空氣鉆井偏心環(huán)空氣固兩相流動(dòng)數(shù)值模擬

赫娟 張清兵 劉康 任強(qiáng)燕 青海油田采油三廠

空氣鉆井偏心環(huán)空氣固兩相流動(dòng)數(shù)值模擬

赫娟 張清兵 劉康 任強(qiáng)燕 青海油田采油三廠

基于歐拉多相流模型，建立空氣鉆井偏心環(huán)空氣固兩相流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，借助FLUENT軟件對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行求解；得到了穩(wěn)定流動(dòng)后井筒內(nèi)氣固兩相流動(dòng)速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及兩相濃度分布規(guī)律。分析表明，整個(gè)流場(chǎng)沿著兩圓中心連線呈對(duì)稱分布，寬、窄間隙處軸向速度差異較大；且受邊界層效應(yīng)的影響，靠近內(nèi)、外兩圓壁面處流速最小。出口處巖屑速度小于空氣速度；而軸向越靠近出口，寬間隙區(qū)域空氣速度越大，窄間隙區(qū)域空氣速度越小。

空氣鉆井；環(huán)空流動(dòng)；氣固兩相流；數(shù)值模擬；速度

空氣鉆井是以空氣作循環(huán)介質(zhì)攜帶巖屑的鉆井技術(shù)，作為欠平衡鉆井技術(shù)的一個(gè)分支，因其具有鉆速快、成本低，對(duì)儲(chǔ)層損害小等特點(diǎn)備受人們的關(guān)注[1-2]。但氣體鉆井的整體技術(shù)還有待于進(jìn)一步完善，尤其環(huán)空氣固兩相流場(chǎng)分布的控制還需要進(jìn)一步的研究[3]，以求有效衡量空氣的攜巖能力和沖蝕效應(yīng)。因此，本文從計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)出發(fā)，基于歐拉多相流模型，建立空氣鉆井偏心環(huán)空氣固兩相流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，借助FLUENT軟件對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行求解。

1 模型的建立

1.1 物理模型

取12m環(huán)空井段進(jìn)行模擬分析，環(huán)空外徑為316.5mm，環(huán)空內(nèi)徑為127mm，套管與鉆桿的絕對(duì)粗糙度均為0.04678mm。進(jìn)口為速度入口邊界條件，出口為自由出口邊界條件[4]。采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧D1為偏心度e= 0.5的環(huán)空偏心流場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格示意圖。

圖1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

任何流體的流動(dòng)均滿足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程，假設(shè)流體的定常、等溫、湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的K-ε雙方程模型。故描述三維流動(dòng)的控制方程為：

（1）湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程（K方程）。

湍流黏度

式中GK為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張貢獻(xiàn)；模型中C1ε=1.44，C3ε=1，Cμ=0.09，為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

（3）連續(xù)性方程。

式中αq為第q相流體在單元中的體積分?jǐn)?shù)，mpq為第p項(xiàng)到第q項(xiàng)的輸運(yùn)質(zhì)量。

（4）動(dòng)量方程。

（5）能量方程。

2 數(shù)值模擬

偏心度e為內(nèi)外管圓心間距與內(nèi)外管半徑差之比，即e=d/(R-r)。模擬的巖屑密度為2600kg/ m3，比熱為1100J/kg·K，導(dǎo)熱系數(shù)為0.3W/m·K。氣固兩相混合后，從下部入口進(jìn)入，空氣流速25m/s，巖屑流速15m/s，巖屑體積分?jǐn)?shù)0.02，顆粒直徑0.001m。圖2、圖3分別給出了出口及軸向截面巖屑和空氣的速度場(chǎng)分布云圖。分析可知：整個(gè)流場(chǎng)沿著兩圓中心連線呈對(duì)稱分布，寬、窄間隙處軸向速度差異較大；且受邊界層效應(yīng)的影響，靠近內(nèi)、外兩圓壁面處流速最小；出口處巖屑速度小于空氣速度；而軸向越靠近出口，寬間隙區(qū)域空氣速度越大，窄間隙區(qū)域空氣速度越小。

圖2 出口氣固兩相速度場(chǎng)分布云圖

圖3軸向Y-Z截面氣固兩相速度場(chǎng)分布云圖

圖4 、圖5分別給出了出口及軸向截面巖屑和空氣的壓力場(chǎng)分布云圖。分析可知：出口處，巖屑相所受壓力遠(yuǎn)大于空氣相的壓力，而軸向隨著距出口位置的減小，寬間隙區(qū)域壓力增大，窄間隙區(qū)域壓力降低；軸向巖屑相的壓力分布大于空氣相的壓力分布。

圖4 出口氣固兩相壓力場(chǎng)分布云圖

圖5 軸向Y-Z截面氣固兩相壓力場(chǎng)分布云圖

圖6 、圖7分別給出了出口及軸向截面巖屑和空氣的濃度分布云圖。分析可知：出口處，巖屑濃度分布較小，空氣相濃度較大。

圖6 出口氣固兩相濃度場(chǎng)分布云圖

圖7 軸向Y-Z截面氣固兩相濃度場(chǎng)分布云圖

結(jié)合圖2可知，巖屑速度場(chǎng)越大，巖屑含量越低。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)空氣鉆井氣固兩相流場(chǎng)的數(shù)值模擬可知：在流速和偏心度一定的情況下，偏心環(huán)空流場(chǎng)、壓力場(chǎng)、濃度場(chǎng)，均沿著兩圓中心連線呈對(duì)稱分布；且寬間隙區(qū)域，空氣、巖屑的速度分布，壓力分布均大于窄間隙區(qū)域。

[1]周成華，王平全，張珍，等．氣體鉆井替換過(guò)程中保持井壁穩(wěn)定的對(duì)策[J]．鉆采工藝，2007，30（5）：1-3．

[2]李玉飛，孟英峰，聶政遠(yuǎn)，等．空氣鉆井提高鉆采機(jī)理研究[J]．石油鉆探技術(shù)，2006（4）：9-10．

[3]侯樹(shù)剛，舒尚文，李鐵成，等．空氣鉆井安全鉆進(jìn)特性分析[J]．石油鉆探技術(shù)，2007，35（6）：50-53．

[4]付雙成，孫國(guó)剛，李軍，等．氣體鉆井地面分離系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J]．油氣田地面工程，2008，27（12）：5-6．

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.5.012