基于CFE的雙流道鉆頭井底流場(chǎng)數(shù)值模擬

趙 毅

基于CFE的雙流道鉆頭井底流場(chǎng)數(shù)值模擬

趙 毅

（大慶油田鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

針對(duì)高低壓雙流道鉆頭的井底流場(chǎng)建立了二維模型，利用CFD及有限元方法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、設(shè)置邊界條件并進(jìn)行計(jì)算。通過分析噴嘴壓力、井底流場(chǎng)壓力及流體速度等數(shù)據(jù)表明：增加雙流道鉆頭高壓噴嘴的射流壓力，在井底形成高壓噴射可以降低井底流場(chǎng)的靜壓力，能夠釋放地層壓力，提高PDC鉆頭的切削破巖能力，從而提高機(jī)械鉆速。

PDC鉆頭；雙流道；射流；CFD

鉆井施工中的井底流場(chǎng)比較復(fù)雜，很難用試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究和分析。近年來，對(duì)井底流場(chǎng)的分析模擬普遍采用CFD方法與有限元方法，這些方法能夠直觀地反映出井底流場(chǎng)的近似狀況，同時(shí)還可以模擬不同射流壓力條件下井底流場(chǎng)的分布［1-4］，為解決井底流場(chǎng)問題提供了便捷的途徑。利用高效鉆井破巖工具的特殊結(jié)構(gòu)，在鉆井泥漿泵壓力不變的條件下為雙流道鉆頭的高低壓噴嘴提供壓力不同的鉆井液；根據(jù)鉆井液壓力，采用CFD與有限元方法對(duì)雙流道鉆頭的井底流場(chǎng)進(jìn)行分析，研究雙流道鉆頭的破巖機(jī)理。

1 井底流場(chǎng)域建模

1．1 流場(chǎng)二維幾何模型

利用有限元方法解決流體問題的軟件有許多，其中主流的軟件為ANSYS和FLUENT。利用這些軟件分析流場(chǎng)問題首先是要對(duì)流場(chǎng)域進(jìn)行建模。由于流場(chǎng)三維模型的計(jì)算量比流場(chǎng)二維模型大且建模復(fù)雜，因此為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間提高分析效率，采用二維模型分析雙流道鉆頭井底流場(chǎng)域的分布，雙流道鉆頭的二維模型中僅表達(dá)高、低壓2個(gè)噴嘴。

首先在CAD建模軟件中建立井底流場(chǎng)的平面圖，井底剖面模型如圖1所示。按設(shè)計(jì)，其中雙流道鉆頭高壓噴嘴直徑為4 mm，低壓噴嘴直徑為16 mm，鉆頭直徑為216 mm，鉆頭所在井眼直徑為248 mm，鉆頭噴嘴距井底20 mm，同時(shí)假設(shè)鉆頭噴嘴垂直于井底。

圖1　井底剖面圖

1．2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分技術(shù)在有限元分析中起關(guān)鍵作用，它將直接影響求解的運(yùn)算量與計(jì)算精度。在劃分網(wǎng)格之前，首先利用建模軟件與網(wǎng)格劃分軟件之間的接口，在有限元前處理軟件中打開井底流場(chǎng)的平面模型，經(jīng)處理后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分時(shí)采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，利用子映射技術(shù)對(duì)平面模型進(jìn)行劃分，最終生成面網(wǎng)格并保存為網(wǎng)格文件供有限元計(jì)算軟件調(diào)用。

1．3 邊界條件

根據(jù)井底工況，流體從鉆頭噴嘴噴出，經(jīng)鉆具與井壁之間的環(huán)空返至地表。因此，將噴嘴設(shè)置為入口，高壓噴嘴26 MPa，低壓噴嘴10 MPa；環(huán)空部分設(shè)置為出口，同時(shí)寫入相應(yīng)的水力直徑，并把這些初始邊界條件按離散的方式分配到相應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上面。

2 有限元模擬

針對(duì)流體問題，采用流體動(dòng)力學(xué)有限元計(jì)算軟件對(duì)離散模型進(jìn)行有限元分析，同時(shí)完善有限元模型的相關(guān)設(shè)置。模擬采用清水作為流體介質(zhì)，同時(shí)設(shè)置其相應(yīng)的屬性。

