空气钻井环空气固两相流动规律数值模拟

莫海元，申龙涉，王 雷，姚 尧，高艳波，曹先慧，李征帛，刘 杰

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

空气钻井环空气固两相流动规律数值模拟

莫海元，申龙涉，王 雷，姚 尧，高艳波，曹先慧，李征帛，刘 杰

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

基于FLUENT软件中Euler模型，采用有限容积法建立了空气钻井环空气固两相流三维计算模型，分析了压力分布规律、流体分布规律、浓度分布规律。研究表明，从井底到井口压力逐渐降低；速度在钻铤内逐渐增大，在交界面处迅速降低，而后在钻杆内呈现增大趋势，岩屑速度在整体环空内逐渐降低；在交界面处形成漩涡，对岩屑进行了不同程度的清洗；同时空气浓度达到最大值、岩屑浓度为最小值；随着入口空气的逐渐增加，空气速度、岩屑速度变化率逐渐增大，而交界面处高空气浓度、低岩屑浓度区域逐渐增大，能较大程度的清洗岩屑。

空气钻井；气固两相流；流动规律；数值模拟

气体钻井作为欠平衡钻井技术的一个重要分支，与传统的液体钻井技术相比具有显著的特点。气体钻井是采用空气、天然气、废气等非凝析气体作为循环介质携带岩屑的钻井技术，由于没有液体参与，能够有效的避免钻井过程中液体和固体颗粒对储层的伤害，因此气体钻井 越来越引起人们的关注[1]。对于空气钻井技术，国内外公司、学者进行了不同程度的应用研究。1950年初，美国ELPaso天然气公司首次将气体应用在钻探油气井[2]，此后该技术广泛地应用在各地油气井的开发与钻探上。近年来我国长庆油田、大庆油田徐深21井、普光气田、白浅111井等均应用空气钻井技术，取得了较好的效果[3-6]。然而仅有部分学者对于气体钻井技术进行了研究[7]，但仍不成熟：气体钻井理论模型与实际相差较大，对最小气体量等参数的分析有待于加强，因此气体钻井技术仍需进一步的研究，尤其是环空气固两相流场分布的控制需进行深入研究[8]。基于此，本文基于FLUENT软件中Euler模型，采用有限容积法建立了空气钻井环空气固两相流三维计算模型，总结流场的分布规律、各组分浓度分布规律、压力分布规律，以期为实际生产、设计提供一定的理论依据。

1 模型建立

1.1 问题描述

参考川渝地区空气钻井技术的实际参数，环空井段为垂直井段，井眼直径314 mm，钻铤直径228.4 mm，钻铤长度10 m，钻杆直径127 mm，钻杆长度10 m，套管与钻杆的绝对粗糙度为0.04678mm，岩屑密度2 600 kg/m3，比热为1 100 J/(kg K)。气固两相混合物从底部入口进入，空气流速为25 m/s，岩屑速度为15 m/s，岩屑浓度为0.02，颗粒直径为1 mm。采用三维稳态气固两相流动模型，模型基本假设如下：

（1）环空流体仅考虑岩屑和空气；

（2）取井斜角为0°；

（3）忽略环空中温度变化影响；

（4）模拟计算中考虑重力的影响；

（5）忽略流动过程中化学反应的影响。

简化后三维模型如下，模拟区域采用六面体进行网格划分，在保持岩屑15 m/s情况下，分别对空气流速20, 25, 30 m/s情况下气固两相流进行了数值模拟。

图1 物理模型及网格划分Fig.1 Physical model and grids partition

1.2 方程建立

连续性方程

动量方程

能量方程

2 数值模拟及结果分析

本文保持岩屑速度15 m/s不变，分别对空气入口速度20, 25, 30 m/s进行了数值分析，以期总结出压力场、速度场、浓度场的分布规律。

2.1 不同空气速度下模拟结果分析

2.1.1 压力分布

如图2所示，3种不同速度下，环空压力从底部到井口总体上逐渐降低。其中钻铤与钻杆交接处，压力迅速升高。这是因为环空截面突然增大，导致速度减小，从而使压力损失减少，近而导致钻杆段环空压力迅速降低。其中在钻铤与管壁几何尺寸未发生变化使得环空段压力变化较均匀。随着入口速度的增大，其压力变化也逐渐增大。

图2 压力分布Fig.2 Pressure distribution

2.1.2 速度分布

图3 空气速度分布Fig.3 Air-velocity distribution

图4 岩屑速度分布Fig.4 Rock waste-velocity distribution

图3为空气速度分布图，在不考虑温度变化情况下，在钻铤内，空气流速均逐渐增加，而到钻铤与钻杆交界处，速度急剧下降，而后在钻杆内又逐渐增加，达到一个新的峰值。这是由于沿程压力的损耗，使得环空压力逐渐减小，流速逐渐升高，因此在钻铤内出现流速逐渐增大的现象；而在交接处由于面积突然增大，导致流速急剧降低，达到了空气流速的最低点；而在钻杆内亦出现沿程压力损耗，导致速度逐渐升高，达到了峰值。图4为固相流速分布，由于受重力的影响使得沿程速度逐渐降低。综合以上：随着空气速度的增大，钻铤内速度梯度也逐渐增大，在交界面处速度变化梯度也较大；岩屑速度随着空气速度的增大其下降速率逐渐减小。

