水平孔孔底流场正反循环仿真分析

第10卷2010笠第5期5月中国水运OhnaWaterTransportVoI．10MayNo．52010水平孔孔底流场正反循环仿真分析房治强，陈晨，高文爽(吉林大学建设工程学院，吉林长春130026)摘要：针对各种水平孔孔底的正、反循环液流流动，利用flu_nt流体计算软件进行仿真模拟研究，对比压力场、速度场及其携带固相颗粒能力的综合比较，对各自的适用条件、特点、技术优势进行评价，提出正、反循环水力循环体系的合理工艺参数，指导水平孔施工。关键词：固体颗粒；水平孔；数值模拟；循环对比中图分类号：TU31．61文献标识码：A文章编号：1006-7973(2010)05-0107-02一、研究的意义随着石油、钻探及非开挖行业的飞速发展，对于以往研究较少的水平孔，现越来越多的被研究、关注和应用。一般的水平孔的孔底流场都采用正循环方式，上返岩屑及循环泥浆。因此，本文主要是研究反循环的孔底流场与正循环的区别。反循环方式与正循环相比具有较高的上返流速、较好的携带岩屑能力等IZ-3l，所以有待于对水平孔的正反循环的流场进行对比，本文主要是基于这个基本点来说明问题。目前国内外对于垂直孔技术的研究及应用已相当成熟，但是对水平孔的研究还尚未趋于完善。对水平孔的研究主要有对水平孔两相渗流进行分析；导向钻机在实施导向钻进时对入口点和入口角度的选择；钻柱即时构形中轴向力对钻柱弯曲的影响，以及由于弯曲变形而产生的轴向附加力，得到了水平孔段钻柱在周期性波动钻压激励下的非线性参数激励振动系统等等14-61。而对于水平孔的循环方式研究较少。水平孔可以采用正反两种循环方式，正反循环方式都可以携带岩屑及循环泥浆，但是其效果不尽相同。因此本文主要是针对正反循环的孔底流场运用fluent软件进行仿真分析，来比较二者的排渣能力、二者的泥浆循环方式的优缺点，来寻求更合理的参数指导实践。二、模型的建立及计算条件1．几何建模与网格划分图1模拟孑L2．控制方程本文采用迪卡尔坐标系下的轴对称流动的控制方程形式：①连续方程；②动量方程；③能量方程；④标准化k一￡模型。3．模拟结果及分析(1)计算初始条件针对水平孔的实际钻采情况对钻孔水力开采的孔底平面流场区域进行模拟，，选取的正循环模拟参数如下：表1模拟钻孔参数喷嘴入口处的喷射压力(Pa)由下式确定：Po=P一只一‰-I-yTgH式中p一根据水枪要求选用的泵压力；Pc一由泵到喷嘴的管线中的压力损失，已有的经验值为(0．02—0．05)10-6；P损一水枪中的压力损失，已有的经验值为(O．4—0．7)10—6：乃：一工作介质的容重，kg／m3。水枪射流的初始速度(m／s)按下式计算：％=妒√2P0·1矿式中妒一计算速度系数，0．92—0．96。必要的水量ITl3／s按下式计算：Q=织华‘．式中口一喷嘴处射流的收缩系数，口=1；d一喷嘴直径，mo射流的结构系数(辅助参数)按下式计算：1口2—1————一百蒜一蝎‘1矿式中：a·按实际情况取得的压力系数，与静液柱压力有关，可按下面关系选取：表20【系数相关的物理量收稿日期：2010—04．06作者简介：房治强(1985一)，男，辽宁大连人，吉林大学建设工程学院硕士研究生，吉林大学建设工程学院，主要从事油页岩和天然气水合物勘探开发研究。基金项目：科技部中俄科技合作专项(2007DFR60100)中国地质科学院矿产科学研究所地调项目1212010818055万方数据108中国水运第10卷射流破碎的最大长度(水枪破碎半径)按下式计算：，(1060v：-0．29r)dl，=：一2at计算水力碎岩参数可以得到最大和有效的破碎半径。最大的半径取决于超过岩石结构强度的淹没和非淹没射流的轴向动压力作用的距离。对于自由的非淹没射流的计算如下式：最=矗(￡么)‘和k=(枷·Re)di式中R、R一液流在喷嘴处的轴向动压和距喷嘴L处的动压；LH-一射流初始段长度；d一喷嘴直径；Re一雷诺数，按下式计算：Rc：型y所以取正循环入口速度为：1．59m／s；反循环入口速度为：28m／s。(2)流场仿真及结果分析浆液从窄穴输送李中心通道，此段流场的模拟如下：图2正循环速度云图图3反循环速度云图图4正循环压力云图图5正循环压力云图图6正循环速度矢量图图7反循环速度矢量图由速度图可知，在反循环时，速度从28m／s降至25．9m／。因此流量损失了1．71／s，损失了7．5％，主要是由于有逆向的速度产生的，同时压力也有损失；而在正循环时，浆液从钻头喷嘴喷出将岩屑从孔壁与钻杆的环状间隙流出时流量损失较反循环的大，速度从1．59m／s降至1．16m／s；流量损失了0．351／s，损失了27％，同时压力损失也相应较大。在速度矢量图中可以看出：反循环速度不是沿中心通道对称分布，而是形成附壁卷吸作用。由孔下部的流场速度矢量放大图可以更清楚