2.1 k-ε湍流模型

根據(jù)井底流場(chǎng)模擬的需要，計(jì)算黏度模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙參數(shù)模型，該模型是在關(guān)于湍動(dòng)能k方程的基礎(chǔ)上，再引入1個(gè)關(guān)于湍動(dòng)耗散率ε的方程。在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，模型常數(shù)Cμ、C1、C2、TKE、TDR的取值分別為：Cμ＝0．09，C1＝1．44，C2＝1．92，TKE＝1，TDR＝1．3。

2．2 求解離散方法

針對(duì)該二維問題，離散格式采取1階迎風(fēng)格式，求解方法采用SIMPLE算法。該方法又叫求解壓力耦合方程組的半隱式方法，它利用“猜測(cè)”與“修正”的思想計(jì)算［5］。首先假定壓力場(chǎng)，求解離散的動(dòng)量方程，得出速度場(chǎng)。由于所得的速度場(chǎng)一般不滿足連續(xù)方程，因此對(duì)假定的壓力場(chǎng)進(jìn)行修正，并繼續(xù)計(jì)算得到相應(yīng)的速度場(chǎng)使之能夠滿足迭代的連續(xù)方程。由此，把動(dòng)量方程離散形式所規(guī)定的壓力與速度的關(guān)系帶入連續(xù)方程的離散形式，從而得到壓力修正方程，由壓力修正方程得出壓力修正值。接著根據(jù)修正后的壓力場(chǎng)，求得新的速度場(chǎng)。然后檢查速度場(chǎng)是否收斂，若不收斂，用修正后的壓力值作為給定的壓力場(chǎng)，開始下一層次的計(jì)算。如此反復(fù)，直到獲得收斂的解。

2．3 控制迭代次數(shù)

迭代次數(shù)的多少會(huì)影響計(jì)算精度，同時(shí)也會(huì)影響計(jì)算量與計(jì)算時(shí)間。因此，針對(duì)不同模型要采取相應(yīng)的計(jì)算迭代次數(shù)，以滿足不同的計(jì)算需要。

監(jiān)控計(jì)算殘差曲線，曲線開始逐漸呈下降趨勢(shì)，迭代數(shù)十步之后下降趨勢(shì)放緩，此時(shí)流場(chǎng)變量的變化幅度已經(jīng)足夠小，殘差下降了3個(gè)數(shù)量級(jí)直至最終計(jì)算收斂，顯示計(jì)算結(jié)束。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

井底流體速度矢量如圖2所示。經(jīng)過有限元計(jì)算后，所得到的井底靜壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、總壓力場(chǎng)分布云圖如圖3～5所示。由圖2可以看出：井底流場(chǎng)可以劃分為5個(gè)區(qū)域，即自由射流區(qū)、沖擊區(qū)、漫流區(qū)、漩渦區(qū)和上返區(qū)［6］。按照能量守恒，根據(jù)Bernoulli原理，理想流體中流體的動(dòng)能、重力勢(shì)能與壓力勢(shì)能之和為常數(shù)。由此在不計(jì)重力勢(shì)能的條件下，流體在等高流動(dòng)時(shí)流速大，壓力就會(huì)小。如圖3～4所示，速度場(chǎng)云圖中流速大的區(qū)域相應(yīng)的靜壓力就會(huì)小。因此，由有限元計(jì)算云圖可以看出井底流場(chǎng)符合Bernoulli原理。在實(shí)際流體中，由于流體的黏性，流體在流動(dòng)的過程中要克服摩擦力，從而引起能量損失，所以流體總能量將沿流動(dòng)方向逐漸減小，如圖4所示。

圖2　井底流體速度矢量圖

圖3　井底靜壓力場(chǎng)分布云圖

圖4　井底速度場(chǎng)分布云圖

圖5　井底總壓力場(chǎng)分布云圖

由圖3可以看出：利用高低壓噴嘴射流后，井底產(chǎn)生了約2 MPa的壓差，從而改變了常規(guī)鉆頭井底流場(chǎng)壓力的變化，降低了井底流體的靜壓力，釋放了地層壓力，降低了地層對(duì)鉆頭的切削阻力，有利于PDC鉆頭切削地層，提高機(jī)械鉆速。

