空氣鉆井偏心環(huán)空氣固兩相流動數(shù)值模擬

赫娟 張清兵 劉康 任強燕 青海油田采油三廠

空氣鉆井偏心環(huán)空氣固兩相流動數(shù)值模擬

赫娟 張清兵 劉康 任強燕 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)空氣固兩相流動數(shù)學模型，借助FLUENT軟件對計算模型進行求解；得到了穩(wěn)定流動后井筒內氣固兩相流動速度場、壓力場及兩相濃度分布規(guī)律。分析表明，整個流場沿著兩圓中心連線呈對稱分布，寬、窄間隙處軸向速度差異較大；且受邊界層效應的影響，靠近內、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；氣固兩相流；數(shù)值模擬；速度

空氣鉆井是以空氣作循環(huán)介質攜帶巖屑的鉆井技術，作為欠平衡鉆井技術的一個分支，因其具有鉆速快、成本低，對儲層損害小等特點備受人們的關注[1-2]。但氣體鉆井的整體技術還有待于進一步完善，尤其環(huán)空氣固兩相流場分布的控制還需要進一步的研究[3]，以求有效衡量空氣的攜巖能力和沖蝕效應。因此，本文從計算流體動力學出發(fā)，基于歐拉多相流模型，建立空氣鉆井偏心環(huán)空氣固兩相流動數(shù)學模型，借助FLUENT軟件對計算模型進行求解。

1 模型的建立

1.1 物理模型

取12m環(huán)空井段進行模擬分析，環(huán)空外徑為316.5mm，環(huán)空內徑為127mm，套管與鉆桿的絕對粗糙度均為0.04678mm。進口為速度入口邊界條件，出口為自由出口邊界條件[4]。采用結構化六面體網(wǎng)格對模型進行單元劃分。圖1為偏心度e= 0.5的環(huán)空偏心流場計算網(wǎng)格示意圖。

圖1 計算區(qū)域網(wǎng)格模型

1.2 數(shù)學模型

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

（1）湍流脈動動能方程（K方程）。

湍流黏度

式中GK為平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；Gb為浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項；YM為可壓縮湍流中脈動擴張貢獻；模型中C1ε=1.44，C3ε=1，Cμ=0.09，為經(jīng)驗常數(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數(shù)，mpq為第p項到第q項的輸運質量。

（4）動量方程。

（5）能量方程。

2 數(shù)值模擬

偏心度e為內外管圓心間距與內外管半徑差之比，即e=d/(R-r)。模擬的巖屑密度為2600kg/ m3，比熱為1100J/kg·K，導熱系數(shù)為0.3W/m·K。氣固兩相混合后，從下部入口進入，空氣流速25m/s，巖屑流速15m/s，巖屑體積分數(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分布云圖。分析可知：整個流場沿著兩圓中心連線呈對稱分布，寬、窄間隙處軸向速度差異較大；且受邊界層效應的影響，靠近內、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分布云圖

圖3軸向Y-Z截面氣固兩相速度場分布云圖

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分布云圖。分析可知：出口處，巖屑相所受壓力遠大于空氣相的壓力，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分布云圖

圖5 軸向Y-Z截面氣固兩相壓力場分布云圖

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分布云圖

圖7 軸向Y-Z截面氣固兩相濃度場分布云圖

結合圖2可知，巖屑速度場越大，巖屑含量越低。

3 結語

通過對空氣鉆井氣固兩相流場的數(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、壓力場、濃度場，均沿著兩圓中心連線呈對稱分布；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．氣體鉆井替換過程中保持井壁穩(wěn)定的對策[J]．鉆采工藝，2007，30（5）：1-3．

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

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

[4]付雙成，孫國剛，李軍，等．氣體鉆井地面分離系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗研究[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