空氣鉆井環空氣固兩相流動規律數值模擬

莫海元，申龍涉，王 雷，姚 堯，高艷波，曹先慧，李征帛，劉 杰

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

空氣鉆井環空氣固兩相流動規律數值模擬

莫海元，申龍涉，王 雷，姚 堯，高艷波，曹先慧，李征帛，劉 杰

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

基于FLUENT軟件中Euler模型，采用有限容積法建立了空氣鉆井環空氣固兩相流三維計算模型，分析了壓力分布規律、流體分布規律、濃度分布規律。研究表明，從井底到井口壓力逐漸降低；速度在鉆鋌內逐漸增大，在交界面處迅速降低，而后在鉆桿內呈現增大趨勢，巖屑速度在整體環空內逐漸降低；在交界面處形成漩渦，對巖屑進行了不同程度的清洗；同時空氣濃度達到最大值、巖屑濃度為最小值；隨著入口空氣的逐漸增加，空氣速度、巖屑速度變化率逐漸增大，而交界面處高空氣濃度、低巖屑濃度區域逐漸增大，能較大程度的清洗巖屑。

空氣鉆井；氣固兩相流；流動規律；數值模擬

氣體鉆井作為欠平衡鉆井技術的一個重要分支，與傳統的液體鉆井技術相比具有顯著的特點。氣體鉆井是采用空氣、天然氣、廢氣等非凝析氣體作為循環介質攜帶巖屑的鉆井技術，由于沒有液體參與，能夠有效的避免鉆井過程中液體和固體顆粒對儲層的傷害，因此氣體鉆井 越來越引起人們的關注[1]。對于空氣鉆井技術，國內外公司、學者進行了不同程度的應用研究。1950年初，美國ELPaso天然氣公司首次將氣體應用在鉆探油氣井[2]，此后該技術廣泛地應用在各地油氣井的開發與鉆探上。近年來我國長慶油田、大慶油田徐深21井、普光氣田、白淺111井等均應用空氣鉆井技術，取得了較好的效果[3-6]。然而僅有部分學者對于氣體鉆井技術進行了研究[7]，但仍不成熟：氣體鉆井理論模型與實際相差較大，對最小氣體量等參數的分析有待于加強，因此氣體鉆井技術仍需進一步的研究，尤其是環空氣固兩相流場分布的控制需進行深入研究[8]?；诖耍疚幕贔LUENT軟件中Euler模型，采用有限容積法建立了空氣鉆井環空氣固兩相流三維計算模型，總結流場的分布規律、各組分濃度分布規律、壓力分布規律，以期為實際生產、設計提供一定的理論依據。

1 模型建立

1.1 問題描述

參考川渝地區空氣鉆井技術的實際參數，環空井段為垂直井段，井眼直徑314 mm，鉆鋌直徑228.4 mm，鉆鋌長度10 m，鉆桿直徑127 mm，鉆桿長度10 m，套管與鉆桿的絕對粗糙度為0.04678mm，巖屑密度2 600 kg/m3，比熱為1 100 J/(kg K)。氣固兩相混合物從底部入口進入，空氣流速為25 m/s，巖屑速度為15 m/s，巖屑濃度為0.02，顆粒直徑為1 mm。采用三維穩態氣固兩相流動模型，模型基本假設如下：

（1）環空流體僅考慮巖屑和空氣；

（2）取井斜角為0°；

（3）忽略環空中溫度變化影響；

（4）模擬計算中考慮重力的影響；

（5）忽略流動過程中化學反應的影響。

簡化后三維模型如下，模擬區域采用六面體進行網格劃分，在保持巖屑15 m/s情況下，分別對空氣流速20, 25, 30 m/s情況下氣固兩相流進行了數值模擬。

圖1 物理模型及網格劃分Fig.1 Physical model and grids partition

1.2 方程建立

連續性方程

動量方程

能量方程

2 數值模擬及結果分析

本文保持巖屑速度15 m/s不變，分別對空氣入口速度20, 25, 30 m/s進行了數值分析，以期總結出壓力場、速度場、濃度場的分布規律。

2.1 不同空氣速度下模擬結果分析

2.1.1 壓力分布

如圖2所示，3種不同速度下，環空壓力從底部到井口總體上逐漸降低。其中鉆鋌與鉆桿交接處，壓力迅速升高。這是因為環空截面突然增大，導致速度減小，從而使壓力損失減少，近而導致鉆桿段環空壓力迅速降低。其中在鉆鋌與管壁幾何尺寸未發生變化使得環空段壓力變化較均勻。隨著入口速度的增大，其壓力變化也逐漸增大。

