水力脈沖射流旋流流場數(shù)值模擬

劉 爽 李根生 史懷忠 田守嶒（中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

引用格式：劉爽，李根生，史懷忠，等.水力脈沖射流旋流流場數(shù)值模擬［J］.石油鉆采工藝，2015，37（4）：17-21.

水力脈沖射流旋流流場數(shù)值模擬

劉 爽 李根生 史懷忠 田守嶒
（中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

引用格式：劉爽，李根生，史懷忠，等.水力脈沖射流旋流流場數(shù)值模擬［J］.石油鉆采工藝，2015，37（4）：17-21.

摘要：為研究水力脈沖射流流場內(nèi)旋流流場的變化特性，通過建立井底邊界條件下單噴嘴脈沖射流沖擊流場物理模型，對(duì)脈沖射流旋流流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，非穩(wěn)態(tài)旋流是脈沖射流流場的一個(gè)顯著特征，對(duì)脈沖射流鉆井提速起到重要作用，旋流速度和范圍具有周期性變化且不隨脈沖頻率發(fā)生改變；在單周期內(nèi)，旋流強(qiáng)度與脈沖射流速度變化具有一致性，旋流影響范圍由前期的快速擴(kuò)大到后期的緩慢擴(kuò)大，一直保持增大趨勢(shì)；旋流作用強(qiáng)于射流動(dòng)能是脈沖射流產(chǎn)生局部脈動(dòng)負(fù)壓的主要原因，有利于降低壓持效應(yīng)；旋流流場改變鉆頭表面的壓力分布，有利于提高鉆頭清洗效果。研究結(jié)果對(duì)指導(dǎo)脈沖射流提速技術(shù)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：脈沖射流；旋流；流場；圍壓；數(shù)值模擬

目前全球鉆井技術(shù)向著深井和超深井方向發(fā)展，深井鉆井面臨巨大的挑戰(zhàn)［1-2］。隨著井深增加，原始地應(yīng)力增大，井底流體壓力也會(huì)增大，巖石可鉆性降低，沿程水力損失逐漸增加［3］。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)脈沖射流鉆井技術(shù)為井下噴射鉆井提高鉆速一種有效的方法，脈沖射流鉆井技術(shù)對(duì)不同地層適應(yīng)性強(qiáng)，能夠提高井底水力能量，提速效果顯著［4-5］。脈沖射流的工作原理是通過改變流體流速實(shí)現(xiàn)水力能量的儲(chǔ)存與釋放，因此能夠利用井底有限的水力能量產(chǎn)生較大的瞬時(shí)動(dòng)壓和瞬時(shí)沖擊速度，從而達(dá)到改善井底凈化程度和巖石應(yīng)力狀態(tài)的目的，增強(qiáng)井底清巖和輔助破巖的效果［6-9］。因此，深入研究水力脈沖射流流場對(duì)于研究井底凈化程度和巖石應(yīng)力狀態(tài)的改善具有重要意義。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者多關(guān)注射流破巖機(jī)理和提速工具的研發(fā)，對(duì)脈沖射流產(chǎn)生的旋流流場對(duì)提速的影響研究較少。由于實(shí)驗(yàn)很難直觀分析脈沖射流流場內(nèi)旋流的特性，筆者建立了單噴嘴脈沖射流流場模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。在研究過程中，對(duì)脈沖射流旋流流場的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及影響進(jìn)行了分析。

1　物理模型

對(duì)井底流動(dòng)空間和圍壓條件進(jìn)行簡化，建立了單噴嘴脈沖射流流場物理模型，如圖1所示。該模型主要由噴嘴和井底射流區(qū)域兩部分組成，整個(gè)流場呈軸對(duì)稱，脈沖射流沿井眼軸線射入井底區(qū)域，對(duì)井底產(chǎn)生沖擊后經(jīng)環(huán)空排出。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，主體采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格單元，并采用局部網(wǎng)格劃分，在壓力梯度變化較大的噴嘴直線段區(qū)域加密網(wǎng)格。計(jì)算過程中選取井筒直徑為200 mm，噴嘴直徑10 mm，噴距30 mm。

