声明：推文作为学术交流用途，无任何商业用途，如有侵权或解读错误之处，请在后台留言指正~煤层气（CBM）作为储量丰富、清洁高效的非常规天然气资源，已成为传统化石能源的核心替代方向。在煤层气开发中，水平井凭借储层接触面积大、地表扰动小、经济效益好等优势，成为行业主流开发技术；而气体钻井作为欠平衡钻井（UBD）的核心工艺，能有效降低储层伤害、提高机械钻速，是低压煤层气储层开发的首选方案。但气体钻井始终面临行业共性瓶颈：气体介质密度低、悬浮携岩能力弱，特别在水平井段，岩屑极易在环空底部持续堆积，造成井眼清洁效率低下，甚至引发卡钻、埋钻等重大工程事故，严重制约了煤层气水平井钻井的安全与效率。
此前国内外关于岩屑运移的研究，大多聚焦于常规液相钻井液体系，而气体钻井特有的“高湍流 - 低携岩能力”特性，使岩屑运移机理与液相体系存在本质差异。虽有部分 CFD-DEM 相关研究推进了对环空岩屑运移的认知，但仍存在三大核心缺口：未量化控制流态转变的非线性临界阈值行为；未系统分析多操作参数间的复杂耦合效应；未能整合多交互因素、可现场通用的高精度预测模型。
针对上述行业痛点与研究空白，太原理工大学胡胜勇教授团队采用CFD-DEM 双向耦合数值模拟方法，系统研究了注气量、钻杆转速、环空偏心度、岩屑粒径四大关键参数对煤层气水平井环空气固两相流与岩屑运移的影响，量化了各参数的临界调控阈值，揭示了多参数耦合作用机理，并构建了高精度的岩屑体积分数无量纲预测模型，为煤层气水平井气体钻井的参数优化与现场施工提供了关键理论支撑与定量工具。
图1 水平井气动定向钻井过程中的岩屑运移示意图
本研究基于 CFD-DEM 双向耦合方法，构建了水平井环空岩屑运移数值模型，将气相作为连续相求解 Navier-Stokes 方程，将岩屑颗粒作为离散相基于牛顿第二定律追踪运动轨迹，完整还原了环空内气体湍流与岩屑颗粒的双向作用过程。
图2 整体研究方法流程图
（1）连续相（气相）控制方程
本研究以氮气为钻井循环介质，基于最大注气量 40 m³/min 计算，环空最大气流马赫数仅为 0.11，远低于 0.3 的不可压缩流临界阈值，因此将气相视为不可压缩流体，采用标准 k-ε 湍流模型求解气相流动，建立了气相与固相的连续性方程、动量方程，同时引入相间动量交换系数与曳力系数，精准表征气固两相间的动量传递规律。
（2）离散相（岩屑颗粒）运动方程
采用拉格朗日方法追踪岩屑颗粒运动，基于牛顿第二定律建立颗粒平动与转动控制方程，完整考虑了颗粒所受的重力、气相间曳力 / 升力 / 附加质量力，以及颗粒间、颗粒与井壁 / 钻杆间的接触碰撞力，精准还原了颗粒碰撞、反弹、滚动等复杂近壁行为。
图3 CFD-DEM 耦合计算框架
研究构建了长 6000 mm、井眼直径 170 mm、钻杆直径 89 mm 的水平环空几何模型，采用多区域结构化六面体网格划分，对钻杆壁面与偏心窄间隙区域进行网格加密，精准捕捉高速度梯度区域的流动特征。
模拟工况完全覆盖现场实际施工的关键参数范围：注气量 20-40 m³/min、钻杆转速 0-40 rad/min、环空偏心度 0-0.3、岩屑粒径 1-4 mm，同时设置了符合现场实际的边界条件与颗粒接触参数，确保模拟结果的工程适用性。
图4 几何构型与计算网格：(a) 几何尺寸配置与 (b) 计算网格划分示意图
Experimental system and model validation为确保数值模型的准确性与可靠性，研究开展了网格独立性验证，并搭建了 1:1 全尺寸水平井环空岩屑运移可视化实验平台，完成了模型的全面实验验证。
研究设置了粗、中、细三套网格方案开展独立性验证，结果表明：中等网格（10 mm）与精细网格（5 mm）的计算结果最大偏差仅 1.5%，远低于 5% 的工程允许误差，同时相比精细网格计算效率提升约 40%。最终选定中等网格开展后续所有模拟计算，完美兼顾了计算精度与效率。。图5 不同网格划分方式下的岩屑体积分数分布
研究搭建了与数值模型 1:1 对应的水平井环空岩屑运移实验系统，核心包括 6000 mm 长透明有机玻璃井眼、89 mm 钢制钻杆与变频伺服驱动系统、最大流量 50 m³/min 的空压机系统，以及压力传感器、PIV 测速系统、电子天平等高精度数据采集单元，可实现环空内岩屑运移过程的实时可视化观测与关键参数的精准测量。
