基于颗粒直径大小对环形空间携屑影响的数值模拟

房建宇，李士伟



基于颗粒直径大小对环形空间携屑影响的数值模拟

房建宇1，李士伟2

（1. 东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318 ; 2. 大庆油田采油六厂，黑龙江 大庆 163000）

钻井是开发石油资源一个非常重要的环节和技术手段，井中岩屑易在井眼底部形成岩屑床，导致下钻遇阻、蹩泵甚至卡钻，因此岩屑运移机理的研究对钻井作业来说至关重要。通过对现场实际情况的调研，得到井下上返颗粒的直径范围，进行数值模拟。运用SolidWorks对井下环形空间进行建模与装配，得到井下环形空间的三维模型。使用软件建立井下环形空间的简化模型，通过应用FLUENT中动网格部分的UDF编写成功地实现了钻杆的旋转。运用FLUENT数字模拟软件，通过对流体非定常流的数值模拟，对岩屑在环形空间的运移规律进行研究，模拟条件更加接近实际情况，结果更加精确，可以为钻井井眼清洁工作提供科学参考。

计算流体力学(CFD); 环形空间; 液固两相流; 数值模拟

井眼中的固体微粒受重力、粘滞阻力、冲击力、浮力作用影响，岩屑浓度大于这些作用力的工作能力，岩屑就会沉降产生岩屑床[1]；岩屑床严重影响了机械钻速，钻进是阻力增加，尤其是定向井、水平井时易形成井下的脱压现象，导致钻头处没有钻压，长时间没有进尺，工程进度缓慢，增加钻井成本；岩屑床导致钻柱扭矩增大，严重时甚至扭断井内钻柱，产生严重的井下事故；岩屑床还是钻具粘卡产生的主要原因，岩屑床的存在使测试工具下方受阻。

本文对井下环形空间模型进行了优化设计，运用液固两相流理论知识，并合理模拟在钻杆旋转的情况下不通颗粒直径大小对井下岩屑运移的影响。

1 计算模型和边界条件

井下环形空间三维模拟图，包括井筒，钻杆。井筒长度12 m，半径10.5 cm，钻杆长度11.5 m，半径5.5 cm在钻杆底部开设小孔，小孔直径0.5 cm。

首先根据井下实际工况运用SolidWorks对环形空间进行建模与装配，得到环形空间的三维模型(环形空间主要由井筒和钻杆两部分构成）。然后导入到GAMBIT软件建立井下工况环形空间的动态网格如图1所示，继而采用FLUENT软件中的UDF模板对井筒内钻杆的流动进行程序的编写，环形空间内的流体为非定常流动，对此情况下的流动进行三维仿真计算。入口边界条件定义为速度入口，压力为表压；出口边界条件定义为压力出流边界；壁面无滑移，默认即可；中心线定义为轴对称条件；材料特性：液体设置为水，固体颗粒设置为二氧化硅。压力速度藕合方式选择SIMPLE，压力与动量的离散格式和湍动能及湍动能耗散率默认即可；time为非定常流动；松弛因子为1；采用欧拉方程隐式算法。

2 不同颗粒直径对钻井携岩效果影响

由图2、图3可以看出：在钻杆旋转时，钻井液在钻杆旋转的离心力作用下，使得钻井液围绕钻杆做周向运动（也称作剪切运动），同时钻井液在井内压差的作用下，沿着环形空间中轴线的方向做层流运动，钻井液的周向运动和轴向运动共同构成了钻杆旋转时钻井液在环空中的螺旋流流动。

图2 不同颗粒直径的颗粒环空体积浓度图

钻井液作螺旋流流动时,钻井液的轴向流动主要对岩屑在井内产生向上的升力，而钻井液的周向运动对岩屑起到保持平衡的悬浮力的作用，在上升力和悬浮力等的作用下使得具有沉积趋势的颗粒，或侧壁已经沉积的颗粒，或者井底沉积的颗粒重新进入到环空高速流动区域内。由以上可以看出，在钻杆旋转的情况下[2]，岩屑能够获取更大的动能从而运移出井口。

晚清以降，三千年未有之大变局警醒了部分国人，亡国灭种的危机逼迫这些“先知先觉”者告别相对稳定的时间意识和生活状态。风行一时的《天演论》正在重塑他们的世界观，逐渐形成一种奠基于进化论的时间观。龚自珍《己亥杂诗》之四四曰：“何敢自矜医国手，药方只贩古时丹。”但在胡适看来，中国传统的“古时丹”已根本无法应对“今”之病：“今日吾国之急需……以吾所见言之，有三术焉，皆起死之神丹也：一曰归纳的理论，二曰历史的眼光，三曰进化的观念。”[注]胡适：《留学日记》卷3，胡适著、季羡林主编：《胡适全集》第27卷，合肥：安徽教育出版社，2003年，第261页。