圖2 壓力分布Fig.2 Pressure distribution

2.1.2 速度分布

圖3 空氣速度分布Fig.3 Air-velocity distribution

圖4 巖屑速度分布Fig.4 Rock waste-velocity distribution

圖3為空氣速度分布圖，在不考慮溫度變化情況下，在鉆鋌內，空氣流速均逐漸增加，而到鉆鋌與鉆桿交界處，速度急劇下降，而后在鉆桿內又逐漸增加，達到一個新的峰值。這是由于沿程壓力的損耗，使得環空壓力逐漸減小，流速逐漸升高，因此在鉆鋌內出現流速逐漸增大的現象；而在交接處由于面積突然增大，導致流速急劇降低，達到了空氣流速的最低點；而在鉆桿內亦出現沿程壓力損耗，導致速度逐漸升高，達到了峰值。圖4為固相流速分布，由于受重力的影響使得沿程速度逐漸降低。綜合以上：隨著空氣速度的增大，鉆鋌內速度梯度也逐漸增大，在交界面處速度變化梯度也較大；巖屑速度隨著空氣速度的增大其下降速率逐漸減小。

2.1.3 濃度分布

圖5、圖6分別為空氣和巖屑的濃度分布，氣體在環空內壁分布小于環空中心；巖屑在鉆桿環空帶內巖屑濃度大于鉆鋌環空帶。這是由于在鉆桿內巖屑速度逐漸減小使得濃度逐漸增大。在截面變化出濃度變價較大。隨著入口空氣速度的增大，交接處的空氣濃度、巖屑濃度變化梯度較大。

圖5 空氣濃度分布Fig.5 Air-concentration distribution

圖6 空氣濃度分布Fig.6 Rock waste-concentration distribution

2.2 相同空氣速度下模擬結果分析

由于壓力分布規律相同，這里不在闡述。重點闡述速度分布和濃度分布規律。僅取一半進行研究。

2.2.1 速度分布

如圖7所示，受管道內壁粗糙度影響，加之巖屑影響，使得空氣、巖屑速度分布呈中心大，靠近管壁處小的趨勢。而在交界面處空氣速度突然減小，靠近內壁管道處速度梯度較大，呈減小趨勢，并在此形成較小漩渦，使得巖屑梯度變化較大，可以達到一個清洗巖屑的目的。此外由于漩渦的形成，使得氣流對小巖屑達到了較好的清洗目的，而對較大巖屑清洗較難。隨著入口空氣速度的逐漸增大（如圖8-圖9），在鉆鋌底部也出現漩渦，對巖屑的清洗程度逐漸加大，提高了攜帶效率。

圖7 空氣速度20 m/sFig.7 20 m/s air speed

圖8 空氣速度25 m/sFig.8 25 m/s air speed

圖9 空氣速度30 m/sFig.9 30 m/s air speed

2.2.2 濃度分布

如圖10-圖12所示，在交界面處均呈現空氣濃度最大、巖屑濃度最小的現象，這是因為在此處形成了較小的漩渦，空氣對巖屑進行了清洗。隨著入口空氣速度的增大，高濃度空氣區域逐漸增大，低巖屑濃度區域逐漸減小，最大限度的對巖屑進行了清洗，達到了較好的攜帶效果，提高了效率。

圖10 空氣速度20 m/sFig.10 20 m/s air speed

圖10 空氣速度25 m/sFig.10 25 m/s air speed

圖12 空氣速度30 m/sFig.12 30 m/s air speed

3 結 論

（1）從井底到井口，壓力逐漸降低，隨著入口空氣速度的逐漸增大，沿程壓降變化也逐漸增大；

（2）空氣速度在鉆鋌內逐漸增大至峰值，在交界面處突然降低，而后在鉆桿內空氣速度又呈現上升趨勢達到新的峰值；巖屑速度在整體環空內逐漸減小；

（3）在交界面處，空氣形成一個較小的漩渦，對巖屑進行了不同程度的清洗；隨著入口空氣速度的逐漸增加，空氣影響也增大，對較大巖屑亦進行了清洗，進而提高了效率；

（4）在交界面處，空氣濃度達到最大值，巖屑濃度達到最小值，并隨著入口空氣速度的增大，峰值濃度范圍也在增大。

［1］王存新,孟英峰,等.氣體鉆井注氣量計算方法研究[J].天然氣工業,2006,26(12):97-99.

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

［3］龐保平.空氣鉆井流體壓力計算與空氣螺桿馬達設計的初步研究[D/OL].http://211.87.190.16：85/CDDBN/Y457743/PDF/INDEX. HTM,2002-05-01.

［4］羅昭素，郭永恒，郎應虎,等.空氣欠平衡鉆井技術在徐深21的應用[J].石油鉆采工藝,2006, 28(5):16-18.

［5］劉一江,葉文超,路立澤.空氣、氮氣鉆井技術在普光氣田的應用[J].天然氣工業,2007, 27(7):1-3.

［6］孟英峰,練章華,等.氣體鉆水平井的攜巖研究及在白淺111H井的應用[J].天然氣工業，2005,25(7):50-53.

［7］赫娟,張清兵,劉康,任強燕.空氣鉆井偏心環空氣固兩相流動數值模擬[J].油氣田地面工程,2011,30(5):24-26.

［8］朱江,王萍,蔡利山,等.空氣鉆井技術及其應用[J].鉆采工藝,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，青海門源人，在讀碩士，研究方向：鉆井工藝及多相流研究。E-mail：mohy0413@163.com。