圖1　 脈沖射流井底沖擊流場的物理模型

模型假設(shè)條件：（1）脈沖射流入口速度簡化為余弦函數(shù)；（2）僅考慮單噴嘴情況，噴嘴位于井眼中心；（3）不考慮鉆頭的旋轉(zhuǎn)與振動(dòng)。

脈沖射流為非定常流動(dòng)，故采用非穩(wěn)態(tài)模型，脈沖射流在沖擊區(qū)域的流動(dòng)狀態(tài)為復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)，采用Realizable k-ε湍流模型。由于脈沖射流流速呈周期脈動(dòng)變化，因此將噴嘴入口設(shè)為速度入口邊界條件，以余弦脈沖（公式1）為例進(jìn)行分析，速度幅值u0為100 m/s，為了分析頻率的影響，選擇10 Hz和20 Hz兩種頻率進(jìn)行對(duì)比討論；流體環(huán)空出口設(shè)為壓力出口邊界條件，設(shè)定出口圍壓值為5 MPa；其他邊界均設(shè)為壁面邊界條件。

uP= u0f ( t ) = u0cos ( 2πft) = 100cos ( 2πft )（1）

2　控制方程

采用Realizable k-ε模型對(duì)脈沖射流沖擊流場進(jìn)行模擬，Realizable k-ε模型是帶旋流修正的雙方程模型，在圓口射流模擬中與其他雙方程模型相比能獲得較好的湍流比率精度。

流體質(zhì)量守恒方程為

其中，div ( a) =?ax/?x +?ay/?y +?az/?z ；ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s。

動(dòng)量守恒方程為：微元體中流體動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的合力

其中，u、v和w是速度矢量u的分量，m/s；p是流體微元體上的壓力，Pa； τij是剪切應(yīng)力τ的分量（i，j=x，y，z），Pa；Fx、Fy和Fz是微元體上的體力，kg/（m·s）。

湍動(dòng)能k和湍能耗散率ε輸運(yùn)方程為

其中

方程中各項(xiàng)具體表達(dá)式見文獻(xiàn)［10］。

3　數(shù)值模擬結(jié)果及討論

3.1 旋流流場的流動(dòng)特性

在模擬結(jié)果的流速矢量圖中可清晰觀察到脈沖射流沖擊流場中有漩渦區(qū)存在。非定常漩渦區(qū)是脈沖射流沖擊流場的一個(gè)顯著特征，漩渦區(qū)的流體質(zhì)點(diǎn)具有較大的旋流轉(zhuǎn)速，靠近射流入口的一側(cè)與射流速度同向，此時(shí)旋流對(duì)射流范圍有一定的限制作用。流場內(nèi)漩渦的主要影響：一是流體質(zhì)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)能夠產(chǎn)生卷吸作用，消耗水力能量，在流場中產(chǎn)生一個(gè)脈動(dòng)負(fù)壓，在該脈動(dòng)負(fù)壓的作用下，降低了井底壓持效應(yīng)，井底巖石母體上的破碎巖屑易于發(fā)生扭轉(zhuǎn)，并被旋流卷吸攜出井底，降低重復(fù)研磨；二是旋流流場改變鉆頭表面的壓力分布，利于鉆頭清洗，避免鉆頭泥包［11-13］。

圖2為單周期內(nèi)不同時(shí)刻10 Hz和20 Hz脈沖射流沖擊流場速度矢量圖。由于脈沖射流是非定常流動(dòng)，因此在射流沖擊流場內(nèi)旋流的強(qiáng)度和作用范圍受其影響產(chǎn)生周期性變化。選取2種頻率的脈沖射流沖擊流場內(nèi)漩渦變化進(jìn)行單周期時(shí)間對(duì)比分析，為研究脈沖射流沖擊流場的漩渦運(yùn)動(dòng)情況，選取一個(gè)單周期內(nèi)10個(gè)時(shí)刻進(jìn)行分析。選取10 Hz低頻脈沖0.36~0.45 s的1個(gè)時(shí)間周期，20 Hz脈沖0.23~0.275 s的1個(gè)時(shí)間周期，在單周期內(nèi)脈沖速度均是從最小值到最大值再到最小值的變化過程。由圖2觀察到，在前半個(gè)周期0.36~0.4 s和0.23~0.25 s內(nèi)，噴嘴入口射流速度隨時(shí)間從最小逐漸增大至最大，旋流速度隨時(shí)間逐漸增大，旋流范圍隨時(shí)間擴(kuò)展幅度較大，由集中在入口附近的小漩渦擴(kuò)展為較大的漩渦，旋流中心向出口移動(dòng)；在后半個(gè)周期0.41~0.45 s和0.255~0.275 s內(nèi)，噴嘴入口射流速度隨時(shí)間逐漸減小至最小射流速度，旋流速度隨時(shí)間逐漸減小，旋流范圍隨時(shí)間繼續(xù)緩慢擴(kuò)大，擴(kuò)展幅度較小且不明顯，當(dāng)達(dá)到最小射流速度時(shí)旋流范圍達(dá)到最大。綜上所述，在不同頻率脈沖射流沖擊流場內(nèi)，非穩(wěn)態(tài)渦具有相同的變化規(guī)律。