图3 颗粒环空横截面矢量图

Fig.3 Vector profile in particle annular cross section

同心环空中液固两相流动紊流的轴向速度分布情况如图4所示：由图可以看出环形空间轴向速度呈轴对称分布。轴向速度在环形空间中心存在一个基本稳定、类似于流核的区域,速度趋于均匀，这是由于在紊流的条件下，由于颗粒与颗粒之间的，以及液体和颗粒之间的的互相掺混和碰撞，使得固体颗粒的运动方向杂乱无章，因此，导致轴向横截面的速度分布趋于均匀。然后向管壁快速降低,形成速梯区，这是由于在近壁面颗粒受到壁面的阻力的影响所以速度逐渐降低。由图还可以看出随着颗粒直径的增加，颗粒的轴向速度逐渐增大，到8 mm速度不再增加，说明存在一个临界颗粒直径范围使得颗粒在环空中轴向速度达到最大，此项目仍在研究中[3,4]。

图4 不同颗粒直径的颗粒轴向速度图

由图5可以看出随着颗粒直径的增加，颗粒环空体积分数先增加后减少，当颗粒直径较小时，颗粒由于惯性作用颗粒直径越大轴向速度越大，液体能携带更多的颗粒进入高速流核区，使得颗粒环空体积分数增大。

图5 不同颗粒直径的颗粒环空体积分数图

当颗粒直径增大到一定极限由于自身重力作用，颗粒下滑速度逐渐增大，环空轴向速度不再增加，颗粒重新返回至井底或形成岩屑床，环空颗粒体积分数降低[5-7]。

3 结论及建议

本文通过对井下环形空间的液固流动进行数值模拟，并且运用液固两相流理论基础，使用SolidWorks软件建立井下三维环形空间模型。然后利用UDF模拟环形空间内钻杆的转动，并用FLUENT对流场进行数值模拟，进一步分析了不同颗粒直径对环空携岩效果的影响。得出以下结论：钻杆旋转有利于岩屑的运移。随着颗粒直径的增加，颗粒的轴向速度先增大后趋于平缓，说明存在临界直径，使得环空返速最大，环空颗粒体积分数达到峰值，更有利于岩屑的运移，这对于现场施工应用具有一定的参考意义。

［1］ 宋巍. 水平井岩屑运移规律研究[D]. 成都：西南石油大学，2013.

［2］ 陈浩，李冰，史禹. 大井斜大位移井钻井液携岩问题分析及对策[J]. 胜利油田职工大学学报，2009, 23(3)：54-56.

［3］ 袁照永. 水平井环空泡沫携岩流动规律研究[D]. 青岛：中国石油大学，2009.

［4］ 鹿传世．倾斜井眼内岩屑运移的数值计算与清岩工具设计流场计算[D]．东营：中国石油大学（华东），2008．

［5］ 王延民，孟英峰，李皋，颜建华，李永杰，林铁军，莒拉提. 气体钻井出水条件下环空携岩机理研究[J]. 重庆科技学院学报(自然科学版)，2008(4)：1-3.

［6］ G. Espinosa-Paredes, O. Cazarez-Candia. Two-Region Average Model for Cuttings Transport in Horizontal Wellbores I: Transport Equationsroleum Science and Technology[G] . 2011 (13) .

［7］ Chang-Heon Song; Ki-Beom Kwon; Min-Gi Cho; Joo-Young Oh; Dae-Young Shin;Jung-Woo Cho.Development of lab-scale rock drill apparatus for testing performance of a drill bit[C]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2015-07.

Numerical Simulation on Influence of Particle Diameter to Cuttings Transportation in Annular Space

FANG Jian-yu1，LI Shi-wei2

(1. School of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China 2. Oil Production Plant No.6, Daqing Oilfield Co.,Ltd., Heilongjiang Daqing 163000, China)

Drilling is a very important link and technical means in the development of oil resources. Cuttings in the well are easy to form the cuttings bed at the bottom of the borehole, which will cause slacking off, pump chocking up and even pipe-sticking. So study of cuttings migration mechanism is crucial for drilling operations. Based on research of the actual situation, the diameter range of upward-moving particle in the borehole was obtained, and then numerical simulation was carried out.SolidWorks was used to model and assemble the downhole annular space, the 3D model of the downhole annular space was obtained. The software was used to establish a simplified model of the downhole annular space. Through application of the UDF writing in the moving grid of FLUENT, the rotation of the drill rod was achieved successfully. Using the numerical simulation software FLUENT, through the numerical simulation of fluid unsteady flow, the migration rule of cuttings in the annular space was studied. The simulation conditions are more close to the actual situation. The result is more accurate, and it can provide scientific reference for drilling hole cleaning.

computational fluid dynamics (CFD); annular space; liquid-solid two-phase flow; numerical simulation

TQ 018

A

1671-0460（2016）06-1276-03

2016-03-08

房建宇（1992-），男，黑龙江省大庆市人，硕士学位，2010年毕业于东北石油大学油气储运专业，研究方向：复杂流体力学。E-mail：1907017622@qq.com。