图6 实验系统示意图
将数值模拟结果与不同注气量下的实验数据进行对比，结果显示：模拟得到的环空平均岩屑体积分数、压力变化规律与实验结果高度吻合，精准还原了注气量 25 m³/min 处的岩屑体积分数骤降、压力先降后升的临界特征，充分验证了所构建 CFD-DEM 模型的准确性与可靠性，为后续参数分析奠定了坚实基础。图7 实验与模拟结果对比图
注气量是决定环空岩屑运移效率的核心参数，直接决定了气相的携岩动能，呈现出显著的临界阈值特征。
（1）流态转变临界值：当注气量低于 25 m³/min 时，气相动能不足，无法平衡颗粒重力与颗粒间接触力，岩屑在环空后段持续堆积，形成高浓度滞止区，岩屑体积分数最高可达 0.9，流态呈沉降主导型；当注气量提升至 25 m³/min 临界值以上时，平均岩屑体积分数出现非线性骤降，降幅超 75%，流态快速转变为悬浮拖拽型，岩屑堆积得到有效抑制。（2）压力变化规律：注气量 20 m³/min 时，岩屑床堵塞导致环空压力达到峰值；25 m³/min 临界值处，岩屑床快速解体，环空压力骤降；注气量超过 25 m³/min 后，尽管岩屑体积分数持续缓慢下降，但高气流速度下的管壁摩擦阻力成为主导，环空压力随注气量提升逐渐升高。（3）壁面剪切与磨损风险：随注气量提升，井壁与钻杆壁面的平均剪切应力均显著上升，且钻杆壁面剪切应力始终高于井壁；高注气量下钻杆壁面剪切应力增速急剧加快，提示高注气量下钻杆磨损风险显著提升。图8 不同注气量下的岩屑分布云图
图9 不同注气量下井壁与钻杆壁面的平均剪切应力变化曲线
图10 不同气体注入速率下切削的径向体积分数
图11 不同位置横截面切割的体积分数
钻杆旋转通过诱导螺旋气流与迪恩涡结构，改变环空气固两相流场结构，进而调控岩屑运移效率，存在明确的最优转速区间。
（1）流场结构演变：钻杆静止时，气流以轴向层流为主，环空底部 60° 范围内形成低速循环区，无法有效携岩；钻杆开始旋转后，诱导产生二次螺旋流，气相形成涡旋结构，湍流强度显著提升；转速 30 rad/min 时，高速区覆盖面积达到最大，低速区被压缩至井眼底部，岩屑悬浮效果最优；转速进一步提升至 40 rad/min 时，过度湍流导致流场破碎为小尺度涡团，能量无效耗散加剧，最大流速下降，速度分布均匀性变差。（2）岩屑速度临界特征：0-30 rad/min 范围内，岩屑最大速度随转速提升呈正相关增长，30 rad/min 时达到峰值 1.37 m/s；转速提升至 40 rad/min 时，颗粒间碰撞耗散加剧，岩屑最大速度骤降 37.2%，说明过度提升转速反而会抑制岩屑运移。图12 不同转速下 z=3 截面的气流流线分布
图13 不同转速下 z=3 截面的岩屑速度分布与湍动能特征
水平井段钻杆受重力作用下沉导致的环空偏心，是引发岩屑局部堆积、环空堵塞的最核心诱因。
（1）流场非对称特征：同心条件下（e=0），环空形成对称迪恩涡，岩屑沿环空底部均匀层状沉积，井眼清洁效果最优；偏心度提升至 0.1-0.2 时，环空分为宽间隙与窄间隙区域，宽间隙流速最高可达 35m/s 形成高速冲刷区，而窄间隙流速降至约 6m/s，湍动能大幅衰减，形成非对称迪恩涡，岩屑在低速区堆积形成半堵塞结构；偏心度达到 0.3 时，窄侧流场分离加剧，回流区扩大，岩屑沉积速率提升 80%，窄间隙区域发生严重局部堵塞。（2）临界阈值特征：偏心度 0-0.2 范围内，岩屑体积分数仅温和增长 6.64%、45.9%；当偏心度达到 0.3 临界值时，岩屑体积分数激增 251.7%，环空压力骤升 268.3%，进入严重堵塞高风险区间。图14 不同偏心度下的岩屑分布云图
图15 不同偏心度下环空平均岩屑体积分数与压力变化曲线
岩屑粒径通过重力沉降、惯性效应与碰撞耗散三大机制，调控环空岩屑体积分数、流阻与速度场分布，存在明确的流态转变临界粒径。
