鉆桿濾清器流場(chǎng)的數(shù)值模擬

孫偉良

(勝利石油工程有限公司 鉆井工程技術(shù)公司，山東 東營(yíng) 257064)

鉆桿濾清器流場(chǎng)的數(shù)值模擬

孫偉良

(勝利石油工程有限公司 鉆井工程技術(shù)公司，山東 東營(yíng) 257064)

石油鉆井過(guò)程中，通常在鉆桿內(nèi)放置鉆桿濾清器來(lái)濾掉鉆井液中的各類雜物，以消除雜物對(duì)MWD儀器及螺桿鉆具的影響。近期在對(duì)鉆桿接頭修扣時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆桿母扣下端1m處的內(nèi)壁涂層脫落嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆桿修復(fù)費(fèi)用增加，鉆桿報(bào)廢數(shù)量增多。通過(guò)查找原因，判斷可能是鉆桿濾清器的使用造成的鉆桿內(nèi)涂層沖蝕破壞。應(yīng)用數(shù)值模擬方式模擬正常鉆進(jìn)工況下鉆桿濾清器在未堵塞與堵塞兩種情況下的流場(chǎng)特性，對(duì)比分析造成鉆桿內(nèi)涂層沖蝕的原因。

數(shù)值模擬；鉆桿濾清器；鉆桿沖蝕

石油鉆井工程中，鉆桿內(nèi)壁涂層具有防腐蝕和耐沖蝕的作用，可有效延長(zhǎng)鉆桿使用壽命，降低石油開發(fā)成本。在對(duì)鉆桿接頭修扣時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆桿母扣下端1 m處內(nèi)壁涂層脫落嚴(yán)重，且部分鉆桿管體存在明顯沖蝕現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)各類因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)此處為鉆桿濾清器放置位置，懷疑為鉆桿內(nèi)放置濾清器導(dǎo)致的流場(chǎng)變化造成了鉆井液對(duì)內(nèi)壁涂層的沖蝕傷害。應(yīng)用FLUNET流體模擬軟件對(duì)鉆桿內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析鉆桿濾清器的流場(chǎng)特性及鉆井液對(duì)鉆桿內(nèi)涂層的沖蝕作用。

1 FLUNET軟件簡(jiǎn)要介紹

FLUNET軟件主要由以下幾部分組成：

1)FLUNET 一種用于計(jì)算的程序[1]

FLUNET提供多種求解方法，應(yīng)用的范圍包括超高音流動(dòng)、跨音流動(dòng)、剪切分離流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)、渦輪機(jī)、傳熱傳質(zhì)、燃燒、非定常流、多相流、攪拌混合等問題。

2)GAMBIT 一種建立幾何模型和生成網(wǎng)格的預(yù)處理程序

GAMBIT目前是CFD分析中最好的前置處理器，它包括先進(jìn)的幾何建模和網(wǎng)格劃分方法。復(fù)雜的模型可直接采用GAMBIT固有幾何模塊生成。高度自動(dòng)化的網(wǎng)格生成工具保證了最佳的網(wǎng)格生成，如結(jié)構(gòu)化的、非結(jié)構(gòu)化的或混合網(wǎng)格。

2 幾何建模與網(wǎng)格劃分

鉆桿濾清器是由布滿6 mm孔的篩網(wǎng)制成的，應(yīng)用3D制圖軟件PRO/E建立模型，如圖1所示。

由于鉆桿濾清器上有18排豎孔，每排有155個(gè)孔，共有2 790個(gè)小孔，如果直接劃分網(wǎng)格、進(jìn)行計(jì)算，則運(yùn)算量太大，由于計(jì)算機(jī)條件的限制，很難完成整個(gè)流場(chǎng)的模擬。鉆桿濾清器的每排豎孔在鉆桿內(nèi)的流場(chǎng)是以鉆桿軸心為旋轉(zhuǎn)軸的均勻流場(chǎng)[2]，因此可采用簡(jiǎn)化模型，只模擬鉆桿濾清器上一排豎孔的流場(chǎng)(20度扇形)，即可反應(yīng)整個(gè)鉆桿濾清器的流場(chǎng)特性。

在分析網(wǎng)格生成技術(shù)的基礎(chǔ)上，確定采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分區(qū)域是鉆桿除去濾清器的剩余空間，即放置濾清器后鉆桿內(nèi)部充滿鉆井液的區(qū)域，網(wǎng)格劃分如圖2。

3 計(jì)算條件及邊界條件的設(shè)置

3.1 計(jì)算條件設(shè)置

1) 長(zhǎng)度單位設(shè)為：毫米(mm)；

2) 壓力單位設(shè)為：Pa；

3) 求解器設(shè)置：

solver 求解器：segregated分離式求解器；formulation 算法：implicit隱式算法；space 空間屬性：3D三維空間；time 時(shí)間屬性：steady定常流動(dòng)；velocity formulation 速度屬性：absolute 絕對(duì)速度。

4) 求解模型設(shè)為：標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型；

5) 流體材料設(shè)定：從材料庫(kù)中復(fù)制液態(tài)水，水的物性按默認(rèn)值。

3.2 邊界條件設(shè)置

入口邊界條件設(shè)為速度入口條件，在Velocity Specification Method(速度給定方式)中選擇Magnitude，Normal to Boundary(給定速度大小，速度方向垂直于邊界，取入口速度分布為均勻分布，其他保持默認(rèn)設(shè)置)，模型的入口速度根據(jù)鉆井液排量和鉆桿內(nèi)徑計(jì)算可得，設(shè)定鉆井液排量30 L/s時(shí)，計(jì)算所得濾清器入口流速為6 m/s。

