基于CFD-DEM耦合模型的巖屑運(yùn)移數(shù)值模擬分析

胡金帥，張光偉，李峻嶺，陳雨，閆豐平

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

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在大位移水平井鉆進(jìn)過(guò)程中，由于重力作用，巖屑顆粒極易在水平段形成巖屑床。過(guò)高的巖屑床會(huì)導(dǎo)致鉆桿高摩阻、高阻力矩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)鉆井安全事故，因此巖屑顆粒運(yùn)移問(wèn)題已經(jīng)成為制約井下巖屑運(yùn)移效率與井眼清潔程度的關(guān)鍵［1］。巖屑在環(huán)空流場(chǎng)中的運(yùn)移是個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，影響巖屑運(yùn)移的因素很多。為了獲取影響巖屑顆粒運(yùn)移的相關(guān)規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。Nguyen等［2-3］將環(huán)空巖屑顆粒運(yùn)動(dòng)形式采用3層巖屑運(yùn)移模型進(jìn)行研究，即純流體層、混合懸浮層、巖屑床層；汪海閣等［4-7］針對(duì)不同工況對(duì)巖屑運(yùn)移的多種影響因素進(jìn)行了研究；宋洵成等［8-9］通過(guò)分析巖屑受力，并考慮巖屑顆粒之間產(chǎn)生的相互作用力，分析了巖屑顆粒的運(yùn)移影響規(guī)律。目前，不同學(xué)者廣泛采用的Mixture模型忽略了顆粒與顆粒之間的碰撞和顆粒與流體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，模擬結(jié)果誤差較大，不適合具有大顆粒的工況；而DPM模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬顆粒在較低體積分?jǐn)?shù)時(shí)的運(yùn)動(dòng)，但隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)增大，顆粒運(yùn)動(dòng)和顆粒間的作用變得越來(lái)越重要，模擬結(jié)果誤差也會(huì)增大，導(dǎo)致結(jié)果最終失真。巖屑的所有運(yùn)動(dòng)都是巖屑顆粒受力后所表現(xiàn)的現(xiàn)象，因此利用CFD-DEM耦合方法［10-11］，流體運(yùn)動(dòng)由Euler框架下的連續(xù)方法描述，在考慮巖屑顆粒之間碰撞及顆粒-流體作用的基礎(chǔ)上運(yùn)用DEM方法，可以建立一種更加準(zhǔn)確的數(shù)值模型來(lái)研究顆粒群在環(huán)空的流動(dòng)。……