圖2　 不同頻率下單周期內(nèi)脈沖射流沖擊流場速度矢量圖

3.2 旋流流場對(duì)局部脈動(dòng)負(fù)壓效應(yīng)影響

圖3和圖4分別是10 Hz和20 Hz脈沖射流井底壁面壓力隨時(shí)間變化曲線。如圖3a和4a所示，在入口速度隨時(shí)間逐漸增大的過程中，壓力曲線凹陷的程度和范圍隨時(shí)間增大，與圖2中旋流強(qiáng)度和范圍變化規(guī)律具有相似性，說明旋流對(duì)井底壁面壓力有一定影響，但由于射流動(dòng)能強(qiáng)于旋流消耗的能量，在前半個(gè)周期內(nèi)未出現(xiàn)低于圍壓現(xiàn)象。如圖3b和4b所示，在入口速度隨時(shí)間逐漸減小的過程中，出現(xiàn)低于圍壓值5 MPa的局部負(fù)壓區(qū)域隨時(shí)間逐漸擴(kuò)大，與旋流范圍變化規(guī)律相同，區(qū)域的平均負(fù)壓壓力值隨時(shí)間先增大后逐漸減?。ㄈ鐖D5、6），0.42 s和0.26 s分別為臨界時(shí)刻。說明隨著脈沖射流動(dòng)能減弱，脈沖射流動(dòng)能小于旋流對(duì)井底壁面的影響程度，旋流成為井底壁面壓力的主要影響因素，但在2種影響變化過程中存在1個(gè)臨界時(shí)刻，臨界時(shí)刻以前脈沖射流動(dòng)能相對(duì)旋流的影響程度要強(qiáng)于臨界時(shí)刻以后。

圖3　 10 Hz井底壁面壓力隨時(shí)間變化曲線

圖4　 20 Hz井底壁面壓力隨時(shí)間變化曲線

圖5　 10 Hz平均脈動(dòng)負(fù)壓隨時(shí)間變化曲線

圖6　 20 Hz平均脈動(dòng)負(fù)壓隨時(shí)間變化曲線

3.3 旋流流場對(duì)鉆頭表面壓力分布影響

脈沖射流在受限區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度和范圍周期性變化的旋流，在實(shí)際工況中，脈動(dòng)旋流不僅改變井底壓力分布，同時(shí)對(duì)鉆頭表面的壓力分布也產(chǎn)生影響。在模型中，為了將復(fù)雜問題簡化說明，利用簡化的受限平面代替鉆頭表面。圖7為10 Hz脈沖射流條件下鉆頭表面在不同時(shí)刻的壁面壓力變化曲線，由于旋流消耗水力能量對(duì)壁面壓力降低起主要作用，因此圖中曲線的凹陷能體現(xiàn)漩渦的影響范圍和強(qiáng)度。在波谷時(shí)刻，脈沖射流動(dòng)能降到最低，旋流影響范圍達(dá)到最大，整個(gè)鉆頭表面的壁面壓力值都小于環(huán)空圍壓值5 MPa，此時(shí)負(fù)壓差最大，利于鉆頭表面的巖屑沉降，被卷吸出井底，防止鉆頭表面出現(xiàn)巖屑死角；波峰時(shí)刻壁面壓力較大，且由中心向后壁面壓力越來越大，說明此時(shí)井底漫流速度增大，漫流層高度增加，大部分流體以較快流速流向出口，由于環(huán)空出口的限制，流體對(duì)鉆頭表面形成沖擊作用，越靠近出口位置流體速度越快，對(duì)鉆頭表面產(chǎn)生的沖擊壓力越大，同時(shí)旋流的影響范圍變小但強(qiáng)度較強(qiáng)，相對(duì)集中在噴嘴附近。隨時(shí)間不斷重復(fù)上述過程，脈沖射流不斷改變鉆頭表面壓力分布，同時(shí)又有流體的強(qiáng)弱交替沖擊，從而實(shí)現(xiàn)鉆井過程中的鉆頭自洗效果。因此，在現(xiàn)場應(yīng)用中脈沖射流能夠有效清除鉆頭流道的巖屑聚集和泥包現(xiàn)象。

