CC BY
110
УДК 004.942; 622.24
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСТЕЧЕНИЯ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ ИЗ НАСАДКИ БУРОВОГО ДОЛОТА В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ ANSYS FLUENT
© Д.В. Сморкалов, А.В. Тютяев, А.М. Штеренберг
Ключевые слова: промывочная жидкость; затопленная струя; численное моделирование; CFD расчет; ANSYS Fluent; двухфазная среда; дискретная фаза.
Построена трехмерная модель цилиндрической внешней насадки, находящейся в затопленном пространстве на расстоянии четырех диметров от породы. Была наложена тетраэдрическая сетка на заполненное жидкостью пространство, а также гексаэдрическая сетка на часть модели, имитирующую породу. Вблизи стенок создан пограничный слой. В результате расчета получена картина воздействия струи на породу, подобно воздействию струи промывочной жидкости на забой во время бурения. Получены распределения давлений, вектора скоростей, изменение объемной доли породы и глубина проникновения струи.
ВВЕДЕНИЕ
Современные методы проектирования породораз-рушающего инструмента находятся на высоком уровне, но для получения максимального КПД от долота при бурении нефтяных и газовых скважин необходимо учитывать множество факторов [1]. Одними из этих факторов являются гидродинамические параметры потока промывочной жидкости в процессе бурения. Так как проводить анализ процессов, происходящих при бурении скважины, довольно сложно из-за большой глубины, то решением данной задачи может быть моделирование физических процессов бурения методом конечных элементов. В настоящее время инженерами по всему миру используется множество инструментов для проведения CFD расчетов, однако международный многолетний опыт использования программ данного типа говорит о преимуществе программного комплекса ANSYS Fluent для конкретной задачи. Важным в данном исследовании является то, что в программном комплексе ANSYS Fluent есть возможность моделирования двухфазных и многокомпонентных сред, в т. ч. дискретных гранулированных частиц, образующихся в результате разрушения породы. Для выполнения расчетов данного типа необходимы большие вычислительные мощности, однако использование средних параметров среды позволяет определить оптимальное соотношение между точностью получения результатов и временем, затраченным на расчет. Такой подход позволит создать методику расчетов конструкций буровых долот на стадии проектирования породо-разрушающего инструмента, а также системы промывки буровых долот, что значительно повысит основные показатели бурения, такие как механическая скорость и величина проходки на долото.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
исследования были использованы параметры воды. Решение такой задачи основывается на численном решении уравнения Навье-Стокса, реализованного в ANSYS Fluent, а момент перехода от ламинарного режима к турбулентному определяется критерием Рей-нольдса [2], определяющим соотношение вязких и инерционных сил в потоке:
R
pQ Dr Ц
где р - плотность среды; - гидравлический диаметр; 9 - скорость потока жидкости; ^ - динамическая вязкость среды.
Для моделирования гидродинамики течения использовалась двухфазная модель, где одна фаза представляет собой дискретные гранулированные частицы горной породы, другая фаза - промывочная жидкость [3-4]. Для описания изменения свойств породы использовались эмпирические данные, полученные в работах [5-8].
Изменение вязкости гранулированных частиц описывается уравнением Gidaspow [6]:
№s,kin
lOpxV©^
96а ^ t1 + )g,
0,ss
1 + 4 go,ssas i1 + ess )
а
Объемная вязкость сыпучих веществ определяет сопротивление при расширении и сжатии. Ее можно выразить соотношением [7]:
4 /
^ s =-asPAgo, ss I1 +
3
л
В данной задаче моделируется истечение промывочной жидкости из сопла долота в забой с размытием породы. В качестве промывочной жидкости для начала
В плотных потоках при низкой скорости сдвига, где высокий предел концентрации твердых частиц, возникают напряжения в основном за счет трения между
2
частицами. Вязкость твердых частиц вычисляться по умолчанию не может, поэтому при определении вязкостного трения используется уравнение [8]:
Ря^Шф
2*/ п
где рж - давление твердых частиц; ф - угол внутреннего трения; а /2£> - второй инвариант девиатора тензора напряжений.
В потоках с высокой объемной долей твердого вещества мгновенное столкновение является менее важным. Применение кинетической теории для таких потоков больше не является необходимостью, т. к. частицы находятся в контакте и в результате трения напряжения должны быть приняты во внимание.
В данной части исследование началось с расчета мягких пород, 1-2 по коду 1ЛБС, что соответствует очень мягким и мягким породам с углом внутреннего трения 14-23°.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
Для выполнения СЕБ расчета была построена сеточная модель (рис. 1а), состоящая из тетраэдрической
и гексаэдрической сеток на двух доменах, соединенных проницаемым интерфейсом. Размерность сетки 7,5 млн элементов с максимальной скошенностью 0,84. Также был создан призматический пограничный слой толщиной 1 мм (рис. 1б).
Задача решалась в нестационарной постановке, с использованием модели турбулентности к-е. Было получено, что при расходе в 1 кг/с промывочной жидкости через затопленную цилиндрическую насадку диаметром 20 мм через 1 секунду течение выходит на установившийся режим (рис. 2).
