譚春飛，姚　洋，李博文，王雨軒，李世豪

(中國石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249)

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設(shè)計計算

鉆頭保徑對底部穩(wěn)定器流場影響的數(shù)值模擬

譚春飛，姚洋，李博文，王雨軒，李世豪

(中國石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249)

為了對渦輪鉆具近鉆頭減壓穩(wěn)定器棱葉片進(jìn)行合理設(shè)計，深入研究穩(wěn)定器數(shù)值模擬的真實(shí)性和內(nèi)部流體流動特性，運(yùn)用計算流體力學(xué)軟件NUMECA，基于S-A湍流模型及SIMPLE算法對設(shè)計的鉆頭保徑段、近鉆頭減壓穩(wěn)定器和渦輪鉆具穩(wěn)定器導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)組合段內(nèi)部的流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。主要研究鉆頭保徑結(jié)構(gòu)對流體流動的干擾，及對穩(wěn)定器內(nèi)流場流動的影響。模擬結(jié)果表明鉆頭保徑結(jié)構(gòu)對流體流動方向干擾很大，對穩(wěn)定器入口段流場流動影響較大。為了降低不必要的水力損失，設(shè)計穩(wěn)定器葉片需要考慮保徑結(jié)構(gòu)的影響。

鉆頭；穩(wěn)定器；影響因素；CFD

為適應(yīng)渦輪鉆具工作轉(zhuǎn)速高的特點(diǎn)，設(shè)計了一種新型的近鉆頭減壓穩(wěn)定器，改善該穩(wěn)定器的葉片造形，使其具有軸流泵的工作特性[1-4]。在工作過程中，旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器葉片對流體做正功，促使其加速上返，并產(chǎn)生抽吸壓力，可以在一定程度上降低井底壓力，提高機(jī)械鉆速。由于其機(jī)械造型和工作原理與軸流泵相似，所以筆者借鑒軸流泵數(shù)值模擬的方法來研究渦輪鉆具近鉆頭穩(wěn)定器的內(nèi)部流場特性[5-7]。除對穩(wěn)定器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化以外，對井下可能影響穩(wěn)定器水力性能的因素也需進(jìn)行合理估計和優(yōu)化，以減少水力損失。與軸流泵葉片入口類似，當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定器的流體流動方向與葉片入口結(jié)構(gòu)角存在角度差時，流體會沖擊葉片的吸力面，造成水力損失。當(dāng)流體從鉆頭噴嘴噴出后，沖擊井底形成漫流從環(huán)空上返時，會流經(jīng)鉆頭保徑之間的水道，進(jìn)入近鉆頭穩(wěn)定器。所以，鉆頭保徑的形狀會影響流體流動的方向，進(jìn)而影響進(jìn)入穩(wěn)定器液流的角度。

如果采用模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究，周期較長、經(jīng)費(fèi)高，而且可獲得的參數(shù)多為外特性，很難了解機(jī)械內(nèi)部流場的流動狀態(tài)。為了較精確、直觀地描述從鉆頭保徑結(jié)構(gòu)到穩(wěn)定器這段區(qū)域內(nèi)流體的水力特性，可以采用CFD理論對求解區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬。本文利用CFD軟件NUMECA對不同方案形狀的鉆頭保徑配合近鉆頭穩(wěn)定器的流動區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬計算，對內(nèi)部流場進(jìn)行分析，優(yōu)選方案或提出改進(jìn)意見，為渦輪鉆具近鉆頭減壓穩(wěn)定器的研究和應(yīng)用提供參考。

1　計算區(qū)域模型建立

1.1幾何模型和計算區(qū)域

以216 mm井眼為例進(jìn)行計算，選取鉆頭直徑為Db=216 mm，渦輪鉆具的外殼體為Dt=160 mm，那么流體的流動區(qū)域?yàn)樵摥h(huán)形通道。按流體流經(jīng)順序依次有鉆頭保徑結(jié)構(gòu)、近鉆頭減壓穩(wěn)定器、渦輪鉆具外殼體穩(wěn)定器，鉆頭保徑結(jié)構(gòu)和近鉆頭穩(wěn)定器旋轉(zhuǎn)速度相同，渦輪鉆具外殼體穩(wěn)定器靜止，設(shè)計成類似軸流泵導(dǎo)葉的導(dǎo)流裝置，三維模型如圖1所示。

