本站小編為你精心準(zhǔn)備了環(huán)空渦動流場特性分析參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《石油鉆采工藝雜志》2016年第二期

摘要：

為了深入研究環(huán)空渦動時的流場特性，根據(jù)流體力學(xué)理論，以連續(xù)性方程和N-S方程為控制方程，利用計算流體力學(xué)技術(shù)對鉆柱渦動時環(huán)空赫巴流體的流動進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬，研究了不同公轉(zhuǎn)方向下鉆柱偏心度的變化對環(huán)空切向速度剖面與合速度剖面的影響。通過對模擬數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)不同公轉(zhuǎn)方向下環(huán)空流場分布截然不同，正向公轉(zhuǎn)時切向速度在環(huán)空寬間隙處隨著公轉(zhuǎn)速度、自轉(zhuǎn)速度和偏心度增大正向增大；反向公轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)二次流，切向速度在環(huán)空寬間隙處隨偏心度的減小整體反向減小，同時二次流趨勢越明顯，摩阻壓耗越大。合理應(yīng)用這些規(guī)律有助于完善現(xiàn)有鉆井水力學(xué)理論，更好地揭示井下環(huán)空流場特性，并為鉆井水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供有效的理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：

渦動；環(huán)空；赫巴流體；摩阻壓耗；數(shù)值模擬；流場

鉆進(jìn)過程中鉆柱在井筒內(nèi)一般會出現(xiàn)渦動，即在地面轉(zhuǎn)盤帶動下順時針自轉(zhuǎn)的同時還繞井眼軸線公轉(zhuǎn)。渦動的出現(xiàn)以及公轉(zhuǎn)的半徑（即渦動時鉆柱的偏心度）和方向（順時針方向、逆時針方向）就目前鉆井水平而言無法控制且很難預(yù)測，通過實(shí)驗難以揭示其內(nèi)部規(guī)律，最可行的方法是借助數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行研究［1-5］。因此研究渦動時的偏心度對由自轉(zhuǎn)旋流場、公轉(zhuǎn)旋流場和軸向流場疊加而成的環(huán)空真實(shí)流場［6-12］的影響有助于完善現(xiàn)有鉆井水力學(xué)理論，更好地揭示井下環(huán)空流場特性，并為鉆井水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)［13-16］。

1環(huán)空流動的建模與模擬

1.1鉆井液模型為更好地描述非牛頓不可壓縮流體的流變特性，采用了更為合理的赫巴流變模式，該模式也可看作修正的冪律模式。

1.2幾何模型數(shù)值模擬所涉及到的幾何尺寸均采用現(xiàn)場實(shí)際尺寸，鉆柱外徑139.7mm，套管內(nèi)徑244.0mm，環(huán)空長度15m，其他參數(shù)見表1。選取15m長的環(huán)空鉆井液作為研究對象，采用基于交錯網(wǎng)格的SIMPLEC算法對連續(xù)性方程和N-S方程進(jìn)行離散化，動量方程的對流項進(jìn)行離散化時為保證計算精度，采用二階格式；建立的網(wǎng)格幾何模型如圖1。設(shè)置3類邊界類型：速度入口邊界，壓力出口邊界以及旋轉(zhuǎn)壁面邊界，設(shè)定該邊界繞其自身軸線自轉(zhuǎn)的同時繞井壁軸線公轉(zhuǎn)，井壁為靜止壁面，所有壁面都簡化為無滑移水力光滑的壁面，且近壁面處的網(wǎng)格加密劃分，采用柱坐標(biāo)系，對稱軸為z軸，按照速度分量方式設(shè)定速度入口值［20］。

