空氣鉆井環空氣固兩相流動規律數值研究

韓冰

（中國石油天然氣股份有限公司遼陽石化分公司動力廠，遼寧 遼陽 111003）

空氣鉆井環空氣固兩相流動規律數值研究

韓冰

（中國石油天然氣股份有限公司遼陽石化分公司動力廠，遼寧 遼陽 111003）

基于FLUEN T中Realizable k-ε模型，利用有限單元法建立了三維模型，并在此基礎上探討了流場、壓力場和濃度場分布規律。結果表明，從鉆探井底至井口，壓力逐漸降低，隨著入口空氣速度的逐漸增大，沿程壓降變化率也在增大；在鉆鋌內空氣速度和濃度沿程逐漸減小，巖屑速度整體呈減小趨勢；在鉆鋌和鉆桿交界處，形成了一個小旋流，變化梯度較大；空氣濃度達到最大，巖屑濃度達到最?。浑S著入口空氣速度的增加，該旋流作用愈發明顯，提高了巖屑攜帶效率。此外，期待為企業實際生產過程中提高巖屑攜帶效率、降低沖刷腐蝕、避免井壁失穩、延長設備壽命提供一定的理論依據。

空氣鉆井；氣固兩相流；規律；CFD

氣體鉆井技術作為欠平衡鉆井技術的一個重要分支，通過氣體作為循環介質的一種新的鉆井技術，同傳統的鉆井技術技術相比，利用氮氣、空氣、天然氣等非凝析氣體將巖屑循環帶出，沒有液體的作用，能夠有效大大降低液體和固體顆粒對油氣層的損傷、減少井漏，切實提高機械鉆井速度和油氣的開采率，因此該技術已經被眾多學者和企業所研究和應用[1]。美國ELPASO天然氣公司早在20世紀50年代就開始應用氣體鉆井技術，進行油氣井鉆探開采[2]；Angel在1957年探索了利用氣體進行鉆采技術分析，計算出攜帶巖屑的氣體流動速度；ShifengTian和AdemuminMA等人通過建立鉆井氣固兩相二維模型，分析了環空中的空氣、巖屑速度、壓力分布；我國最早應用空氣鉆井技術的是在1988年普光氣田鉆采開發，周期由299.51天減少到204.19天，大大降低了成本；此外，我國新疆油田、勝利油田、大慶油田等等都開始采用氣體鉆探油氣田，節約了資源，降低成本，效率不斷提高；李士斌、陳曉華、唐玉龍和趙春賀等人采用GUO模型研究了空氣鉆井環空技術的氣體加注量公式，并且分析了速度場和壓力場，尋找了誤差；陳佳、孟英峰、李小林和楊斐通過對達西地區某油氣田實際空氣鉆探井口仿真建模，模擬分析了最佳氣體加注量，實現巖屑帶出的最佳效率；王良、李皋、李小林和陶祖文利用計算流體力學軟件建立了空氣鉆井鉆桿偏心模型，分析內部流場和巖屑濃度分布。筆者通過對國內外氣體鉆井技術研究進行了梳理分析發現，雖然部分技術應用在實際鉆工藝中，但對于這項技術的理論研究和實踐研究仍較少，仍然存在巖屑攜帶問題、井筒失穩等問題，研究仍然有待提高；而對于環空鉆井技術氣固兩相流流場、壓力場、巖屑分布的控制研究仍需深入開展。因此，基于R ealizablek-ε模型，采用有限容積法對川渝地區某氣體鉆井進行三維仿真建模，分析氣體流場的速度分布規模、等實際問題及設計提供一定的理論參考，也為相關學者進行氣體鉆井研究提供一定的借鑒。

1　模型建立

問題描述：本文擬對川渝地區某空氣鉆井平臺進行仿真建模，采用該工程的實際參數，該參數主要是如表1所示。

表1　工程參數

筆者擬建立三維穩態氣固兩相流動模型，并且作如下假設：

（1）環空部分為空氣和巖屑，忽略其他介質；

（2）該鉆井段為垂直鉆探；

（3）溫度變化忽略不計；

（4）模擬中考慮重力因素影響；

（5）不考慮模擬過程中化學反應變化。

利用實際空氣鉆探中的實際數據，結合相關假設建立簡化后三維模型（如圖1所示），對模擬部分進行六面體網格劃分，局部網格劃分如圖1右側所示。

圖1　物理模型及網格劃分

筆者通過對標準k-ε模型、R NGk-ε模型和R ealizablek-ε模型進行綜合分析對比，結合環空鉆井內流場分布特點，以及查閱相關資料選擇三維笛卡爾坐標系下R ealizablek-ε模型，具體的k方程和ε方程如下：

湍動能k方程：

耗散率輸運ε方程：

2　結論

（1）隨著入口空氣速度的逐漸增大，其鉆探井底的壓力也逐漸降低；

（2）在鉆鋌內空氣速度和濃度沿程逐漸減小，在鉆鋌和鉆桿交界處，變化梯度較大；巖屑速度整體呈減小趨勢，在鉆桿內壁測達到最小值；

（3）在鉆鋌和鉆桿交界面處，形成了一個小旋流，空氣濃度達到最大，巖屑濃度達到最小，對巖屑進行了清洗；隨著入口空氣速度的增加，該旋流作用愈發明顯，提高了巖屑攜帶效率；

（4）在實際過程中，充分控制好入口風速，切實提高巖屑攜帶效率，又降低對管壁的沖刷腐蝕，避免井壁失穩、井口阻塞等問題，切實延長設備壽命，提高經濟效益。

[1] 王存新，孟英峰，等.氣體鉆井注氣量計算方法研究[J].天然氣工業，2006,26(12):97～99.

[2] L.Shale.DevelopmentofAirDrillingMotorHoldsPromiseforSpe cializedDirectionalDrillingApplication[C].SPE22564,1991.

TE242.6

A

1671-0711（2016）09（下）-0121-02