圖1　計算幾何模型的三維示意

保徑結(jié)構(gòu)設(shè)計為3種方案，方案一為無保徑結(jié)構(gòu)、方案二為直保徑結(jié)構(gòu)、方案三為斜保徑結(jié)構(gòu)。設(shè)定無保徑結(jié)構(gòu)方案主要目的在于與有保徑結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對比，觀察其影響程度。近鉆頭穩(wěn)定器葉片設(shè)計使用三圓弧設(shè)計方法。數(shù)值計算區(qū)域包括：井底液流上返段、鉆頭保徑流道區(qū)域、近鉆頭穩(wěn)定器內(nèi)部流動區(qū)域、導(dǎo)流穩(wěn)定器內(nèi)部流動區(qū)域和出口延伸段。

1.2模型的合理簡化

由于計算流體力學(xué)研究是一個復(fù)雜的過程，在不影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的情況下，為了使計算過程更加簡便快捷，允許在可接受的誤差范圍內(nèi)對研究模型進(jìn)行合理簡化或抽象處理。鉆頭的刮刀和切削齒等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，離散化難度較大，而從本文所研究的主要問題來看，流體方向的改變主要是保徑對流體作用產(chǎn)生的，鉆頭刮刀部分對液流產(chǎn)生的影響對于該問題影響不大，可以忽略。所以，在數(shù)值計算區(qū)域鉆頭保徑水道段簡化掉鉆頭刮刀部分，只保留保徑結(jié)構(gòu)。計算域內(nèi)的機(jī)械部件在連接處會有內(nèi)徑的變化，做簡化后流道內(nèi)徑全部保持一致。

2　數(shù)值模擬計算

2.1計算條件

基于商業(yè)軟件NUMECA FINE和定常、不可壓縮流動假設(shè)，采用N-S控制方程，利用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散，湍流模型選用Spalart-Allmaras模型。該模型于1994年由Spalart提出，是一種隨時空演化的單方程渦粘系數(shù)模型。S-A湍流模型屬于渦粘性模型，這類模型的前提是Boussiness假設(shè)，認(rèn)為局部雷諾應(yīng)力張量通過湍流運(yùn)動粘性系數(shù)與平均速度梯度成正比[8]。

2.2邊界條件

模擬計算區(qū)域的井底真實(shí)流動過程中，鉆井液排量是已知條件，假設(shè)忽略井壁產(chǎn)生的濾失量認(rèn)為井壁是固體壁面，根據(jù)連續(xù)性方程可知計算區(qū)域入口的進(jìn)口速度，經(jīng)過近鉆頭穩(wěn)定器前后壓力會發(fā)生變化，不能規(guī)定壓力邊界條件。所以，定義邊界條件為入口速度和出口質(zhì)量流量，可以較準(zhǔn)確的符合實(shí)際情況。

3　計算結(jié)果與分析

3.1三種方案機(jī)械性能的比較

定義參數(shù)——做功水頭，主要表征近鉆頭穩(wěn)定器做功能力的大小，與軸流泵的參數(shù)——揚(yáng)程相類似，軸流泵中揚(yáng)程的定義為泵所抽送的單位質(zhì)量液體從泵進(jìn)口處(泵進(jìn)口法蘭)到泵出口處(泵出口法蘭)能量的增值。也就是1 kg液體通過泵獲得的有效能量，單位是m，即泵抽送液體的液柱高度。公式為：

H=Ed-Es

式中：Ed為泵出口處單位質(zhì)量液體的能量，m；Es為泵入口處單位質(zhì)量液體的能量，m。

式中：pd,ps為泵出口、入口處液體的靜壓力；vd,vs為泵出口、入口處液體的速度；zd,zs為泵出口、入口處到任意測量基準(zhǔn)高度的距離。

因此

由公式可知，做功水頭高度越大，說明近鉆頭穩(wěn)定器做功能力越強(qiáng)，機(jī)械性能越好?？紤]可能影響做功水頭的參數(shù)，并提高穩(wěn)定器的機(jī)械性能，選擇了3種方案。通過模擬計算得到的3種方案轉(zhuǎn)速n與做功水頭高度H曲線如圖2所示。

