隨鉆測量儀扶正器的流場數值模擬與分析

趙　博，史宏江，孫雪冬，張　勇，李鐵軍

(1.西南石油大學 機電工程學院，成都 610500；2.北京石油機械廠，北京 100083；3.大慶油田有限責任公司 第八采油廠，黑龍江 大慶 163514) *

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隨鉆測量儀扶正器的流場數值模擬與分析

趙博1，2，史宏江2，孫雪冬3，張勇2，李鐵軍2

(1.西南石油大學 機電工程學院，成都 610500；2.北京石油機械廠，北京 100083；3.大慶油田有限責任公司 第八采油廠，黑龍江 大慶 163514)*

摘要：為了解決隨鉆測量儀橡膠扶正器受到泥漿的沖蝕造成脫落失效的問題，應用流體力學模擬軟件對扶正器在鉆鋌水眼中的流場進行數值模擬和分析。 通過模擬不同扶正器的導流角、過流截面、迎流面坡度等結構參數以及變換不同鉆井液密度和黏度的情況，得到了流場壓力與速度矢量的變化趨勢。結果表明：沖擊壓力隨扶正翼導流角和迎流面坡度減小以及過流截面積的增大而減小；鉆井液密度和黏度的增加，沖擊壓力增大；在合理的鉆井液密度和黏度條件下，減小扶正翼導流角和迎流面坡度、增大過流截面，能降低流阻，提高扶正器的抗沖蝕能力。

關鍵詞：隨鉆測量；扶正器；數值模擬；流場分析

隨著油氣勘探開發的深入，實時、準確地獲取井下工程和地質信息愈加重要。隨鉆測量儀器作為實時測量井下工程參數和地質信息的重要工具，在石油鉆井中得到越來越廣泛的應用。其測量的可靠性也是儀器設計和現場使用過程中備受關注的問題，這就對隨鉆測量的零部件提出了更高的要求[1]。

隨鉆測量儀橡膠扶正器是安裝在儀器鉆鋌水眼中的關鍵部件(如圖1所示)，對儀器的測量短節在鉆鋌水眼中的居中、減少短節振動起著重要作用，可以提高儀器的精度和可靠性[1-3]。由于現有的扶正器結構多樣，產品質量參差不齊，扶正器受沖蝕、磨損易導致失效，制約其穩定性和使用壽命。造成扶正器沖蝕、磨損的主要原因包括：①過流截面突然減小導致流速突變，形成渦流；②泥漿中的顆粒狀雜質及化學試劑的腐蝕；③井下溫度壓力的變化致使扶正翼橡膠老化；④骨架與橡膠之間膠結不良以及裝配過程中的損傷等。隨鉆測量儀扶正器使用后失效情況如圖2所示。

1—無磁鉆鋌；2—扶正器；3—測量短節。

圖2　扶正器失效情況

在分析國內外隨鉆測量儀扶正器的產品和研究現狀的基礎上，充分考慮其在井下作業的可靠性，利用流體力學軟件對扶正器在鉆鋌水眼中的流場進行數值模擬和分析。并且，通過模擬不同扶正翼導流角、過流截面、迎流面坡度等結構參數以及不同鉆井液密度和黏度的情況下，流場壓力與速度矢量的變化趨勢；結合模擬的結果分析各參數對測量儀橡膠扶正器受沖蝕的影響以及分析扶正器的抗沖蝕能力。

1模型的建立

1.1幾何模型

隨鉆測量儀扶正器由扶正器骨架、橡膠扶正翼組成；根據側翼的分布主要有3種：三翼扶正器、四翼扶正器、五翼扶正器。其中四翼扶正器的使用最為廣泛，其4片扶正翼呈90°對稱分布，結構如圖3所示。圖中：α為扶正翼迎流面坡度；θ為扶正翼導流角。

圖3　扶正器結構

1.2控制方程及邊界條件

由于鉆井液為穩定的不可壓縮黏性流體，在一定的密度和黏度條件下，扶正器的三維流場數值模擬采用連續性方程、三維雷諾N-S方程及標準k-ε湍流模型組成控制方程。

質量守恒方程為

(1)

動量守恒方程為

(2)

式中：ρ是流體密度；xi、xj分別代表各坐標分量；ui、uj代表平均相對速度分量；μe為有效黏性系數；p為壓力；Si是廣義源項[4]。

對于不可壓縮流體，且不考慮自定義源項時，標準k-ε湍流模型[5]為

(3)

(4)

在模型中，表示湍動耗散率(turbulent dissipation rate)的ε定義為

(5)

Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的生產項，由下式計算。

(6)

