水力脉冲射流旋流流场数值模拟

刘 爽 李根生 史怀忠 田守嶒（中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

引用格式：刘爽，李根生，史怀忠，等.水力脉冲射流旋流流场数值模拟［J］.石油钻采工艺，2015，37（4）：17-21.

水力脉冲射流旋流流场数值模拟

刘 爽 李根生 史怀忠 田守嶒
（中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

引用格式：刘爽，李根生，史怀忠，等.水力脉冲射流旋流流场数值模拟［J］.石油钻采工艺，2015，37（4）：17-21.

摘要：为研究水力脉冲射流流场内旋流流场的变化特性，通过建立井底边界条件下单喷嘴脉冲射流冲击流场物理模型，对脉冲射流旋流流场进行了数值模拟研究。结果表明，非稳态旋流是脉冲射流流场的一个显著特征，对脉冲射流钻井提速起到重要作用，旋流速度和范围具有周期性变化且不随脉冲频率发生改变；在单周期内，旋流强度与脉冲射流速度变化具有一致性，旋流影响范围由前期的快速扩大到后期的缓慢扩大，一直保持增大趋势；旋流作用强于射流动能是脉冲射流产生局部脉动负压的主要原因，有利于降低压持效应；旋流流场改变钻头表面的压力分布，有利于提高钻头清洗效果。研究结果对指导脉冲射流提速技术具有一定的参考价值。

关键词：脉冲射流；旋流；流场；围压；数值模拟

目前全球钻井技术向着深井和超深井方向发展，深井钻井面临巨大的挑战［1-2］。随着井深增加，原始地应力增大，井底流体压力也会增大，岩石可钻性降低，沿程水力损失逐渐增加［3］。经研究发现脉冲射流钻井技术为井下喷射钻井提高钻速一种有效的方法，脉冲射流钻井技术对不同地层适应性强，能够提高井底水力能量，提速效果显著［4-5］。脉冲射流的工作原理是通过改变流体流速实现水力能量的储存与释放，因此能够利用井底有限的水力能量产生较大的瞬时动压和瞬时冲击速度，从而达到改善井底净化程度和岩石应力状态的目的，增强井底清岩和辅助破岩的效果［6-9］。因此，深入研究水力脉冲射流流场对于研究井底净化程度和岩石应力状态的改善具有重要意义。

当前国内外学者多关注射流破岩机理和提速工具的研发，对脉冲射流产生的旋流流场对提速的影响研究较少。由于实验很难直观分析脉冲射流流场内旋流的特性，笔者建立了单喷嘴脉冲射流流场模型并进行了数值模拟研究。在研究过程中，对脉冲射流旋流流场的运动特点及影响进行了分析。

1　物理模型

对井底流动空间和围压条件进行简化，建立了单喷嘴脉冲射流流场物理模型，如图1所示。该模型主要由喷嘴和井底射流区域两部分组成，整个流场呈轴对称，脉冲射流沿井眼轴线射入井底区域，对井底产生冲击后经环空排出。对模型进行网格划分时，主体采用结构性网格单元，并采用局部网格划分，在压力梯度变化较大的喷嘴直线段区域加密网格。计算过程中选取井筒直径为200 mm，喷嘴直径10 mm，喷距30 mm。

图1　 脉冲射流井底冲击流场的物理模型

模型假设条件：（1）脉冲射流入口速度简化为余弦函数；（2）仅考虑单喷嘴情况，喷嘴位于井眼中心；（3）不考虑钻头的旋转与振动。

脉冲射流为非定常流动，故采用非稳态模型，脉冲射流在冲击区域的流动状态为复杂的湍流运动，采用Realizable k-ε湍流模型。由于脉冲射流流速呈周期脉动变化，因此将喷嘴入口设为速度入口边界条件，以余弦脉冲（公式1）为例进行分析，速度幅值u0为100 m/s，为了分析频率的影响，选择10 Hz和20 Hz两种频率进行对比讨论；流体环空出口设为压力出口边界条件，设定出口围压值为5 MPa；其他边界均设为壁面边界条件。

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

2　控制方程

采用Realizable k-ε模型对脉冲射流冲击流场进行模拟，Realizable k-ε模型是带旋流修正的双方程模型，在圆口射流模拟中与其他双方程模型相比能获得较好的湍流比率精度。

流体质量守恒方程为

其中，div ( a) =∂ax/∂x +∂ay/∂y +∂az/∂z ；ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s。

动量守恒方程为：微元体中流体动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的合力

其中，u、v和w是速度矢量u的分量，m/s；p是流体微元体上的压力，Pa； τij是剪切应力τ的分量（i，j=x，y，z），Pa；Fx、Fy和Fz是微元体上的体力，kg/（m·s）。

湍动能k和湍能耗散率ε输运方程为

其中

方程中各项具体表达式见文献［10］。

3　数值模拟结果及讨论

3.1 旋流流场的流动特性

在模拟结果的流速矢量图中可清晰观察到脉冲射流冲击流场中有漩涡区存在。非定常漩涡区是脉冲射流冲击流场的一个显著特征，漩涡区的流体质点具有较大的旋流转速，靠近射流入口的一侧与射流速度同向，此时旋流对射流范围有一定的限制作用。流场内漩涡的主要影响：一是流体质点的旋转能够产生卷吸作用，消耗水力能量，在流场中产生一个脉动负压，在该脉动负压的作用下，降低了井底压持效应，井底岩石母体上的破碎岩屑易于发生扭转，并被旋流卷吸携出井底，降低重复研磨；二是旋流流场改变钻头表面的压力分布，利于钻头清洗，避免钻头泥包［11-13］。