圖2　做功水頭高度隨轉(zhuǎn)速變化示意

由圖2可以看出，整體來看3種方案做功水頭高度都隨轉(zhuǎn)速增加而逐漸增大。因?yàn)榻@頭穩(wěn)定器轉(zhuǎn)速越快，其做功也越多，流體獲得的能量越大。方案一中的無保徑結(jié)構(gòu)不會對流體流動方向產(chǎn)生影響，流體在流入近鉆頭穩(wěn)定器流道前不會受到阻礙，流經(jīng)穩(wěn)定器時并獲得較高能量，與有保徑的方案相比其等效做功水頭高度最大。由此知，研究近鉆頭減壓穩(wěn)定器流場的過程中，研究前部鉆頭保徑對流體影響有必要性，如果不考慮這種因素，結(jié)果會產(chǎn)生較大的偏差。

再比較有保徑結(jié)構(gòu)的2種方案可以看出，有斜保徑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定器做功較多，做功水頭高度明顯優(yōu)于有直保徑結(jié)構(gòu)的方案，而且在低鉆速下表現(xiàn)出的機(jī)械性能較好，其做功水頭高度大于方案一的做功水頭高度。

這2種保徑方案產(chǎn)生差別的原因可以通過保徑流道出口的速度三角形來解釋。流體流出保徑結(jié)構(gòu)到進(jìn)入穩(wěn)定器前的速度可以用下式表示。

c=w+u

式中：c為液體質(zhì)點(diǎn)的絕對運(yùn)動速度；w為相對運(yùn)動速度；u為牽連運(yùn)動速度。

由以上公式組成的速度三角形如圖3所示。

圖3　保徑出口流體速度三角形示意

由速度三角形可以看出，從斜保徑結(jié)構(gòu)流出的流體C2比直保徑結(jié)構(gòu)流出的流體C1在豎直方向的偏角要小，使流體對穩(wěn)定器入流處吸力面的沖擊程度有一定削弱，減少能量消耗；同樣，在沒有保徑結(jié)構(gòu)的情況下，除了沒有對保徑繞流產(chǎn)生能量損失之外，流體進(jìn)入穩(wěn)定器入口時角度是豎直的(和ω1的方向相同)，所以產(chǎn)生的沖擊效果更小。

3.2流態(tài)分析

根據(jù)渦輪鉆具最佳工作轉(zhuǎn)速范圍，選定轉(zhuǎn)速為500 r/min情況下不同保徑方案的穩(wěn)定器內(nèi)流場的速度矢量分布如圖4所示。

a　直保徑結(jié)構(gòu)

b　斜保徑結(jié)構(gòu)

從圖4可以看出，流體經(jīng)過直保徑和斜保徑后方向會有不同程度上地向牽連速度方向偏移，這樣直接導(dǎo)致流體沖擊穩(wěn)定器吸力面，造成能量損失，由于方案三中流體流動方向更貼近穩(wěn)定器入口結(jié)構(gòu)角，產(chǎn)生的能量損失較小。方案三中整個環(huán)空中流體流動狀態(tài)比較穩(wěn)定，斜保徑流道出口流動尾跡比較平穩(wěn)，相對于方案二保徑處的流動狀態(tài)比較劇烈，容易產(chǎn)生能量損失。流體流出穩(wěn)定器后進(jìn)入導(dǎo)葉，入口液流角度和導(dǎo)葉入口角相近，沖擊情況較小，導(dǎo)葉內(nèi)流動主要貼附在壓力面上，出口尾流明顯，有漩渦，導(dǎo)葉尾部造型還需進(jìn)行合理調(diào)整。通過以上論述，保徑結(jié)構(gòu)會對流體產(chǎn)生較明顯的影響，考慮轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的牽連速度、保徑偏轉(zhuǎn)角和軸向流體速度，合理計算得到穩(wěn)定器入口流體速度，配合設(shè)計的穩(wěn)定器入口結(jié)構(gòu)角，可以有效減少能量損失，提高機(jī)械性能[9-10]。