出口邊界是鉆桿濾清器下部的鉆桿橫截面，設(shè)為outflow方式。

數(shù)值模擬中的壁面條件全部設(shè)為wall，即全都是無(wú)法通過(guò)流體的固壁。

設(shè)置好以上的模型參數(shù)后，在通過(guò)solve-monitors-residual設(shè)置殘差顯示圖，并設(shè)置殘差值小于0.001 時(shí)迭代計(jì)算完畢，之后就可以對(duì)流場(chǎng)初始化，然后設(shè)置迭代運(yùn)算次數(shù)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)算殘差曲線如圖3所示。

4 鉆桿濾清器流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果

4.1 鉆桿濾清器內(nèi)無(wú)堵塞時(shí)的流場(chǎng)模擬

鉆桿濾清器流場(chǎng)的物理模型采用3D軟件建立，由于該流場(chǎng)為以軸線中心旋轉(zhuǎn)形成的均勻圓柱結(jié)構(gòu)，因此選取一個(gè)流場(chǎng)切面可以更直觀的顯示流場(chǎng)特性，如圖4所示。由圖4可以看出濾清器上段內(nèi)部鉆井液流速等同于鉆桿內(nèi)的鉆井液流速5.82 m/s，而上段小孔處鉆井液流速為2.5 m/s，遠(yuǎn)低于濾清器內(nèi)部流速，說(shuō)明鉆井液從濾清器上部小孔的流出量很小，這是由于鉆井液流動(dòng)慣性原因，鉆井液沿直線流動(dòng)，僅有少量從上部小孔流出。

鉆桿濾清器底部流速高的原因可由圖5速度矢量圖說(shuō)明，當(dāng)鉆井液流到濾清器底部后，受到濾清器底部濾網(wǎng)的限流作用，鉆井液壓力升高，造成濾清器底部附近小孔流出鉆井液流速增大。

4.2 鉆桿濾清器堵塞時(shí)的流場(chǎng)模擬

鉆桿濾清器堵塞后的物理模型相當(dāng)于濾清器下部變?yōu)閷?shí)體，應(yīng)用3D軟件建立物理計(jì)算模型如圖6所示。鉆桿濾清器堵塞流場(chǎng)采用同樣方法選取一個(gè)流場(chǎng)切面進(jìn)行分析，由于鉆桿濾清器堵塞后造成小孔數(shù)量減少，鉆井液過(guò)流面積變小，致使濾清器上段鉆井液流速為6.90 m/s，大于未堵塞時(shí)的流速，而濾清器底部堵塞物端面處小孔流速達(dá)13.8 m/s，濾清器堵塞部分與鉆桿內(nèi)部形成的環(huán)空處，鉆井液流速達(dá)到10.7 m/s。在此流速下鉆井液中含有砂子等固相含量相當(dāng)于形成了磨料射流，可對(duì)鉆桿內(nèi)涂層造成嚴(yán)重沖蝕。

圖7為濾清器底部堵塞物端面處的速度矢量圖，可看出鉆井液流到堵塞物端面處，過(guò)流面積減小造成局部壓力增高，鉆井液通過(guò)底部小孔的流速增大。

5 結(jié)論

1)鉆桿濾清器未堵塞時(shí)，鉆桿濾清器底部端面處小孔流速最高，流速為7.49 m/s，略高于入口流速6 m/s，對(duì)鉆桿內(nèi)涂層沖蝕不嚴(yán)重。

2)鉆桿濾清器堵塞后，濾清器底部堵塞物端面處小孔流速達(dá)13.8 m/s，此流速可對(duì)鉆桿內(nèi)涂層造成嚴(yán)重沖蝕，因此應(yīng)及時(shí)清理或更換堵塞的濾子，減少對(duì)鉆桿內(nèi)涂層的沖蝕破壞。

3)為減少鉆井液中的堵塞物含量，可以在鉆井泵的進(jìn)液口處放置前置濾清器對(duì)鉆井液進(jìn)行初步過(guò)濾，濾除體積較大的堵塞物，可有效減輕鉆桿濾清器負(fù)荷。

[1] 肖湘萍,尹志喜.數(shù)據(jù)可視化在流場(chǎng)數(shù)值模擬中的應(yīng)用研究[J].華北工學(xué)院學(xué)報(bào),2004(2)：150-152.

[2] 馮文榮,曹佳,朱海燕,等.方鉆桿旋塞閥流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬研究[J].石油機(jī)械,2012(5)：28-30.

NumericalSimulationofPipeFilterFlowField

SUN Wei-liang

(Drilling Engineering and Technology Company, Shengli Petroleum Engineering Co.,Ltd,Dongying257064, Shandong, China)

In order to eliminate the debris on the MWD instruments and screw drilling tools, drill pipe filter is placed in the drill pipe to filter out all kinds of debris in the drilling fluid in oil drilling. Recently, when repairing the drill pipe, the inner wall coating was found to fall off at the point of1m. This resulted in an increase in the cost of the drill pipe repair and an increase in the number of scrap pipes. By finding out the cause, it is judged that the coating erosion may be caused by the use of the drill pipe filter. This paper simulates the flow field characteristics of the pipe filter which is not blocked and blocked in the normal drilling condition to find out the cause of the drill pipe coating erosion through the comparison.

numerical simulation; drill filter; drill erosion

2017-04-11

孫偉良(1983-)，男，山東濰坊人，工程師，從事定向井測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)施工及技術(shù)研發(fā)工作，E-mail：308877164@qq.com 。

TE92

A

1008-9446(2017)06-0022-04