2.1.3 浓度分布

图5、图6分别为空气和岩屑的浓度分布，气体在环空内壁分布小于环空中心；岩屑在钻杆环空带内岩屑浓度大于钻铤环空带。这是由于在钻杆内岩屑速度逐渐减小使得浓度逐渐增大。在截面变化出浓度变价较大。随着入口空气速度的增大，交接处的空气浓度、岩屑浓度变化梯度较大。

图5 空气浓度分布Fig.5 Air-concentration distribution

图6 空气浓度分布Fig.6 Rock waste-concentration distribution

2.2 相同空气速度下模拟结果分析

由于压力分布规律相同，这里不在阐述。重点阐述速度分布和浓度分布规律。仅取一半进行研究。

2.2.1 速度分布

如图7所示，受管道内壁粗糙度影响，加之岩屑影响，使得空气、岩屑速度分布呈中心大，靠近管壁处小的趋势。而在交界面处空气速度突然减小，靠近内壁管道处速度梯度较大，呈减小趋势，并在此形成较小漩涡，使得岩屑梯度变化较大，可以达到一个清洗岩屑的目的。此外由于漩涡的形成，使得气流对小岩屑达到了较好的清洗目的，而对较大岩屑清洗较难。随着入口空气速度的逐渐增大（如图8-图9），在钻铤底部也出现漩涡，对岩屑的清洗程度逐渐加大，提高了携带效率。

图7 空气速度20 m/sFig.7 20 m/s air speed

图8 空气速度25 m/sFig.8 25 m/s air speed

图9 空气速度30 m/sFig.9 30 m/s air speed

2.2.2 浓度分布

如图10-图12所示，在交界面处均呈现空气浓度最大、岩屑浓度最小的现象，这是因为在此处形成了较小的漩涡，空气对岩屑进行了清洗。随着入口空气速度的增大，高浓度空气区域逐渐增大，低岩屑浓度区域逐渐减小，最大限度的对岩屑进行了清洗，达到了较好的携带效果，提高了效率。

图10 空气速度20 m/sFig.10 20 m/s air speed

图10 空气速度25 m/sFig.10 25 m/s air speed

图12 空气速度30 m/sFig.12 30 m/s air speed

3 结 论

（1）从井底到井口，压力逐渐降低，随着入口空气速度的逐渐增大，沿程压降变化也逐渐增大；

（2）空气速度在钻铤内逐渐增大至峰值，在交界面处突然降低，而后在钻杆内空气速度又呈现上升趋势达到新的峰值；岩屑速度在整体环空内逐渐减小；

（3）在交界面处，空气形成一个较小的漩涡，对岩屑进行了不同程度的清洗；随着入口空气速度的逐渐增加，空气影响也增大，对较大岩屑亦进行了清洗，进而提高了效率；

（4）在交界面处，空气浓度达到最大值，岩屑浓度达到最小值，并随着入口空气速度的增大，峰值浓度范围也在增大。

［1］王存新,孟英峰,等.气体钻井注气量计算方法研究[J].天然气工业,2006,26(12):97-99.

［2］L.Shale. Development of Air Drilling Motor Holds Promise for Specialized Directional Drilling Application[C].SPE22564,1991.

［3］庞保平.空气钻井流体压力计算与空气螺杆马达设计的初步研究[D/OL].http://211.87.190.16：85/CDDBN/Y457743/PDF/INDEX. HTM,2002-05-01.

［4］罗昭素，郭永恒，郎应虎,等.空气欠平衡钻井技术在徐深21的应用[J].石油钻采工艺,2006, 28(5):16-18.

［5］刘一江,叶文超,路立泽.空气、氮气钻井技术在普光气田的应用[J].天然气工业,2007, 27(7):1-3.

［6］孟英峰,练章华,等.气体钻水平井的携岩研究及在白浅111H井的应用[J].天然气工业，2005,25(7):50-53.

［7］赫娟,张清兵,刘康,任强燕.空气钻井偏心环空气固两相流动数值模拟[J].油气田地面工程,2011,30(5):24-26.

［8］朱江,王萍,蔡利山,等.空气钻井技术及其应用[J].钻采工艺,2007,30(2):145-148.

Numerical Simulation of Gas-Solid Two-phase Flow Law in Air Drilling

MO Hai-yuan，SHEN Long-she，WANG Lei，YAO Yao，GAO Yan-bo，CAO Xian-hui，LI Zheng-bo，LIU Jie
（College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun, 113001, China）

Based on the Euler model in FLUENT software, three-dimensional numerical model of gas-solid two-phase flow in air drilling was established by finite volume method. The pressure distribution law, the fluid distribution law and the concentration distribution rule were analyzed. The results show that the pressure reduces gradually from the bottom hole to the wellhead; the velocity gradually increases in the drill collar and quickly decreases at the interface, and then shows a increase trend in the drill pipe, and the cuttings speed gradually reduces in the overall annulus; the cuttings are cleaned at different degrees by the vortexes formed at the interface; the air concentration reaches the maximum and cuttings concentration reaches minimum at the same time; With the gradual increase of the inlet air, the change rates of air velocity and cuttings speed gradually increase, and the regions of high air concentration and low cuttings concentration gradually expand, which can lead to a greater-degree cleaning of the cuttings.

Air drilling; Gas-solid two-phase flow; Flowing law; Numerical simulation

TE 242

A

1671-0460（2012）11-1263-04

2012-07-02

莫海元（1985-），男，青海门源人，在读硕士，研究方向：钻井工艺及多相流研究。E-mail：mohy0413@163.com。