3.3靜壓力分析

選取轉(zhuǎn)速為500 r/min時不同保徑方案的近鉆頭穩(wěn)定器的壓力面，顯示其所受靜壓力云圖，進(jìn)行對比后如圖5所示。

a　直保徑結(jié)構(gòu)壓力面

b　斜保徑結(jié)構(gòu)壓力面

以上方案為鉆柱俯視圖，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r針方向。由圖5中可以看出，每種方案壓力面上壓力梯度在進(jìn)水邊緣和棱外邊緣變化較大，在中間位置和棱內(nèi)邊緣變化較小。兩種方案壓力面在整個面上的壓力梯度變化相似。由于穩(wěn)定器葉片旋轉(zhuǎn)，在瞬時從原位置移動到新位置產(chǎn)生的體積缺失會形成低壓區(qū)，兩種方案低壓區(qū)范圍很小，這是由于流體沖擊葉片前端造成的。

再選取轉(zhuǎn)速為500 r/min時不同保徑方案的近鉆頭穩(wěn)定器的吸力面，顯示其所受靜壓力云圖，進(jìn)行對比后如圖6所示。

a　直保徑結(jié)構(gòu)吸力面

b　斜保徑結(jié)構(gòu)吸力面

以上方案為鉆柱仰視圖，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r針方向。由圖6中可以看出，這兩種方案中近鉆頭穩(wěn)定器吸力面上的壓力梯度變化差別較大，直保徑結(jié)構(gòu)的近鉆頭穩(wěn)定器吸力面入口處受到較大壓力，說明流體對此處沖擊較大，并且高壓面積較大，產(chǎn)生的水力損失較大，斜保徑結(jié)構(gòu)的近鉆頭穩(wěn)定器吸力面入口端也有類似的高壓區(qū)，但是范圍和壓力梯度變化都比直保徑結(jié)構(gòu)的要小，所以產(chǎn)生的水力損失較小。入口端的壓力梯度變化較小，葉片中后部變化快，這與葉片幾何設(shè)計造型有關(guān)，葉片在中后部坡度較陡。

由以上分析可以看出，鉆頭保徑結(jié)構(gòu)會影響流入近鉆頭穩(wěn)定器液流的方向，導(dǎo)致液流沖擊穩(wěn)定器葉片產(chǎn)生不必要的能量損失。

4　結(jié)論

1)鉆頭保徑結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定器入口的流動狀態(tài)有較大的影響。

2)流體在無沖擊工況下進(jìn)入穩(wěn)定器，有利于降低水力損失。在穩(wěn)定器棱葉型設(shè)計時需要考慮到入口角度等于或接近流體入流角度。

3)保徑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該與穩(wěn)定器入流結(jié)構(gòu)角相匹配。

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Numerical Simulation Analysis of Influence of Bit Gauge Protection on Reduce Pressure Near Bit Stabilizer

TAN Chunfei，YAO Yang，LI Bowen，WANG Yuxuan，LI Shihao

(College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

In order to acquire reasonable designs of the near bit decompression stabilizer blade of the turbine drill，a numerical simulation of the flow field in the NUMECA based on the S-A turbulence model and SIMPLE algorithm is carried out.The simulation results show that the structure of the bit gauge protection has a great influence on the direction of the fluid，and the influence on the flow field in the inlet section of the stabilizer is large.In order to reduce the unnecessary hydraulic loss，the design of the stabilizer blades needs to consider the influence of the gauge protection structure.

bit；stabilizer；influence factor；CFD

1001-3482(2016)05-0024-05

2015-10-08

國家科技重大專項(xiàng) “復(fù)雜結(jié)構(gòu)井優(yōu)化設(shè)計與控制關(guān)鍵技術(shù)”( 2011ZX05009-005)

譚春飛(1968-)，男，四川南江人，副研究員，博士，2012年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣井工程的教學(xué)與科研工作，E-mail：tanchunfei@163.com。

TE921.102

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.005