В результате получены картины распределения параметров по сечениям модели, которые позволяют получить необходимые для верификации данные (рис. 3-4). На рис. 3а, 3б, 3в, 3г показано изменение объемной доли породы со временем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам расчета видно, что в данной постановке задачи для мягких и очень мягких пород глубина проникновения промывочной жидкости в породу составила порядка четырех диаметров отверстия насадка, что говорит о приближенности численного моделирования к реальности [1]. Но для продолжения исследования необходимо проведение верификации модели и расчет для других типов пород. А также учет напряженно-дефор-
Ж Ж *
-Т >1
а)
б)
Рис. 1. Сеточная модель: а) всей расчетной области; б) канала и пограничного слоя
Рис. 2. График сходимости решения задачи
в) г)
Рис. 3. Распределение объемной доли твердой породы в разные промежутки времени: а) время расчета 0,005 с; б) время расчета 0,26 с; время расчета 0,613 с; г) время расчета 0,943 с
формированного состояния забоя и неравномерность свойств породы вследствие этого. Данная методика расчета также позволяет оценивать вынос шлама, образовавшегося в результате воздействия струи промывочной жидкости на забой. Его количество и зоны максимальной концентрации в затрубном пространстве, что косвенно может говорить о возможном сальнико-образовании.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шацов Н.И. Бурение нефтяных и газовых скважин. М.: Гос. науч.-тех. изд-во нефтяной и горно-топливной литературы, 1961. 666 с.
2. Крамченко В.В., Савичев О.Г. Гидравлика: в 2 ч. Томск: Изд-во Томск. политех. ун-та, 2009. Ч. 2. 124 с.
3. Маковей Н. Гидравлика бурения / пер. с рум. М.: Недра, 1986. 536 с.
4. Armsfield S., Street R. The Fractional-Step Method for the Navier-Stokes Equations on Staggered Grids: Accuracy of Three Variations // J. of Computational Physics. 1999. V. 153. P. 660-665.
5. Gidaspow Ding and D. A Bubbling Fluidization Model Using Kinetic Theory of Granular Flow // AIChE J. 1990. V. 36 (4). P. 523-538.
6. Gidaspow D., Bezburuah R., Ding J. Hydrodynamics of Circulating Fluidized Beds, Kinetic Theory Approach // In Fluidization VII, Proceedings of the 7th Engineering Foundation Conference on Fluidization. 1992. P. 75-82.
7. Lun C.K.K., Savage S.B., Jeffrey D.J., Chepurniy N. Kinetic Theories for Granular Flow: Inelastic Particles in Couette Flow and Slightly Inelastic Particles in a General Flow Field // J. Fluid Mech. 1984. V. 140. P. 223-256.
8. Schaeffer D.G. Instability in the Evolution Equations Describing Incompressible Granular Flow // J. Diff. Eq. 1987. V. 66. P. 19-50.
Поступила в редакцию 15 января 2015 г.
Smorkalov D.V., Tyutyaev A.V., Shterenberg A.M. MODELLING OF PHYSICAL PROCESSES DRILLING OIL AND GAS WELLS IN USING ANSYS FLUENT
The 3D-model of the cylindrical outer nozzle located in the flooded area at a distance of four diameters ranging from rock was built. Was imposed on the tetrahedral mesh filled with fluid space, as well as hexahedral mesh on part of the model that simulates the soil. Near the walls created by the boundary layer. As a result of the calculation was gotten a picture on the impact of the jet rock, like the effects of jet wash liquid to the bottom hole during drilling. The distributions of pressure, velocity vector, changing the volume fraction o the rocks and the depth of penetration of the jet were received.
Key words: washing liquid; submerged jet; numerical simulation; CFD calculations; ANSYS Fluent; two-phase medium; discontinuous phase.
Сморкалов Дмитрий Владимирович, Самарский государственный технический университет, г. Самара, Российская Федерация, аспирант, кафедра «Общая физика и физика нефтегазового производства», e-mail: sdv89@bk.ru
Smorkalov Dmitry Vladimirovich, Samara State Technical University, Samara, Russian Federation, Post-graduate Student, "General Physics and Physics of Oil and Gas Production" Department, e-mail: sdv89@bk.ru
Тютяев Андрей Васильевич, Самарский государственный технический университет, г. Самара, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Общая физика и физика нефтегазового производства», e-mail: tyutyaev@mail.ru
Tyutyaev Andrey Vasilyevich, Samara State Technical University, Samara, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor of "General Physics and Physics of Oil and Gas Production" Department, e-mail: tyu-tyaev@mail.ru
Штеренберг Александр Моисеевич, Самарский государственный технический университет, г. Самара, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры «Общая физика и физика нефтегазового производства», e-mail: ashter53@mail.ru
Shterenberg Aleksander Moiseevich., Samara State Technical University, Samara, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Professor of "General Physics and Physics of Oil and Gas Production" Department, e-mail: ash-ter53@mail.ru
