钻杆滤清器流场的数值模拟

孙伟良

(胜利石油工程有限公司 钻井工程技术公司，山东 东营 257064)

钻杆滤清器流场的数值模拟

孙伟良

(胜利石油工程有限公司 钻井工程技术公司，山东 东营 257064)

石油钻井过程中，通常在钻杆内放置钻杆滤清器来滤掉钻井液中的各类杂物，以消除杂物对MWD仪器及螺杆钻具的影响。近期在对钻杆接头修扣时发现钻杆母扣下端1m处的内壁涂层脱落严重，导致钻杆修复费用增加，钻杆报废数量增多。通过查找原因，判断可能是钻杆滤清器的使用造成的钻杆内涂层冲蚀破坏。应用数值模拟方式模拟正常钻进工况下钻杆滤清器在未堵塞与堵塞两种情况下的流场特性，对比分析造成钻杆内涂层冲蚀的原因。

数值模拟；钻杆滤清器；钻杆冲蚀

石油钻井工程中，钻杆内壁涂层具有防腐蚀和耐冲蚀的作用，可有效延长钻杆使用寿命，降低石油开发成本。在对钻杆接头修扣时发现钻杆母扣下端1 m处内壁涂层脱落严重，且部分钻杆管体存在明显冲蚀现象。通过对各类因素进行分析，发现此处为钻杆滤清器放置位置，怀疑为钻杆内放置滤清器导致的流场变化造成了钻井液对内壁涂层的冲蚀伤害。应用FLUNET流体模拟软件对钻杆内流场进行数值模拟，分析钻杆滤清器的流场特性及钻井液对钻杆内涂层的冲蚀作用。

1 FLUNET软件简要介绍

FLUNET软件主要由以下几部分组成：

1)FLUNET 一种用于计算的程序[1]

FLUNET提供多种求解方法，应用的范围包括超高音流动、跨音流动、剪切分离流动、化学反应、涡轮机、传热传质、燃烧、非定常流、多相流、搅拌混合等问题。

2)GAMBIT 一种建立几何模型和生成网格的预处理程序

GAMBIT目前是CFD分析中最好的前置处理器，它包括先进的几何建模和网格划分方法。复杂的模型可直接采用GAMBIT固有几何模块生成。高度自动化的网格生成工具保证了最佳的网格生成，如结构化的、非结构化的或混合网格。

2 几何建模与网格划分

钻杆滤清器是由布满6 mm孔的筛网制成的，应用3D制图软件PRO/E建立模型，如图1所示。

由于钻杆滤清器上有18排竖孔，每排有155个孔，共有2 790个小孔，如果直接划分网格、进行计算，则运算量太大，由于计算机条件的限制，很难完成整个流场的模拟。钻杆滤清器的每排竖孔在钻杆内的流场是以钻杆轴心为旋转轴的均匀流场[2]，因此可采用简化模型，只模拟钻杆滤清器上一排竖孔的流场(20度扇形)，即可反应整个钻杆滤清器的流场特性。

在分析网格生成技术的基础上，确定采用非结构化四面体网格技术，对物理模型进行网格划分。划分区域是钻杆除去滤清器的剩余空间，即放置滤清器后钻杆内部充满钻井液的区域，网格划分如图2。

3 计算条件及边界条件的设置

3.1 计算条件设置

1) 长度单位设为：毫米(mm)；

2) 压力单位设为：Pa；

3) 求解器设置：

solver 求解器：segregated分离式求解器；formulation 算法：implicit隐式算法；space 空间属性：3D三维空间；time 时间属性：steady定常流动；velocity formulation 速度属性：absolute 绝对速度。

4) 求解模型设为：标准κ-ε湍流模型；

5) 流体材料设定：从材料库中复制液态水，水的物性按默认值。

3.2 边界条件设置

入口边界条件设为速度入口条件，在Velocity Specification Method(速度给定方式)中选择Magnitude，Normal to Boundary(给定速度大小，速度方向垂直于边界，取入口速度分布为均匀分布，其他保持默认设置)，模型的入口速度根据钻井液排量和钻杆内径计算可得，设定钻井液排量30 L/s时，计算所得滤清器入口流速为6 m/s。

出口边界是钻杆滤清器下部的钻杆横截面，设为outflow方式。

数值模拟中的壁面条件全部设为wall，即全都是无法通过流体的固壁。

设置好以上的模型参数后，在通过solve-monitors-residual设置残差显示图，并设置残差值小于0.001 时迭代计算完毕，之后就可以对流场初始化，然后设置迭代运算次数对流场进行计算，运算残差曲线如图3所示。

4 钻杆滤清器流场数值模拟结果

4.1 钻杆滤清器内无堵塞时的流场模拟

钻杆滤清器流场的物理模型采用3D软件建立，由于该流场为以轴线中心旋转形成的均匀圆柱结构，因此选取一个流场切面可以更直观的显示流场特性，如图4所示。由图4可以看出滤清器上段内部钻井液流速等同于钻杆内的钻井液流速5.82 m/s，而上段小孔处钻井液流速为2.5 m/s，远低于滤清器内部流速，说明钻井液从滤清器上部小孔的流出量很小，这是由于钻井液流动惯性原因，钻井液沿直线流动，仅有少量从上部小孔流出。

钻杆滤清器底部流速高的原因可由图5速度矢量图说明，当钻井液流到滤清器底部后，受到滤清器底部滤网的限流作用，钻井液压力升高，造成滤清器底部附近小孔流出钻井液流速增大。

4.2 钻杆滤清器堵塞时的流场模拟

钻杆滤清器堵塞后的物理模型相当于滤清器下部变为实体，应用3D软件建立物理计算模型如图6所示。钻杆滤清器堵塞流场采用同样方法选取一个流场切面进行分析，由于钻杆滤清器堵塞后造成小孔数量减少，钻井液过流面积变小，致使滤清器上段钻井液流速为6.90 m/s，大于未堵塞时的流速，而滤清器底部堵塞物端面处小孔流速达13.8 m/s，滤清器堵塞部分与钻杆内部形成的环空处，钻井液流速达到10.7 m/s。在此流速下钻井液中含有砂子等固相含量相当于形成了磨料射流，可对钻杆内涂层造成严重冲蚀。

图7为滤清器底部堵塞物端面处的速度矢量图，可看出钻井液流到堵塞物端面处，过流面积减小造成局部压力增高，钻井液通过底部小孔的流速增大。

5 结论

1)钻杆滤清器未堵塞时，钻杆滤清器底部端面处小孔流速最高，流速为7.49 m/s，略高于入口流速6 m/s，对钻杆内涂层冲蚀不严重。

2)钻杆滤清器堵塞后，滤清器底部堵塞物端面处小孔流速达13.8 m/s，此流速可对钻杆内涂层造成严重冲蚀，因此应及时清理或更换堵塞的滤子，减少对钻杆内涂层的冲蚀破坏。

3)为减少钻井液中的堵塞物含量，可以在钻井泵的进液口处放置前置滤清器对钻井液进行初步过滤，滤除体积较大的堵塞物，可有效减轻钻杆滤清器负荷。

[1] 肖湘萍,尹志喜.数据可视化在流场数值模拟中的应用研究[J].华北工学院学报,2004(2)：150-152.

[2] 冯文荣,曹佳,朱海燕,等.方钻杆旋塞阀流场的三维数值模拟研究[J].石油机械,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

孙伟良(1983-)，男，山东潍坊人，工程师，从事定向井测量现场施工及技术研发工作，E-mail：308877164@qq.com 。

TE92

A

1008-9446(2017)06-0022-04