空气钻井偏心环空气固两相流动数值模拟

2011-09-20赫娟张清兵刘康任强燕青海油田采油三厂

油气田地面工程 2011年5期

赫娟张清兵刘康任强燕青海油田采油三厂

空气钻井偏心环空气固两相流动数值模拟

赫娟张清兵刘康任强燕青海油田采油三厂

基于欧拉多相流模型，建立空气钻井偏心环空气固两相流动数学模型，借助FLUENT软件对计算模型进行求解；得到了稳定流动后井筒内气固两相流动速度场、压力场及两相浓度分布规律。分析表明，整个流场沿着两圆中心连线呈对称分布，宽、窄间隙处轴向速度差异较大；且受边界层效应的影响，靠近内、外两圆壁面处流速最小。出口处岩屑速度小于空气速度；而轴向越靠近出口，宽间隙区域空气速度越大，窄间隙区域空气速度越小。

空气钻井；环空流动；气固两相流；数值模拟；速度

空气钻井是以空气作循环介质携带岩屑的钻井技术，作为欠平衡钻井技术的一个分支，因其具有钻速快、成本低，对储层损害小等特点备受人们的关注[1-2]。但气体钻井的整体技术还有待于进一步完善，尤其环空气固两相流场分布的控制还需要进一步的研究[3]，以求有效衡量空气的携岩能力和冲蚀效应。因此，本文从计算流体动力学出发，基于欧拉多相流模型，建立空气钻井偏心环空气固两相流动数学模型，借助FLUENT软件对计算模型进行求解。

1 模型的建立

1.1 物理模型

取12m环空井段进行模拟分析，环空外径为316.5mm，环空内径为127mm，套管与钻杆的绝对粗糙度均为0.04678mm。进口为速度入口边界条件，出口为自由出口边界条件[4]。采用结构化六面体网格对模型进行单元划分。图1为偏心度e= 0.5的环空偏心流场计算网格示意图。

图1 计算区域网格模型

1.2 数学模型

任何流体的流动均满足连续性方程和动量守恒方程，假设流体的定常、等温、湍流模型采用标准的K-ε双方程模型。故描述三维流动的控制方程为：

（1）湍流脉动动能方程（K方程）。

湍流黏度

式中GK为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb为浮力引起的湍动能k的产生项；YM为可压缩湍流中脉动扩张贡献；模型中C1ε=1.44，C3ε=1，Cμ=0.09，为经验常数。

（3）连续性方程。

式中αq为第q相流体在单元中的体积分数，mpq为第p项到第q项的输运质量。

（4）动量方程。

（5）能量方程。

2 数值模拟

偏心度e为内外管圆心间距与内外管半径差之比，即e=d/(R-r)。模拟的岩屑密度为2600kg/ m3，比热为1100J/kg·K，导热系数为0.3W/m·K。气固两相混合后，从下部入口进入，空气流速25m/s，岩屑流速15m/s，岩屑体积分数0.02，颗粒直径0.001m。图2、图3分别给出了出口及轴向截面岩屑和空气的速度场分布云图。分析可知：整个流场沿着两圆中心连线呈对称分布，宽、窄间隙处轴向速度差异较大；且受边界层效应的影响，靠近内、外两圆壁面处流速最小；出口处岩屑速度小于空气速度；而轴向越靠近出口，宽间隙区域空气速度越大，窄间隙区域空气速度越小。