由圖4可以看出：噴嘴內(nèi)部的流體在中間部分流速較高，近壁面流速低，流體從中間到壁面呈現(xiàn)由高到低的層狀流動(dòng)。高壓噴嘴處最大流速約230 m／s，低壓噴嘴最大流速約130 m／s，高壓噴嘴流速比低壓噴嘴流速快。流體從噴嘴噴出一段距離后受阻力的作用速度相對(duì)下降。高壓噴嘴作用于井底處的靜壓比低壓噴嘴作用于井底處的靜壓低。因此在圖2中，高低壓噴嘴之間的流體在井底處由靜壓力高的地方向靜壓力低的地方流動(dòng)，在高低壓噴嘴之間形成一個(gè)壓力相對(duì)較高的漩渦區(qū)。圖3中，形成流體靜壓力相對(duì)較高區(qū)域的原因是該處流體的流速較慢，動(dòng)壓力較低，因此流體將會(huì)對(duì)井底地層具有壓持響應(yīng)，不利于鉆頭的切削。在雙流道鉆頭的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對(duì)此位置的切削問題給予考慮。

4 結(jié)論

1)利用CAD建模軟件建立了PDC鉆頭井底流場(chǎng)的二維模型，從而在有限元軟件中建立了井底流場(chǎng)域模型。

2)提高鉆頭單只噴嘴壓力就可以改變井底流場(chǎng)的分布，使井底流體的靜壓力降低形成壓差，同時(shí)釋放地層壓力，有利于發(fā)揮鉆頭的切削性能，提高機(jī)械鉆速，為相應(yīng)高效鉆井破巖工具的研發(fā)提供了有力的理論支持。

3)模型中噴嘴垂直于井底只是近似工況，實(shí)際鉆頭噴嘴與井底之間具有一定的角度，因此，對(duì)于傾斜噴嘴噴射的井底流場(chǎng)模擬還需要進(jìn)一步研究。

［1］李邦民，汪志明，劉鐵溟，等．旋轉(zhuǎn)超高壓雙流道PDC鉆頭流場(chǎng)數(shù)值模擬研究［J］．石油機(jī)械，2011，39（3）：1-3．

［2］趙清云．基于CFX的PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（12）：59-61．

［3］黃志強(qiáng)，周已，李琴，等．刮刀鉆頭噴嘴直徑對(duì)井底流場(chǎng)的影響研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（3）：17-19．

［4］劉巨保，徐世博，婁永．基于CFX的磨料水射流噴嘴的流場(chǎng)分析［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（4）：40-44．

［5］王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004：74-81．

［6］黃英勇，李根生，田守，等．定向噴嘴布置對(duì)PDC鉆頭井底流場(chǎng)影響研究［J］．流體機(jī)械，2012，40（1）：47-19．

Numerical Simulation for Flow Field of Eouble Channel Bit Based on CFE

ZHAO Yi
（Drilling Engineering Technology Research Institute，Daqing Cilfield，Daqing 163413，China）

The 2D model of high-low pressure double channel bit of the effective rock broken drilling tools has been established．The model has been computed after being meshed and set boundary conditions by CFD and finite element methods．The nozzle pressure，the bottom hole flow field pressure and the fluid velocity data have been analyzed．The results show that high pressure jet has been formed by increasing the jet pressure of high pressure nozzle on the bottom of the well．And the static pressure of flow field will been reduced．Therefore，the formation pressure will be released．The breaking capacity of PDC bit and the ROP will be improved．

PDC bit；double channel；jet；CFD

TE921．1

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．011

1001-3482（2015）04-0044-03

2014-10-13

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重大科技專項(xiàng)“重大工程關(guān)鍵技術(shù)裝備研究與應(yīng)用”子課題“高效破巖工具”（2013AB4）

趙 毅（1983-），男，黑龍江寧安人，工程師，碩士，主要從事鉆完井機(jī)械設(shè)計(jì)工作，E-mail：zhaoyi211＠126．com。