图2为单周期内不同时刻10 Hz和20 Hz脉冲射流冲击流场速度矢量图。由于脉冲射流是非定常流动，因此在射流冲击流场内旋流的强度和作用范围受其影响产生周期性变化。选取2种频率的脉冲射流冲击流场内漩涡变化进行单周期时间对比分析，为研究脉冲射流冲击流场的漩涡运动情况，选取一个单周期内10个时刻进行分析。选取10 Hz低频脉冲0.36~0.45 s的1个时间周期，20 Hz脉冲0.23~0.275 s的1个时间周期，在单周期内脉冲速度均是从最小值到最大值再到最小值的变化过程。由图2观察到，在前半个周期0.36~0.4 s和0.23~0.25 s内，喷嘴入口射流速度随时间从最小逐渐增大至最大，旋流速度随时间逐渐增大，旋流范围随时间扩展幅度较大，由集中在入口附近的小漩涡扩展为较大的漩涡，旋流中心向出口移动；在后半个周期0.41~0.45 s和0.255~0.275 s内，喷嘴入口射流速度随时间逐渐减小至最小射流速度，旋流速度随时间逐渐减小，旋流范围随时间继续缓慢扩大，扩展幅度较小且不明显，当达到最小射流速度时旋流范围达到最大。综上所述，在不同频率脉冲射流冲击流场内，非稳态涡具有相同的变化规律。

图2　 不同频率下单周期内脉冲射流冲击流场速度矢量图

3.2 旋流流场对局部脉动负压效应影响

图3和图4分别是10 Hz和20 Hz脉冲射流井底壁面压力随时间变化曲线。如图3a和4a所示，在入口速度随时间逐渐增大的过程中，压力曲线凹陷的程度和范围随时间增大，与图2中旋流强度和范围变化规律具有相似性，说明旋流对井底壁面压力有一定影响，但由于射流动能强于旋流消耗的能量，在前半个周期内未出现低于围压现象。如图3b和4b所示，在入口速度随时间逐渐减小的过程中，出现低于围压值5 MPa的局部负压区域随时间逐渐扩大，与旋流范围变化规律相同，区域的平均负压压力值随时间先增大后逐渐减小（如图5、6），0.42 s和0.26 s分别为临界时刻。说明随着脉冲射流动能减弱，脉冲射流动能小于旋流对井底壁面的影响程度，旋流成为井底壁面压力的主要影响因素，但在2种影响变化过程中存在1个临界时刻，临界时刻以前脉冲射流动能相对旋流的影响程度要强于临界时刻以后。

图3　 10 Hz井底壁面压力随时间变化曲线

图4　 20 Hz井底壁面压力随时间变化曲线

图5　 10 Hz平均脉动负压随时间变化曲线

图6　 20 Hz平均脉动负压随时间变化曲线

3.3 旋流流场对钻头表面压力分布影响

脉冲射流在受限区域内产生强度和范围周期性变化的旋流，在实际工况中，脉动旋流不仅改变井底压力分布，同时对钻头表面的压力分布也产生影响。在模型中，为了将复杂问题简化说明，利用简化的受限平面代替钻头表面。图7为10 Hz脉冲射流条件下钻头表面在不同时刻的壁面压力变化曲线，由于旋流消耗水力能量对壁面压力降低起主要作用，因此图中曲线的凹陷能体现漩涡的影响范围和强度。在波谷时刻，脉冲射流动能降到最低，旋流影响范围达到最大，整个钻头表面的壁面压力值都小于环空围压值5 MPa，此时负压差最大，利于钻头表面的岩屑沉降，被卷吸出井底，防止钻头表面出现岩屑死角；波峰时刻壁面压力较大，且由中心向后壁面压力越来越大，说明此时井底漫流速度增大，漫流层高度增加，大部分流体以较快流速流向出口，由于环空出口的限制，流体对钻头表面形成冲击作用，越靠近出口位置流体速度越快，对钻头表面产生的冲击压力越大，同时旋流的影响范围变小但强度较强，相对集中在喷嘴附近。随时间不断重复上述过程，脉冲射流不断改变钻头表面压力分布，同时又有流体的强弱交替冲击，从而实现钻井过程中的钻头自洗效果。因此，在现场应用中脉冲射流能够有效清除钻头流道的岩屑聚集和泥包现象。

4　结论

图7　 10 Hz单周期内钻头表面不同位置壁面压力

（1）非稳态旋流流场是脉冲射流流场的一个显著特征，旋流速度和范围具有周期性变化，在单周期内，旋流强度与脉冲射流速度变化具有一致性，旋流范围由前期的快速扩大到后期的缓慢扩大，一直保持增大趋势，在脉冲速度最小时，旋流范围达到最大，不同脉冲频率射流场内的旋流具有相似的变化规律。

（2）旋流消耗的能量大于脉冲射流动能是脉冲射流产生局部脉动负压降低压持效应的主要原因之一，受旋流强度和范围影响，脉动负压值和脉动负压区域也具有周期性变化，脉动负压区域随时间增大，压持减弱区域与旋流范围变化规律相同。

（3）旋流流场改变了钻头表面压力体系，对钻头表面产生有效的冲洗作用。

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（修改稿收到日期 2015-07-20）

〔编辑 薛改珍〕

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（修改稿收到日期 2015-07-20）

〔编辑 付丽霞〕

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

作者简介：刘爽，1986年生。油气井工程专业在读博士研究生。电话：010-89733988。E-mail：851846623@qq.com。通讯作者：李根生，1961年生。博士生导师。电话：010-89733935。E-mail：ligs@cup.edu.cn。

基金项目：国家自然基金创新群体项目“复杂油气井钻井与完井基础研究”（编号：51221003）；国家自然科学基金重大国际（地区）合作项目（编号：51210006）。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.005

文章编号：1000 – 7393（2015）05 – 0017 – 05

文献标识码：A

中图分类号：TE242