大位移水平井井眼净化旋转因素数值模拟

大位移水平井井眼净化旋转因素数值模拟 李 明1,巨亚锋1,王在强1,郝炳英2,洪玉奎3 ( 1 . 长庆油田公司油气工艺研究院,陕西 西安 710021; 2. 长庆油田公司勘探开发研究院, 陕西 西安 710021; 3. 西南油气田公司采气工程研究院,四川 广汉 618300) 摘 要: 应用 CFD ( 计算流体力学) 方法对钻井环空液固两相流动进行数值模拟 ,得到钻柱旋转情况 下环空液固两相流流场流动特性 : 类螺旋运动是环空内液固两相主要运动方式,固相非对称分布在环 空内; 得到水平井段液 、 固相速度及体积分数分布; 水平井段钻柱有旋转时环空高浓度( 80% ) 固相 环空占有面积率比钻柱无旋转时低近 2/3; 得到主要参数在钻柱旋转情况下对环空固相运移影响规 律 ; 钻柱转速在 80 120r/min 范围内时岩屑床高度变化较敏感 ; 钻柱旋转对环空固液两相流动起扰 动效应, 可以很大程度上降低环空内固相含量, 从而改善环空井眼净化效果。 关键词: 井眼净化 ; 固液两相流动 ; 钻柱旋转 ; 数值模拟; 类螺旋流; 扰动 中图分类号: TE243 文献标识码 : A 文章编号: 1004 5716( 2010) 05005104 1 概论 大位移井与常规井最大的区别在于其有较长的 水平位移 , 这使得井下钻屑经过较长时间才能到达 井口 , 在这个过程中固相沉积床的形成使井眼净化 变得十分困难 2。有诸多因素影响着井眼的净化效 果 ,钻柱旋转是其中之一 。考虑钻柱旋转将更加接 近大位移井钻井实际 , 对其进行研究有很重要的理 论意义和工程价值 。 2 物理模型结构 根据大位移井的钻井实际情况选择 215. 9mm 井 眼及 127. 0mm 钻柱作为环空尺寸 ,同时取钻柱的偏心 度为 0. 5, 根据计算机 CPU 及内存的实际情况, 选择 20m 作为轴向长度 。 3 欧拉多相流数学模型 通过分析和比较及对实际情况的调研,采用欧拉多 相流数学模型对问题进行分析处理。所建立的数学模 型如下: ( 1) 体积分数: Vq= V qdV 这里 n q=1 q=1 ( 2) 流体连续性方程 : t +div( v)=0 令: = ( qq) 得到 q 相的连续方程为: t( qq)+ ( qqvq)= n p =1 mpq 这里vq是q 相的速度 , mpq表示了从第 p 相到 q 相 的质量传递。根据实际情况环空内液 、 固相之间没有相 互的质量传递 ,即 mpq=0。 ( 3) 流体运动方程: dv dt = F +divP 或 v t +( v ) v =F +1 divP q相受到的力包括 : 质量力 、 虚拟质量力 、 相间相互 作用力、共有压力等 ,因此 q相运动方程为: t( qqvq)+ ( qqvqvq) =- q P + q+ n p =1( R pq+ mpqvpq)+ qq( Fq+Flif t ,q+FVm, q) 4 边界条件 物理模型为偏心状环形空间,其一侧端面为液、固两 相混合入口 ,另一侧端面为液固两相混合出口 ; 环空内壁 为钻柱,不考虑接头的影响,内边界条件可以设定为表示 其旋转的情况; 外边界为井壁,不考虑其摩擦效应。 计算中相应初始条件及参数的设定如表 1所示。 表 1 初始条件及各计算参数数值 参数 井眼 ( mm) 流速 ( L / s) 粘度 ( mPa s ) 颗粒直径 ( mm) 转速 ( r/min) 偏心 度 体积分数 ( %) 数值 215. 9302511000. 55 5 网格划分 对所建立的数学模型进行网格划分。在计算中, 先 采用较疏的网格,再不断进行细化 。当计算流场划分为 51 2010 年第 5期 西部探矿工程 568360 个网格时( 如图 1 所示) , 与它前面使用的 网格的计算结果相比。二者之间的差异已达到了可以 忽略的程度,因此对于环空模拟计算的整个流场内最终 网格数为 161280。 图 1 网格划分示意图 6 数值模拟结果 利用前面的数学及物理模型, 环空流场进行数值模 拟计算得到环空液固两相流场流动规律 。 6. 1 环空固相体积分数分布 分别对内管旋转与非旋转进行计算 ,得到如下体积 分数的截面分布 ,如图 2 所示 。从体积分数的比较分析 上看 ,在考虑内管旋转的情况下 , 顺旋转方向固相在做 周向运动的液相的带动下也做周向的运动, 图 2 所示环 空右侧固相被带起液相侵入固相 ,固相体积分数在旋转 时比非旋转时降低近 1/3, 液相浓度也相应增加。从图 2 中可以看出,在考虑内管旋转时对井筒净化进行研究 更与实际情况接近 。 图 2 旋转与非旋转时环空固相体积分数分布 6. 2 环空固液速度分布 内管旋转的存在不仅使环空下侧固相浓度降低,它 还会使固相移动速度增加 ,数值模拟结果如图 3所示。 从固相速度分布图比较上看旋转存在时 0 . 4m/s 速度区已经贯穿环空下侧沉积固相 ,环空上侧固相流核 区流速降低,说明有固相由下侧运动到上侧, 降低整体 的动能。 6. 3 环空固相运动方式分析 环空内管旋转对液、 固两相流动最大的影响是使两者 有了周向运动,这种周向运动改变了液固单纯轴向运动方 式和稳定的液固分布状况。计算结果固相迹线如图 4 所 示。从固相运动迹线上看,内管旋转时一部分固相在进行 轴向运动的同时随内管一起做周向的旋转运动,而距离内 管较远的固相颗粒则在环空下侧沿井眼轴向做波状跃迁 运动,这与内管无旋转时的情况相同。固相颗粒的运动示 意图如图4、 图 5 所示。