基于顆粒直徑大小對環(huán)形空間攜屑影響的數(shù)值模擬

房建宇，李士偉

?

基于顆粒直徑大小對環(huán)形空間攜屑影響的數(shù)值模擬

房建宇1，李士偉2

（1. 東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318 ; 2. 大慶油田采油六廠，黑龍江 大慶 163000）

鉆井是開發(fā)石油資源一個非常重要的環(huán)節(jié)和技術手段，井中巖屑易在井眼底部形成巖屑床，導致下鉆遇阻、蹩泵甚至卡鉆，因此巖屑運移機理的研究對鉆井作業(yè)來說至關重要。通過對現(xiàn)場實際情況的調(diào)研，得到井下上返顆粒的直徑范圍，進行數(shù)值模擬。運用SolidWorks對井下環(huán)形空間進行建模與裝配，得到井下環(huán)形空間的三維模型。使用軟件建立井下環(huán)形空間的簡化模型，通過應用FLUENT中動網(wǎng)格部分的UDF編寫成功地實現(xiàn)了鉆桿的旋轉(zhuǎn)。運用FLUENT數(shù)字模擬軟件，通過對流體非定常流的數(shù)值模擬，對巖屑在環(huán)形空間的運移規(guī)律進行研究，模擬條件更加接近實際情況，結(jié)果更加精確，可以為鉆井井眼清潔工作提供科學參考。

計算流體力學(CFD); 環(huán)形空間; 液固兩相流; 數(shù)值模擬

井眼中的固體微粒受重力、粘滯阻力、沖擊力、浮力作用影響，巖屑濃度大于這些作用力的工作能力，巖屑就會沉降產(chǎn)生巖屑床[1]；巖屑床嚴重影響了機械鉆速，鉆進是阻力增加，尤其是定向井、水平井時易形成井下的脫壓現(xiàn)象，導致鉆頭處沒有鉆壓，長時間沒有進尺，工程進度緩慢，增加鉆井成本；巖屑床導致鉆柱扭矩增大，嚴重時甚至扭斷井內(nèi)鉆柱，產(chǎn)生嚴重的井下事故；巖屑床還是鉆具粘卡產(chǎn)生的主要原因，巖屑床的存在使測試工具下方受阻。

本文對井下環(huán)形空間模型進行了優(yōu)化設計，運用液固兩相流理論知識，并合理模擬在鉆桿旋轉(zhuǎn)的情況下不通顆粒直徑大小對井下巖屑運移的影響。

1 計算模型和邊界條件

井下環(huán)形空間三維模擬圖，包括井筒，鉆桿。井筒長度12 m，半徑10.5 cm，鉆桿長度11.5 m，半徑5.5 cm在鉆桿底部開設小孔，小孔直徑0.5 cm。

首先根據(jù)井下實際工況運用SolidWorks對環(huán)形空間進行建模與裝配，得到環(huán)形空間的三維模型(環(huán)形空間主要由井筒和鉆桿兩部分構(gòu)成）。然后導入到GAMBIT軟件建立井下工況環(huán)形空間的動態(tài)網(wǎng)格如圖1所示，繼而采用FLUENT軟件中的UDF模板對井筒內(nèi)鉆桿的流動進行程序的編寫，環(huán)形空間內(nèi)的流體為非定常流動，對此情況下的流動進行三維仿真計算。入口邊界條件定義為速度入口，壓力為表壓；出口邊界條件定義為壓力出流邊界；壁面無滑移，默認即可；中心線定義為軸對稱條件；材料特性：液體設置為水，固體顆粒設置為二氧化硅。壓力速度藕合方式選擇SIMPLE，壓力與動量的離散格式和湍動能及湍動能耗散率默認即可；time為非定常流動；松弛因子為1；采用歐拉方程隱式算法。

2 不同顆粒直徑對鉆井攜巖效果影響

由圖2、圖3可以看出：在鉆桿旋轉(zhuǎn)時，鉆井液在鉆桿旋轉(zhuǎn)的離心力作用下，使得鉆井液圍繞鉆桿做周向運動（也稱作剪切運動），同時鉆井液在井內(nèi)壓差的作用下，沿著環(huán)形空間中軸線的方向做層流運動，鉆井液的周向運動和軸向運動共同構(gòu)成了鉆桿旋轉(zhuǎn)時鉆井液在環(huán)空中的螺旋流流動。

圖2 不同顆粒直徑的顆粒環(huán)空體積濃度圖

鉆井液作螺旋流流動時,鉆井液的軸向流動主要對巖屑在井內(nèi)產(chǎn)生向上的升力，而鉆井液的周向運動對巖屑起到保持平衡的懸浮力的作用，在上升力和懸浮力等的作用下使得具有沉積趨勢的顆粒，或側(cè)壁已經(jīng)沉積的顆粒，或者井底沉積的顆粒重新進入到環(huán)空高速流動區(qū)域內(nèi)。由以上可以看出，在鉆桿旋轉(zhuǎn)的情況下[2]，巖屑能夠獲取更大的動能從而運移出井口。

晚清以降，三千年未有之大變局警醒了部分國人，亡國滅種的危機逼迫這些“先知先覺”者告別相對穩(wěn)定的時間意識和生活狀態(tài)。風行一時的《天演論》正在重塑他們的世界觀，逐漸形成一種奠基于進化論的時間觀。龔自珍《己亥雜詩》之四四曰：“何敢自矜醫(yī)國手，藥方只販古時丹?！钡诤m看來，中國傳統(tǒng)的“古時丹”已根本無法應對“今”之?。骸敖袢瘴釃毙琛晕崴娧灾?，有三術焉，皆起死之神丹也：一曰歸納的理論，二曰歷史的眼光，三曰進化的觀念。”[注]胡適：《留學日記》卷3，胡適著、季羨林主編：《胡適全集》第27卷，合肥：安徽教育出版社，2003年，第261頁。

