氣體鉆井井底流場的三維數(shù)值模擬研究

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1、第卷，{期石油鉆探技術(shù)V01．8＼020l()年j月11：IR()IEl,MI)RIIIIN(TI(、11N1QUESMa、r．!)t．．鉆井與完井doi：10．3969／j．issn．1001—0890．2010．03．008氣體鉆井井底流場的三維數(shù)值模擬研究肖曉華朱海燕。單世遠(yuǎn)。(1．西南石油大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，四川成都610500；2．江漢石油鉆頭股份有限公司，湖北武漢430223；3．成都工具研究所，四川I成都610051)摘要：考慮空氣錘釬頭的排屑槽和硬質(zhì)合金齒對氣體鉆井井底流場的影響，建立了氣體鉆井井底流場的數(shù)學(xué)模型和物理模型，對氣體鉆井井深3000m井底流場的速度場、壓力場和溫

2、度場進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的空氣錘釬頭其井底流場的速度、壓力和溫度分布合理，流場可有效清洗井底、漫流攜巖和冷卻釬頭牙齒，對稱三噴嘴流道結(jié)構(gòu)可用于空氣錘釬頭的研制。數(shù)值模擬結(jié)果與氣體鉆井經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值比較吻合，結(jié)果可信，可用于指導(dǎo)空氣錘釬頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品的開發(fā)。關(guān)鍵詞：空氣錘；釬頭；耦合；三維；數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：TE242．9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1O01-0890(2O10)03—0036—04空氣錘釬頭在現(xiàn)場應(yīng)用中存在著排屑困難、井式中：A。為常數(shù)，當(dāng)A。一1時(shí)用于湍流流動(dòng)，當(dāng)A。=底清洗能力較弱、耐高溫性能差等問題，導(dǎo)致釬頭重0時(shí)用于層流流動(dòng)；J0為氣體密度，kg／

3、ma；T為流體溫復(fù)破碎、機(jī)械鉆速較慢、破壞嚴(yán)重。針對潛孔鉆頭井度，K；P為流體壓強(qiáng)，P一T，Pa；U為i方向的速底流場的數(shù)值模擬分析已經(jīng)較多[1j，對于空間內(nèi)部度，m／s；pg為重力在i方向的體積力，N／m3；Fi為由壓縮流場和溫度場的耦合模擬多見于內(nèi)燃機(jī)內(nèi)氣體溫度差異引起的浮力]，F(xiàn)f—l0。g(T—To)，N；』9為的壓縮流動(dòng)l3]，而對空氣錘釬頭井底壓縮流場和溫度場的研究并未見到，因此有必要進(jìn)行空氣錘釬頭熱膨脹系數(shù)，一一1()。；f=pC．~2／s為動(dòng)力黏井底流場的數(shù)值模擬，弄清其井底流場的速度、壓力度，Pa·s；一0．09；e為流體比熱力學(xué)能，無因次；和溫度分布，為新型空氣錘釬頭的研

4、制與空氣錘釬e為流體湍流耗散率，iTl。／s。；為流體的湍動(dòng)能，頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。m／s；為流體導(dǎo)熱系數(shù)，w／(m·K)E7]。湍流模型采用RNG_￡雙方程模型【8]：l空氣錘釬頭的計(jì)算模型a()Ia(，一a“l(fā)a＼I百十—一＼十／十1．1數(shù)學(xué)模型㈤鑫[(+一控制方程+v．(JDH)一0(1)+一a￡a-z，一a‘+v．(pu~u)一．gr)擊+)毒]一cz㈤2A一。一++F(2)式中：為湍流黏性系數(shù)，一cup~／￡；c1—1．44；一1．92；和分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率+v．(peu)一v．(+v．H+收稿日期：72(~09¨-1：改回日期：j?，](A。+(警)+()+熹(警)

5、+基金項(xiàng)目：國家自然耪學(xué)湊合碩瞄“基于氣體鉆井的鉆枉系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究”(編號(hào)：s；¨一?鄧分研究內(nèi)存c卜()‘+()+(警)]+作者簡介：肖曉)女．川資陽人．1187年畢業(yè)于西南石：由學(xué)陀{槭制造及l(fā)j動(dòng)化專業(yè)．1990卑獲西I甸石b學(xué)院}械工程專(au+av)+(+)。+(+塞)]}(3)業(yè)碩}學(xué)位．副教授．主耍≯扎域設(shè)計(jì)與％j造的教學(xué)和科研工聯(lián)系方式．，l128)go2l'lr·．¨、?xxh11C01／1第38卷第3期￡的Prandtl數(shù)，分別取1．0、l_3。況下為75．36m。／min，井底環(huán)空溫度為393K，井底輻射模型_9]：壓力為0．942MPa，井底最小攜巖速度為7．3m

6、／s。q。一eaTq-p~q(6)根據(jù)實(shí)際工況施加如下邊界條件n。：式中：g。為表面的總輻射能量，W／m；為斯蒂務(wù)1)入口邊界條件井深3000m井底溫度為玻爾茲曼常量、分別為發(fā)射率及表面的反射377K，鉆桿內(nèi)氣體溫度為373K(即人口溫度為373率；q為表面輻射能量，w／m。Kl1)，取流量為15Om。／min(即質(zhì)量流量為3．5kg／s)，設(shè)置人口湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率￡。1．2物理模型2)出口邊界條件出口壓力設(shè)定為0．942MPa。三翼整體式結(jié)構(gòu)空氣錘釬頭的流道結(jié)構(gòu)包括33)壁面邊界條件內(nèi)壁面(釬頭表面)設(shè)置成滑個(gè)對稱的噴嘴、3個(gè)對稱的大排屑槽、3個(gè)對稱的鍵移邊界，假設(shè)內(nèi)壁光滑，熱通量設(shè)置為

7、300w／m2；外槽和9個(gè)小排屑槽，如圖1所示。氣體鉆井井底流壁設(shè)置成固定邊界，壁面粗糙度為1mm，井壁設(shè)置場模型的最大單元尺寸設(shè)置為6，釬頭牙齒和小排為固定溫度邊界393．15K。屑槽的內(nèi)表面最大單元尺寸均設(shè)置為4。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，使用四面體和六面體混合結(jié)構(gòu)的2結(jié)果分析網(wǎng)格，對空氣錘釬頭井底流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分777199個(gè)網(wǎng)格單元。2．1井底豎直方向上的速度、壓力和溫度場圖2為井底豎直方向