1.3流動模型將流體視為不可壓縮流體，且具有一定的黏度值和密度值，不考慮傳熱和重力的影響［21］。用連續(xù)性方程和N-S方程共同描述環(huán)空流動，基于有限體積法的思想進(jìn)行離散。由于渦動時的環(huán)空流場屬于復(fù)雜的旋流場，流體質(zhì)點(diǎn)脈動程度較高，因此采用湍流兩方程模型中的Realizable模型，該模型能夠有效地將湍動黏度模型中的系數(shù)與應(yīng)變率耦合起來，能夠更為精確地描述包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、包含有射流和混合流的自由流、管道內(nèi)流動、邊界層流動以及帶有分離的流動。因此文中采用Realizable模型［22］。

1.4環(huán)空流動的數(shù)值模擬渦動時自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)坐標(biāo)系都遵循右手準(zhǔn)則，規(guī)定轉(zhuǎn)盤自轉(zhuǎn)為順時針方向，以此作為旋轉(zhuǎn)正方向，鉆柱在井眼內(nèi)的公轉(zhuǎn)根據(jù)已有研究的描述有順時針和逆時針2個方向，當(dāng)公轉(zhuǎn)為順時針時，與自轉(zhuǎn)方向一致，根據(jù)右手準(zhǔn)則，為正向渦動，反之為反向渦動。為更好地研究不同偏心度下流場的變化規(guī)律，設(shè)置其余鉆井參數(shù)在合理范圍，如表2。取15m長偏心環(huán)空鉆井液距入口9m處橫截面上沿對稱軸的剖面進(jìn)行分析，橫坐標(biāo)0表示井筒中軸線。

2鉆柱渦動時環(huán)空流場特性分析

設(shè)井筒圓心為O1，鉆柱圓心為O2，井筒半徑為R，鉆柱半徑為r，偏心距為h，公轉(zhuǎn)速度為ω1，自轉(zhuǎn)速度為ω2，P1為最寬間隙處對應(yīng)的鉆柱外壁面位置，P2為最窄間隙處對應(yīng)的鉆柱外壁面位置。設(shè)圖2中時刻的自轉(zhuǎn)線速度方向為正方向，根據(jù)分析可知：

2.1偏心度對流速剖面的影響分析模擬數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其他條件不變時，隨軸向流速增大，環(huán)空內(nèi)寬窄間隙處合速度剖面變化規(guī)律與一般環(huán)空流動相同，由于徑向速度較小且變化不明顯，本研究未作討論。下面著重分析渦動時的偏心度及公轉(zhuǎn)正反方向的變化對環(huán)空氣場的影響。設(shè)定環(huán)空鉆井液密度為1.0g/cm3，軸向流速為2.0m/s，公轉(zhuǎn)速度為18.84rad/s，自轉(zhuǎn)速度為18.84rad/s，考查偏心度分別為0.32、0.64、0.95時各流動參數(shù)剖面的變化規(guī)律。切向速度剖面：偏心度增大，寬間隙處切向速度剖面變大變寬，窄間隙處的切向速度剖面整體增大，鉆柱外壁面在寬間隙處根據(jù)式（3）的推導(dǎo)切向速度越小，在窄間隙處根據(jù)式（4）的推導(dǎo)切向速度越大，如圖3a。合速度剖面：偏心度增大，寬間隙處合速度剖面整體增大，窄間隙處合速度剖面整體減小，鉆柱外壁面在寬窄間隙處的變化規(guī)律同切向速度的變化規(guī)律，如圖3b。設(shè)定環(huán)空鉆井液密度為1000kg/m3，軸向流速為2.0m/s，公轉(zhuǎn)速度為–18.84rad/s，自轉(zhuǎn)速度為18.84rad/s，考查偏心度分別為0.32、0.64、0.95時各流動參數(shù)剖面的變化規(guī)律。切向速度剖面：隨偏心度增大，寬間隙處的切向速度剖面整體反向增大，窄間隙處的切向速度剖面先增大后減小，鉆柱外壁面在寬間隙處根據(jù)式（5）的推導(dǎo)切向速度正向增大，在窄間隙處根據(jù)式（6）的推導(dǎo)切向速度減小，井壁處切向速度為0，如圖3c。合速度剖面：隨偏心度增大，寬間隙處合速度剖面整體增大，窄間隙處的合速度剖面整體減小，鉆柱外壁面寬窄間隙處的變化規(guī)律同切向速度的變化規(guī)律，如圖3d。