4　結(jié)論

圖7　 10 Hz單周期內(nèi)鉆頭表面不同位置壁面壓力

（1）非穩(wěn)態(tài)旋流流場是脈沖射流流場的一個(gè)顯著特征，旋流速度和范圍具有周期性變化，在單周期內(nèi)，旋流強(qiáng)度與脈沖射流速度變化具有一致性，旋流范圍由前期的快速擴(kuò)大到后期的緩慢擴(kuò)大，一直保持增大趨勢(shì)，在脈沖速度最小時(shí)，旋流范圍達(dá)到最大，不同脈沖頻率射流場內(nèi)的旋流具有相似的變化規(guī)律。

（2）旋流消耗的能量大于脈沖射流動(dòng)能是脈沖射流產(chǎn)生局部脈動(dòng)負(fù)壓降低壓持效應(yīng)的主要原因之一，受旋流強(qiáng)度和范圍影響，脈動(dòng)負(fù)壓值和脈動(dòng)負(fù)壓區(qū)域也具有周期性變化，脈動(dòng)負(fù)壓區(qū)域隨時(shí)間增大，壓持減弱區(qū)域與旋流范圍變化規(guī)律相同。

（3）旋流流場改變了鉆頭表面壓力體系，對(duì)鉆頭表面產(chǎn)生有效的沖洗作用。

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（修改稿收到日期 2015-07-20）

〔編輯 薛改珍〕

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（修改稿收到日期 2015-07-20）

〔編輯 付麗霞〕

Numerical simulation research on hydro-pulsed jet swirl fluid flow field

LIU Shuang, LI Gensheng, SHI Huaizhong, TIAN Shouceng
（State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

Abstract:In order to investigate the varying characteristics of swirl flow field within hydro-pulsed jet flow field, the numerical simulation research was conducted on the pulsed jet swirl flow field by building a physical model of single-nozzle pulsed jet impact flow field under bottom hole boundary condition. The result shows that the unstable swirl flow is a significant feature of pulsed jet flow field and plays an important part in accelerating pulsed jet drilling. The swirl flow rate and range change periodically and do not change with the pulse frequency. Within single cycle, the swirl flow is consistent with the change of pulsed jet rate, and range of influence of swirl flow changes from rapid expansion to later slow expansion, maintaining an expansion trend all the time. The swirl flow effect is superior to the jet energy, which is the main reason for local pulse negative pressure generated by pulsed jet. This helps reduce the chip hold-down effect. The swirl flow field changes the pressure distribution on bit surface and helps clean the bit. The research findings are of some reference value to guidance of pulsed jet accelerating technique.

Key words:pulsed jet; swirl flow; flow field; confining pressure; numerical simulation

作者簡介：劉爽，1986年生。油氣井工程專業(yè)在讀博士研究生。電話：010-89733988。E-mail：851846623@qq.com。通訊作者：李根生，1961年生。博士生導(dǎo)師。電話：010-89733935。E-mail：ligs@cup.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目“復(fù)雜油氣井鉆井與完井基礎(chǔ)研究”（編號(hào)：51221003）；國家自然科學(xué)基金重大國際（地區(qū)）合作項(xiàng)目（編號(hào)：51210006）。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.005

文章編號(hào)：1000 – 7393（2015）05 – 0017 – 05

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TE242