从图上我们可以看出其显示的固 相的运动方式与钻大位移井的实际更加接近。 6. 4 岩屑床高度回归模型 根据数值模拟结果, 运用数理统计原理, 对岩屑床 高度进行回归 ,得到 7参数 17 项回归方程: h=3. 133832709114( lnl) -3. 0818 + 0. 026616729089e2- 0. 000684144819e - 52 西部探矿工程 2010 年第 5 期 605. 780274656679f 3 s+ 64. 837702871411f 2 s- 1998751560549fs-0. 00418227216ln( V) - 0. 004357053683d2s+0. 01315855181ds+ 0. 025293383271( lnq) -0. 9276 +0. 035205992509( ln ) 3 - 0. 46354556804( ln ) 2 +2. 021735330836ln + 0. 002184769039 ln( q ) 3 -0. 052122347066 ln( q ) 2 +0. 409600499376ln( q ) - 3. 933071161049 图 3 旋转与非旋转时环空固相体积分数分布 图 4 旋转时固相颗粒运动示意图( 顺旋转方向一侧) 图 5 旋转时固相颗粒运动示意图( 逆旋转方向一侧) 与汪海阁模型进行对比, 结果如表 2 所示 。 6. 5 岩屑床高度影响因素分析 ( 1) 流量的影响 : 不同流量时环空固相沉积床高度 及固相流速变化情况如图 6 所示 。从图中我们可以看 出,随流量的增加岩屑床高度下降,其值在流量为 30 60L/s 时下降最快, 同流量区域内岩屑床的运动速度也 有明显的增加 。当流量增加到 60L/s 左右时环空内的 固相已经全部运动起来没有岩屑的沉积,这与前人的计 算结果是相符的。 表 2 岩屑床厚度模型验证 参数123456 流速 V( m/ s)0. 650. 871. 250. 650. 871. 25 转速 ( r/min)606060606060 偏心度 e0000. 750. 750. 75 液相密度l( kg/ m3) 120012001200120012001200 有效粘度 v( 10- 3Pa s) 60 6060606060 投砂速度 Vp( kg/ min) 666666 相对厚度 H1 31. 77 20. 18 0. 165 34. 78 27. 22 9. 93 相对厚度 H2( 汪) 34. 821. 50. 174 35. 226. 65 10. 94 实测值35. 81 19. 93-32. 88 25. 19 11. 35 与实测值误差( %) 11. 221. 2-5. 788. 0612. 51 与汪海阁模型误差( % )8. 716. 13. 61. 192. 149. 23 ( 2) 钻杆转速的影响 : 不同钻杆转速时环空固相沉 积床高度及固相流速变化情况如图 7 所示。从图上我 们可以看出 , 转速为 70 110r/min 时岩屑床高度变化 比较大, 高度下降的原因是固相被带入液相里, 另外上 升是由于流体上的侵入 。随转速的增加固床 、 移动床的 速度都在增加 ,而主流区流速减小 。 7 结论 ( 1) 在考虑钻杆旋转情况下 , 大位移井水平段环空 内固相沉积床已经不呈现对称形状,顺旋转方向沉积床 有液相侵入,固相含量比逆旋转方向低 ; 53 2010 年第 5期 西部探矿工程 图 6 沉积床高度、固相流速随排量的变化情况 图 7 沉积床高度、固相流速随钻杆转速的变化情况 ( 2) 钻杆旋转带动液 、 固相做周向旋转流动,其与轴 向流动耦合使得环空内固相运动方式与钻杆无旋转时 有很大不同,类螺旋流动是液 、 固相的主要运动方式; ( 3) 钻杆旋转不仅能降低环空内固相含量 , 而且还 会使固相运移速度增加, 从而促进水平井段井眼净化; ( 4) 建议在大位移井钻井中多采用钻杆旋转方式进 行钻进,从而发挥钻杆旋转对井眼净化的作用 , 促进井 眼净化程度,提高现场经济效益。 参考文献: 1 The importance of rotation effects for efficient cuttings re- moval during drilling. SPE25768. 2 Critical Technologies for Success in Extended Reach Drill- ing.SPE 28293. 3 Effect of drill pipe rotation on hole cleaning during direc- tional -well drilling . SPE56406. 4 A three -layer modeling for cuttings transport with coiled tubing horizontal drilling. SPE63296. 5 石晓兵. 大位移井中利用钻柱旋转作用清除岩屑床的机理 研究 J . 天然气工业, 2000( 3) . 6 张政. 大位移井岩屑传输规律研究 D . 中国石油大学( 北 京) 研究生论文, 2003. 7 汪志明, 张政. 大斜度井两层稳定模型岩屑传输规律研究 J . 石油钻采工艺, 2003( 8). 8 汪志明, 张政. 水平井两层稳定岩屑传输规律研究 J . 石 油大学学报: 自然科学版, 2004( 8) 9 汪志明, 龙之辉, 郭晓乐