湍動黏性系數μt可以表示成k和ε的函數，而k和ε是模型中2個基本未知量；有效黏性系數μe等于分子黏性系數μ與湍動粘性系數μt之和，即

(7)

μe=μ+μt

(8)

式中：C1ε、C2ε和Cμ均為經驗常數；σk、σε分別是與湍動能k和耗散率ε對應的Prandtl數。在標準k-ε湍流模型中，根據Launder及Spalding等的推薦和建議，模型常數取值為：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

基于Solidworks建立扶正器的三維仿真模型和流場三維模型，導入Fluent前置處理模塊Gambit進行網格劃分。流場入口端為速度入口邊界，流速以0.546 m/s的初始速度進入流場，湍流強度取5%；出口為自由出流邊界。壁面為固面邊界，采用標準的壁面函數，且無滑移；同時不考慮重力影響。采用有限體積法利用基于交錯網格的Simple算法對流場進行數值模擬計算[6-8]。

2模擬結果與分析

為了模擬和分析扶正器各結構參數以及鉆井液性能對測量儀扶正器在鉆鋌水眼流場中的抗沖蝕能力和穩定性，通過模擬在給定流場的參考壓力為30 MPa、溫度為310 K，鉆井液密度為1 250 kg/m3，導熱系數為0.45，黏度為0.01 kg/m·s的條件下不同的扶正翼導流角θ、過流截面、迎流面坡度α以及不同鉆井液密度和黏度的情況下，扶正器周圍流場的壓力分布與速度矢量的變化趨勢。

2.1不同導流角下的流場

在相同的過流截面和迎流坡度的情況下，取不同導流角模擬所得流場壓力分布和速度矢量分別如圖4～5所示；迎流面所受最大沖擊壓力以及相鄰兩扶正翼之間區域的最大流速隨導流角的數值變化如圖6所示。

a　θ=180°

b　θ=45°

c　θ=30°

a　θ=180°

b　θ=45°

c　θ=30°

圖6　最大沖擊壓力與最大流速隨導流角的數值變化曲線

由圖4～6可以看出：扶正翼導流角θ=180°時，迎流面受到的壓力最大，流體經過扶正器產生的壓降最大，因此扶正翼受到軸向的沖擊力也最大。流體在到達扶正翼后鉆鋌水眼的過流截面突然減小而引起流速增大，易在迎流面兩側形成渦流，加重鉆井液對扶正器的沖蝕。隨著導流角的減小，相應扶正翼迎流面受到的壓力和流場壓降值越來越低；因過流截面減小引起的最大流速降低。并且導流角越小，流體在經過迎流面走后更容易形成繞流，降低沖蝕。由于要保證扶正器在井下具有一定的抗沖蝕能力，導流角太小，會導致扶正翼靠近迎流面的部分太薄而難以滿足必要的強度，以及導致整個扶正翼的長度太長，所以導流角并不是越小越好。由圖5可以看出：在壁面所有的湍流脈動量幾乎為零，鄰近壁面的湍流脈動量很小。因此，在壁面附近很薄的流動區域中，雷諾應力為零，即所謂的層流底層，其流動方式是層流，在此層流區域內扶正器的沖蝕較緩，沖蝕最嚴重的則是兩壁面之間湍流應力增長區。

2.2不同過流截面下的流場

為降低流體在流經扶正器時壓力和流速的變化最直接、有效的方式就是增大過流截面；即在兩扶正翼之間的過流段成凹槽型流道，以平衡流場中因安裝扶正器而減小的過流截面積。在扶正翼迎流面坡度α=45°，導流角θ=30°的情況下，平槽型過流截面的流場數值模擬結果如圖4c、5c所示；而凹槽型過流截面扶正器建立三維模型如圖7a所示，模擬所得流場的壓力分布和速度矢量分別如圖7b、7c所示。并且，通過模擬不同導流角下凹槽型過流截面的流場數值變化，與平槽型過流截面的數值的對比如圖8所示。

a　三維模型

b　壓力分布

c　流速分布

a　沖擊壓力隨導流角變化關系

b　流速隨導流角變化關系

由圖7～8可以看出：迎流面坡度和導流角相同的情況下，增大扶正器過流段截面，可明顯降低迎流面所受的沖擊壓力以及兩扶正翼之間的最大流速，也說明過流截面越大，鉆井液對扶正器的沖蝕和沖擊越小，有利于提高扶正器在鉆鋌水眼中的穩定性和使用壽命。

