CFD技術(shù)在井噴救援中的應(yīng)用

范英琪

北京信息科技大學(xué)高動態(tài)導(dǎo)航技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100101

0 前言

井噴救援工作中，井噴流量參數(shù)是調(diào)配壓井液的一個重要指導(dǎo)參數(shù)。在井噴救援時，井口周邊環(huán)境惡劣，無法通過傳感器進行近距離的測量，因此，仿真分析的研究便引起越來越多的關(guān)注。早期，救援人員通過液柱高度估算井噴流量，但是這種方法沒有科學(xué)的計算模型計算誤差。隨著仿真軟件和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，人們提出了基于計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynami，CFD）軟件仿真的指導(dǎo)方法。如李瑩瑩等人[1]通過CFD軟件完成了井噴高速噴流狀態(tài)下對封井裝置的沖擊規(guī)律；潘曉毅等人[2]通過CFD軟件分析了不同井底鉆井液對鉆頭影響。

本文通過室外井噴模擬實驗獲得具體數(shù)據(jù)，依照模擬實驗設(shè)備繪制仿真模型，依據(jù)CFD仿真結(jié)果和室外模擬實驗結(jié)果驗證井噴流量計算模型的準確性，達到輔助井噴救援人員配制合理密度的壓井液的精度要求，從而優(yōu)化井噴救援的物資供給以及災(zāi)情風(fēng)險研究。

1 井噴流量物理計算模型

井噴流量計算過程中需要引入液柱水頭所受空氣阻力的水頭損失hf：

其中，H——井噴液柱實際高度（單位：m）；

HL——忽略空氣阻力的井噴液柱理論高度 （單位：m）；

hf——水頭損失（單位：m）；

k——阻力系數(shù)；

d——井噴出射口直徑（單位：m）；

V——噴口初速度（單位：m/s）；

g——重力加速度（單位：m/s2）。

由文獻[3]可知：

綜合公式（1）、（2），推導(dǎo)初速度和實際高度的計算公式：

流量公式：

其中，Q——井噴流量（單位：m3/s）；

S——噴口截面積（單位：m2）；

將（3）帶入（4）計算可得流量Q：

2 仿真模型的確立

統(tǒng)計石油生產(chǎn)中常見的套管尺寸如表1所示。常見的表層套管尺寸339.73 mm×8 m為參考依據(jù)，以7:1的比例縮小至50 mm×1.25 m，依據(jù)該尺寸建立戶外模擬實驗噴口[4]，根據(jù)戶外模擬實驗的管道模型建立仿真模型。

表1 套管常見尺寸統(tǒng)計表

仿真模型的網(wǎng)格由ICEM CFD 20.0軟件完成，在開始正式選擇物理模型前，因為模型較大，所以進行了網(wǎng)格無關(guān)性的驗證測試。在給定10 m/s的入射速度后，網(wǎng)格數(shù)量在122,563、273,207、372,808、467,413時，得到的最大出口速度的結(jié)果差別并不大，結(jié)果如圖1所示，因此選擇適中的網(wǎng)格數(shù)量122,563。

3 物理模型的確定

選擇物理模型是尤為重要的過程。Fluent中非直接模擬方法有3種：大渦模擬、雷諾（Reynolds）時均方程、分離渦模擬。大渦模擬和分離渦模擬注重動態(tài)流場細節(jié)，計算量大。本次實驗主要為時均流場，故而選擇Reynolds時均方程。常見的基于Reynolds時均方程的渦粘模型有以下4大類。這4大類渦粘模型經(jīng)過一段時間的發(fā)展，有了多種多樣的變體模型，在Fluent中常見模型及其變體的特點總結(jié)如下：

（1）S-A（Spalart-Allmaras）模型單方程求解，計算量小，對解決復(fù)雜的邊元問題有較好效果，同樣也帶來了三維流、強分離流模擬較差，不能預(yù)測各向同性湍流耗散的問題，所以常用于機身、船身等；

（2）Standard k-epsilon模型由于其廣泛的工程應(yīng)用，所以模型參數(shù)經(jīng)由實驗數(shù)據(jù)驗證所得，系數(shù)更為可靠，但模擬的渦動能k偏大，所以常應(yīng)用于管流、平板流等模型；

（3）Baseline（BSL）k-Omega模型在仿真時近壁面采用k-omega，主流區(qū)采用k-epsilon，這樣雖然避免了對湍流耗散率ω較為敏感的問題，但也帶來了較大的計算量，為了簡化計算，進而提出Shear-Stress Transport(SST) k-Omega模型；

（4）Reynolds Stress模型克服了渦粘模型的各向同性假設(shè)，由于方程間強耦合性，收斂稍差[5]，需要更多的CPU時間和內(nèi)存，適合復(fù)雜三維流動、強旋流等。

在對計算模型有了一定了解后，確定本次采用Standard k-epsilon模型。

4 井噴失控噴流實驗結(jié)果仿真分析

在進行仿真分析前，需要設(shè)置邊界條件：

（1）對于流動入口邊界，本次仿真給定的是質(zhì)量流率，流速是垂直于邊界的，指定的是均勻的速度分布，不可壓的流動；

（2）此次仿真為管道內(nèi)的液體流動，所以存在壁面邊界，在粘性流中，壁面強制執(zhí)行無滑移邊界條件；

（3）出口設(shè)置為出流邊界，不施加任何作用力；

（4）采用清水進行室外對照實驗，設(shè)置1,000 kg/m3密度流體參數(shù)進行對照分析。

當(dāng)出射口質(zhì)量流率設(shè)為0.271 kg/s時，輸出計算結(jié)果后，本次實驗主要關(guān)注出口流速，所以分析數(shù)據(jù)時新建一個表面切割出射豎管段，展示井噴出射口的速度如圖2所示。

以室外實驗獲得的實驗數(shù)據(jù)作為真實值，將計算結(jié)果、仿真結(jié)果分別與實驗數(shù)據(jù)作對比，統(tǒng)計的室外測定的出射口水流速度和仿真結(jié)果如表2所示。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，計算模型的準確率在95.27%以上，仿真方法預(yù)測井噴流量的準確率在95.28%以上，滿足井噴救援的精度要求。

表2 井噴仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

5 結(jié)束語

本文通過基本的流體力學(xué)知識建立單向流井噴流量物理仿真模型，并進行室外的模擬實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)。該過程可以驗證井噴高度與井口速度物理模型的準確性，同時通過CFD軟件完成井噴仿真的計算，驗證了典型井噴流量計算模型的可靠性，為井噴救援方案的制定提供了保證，降低了救援風(fēng)險，提高了救援效率。