空氣鉆井環(huán)空氣固兩相流動規(guī)律數(shù)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(huán)空氣固兩相流動規(guī)律數(shù)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(chǔ)上探討了流場、壓力場和濃度場分布規(guī)律。結(jié)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(nèi)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??；隨著入口空氣速度的增加，該旋流作用愈發(fā)明顯，提高了巖屑攜帶效率。此外，期待為企業(yè)實際生產(chǎn)過程中提高巖屑攜帶效率、降低沖刷腐蝕、避免井壁失穩(wěn)、延長設(shè)備壽命提供一定的理論依據(jù)。

空氣鉆井；氣固兩相流；規(guī)律；CFD

氣體鉆井技術(shù)作為欠平衡鉆井技術(shù)的一個重要分支，通過氣體作為循環(huán)介質(zhì)的一種新的鉆井技術(shù)，同傳統(tǒng)的鉆井技術(shù)技術(shù)相比，利用氮氣、空氣、天然氣等非凝析氣體將巖屑循環(huán)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(shù)已經(jīng)被眾多學(xué)者和企業(yè)所研究和應(yīng)用[1]。美國ELPASO天然氣公司早在20世紀50年代就開始應(yīng)用氣體鉆井技術(shù)，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(shù)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(huán)空中的空氣、巖屑速度、壓力分布；我國最早應(yīng)用空氣鉆井技術(shù)的是在1988年普光氣田鉆采開發(fā)，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(jié)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(huán)空技術(shù)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(qū)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(xiàn)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(xué)軟件建立了空氣鉆井鉆桿偏心模型，分析內(nèi)部流場和巖屑濃度分布。筆者通過對國內(nèi)外氣體鉆井技術(shù)研究進行了梳理分析發(fā)現(xiàn)，雖然部分技術(shù)應(yīng)用在實際鉆工藝中，但對于這項技術(shù)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(wěn)等問題，研究仍然有待提高；而對于環(huán)空鉆井技術(shù)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(qū)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(guī)模、等實際問題及設(shè)計提供一定的理論參考，也為相關(guān)學(xué)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(qū)某空氣鉆井平臺進行仿真建模，采用該工程的實際參數(shù)，該參數(shù)主要是如表1所示。

表1　工程參數(shù)

筆者擬建立三維穩(wěn)態(tài)氣固兩相流動模型，并且作如下假設(shè)：

（1）環(huán)空部分為空氣和巖屑，忽略其他介質(zhì)；

（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(xué)反應(yīng)變化。

利用實際空氣鉆探中的實際數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)假設(shè)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(wǎng)格劃分，局部網(wǎng)格劃分如圖1右側(cè)所示。

圖1　物理模型及網(wǎng)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(jié)合環(huán)空鉆井內(nèi)流場分布特點，以及查閱相關(guān)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(jié)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(nèi)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(nèi)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(fā)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(fēng)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(wěn)、井口阻塞等問題，切實延長設(shè)備壽命，提高經(jīng)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(yè)，2006,26(12):97～99.

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

TE242.6

A

1671-0711（2016）09（下）-0121-02