（1）体积分数与压力变化：平均岩屑体积分数随粒径增大呈非线性增长，1-3mm 粒径范围内环空压力基本稳定；当粒径达到 4 mm 临界值时，流态从“悬浮输送”转变为“床层拖拽流”，环空压力骤升至 6853 Pa，较 2mm 粒径增长超 400%。（2）颗粒速度变化：岩屑最大速度随粒径增大单调下降，核心原因在于大粒径颗粒惯性增强，更难被气流加速，同时碰撞过程中的动能耗散随粒径显著提升，进一步抑制颗粒速度增长。（3）核心作用机理：根据斯托克斯沉降理论，颗粒终端沉降速度与粒径平方正相关，大粒径颗粒更难被气流夹带，易在环空底部堆积形成厚岩屑床，造成环空有效过流面积大幅缩减，引发流阻与压力激增。参数敏感性分级研究基于分段分析方法，对各参数的敏感性进行了精准分级，为现场参数优先级调控提供了明确依据：
极高敏感性：注气量 20→25 m³/min、偏心度 0.2→0.3、粒径 3→4 mm，参数越过临界阈值后，岩屑体积分数与环空压力发生数量级突变；中等敏感性：注气量 25→40m³/min、偏心度 0→0.2、粒径 1→3mm，参数变化对系统性能有显著影响，但无突变特征；低敏感性：钻杆转速 0→40rad/min，对岩屑体积分数与环空压力的全局平均影响小于 ±2%。多参数耦合效应核心规律现场钻井是多参数耦合的复杂系统，参数间并非线性叠加，而是存在显著的非线性交互效应，核心规律如下：
（1）偏心度与转速的耦合：同心环空下，钻杆旋转可有效提升岩屑运移效率；但当偏心度超过 0.2 临界值后，几何非对称对流场的限制作用占据主导，提升转速不仅无法改善井眼清洁，反而会因颗粒碰撞耗散加剧降低整体运移效率。（2）粒径与注气量的耦合：细颗粒（≤2 mm）易跟随气流脉动，提升注气量可显著增强悬浮效果；而粗颗粒（≥3 mm）惯性效应显著，仅靠提升注气量对抑制沉降的效果有限，需结合钻杆旋转等机械扰动方式破坏岩屑床结构。（3）偏心度与粒径的协同恶化效应：高偏心度（≥0.3）与大粒径（≥3 mm）共存时，井眼清洁效率的下降幅度远超两个参数单独影响的线性叠加，窄间隙低速区加速大颗粒沉积，而大颗粒的高惯性又使其难以重新悬浮，二者耦合导致局部堵塞风险急剧上升。基于白金汉 π 定理，研究构建了包含气体弗劳德数、旋转弗劳德数、粒径比、沉降参数、交互参数、偏心度 6 个核心无量纲数的预测体系，采用随机森林回归算法建立了岩屑体积分数无量纲预测模型。
（1）模型精度：模型决定系数 R²=0.9892，平均绝对百分比误差 MAPE=6.79%，具备极高的预测精度与泛化能力，完全满足工程计算要求。（2）特征重要性：对岩屑体积分数的影响权重中，环空偏心度占比 51.83%，气体速度弗劳德数占比 41.40%，二者合计贡献超 93%，是决定岩屑运移效率的绝对主导因素；沉降参数贡献 5.03%，其余参数合计贡献仅 1.74%。（3）工程应用：该模型通过无量纲化处理消除了尺度效应，可直接应用于不同井眼规格的煤层气气体钻井，基于实时钻井数据即可定量预测岩屑堆积风险；现场施工中建议维持气体弗劳德数 Frv>2.5、偏心度 e<0.2，以规避岩屑严重堆积的风险。图17 随机森林模型训练集性能
图18 随机森林模型测试集性能
图19 特征重要性分析结果
本研究基于 CFD-DEM 双向耦合方法，系统揭示了煤层气水平井气体钻井环空气固两相流岩屑运移的非线性动力学特征，量化了关键参数的临界调控阈值，核心结论如下：
（1）注气量存在 25 m³/min 的临界阈值，低于该值岩屑体积分数骤升，流态呈沉降主导型；高于该值岩屑体积分数非线性衰减，流态转变为悬浮拖拽型，注气量超 30 m³/min 后，管壁摩擦阻力成为压力主导因素。
（2）钻杆转速存在 30 rad/min 的最优值，该转速下岩屑速度达到峰值 1.37 m/s；转速提升至 40 rad/min 时，颗粒碰撞耗散加剧，岩屑速度骤降 37.2%，过度提速反而抑制岩屑运移。
（3）环空偏心度是影响岩屑堆积的最核心因素，偏心度达到 0.3 临界值时，岩屑体积分数激增 251.7%，窄间隙区域发生严重局部堵塞，是现场施工需首要控制的参数。
（4）4 mm 岩屑粒径为流态转变临界值，大粒径颗粒引发流态从悬浮输送向床层拖拽流转变，环空压力较 2 mm 粒径增长超 400%。
（5）构建的随机森林无量纲预测模型 R² 达 0.9892，MAPE 仅 6.79%，其中偏心度与气体弗劳德数对岩屑体积分数的贡献合计超 93%，是现场参数调控的核心。
