安全钻井具有重要工程价值。