气体钻井井底流场的三维数值模拟研究

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1、第卷，{期石油钻探技术V01．8＼020l()年j月11：IR()IEl,MI)RIIIIN(TI(、11N1QUESMa、r．!)t．．钻井与完井doi：10．3969／j．issn．1001—0890．2010．03．008气体钻井井底流场的三维数值模拟研究肖晓华朱海燕。单世远。(1．西南石油大学基础实验教学部，四川成都610500；2．江汉石油钻头股份有限公司，湖北武汉430223；3．成都工具研究所，四川I成都610051)摘要：考虑空气锤钎头的排屑槽和硬质合金齿对气体钻井井底流场的影响，建立了气体钻井井底流场的数学模型和物理模型，对气体钻井井深3000m井底流场的速度场、压力场和温

2、度场进行了数值模拟。结果表明：设计的空气锤钎头其井底流场的速度、压力和温度分布合理，流场可有效清洗井底、漫流携岩和冷却钎头牙齿，对称三喷嘴流道结构可用于空气锤钎头的研制。数值模拟结果与气体钻井经验公式的计算值比较吻合，结果可信，可用于指导空气锤钎头的结构优化设计和新产品的开发。关键词：空气锤；钎头；耦合；三维；数值模拟中图分类号：TE242．9文献标识码：A文章编号：1O01-0890(2O10)03—0036—04空气锤钎头在现场应用中存在着排屑困难、井式中：A。为常数，当A。一1时用于湍流流动，当A。=底清洗能力较弱、耐高温性能差等问题，导致钎头重0时用于层流流动；J0为气体密度，kg／

3、ma；T为流体温复破碎、机械钻速较慢、破坏严重。针对潜孔钻头井度，K；P为流体压强，P一T，Pa；U为i方向的速底流场的数值模拟分析已经较多[1j，对于空间内部度，m／s；pg为重力在i方向的体积力，N／m3；Fi为由压缩流场和温度场的耦合模拟多见于内燃机内气体温度差异引起的浮力]，Ff—l0。g(T—To)，N；』9为的压缩流动l3]，而对空气锤钎头井底压缩流场和温度场的研究并未见到，因此有必要进行空气锤钎头热膨胀系数，一一1()。；f=pC．~2／s为动力黏井底流场的数值模拟，弄清其井底流场的速度、压力度，Pa·s；一0．09；e为流体比热力学能，无因次；和温度分布，为新型空气锤钎头的研

4、制与空气锤钎e为流体湍流耗散率，iTl。／s。；为流体的湍动能，头的优化设计提供理论指导。m／s；为流体导热系数，w／(m·K)E7]。湍流模型采用RNG_￡双方程模型【8]：l空气锤钎头的计算模型a()Ia(，一a“la＼I百十—一＼十／十1．1数学模型㈤鑫[(+一控制方程+v．(JDH)一0(1)+一a￡a-z，一a‘+v．(pu~u)一．gr)击+)毒]一cz㈤2A一。一++F(2)式中：为湍流黏性系数，一cup~／￡；c1—1．44；一1．92；和分别为湍动能和湍动能耗散率+v．(peu)一v．(+v．H+收稿日期：72(~09¨-1：改回日期：j⋯，](A。+(警)+()+熹(警)

5、+基金项目：国家自然耪学凑合硕瞄“基于气体钻井的钻枉系统动力学特性研究”(编号：s；¨一⋯邓分研究内存c卜()‘+()+(警)]+作者简介：肖晓)女．川资阳人．1187年毕业于西南石：由学陀{槭制造及lj动化专业．1990卑获西I甸石b学院}械工程专(au+av)+(+)。+(+塞)]}(3)业硕}学位．副教授．主耍≯扎域设计与％j造的教学和科研工联系方式．，l128)go2l'lr·．¨、⋯xxh11C01／1第38卷第3期￡的Prandtl数，分别取1．0、l_3。况下为75．36m。／min，井底环空温度为393K，井底辐射模型_9]：压力为0．942MPa，井底最小携岩速度为7．3m

6、／s。q。一eaTq-p~q(6)根据实际工况施加如下边界条件n。：式中：g。为表面的总辐射能量，W／m；为斯蒂务1)入口边界条件井深3000m井底温度为玻尔兹曼常量、分别为发射率及表面的反射377K，钻杆内气体温度为373K(即人口温度为373率；q为表面辐射能量，w／m。Kl1)，取流量为15Om。／min(即质量流量为3．5kg／s)，设置人口湍动能和湍动耗散率￡。1．2物理模型2)出口边界条件出口压力设定为0．942MPa。三翼整体式结构空气锤钎头的流道结构包括33)壁面边界条件内壁面(钎头表面)设置成滑个对称的喷嘴、3个对称的大排屑槽、3个对称的键移边界，假设内壁光滑，热通量设置为

7、300w／m2；外槽和9个小排屑槽，如图1所示。气体钻井井底流壁设置成固定边界，壁面粗糙度为1mm，井壁设置场模型的最大单元尺寸设置为6，钎头牙齿和小排为固定温度边界393．15K。屑槽的内表面最大单元尺寸均设置为4。采用结构化网格划分方法，使用四面体和六面体混合结构的2结果分析网格，对空气锤钎头井底流场区域进行网格划分，共划分777199个网格单元。2．1井底竖直方向上的速度、压力和温度场图2为井底竖直方向