2.3不同迎流面坡度下的流場

在扶正器結構設計時，應該充分考慮扶正翼迎流面坡度大小對迎流面受到流體沖擊壓力的影響。由此，模擬在扶正翼迎流面坡度α=30°，導流角θ=30°的凹槽型過流截面的流場情況；流場模擬結果如圖9所示。與圖7b、7c對比可知：迎流面坡度的大小對扶正翼之間的最大流速的影響較小，但是迎流面坡度的減小，能有效地緩沖流體對迎流面的軸向沖擊，降低對迎流面所受的沖擊壓力及兩側的沖蝕磨損；但是會增大對鉆鋌內壁的沖蝕，因此扶正翼迎流面坡度α應合理選擇。

圖9　不同迎流面坡度下的流場模擬

2.4不同鉆井液密度和黏度下的流場

為模擬和分析在不同鉆井液密度和黏度的情況下，扶正器周圍流場壓力與速度矢量的變化對扶正器使用的影響，基于扶正翼迎流面坡度α和導流角θ均為30°、

凹槽型過流截面扶正器的流場模型， 取一定鉆井液黏度0.01 kg/m·s，密度ρ分別為1 100、1 250、1 400 kg/m3的情況以及取一定的鉆井密度1 250 kg/m3，黏度μ為0.006、0.01 s、0.014 kg/m·s的情況分別進行流場數值模擬。其模擬結果顯示，隨著鉆井液密度和黏度變化，流場模擬結果顯示的壓力和速度分布情況也隨之發生了變化。在一定黏度下，鉆井液密度的增大，對流場壓力隨之增大，但變化較小；迎流面受到的壓力和流體經過扶正器產生的壓降增大；而兩扶正翼之間截面的流速和最大流速隨密度的增大而降低。在一定密度下，黏度的增大，迎流面受到的壓力以及流場內初始壓力明顯增大，加大了鉆井液對扶正器的沖蝕。

3結論

1)對扶正器在鉆鋌水眼中的流場進行了數值模擬，并且分析得出鉆井在到達扶正翼后鉆鋌水眼的過流截面突然減小而引起流速增大，加大了鉆井液對扶正器的沖蝕。減小導流角和迎流面坡度，增大過流截面以及條件允許的情況下降低鉆井液黏度等，能有效緩沖迎流面所受的沖擊壓力，降低對迎流面所受的沖擊壓力及兩側的沖蝕磨損。

2)鉆井泵排量與鉆井液流速對扶正器的沖蝕和失效的影響也非常大，但通常在鉆井時鉆井液的流速、密度、黏度等參數均由實際的地層和工況決定，所以提高扶正器抗沖蝕能力和使用壽命的有效途徑是優化其結構參數，過流段采用凹槽結構，增大過流截面積補償扶正翼的過流損失，有效降低沖擊壓力。除特殊工況下，導流角和迎流面坡度盡可能的設計在30°～45°。

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Numerical Simulation and Analysis for the Flow Field of the Centralizer in Measurement While Drilling Apparatus

ZHAO Bo1，2，SHI Hongjiang2，SUN Xuedong3，ZHANG Yong2，LI Tiejun2

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500，China；2.BeijingPetroleumMachineryFactory，Beijing100083，China；3.No.8OilRecoveryPlant，DaqingOilFieldCorp.Ltd.，Daqing163514，China)

Abstract：To solve the problem of shed and invalidation of the centralizer caused by drilling mud erosion in measurement while drilling apparatus，the fluid dynamics analysis software was applied to conduct a numerical simulation and analysis for the flow field of the Centralizer in the non-magnetic drill collar.The variation trend of flow field pressure and velocity has obtained by simulating different structural parameters of centralizer wing including diversion angle，flow section，slope of incident flow and the different drilling fluid density and viscosity.The research findings show that the impact pressure and the maximum velocity of the centralizer between centralizer wing decreases with the decrease of diversion-angle and slope of incident flow of the centralizer wing and decreases with the increase of slope of incident flow.The impact pressure increases with the increase of drilling fluid density and viscosity.Therefore，reducing the diversion angle and slope of incident flow and increasing the flow section can be reduced the flow resistance and improved the erosion resistibility of centralizer under the condition of reasonable drilling fluid density and viscosity.

Keywords：measurement while drilling；centralizer；numerical simulation；flow field analysis

中圖分類號：TE927.6

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.006

作者簡介：趙博(1983-)，男，碩士研究生，主要從事鉆井工藝及裝備研究，E-mail：xbox@cnpc.com.cn。

基金項目：國家自然科學基金重點資助項目(51134004)

收稿日期：2015-11-16

文章編號：1001-3482(2016)04-0019-06