2.2二次流的分析反向公轉(zhuǎn)時，寬間隙鉆柱外壁面附近的流體質(zhì)點(diǎn)跟隨鉆柱自轉(zhuǎn)呈正向旋轉(zhuǎn)，此處的切向速度為正值，但在遠(yuǎn)離鉆柱外壁面的區(qū)域，由于鉆柱正向自轉(zhuǎn)的趨勢弱于反向公轉(zhuǎn)的趨勢，故此區(qū)域的流體質(zhì)點(diǎn)跟隨鉆柱反向公轉(zhuǎn)，所以此處切向速度為負(fù)值，如圖3c所示。在寬間隙區(qū)域，同時出現(xiàn)正反2個方向的切向速度，兩股不同方向的旋流在環(huán)空窄間隙的兩側(cè)分離與匯合，使得環(huán)空寬間隙處出現(xiàn)一個明顯的大渦，環(huán)空窄間隙處由于鉆柱旋轉(zhuǎn)壁面帶動的旋流將本應(yīng)對應(yīng)出現(xiàn)的另一個不對稱的小渦淹沒，最終形成了不對稱的二次流，如圖4所示。反向公轉(zhuǎn)時，其他參數(shù)不變，偏心度越大，越不容易出現(xiàn)二次流。寬間隙處二次流產(chǎn)生的大渦越靠近旋轉(zhuǎn)鉆柱外壁面，同時二次流的分離與匯合點(diǎn)越靠近窄間隙處，當(dāng)偏心度大到一定程度后，鉆柱的正向自轉(zhuǎn)趨勢被二次流在寬窄間隙處的反向流動趨勢完全包裹且基本抵消掉，此時狀態(tài)與偏心環(huán)空自轉(zhuǎn)的螺旋流場（自轉(zhuǎn)方向為反向，自轉(zhuǎn)速度大小同公轉(zhuǎn)最為接近。二次流的明顯出現(xiàn)使得環(huán)空流體質(zhì)點(diǎn)的脈動趨勢進(jìn)一步加強(qiáng)，隨著偏心度減小，鉆柱正向自轉(zhuǎn)趨勢越不容易被抵消，二次流趨勢越明顯，偏心環(huán)空流動的摩阻壓耗將進(jìn)一步增大。

3結(jié)論

（1）偏心度對渦動流場的影響較為復(fù)雜，不能輕易忽略。宏觀上不論公轉(zhuǎn)方向如何，隨偏心度增大，寬間隙處的合速度剖面整體增大，窄間隙處的合速度剖面整體減小，但當(dāng)具體分析不同公轉(zhuǎn)方向的環(huán)空流場時，又有各自截然不同的流動特性。（2）正向公轉(zhuǎn)時，鉆柱的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)共同增強(qiáng)了寬窄間隙處的正向旋流趨勢，此時切向速度整體為正值，無二次流出現(xiàn)，偏心度增大，寬間隙處切向速度增大。（3）反向公轉(zhuǎn)時，切向速度同時出現(xiàn)正反向旋流趨勢，鉆柱的公轉(zhuǎn)流場與自轉(zhuǎn)流場出現(xiàn)相互抵消狀態(tài)，環(huán)空截面呈現(xiàn)不對稱的二次流。偏心度減小，寬間隙處切向速度反向越小，公轉(zhuǎn)流場與自轉(zhuǎn)流場相互抵消越小，二次流趨勢越明顯，摩阻壓耗越大。

作者：張晉凱 李根生 黃中偉 田守嶒 宋先知 王海柱 單位：油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗室 中國石化石油工程技術(shù)研究院