【正文】 ..................................................................................... 48 前言 1 第 1 章 前 言 研究背景 在油氣田開(kāi)采過(guò)程中，鉆頭射流流動(dòng)關(guān)系到井下鉆頭的冷卻，潤(rùn)滑，鉆井液攜帶巖屑效率。鉆具組合下入到泥線，泥漿馬達(dá)提供液力沖刷和鉆頭旋轉(zhuǎn)，巖屑和沉積物沿導(dǎo)管和噴射鉆具組合之間的環(huán)空上返，并通過(guò)送入工具上的返出口排放到外面。 容積式泥漿馬達(dá) 使得鉆頭在噴射導(dǎo)管中的旋轉(zhuǎn)及沉積巖更有效的破碎、 流態(tài)化 成為可能。但由于目前流體實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)和流場(chǎng)顯示技術(shù)的限制，致使人們利用實(shí)驗(yàn)研究井底流場(chǎng)，只能得到有限條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，無(wú)論是流場(chǎng)研究、壓力場(chǎng)研究，還是速度場(chǎng)研究、排屑能力研究，所得結(jié)果均比較粗糙、簡(jiǎn)單，并且沒(méi)有定量化、規(guī)律化和預(yù)見(jiàn)能力，因而不能有效地用于新型 鉆頭設(shè)計(jì)和產(chǎn)品評(píng)價(jià)。射流邊界層橫向?qū)挾确Q為射流邊界層厚度，其值 等 2b，如圖 21 所示。在剪切層內(nèi)存在速度梯度，因而產(chǎn)生雷諾應(yīng)力。于是人們開(kāi)始研究較高壓力的壓力源 (高壓泵和增壓器 )及高壓脈沖射流 (俗稱水炮 )。然而在較低壓力下，磨料射流就能有效地完成上述切割作業(yè)。其應(yīng)用領(lǐng)域也由采礦發(fā) 展到其他領(lǐng)域。所以從鉆頭噴嘴流出的液流是淹沒(méi)非自由射流。 (2)切口窄而整齊 用射流切割物料時(shí)，射流對(duì)切割物的作用力集中在射流噴射方向，其橫向分力很小。鉆井液射流的作用，不僅能使巖屑沖離井底，而且在一定條件下可直接破碎巖石，這一理論已被噴射鉆井的實(shí)踐所證明。 鉆頭射流特性及井底流場(chǎng)模型 射流特性 鉆井液從鉆頭噴嘴流出的射流屬于淹沒(méi)紊流非自由定常射流。 井底流場(chǎng)模擬 （ 1） 單噴嘴射流井底流場(chǎng)物理模型： 假設(shè)單噴嘴在鉆頭中心， 且噴嘴位置距井壁有一定距離；鉆頭旋轉(zhuǎn)速度低，它所引起的射流質(zhì)點(diǎn)周向速度與軸向速度相比是很小的，故可假定鉆頭靜止不轉(zhuǎn)。壁面（指井底平面）上的剪應(yīng)力沿徑向隨距滯流點(diǎn)的距離而遞減，并在 r= 處降至其最大值的一半。 環(huán)形空間內(nèi)鉆井液的上返速度必須大于巖屑的沉降速度 sv 。 jiijijjj uuxuxxpFDtuD ???? ?????????? （ 36） 式中 ， 39。 本文采用 SpalartAllmaras 模型。區(qū)域離散化就是用一組有限個(gè)離散的點(diǎn)來(lái)代替原來(lái)連續(xù)的空間。有限單元法必須假定 Φ 值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律（即插值函數(shù)），并視其為近似解。該解法器也耦合了動(dòng)量，能量及組分方程，但內(nèi)存卻比隱式求解方法小。 （ 5）過(guò)濾器 —— 或者叫翻譯器，可以將其他 CAD/CAE 軟件生成的網(wǎng)格文件變成能被 FLUENT 識(shí)別的網(wǎng)格文件。 Action 項(xiàng)選擇 Add， Entity 項(xiàng)選擇 Faces，Type 項(xiàng)選擇 VELOCITY_INLET， Name 項(xiàng)輸入“ inlet”，點(diǎn)擊 Faces 右邊的黃色區(qū)域．然后鼠標(biāo)左鍵選中流體進(jìn)入鉆頭經(jīng)過(guò)的第一個(gè)面。選擇 SpalartAllmaras，保持默認(rèn)值點(diǎn)擊 ok。