常规钻井螺旋扶正器携岩举升数值计算研究

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1、学兔兔www.xuetutu.com2010在天然气技术Vo1．4．No．5第4卷·第5期NaturalGasTechnology0ct．2010doi：10．3969／j．issn．1673—9035．2010．05．015常规钻井螺旋扶正器携岩举升数值计算研究陈正茂熊继有(1．西南石油大学，四川成都610500；2．西华师范大学管理学院，四川南充637002)摘要在常规钻井中，螺旋扶正器随钻柱高速旋转，钻井液通过螺旋扶正器时，螺旋扶正器产生的强烈旋流必然会对钻井液携带岩屑举升能力产生不同程度的影响。以多相流理论为基础，建立三维流体动力学模型，并采用有限体积法对该模型进行计算，定量评价了螺旋

2、扶正器的携带岩屑举升能力。计算结果表明，入口岩屑的上返初始浓度对携带岩屑举升能力影响较大，随着初始岩屑浓度的增加，出口岩屑最快上返速度相应加快；颗粒直径越大，螺旋扶正器产生的强烈旋流携带效果越明显。关键词常规钻井携带岩属举升螺旋扶正嚣数值计算中图分类号：TE821文献标识码：A文章编号：1673—9035(2010105—0044—03道，此时，岩屑颗粒和钻井液随螺旋扶正器高速旋O引言转，岩屑颗粒浓度发生变化。在流经螺旋扶正器的常规钻井中，大量岩屑颗粒流经螺旋扶正器，过程中，岩屑不仅要承受重力及浮力，同时还要受螺旋扶正器的携带岩屑举升效果的好坏直接影响着到离心力以及螺旋流给与的多种力作用，使岩

3、屑颗钻井速度。如果举升效果较差，大颗粒岩屑将会滞粒可能会发生堆积，影响螺旋扶正器的携带岩屑举留在井底，造成钻头牙齿重复切削，反之，将有利升能力。于举升井底岩屑，加快岩屑向井口运移的速度。国螺旋扶正器的携带岩屑举升实质上是一个液固内外学者对空气钻井中的岩屑运移机理进行了大量研两相流问题，岩屑颗粒为离散相，作为载体的钻井究n，但很少涉及到常规钻井旋流对岩屑举升的影液为连续相。当岩屑浓度低于0．5％时，颗粒之间的响，仅有少数文献对螺旋扶正器的环空压降和流动相互作用可以忽略。因此，笔者采用Mixture模型对规律进行了初步研究。笔者以多相流理论为基这种情况进行计算。础，建立三维流体动力学模型，对螺旋扶

4、正器的携1．1力学模型带岩屑举升能力进行数值分析，并研究不同岩屑颗粒群流经螺旋扶正器时的速度、浓度分布变化规在建立力学模型之前，先用式(1)对流经螺旋扶律，以及颗粒直径对螺旋扶正器携岩能力的影响。正器的钻井液进行流型判别。笔者得出的数值计算方法及研究成果对常规钻井中尺e：丝(1)螺旋扶正器的设计具有一定的指导意义。式中为雷诺数，若小于2000，钻井液流动属l螺旋扶正器的携岩举升力学模型与边界条件层流；若大于2000，钻井液流动属紊流。为截钻头牙齿切削岩石产生大量岩屑后，随钻井液面平均速度，in／s；d为截面直径，m；为黏度，沿环空向上运移，当运移至螺旋扶正器处时，经过mPa·so螺旋扶正器的导

5、向，钻井液携带岩屑流向螺旋流对于层流，采用以下连续方程：收稿日期：2010—02—03修订日期：201O一09—14本文受到家『1然科学基金项目(编号：90610013)的资助。作者简介：陈茂(1969一)，博土，讲师，从事营销竹删、项H规划及技术经济价、过程控制与风险评估的教学j研究T作．．E—mail：(!／IZIIICWI~u@silla．COIl144／NaturalGasTechnology学兔兔www.xuetutu.com总第23期天然气技术·钻井工程啬(p)+V(p)：0=+08．135RRe盯⋯e_~1。。00：⋯，式中p为流体混合密度，／nl；谚为流体混合后的平均速度，In

6、／s；为时间，s。其中：一OlkpkVk：一m—生L一—(3)J／式中k为相数；O／为第后相的体积分数，％；p为第k相的密度，kg／m；为第k相流体的平均速度，m／S。p=．pm(4)‘+动量方程：盖(p方)+V(p才才)：一Vp+V(+v方：)]+p客+(5)式中为压力，Pa；／1．为流体混合黏度，mPaT为转置；g为重力加速度，m／s2；为体积力，N。m=(6)．式中为第k相的黏度，mPa·S。岩屑颗粒的体积份数方程为：景(p)+V(p)=一V(由，)(7式中P为岩屑颗粒；为岩屑颗粒的体积分数，％；为岩屑颗粒的密度，kg／m；．为岩屑颗粒的漂移速度，m／s。．和通过式(8)相联系：∑(8)

7、t=Im式中为岩屑颗粒与流体的相对速度；为岩屑颗粒与第k相的相对速度。：(9)式中为岩屑颗粒的弛豫时间，s；a为岩屑颗粒的加速度，m／s。根据参考文献[8]，可表示为：：一1(1o)¨式中为岩屑颗粒直径，m；为曳力，N；／Xq为岩屑颗粒黏度，mPa·s。天然气技术／45学兔兔www.xuetutu.com第4卷陈正茂，等：常规钻井螺旋扶正器携岩举升数值计算研究第5期价螺旋扶正器优劣的另一个关键因素