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

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。

图2 出口气固两相速度场分布云图

图3轴向Y-Z截面气固两相速度场分布云图

图4 、图5分别给出了出口及轴向截面岩屑和空气的压力场分布云图。分析可知：出口处，岩屑相所受压力远大于空气相的压力，而轴向随着距出口位置的减小，宽间隙区域压力增大，窄间隙区域压力降低；轴向岩屑相的压力分布大于空气相的压力分布。

图4 出口气固两相压力场分布云图

图5 轴向Y-Z截面气固两相压力场分布云图

图6 、图7分别给出了出口及轴向截面岩屑和空气的浓度分布云图。分析可知：出口处，岩屑浓度分布较小，空气相浓度较大。

图6 出口气固两相浓度场分布云图

图7 轴向Y-Z截面气固两相浓度场分布云图

结合图2可知，岩屑速度场越大，岩屑含量越低。

3 结语

通过对空气钻井气固两相流场的数值模拟可知：在流速和偏心度一定的情况下，偏心环空流场、压力场、浓度场，均沿着两圆中心连线呈对称分布；且宽间隙区域，空气、岩屑的速度分布，压力分布均大于窄间隙区域。

[1]周成华，王平全，张珍，等．气体钻井替换过程中保持井壁稳定的对策[J]．钻采工艺，2007，30（5）：1-3．

[2]李玉飞，孟英峰，聂政远，等．空气钻井提高钻采机理研究[J]．石油钻探技术，2006（4）：9-10．

[3]侯树刚，舒尚文，李铁成，等．空气钻井安全钻进特性分析[J]．石油钻探技术，2007，35（6）：50-53．

[4]付双成，孙国刚，李军，等．气体钻井地面分离系统的现场试验研究[J]．油气田地面工程，2008，27（12）：5-6．

（栏目主持杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.5.012