圖3 顆粒環(huán)空橫截面矢量圖

Fig.3 Vector profile in particle annular cross section

同心環(huán)空中液固兩相流動紊流的軸向速度分布情況如圖4所示：由圖可以看出環(huán)形空間軸向速度呈軸對稱分布。軸向速度在環(huán)形空間中心存在一個基本穩(wěn)定、類似于流核的區(qū)域,速度趨于均勻，這是由于在紊流的條件下，由于顆粒與顆粒之間的，以及液體和顆粒之間的的互相摻混和碰撞，使得固體顆粒的運動方向雜亂無章，因此，導致軸向橫截面的速度分布趨于均勻。然后向管壁快速降低,形成速梯區(qū)，這是由于在近壁面顆粒受到壁面的阻力的影響所以速度逐漸降低。由圖還可以看出隨著顆粒直徑的增加，顆粒的軸向速度逐漸增大，到8 mm速度不再增加，說明存在一個臨界顆粒直徑范圍使得顆粒在環(huán)空中軸向速度達到最大，此項目仍在研究中[3,4]。

圖4 不同顆粒直徑的顆粒軸向速度圖

由圖5可以看出隨著顆粒直徑的增加，顆粒環(huán)空體積分數(shù)先增加后減少，當顆粒直徑較小時，顆粒由于慣性作用顆粒直徑越大軸向速度越大，液體能攜帶更多的顆粒進入高速流核區(qū)，使得顆粒環(huán)空體積分數(shù)增大。

圖5 不同顆粒直徑的顆粒環(huán)空體積分數(shù)圖

當顆粒直徑增大到一定極限由于自身重力作用，顆粒下滑速度逐漸增大，環(huán)空軸向速度不再增加，顆粒重新返回至井底或形成巖屑床，環(huán)空顆粒體積分數(shù)降低[5-7]。

3 結(jié)論及建議

本文通過對井下環(huán)形空間的液固流動進行數(shù)值模擬，并且運用液固兩相流理論基礎，使用SolidWorks軟件建立井下三維環(huán)形空間模型。然后利用UDF模擬環(huán)形空間內(nèi)鉆桿的轉(zhuǎn)動，并用FLUENT對流場進行數(shù)值模擬，進一步分析了不同顆粒直徑對環(huán)空攜巖效果的影響。得出以下結(jié)論：鉆桿旋轉(zhuǎn)有利于巖屑的運移。隨著顆粒直徑的增加，顆粒的軸向速度先增大后趨于平緩，說明存在臨界直徑，使得環(huán)空返速最大，環(huán)空顆粒體積分數(shù)達到峰值，更有利于巖屑的運移，這對于現(xiàn)場施工應用具有一定的參考意義。

［1］ 宋巍. 水平井巖屑運移規(guī)律研究[D]. 成都：西南石油大學，2013.

［2］ 陳浩，李冰，史禹. 大井斜大位移井鉆井液攜巖問題分析及對策[J]. 勝利油田職工大學學報，2009, 23(3)：54-56.

［3］ 袁照永. 水平井環(huán)空泡沫攜巖流動規(guī)律研究[D]. 青島：中國石油大學，2009.

［4］ 鹿傳世．傾斜井眼內(nèi)巖屑運移的數(shù)值計算與清巖工具設計流場計算[D]．東營：中國石油大學（華東），2008．

［5］ 王延民，孟英峰，李皋，顏建華，李永杰，林鐵軍，莒拉提. 氣體鉆井出水條件下環(huán)空攜巖機理研究[J]. 重慶科技學院學報(自然科學版)，2008(4)：1-3.

［6］ G. Espinosa-Paredes, O. Cazarez-Candia. Two-Region Average Model for Cuttings Transport in Horizontal Wellbores I: Transport Equationsroleum Science and Technology[G] . 2011 (13) .

［7］ Chang-Heon Song; Ki-Beom Kwon; Min-Gi Cho; Joo-Young Oh; Dae-Young Shin;Jung-Woo Cho.Development of lab-scale rock drill apparatus for testing performance of a drill bit[C]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2015-07.

Numerical Simulation on Influence of Particle Diameter to Cuttings Transportation in Annular Space

FANG Jian-yu1，LI Shi-wei2

(1. School of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China 2. Oil Production Plant No.6, Daqing Oilfield Co.,Ltd., Heilongjiang Daqing 163000, China)

Drilling is a very important link and technical means in the development of oil resources. Cuttings in the well are easy to form the cuttings bed at the bottom of the borehole, which will cause slacking off, pump chocking up and even pipe-sticking. So study of cuttings migration mechanism is crucial for drilling operations. Based on research of the actual situation, the diameter range of upward-moving particle in the borehole was obtained, and then numerical simulation was carried out.SolidWorks was used to model and assemble the downhole annular space, the 3D model of the downhole annular space was obtained. The software was used to establish a simplified model of the downhole annular space. Through application of the UDF writing in the moving grid of FLUENT, the rotation of the drill rod was achieved successfully. Using the numerical simulation software FLUENT, through the numerical simulation of fluid unsteady flow, the migration rule of cuttings in the annular space was studied. The simulation conditions are more close to the actual situation. The result is more accurate, and it can provide scientific reference for drilling hole cleaning.

computational fluid dynamics (CFD); annular space; liquid-solid two-phase flow; numerical simulation

TQ 018

A

1671-0460（2016）06-1276-03

2016-03-08

房建宇（1992-），男，黑龍江省大慶市人，碩士學位，2010年畢業(yè)于東北石油大學油氣儲運專業(yè)，研究方向：復雜流體力學。E-mail：1907017622@qq.com。