鑒于初始化僅是對(duì)內(nèi)部流動(dòng)的一個(gè)猜測(cè)值．可以對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，其結(jié)果影響到迭代計(jì)算的收斂速度。 圖 319 出流邊界設(shè)置對(duì)話框 求解 (1)流場(chǎng)初始化 點(diǎn)擊 Solve— Initialize，打開(kāi) Solution Initialization對(duì)話框如圖 320 所示。 圖 312 解器設(shè)置對(duì)話框 鉆頭射流數(shù)值模擬理論與 操作過(guò)程 29 (2)湍流模型選擇 單擊 Define— Models— Viscous 打開(kāi) Viscous Model 對(duì)話框如圖 313 所示。劃分完網(wǎng)格之后需要設(shè)置邊界條件。 （ 3） GAMBIT —— FLUENT 提供的網(wǎng)格生成軟件。如果必須要耦合求解。有一些離散方法，例如有限差分法，僅當(dāng)網(wǎng)格及其細(xì)密時(shí)，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準(zhǔn)確的積 分守恒。比如，平板射流問(wèn)題，從有壁面影響流動(dòng)突然變化到自由剪切流，流場(chǎng)尺度變化明顯。 目前已有許多的工程紊流模式，并且還在不斷的發(fā)展之中，目前工程上廣泛應(yīng)用的有（ 1） 零方程紊流模型 ；（ 2） 一方程紊流模型 ；（ 3） 二方程紊流模型 ；（ 4） 雷諾應(yīng)力方程模型 （ 5） 代數(shù)應(yīng)力紊流模型等理 論 。 ???iixu （ 35） 動(dòng)量方程（雷諾方程）： )( 39。 巖屑的沉降速度可以計(jì)算如下： 2/1s ])([ ? ??Dpp CD ?? （ 25） 式中 sv —— 巖屑的沉降速度， sm/ ； PD 巖屑的直徑， cm ； p? —— 巖屑的密度， 3g/cm ； ? —— 鉆井液密度， 3g/cm ； DC —— 阻力系數(shù)，無(wú)因次。他們的研究結(jié)果表明，壁面（指井底平面）上的壓力沿徑向隨距滯流點(diǎn)（或稱“死點(diǎn)”）的距離而遞減，并在距滯流點(diǎn) r= 處降至環(huán)境液體所具有的壓力。且射流流體在井底限制下沿井底方向流動(dòng)，形成一層沿井底高速流動(dòng)的漫流。這一認(rèn)識(shí)上的飛躍，是一次突 破性的發(fā)展。噴射鉆井的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是從鉆頭噴嘴中噴出強(qiáng)大的鉆井液射流，它具有很高噴射速度和很大水功率，能給予井底巖屑一個(gè)很大的沖擊力，從而使巖屑及時(shí)、迅速的離開(kāi)井底，始終保持井底干凈。優(yōu)點(diǎn)主要有： (1)工作介質(zhì)低廉 射流工作介質(zhì)是水，不僅易取而且成本低廉。反之，稱為非淹沒(méi)非自由射流。 (2)第二階段 (設(shè)備研制階段 ):60 年代初至 70 年代初，主要研制高壓泵、增壓器和 高壓管件，同時(shí)推廣射流清洗技術(shù)。目前，空化射流理論及應(yīng)用研究異?；钴S，已發(fā)展到深水切割、航天、航空和核反應(yīng)堆等的清洗，以及利用空化射流空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的復(fù)雜物理、化學(xué)效應(yīng)進(jìn)行污水處理。本世紀(jì) 50 年代初 前蘇聯(lián)和中國(guó)利用射流進(jìn)行采煤 (稱為水力采煤 )。該段的核心區(qū)內(nèi)的速度等于噴嘴出口的速度 u0，為有勢(shì)流，各點(diǎn)的速度大小、方向均相同。在邊界層內(nèi)由于旋渦的運(yùn)動(dòng)使流體質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生質(zhì)量、動(dòng)量交換及溫度交換。由于鉆頭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，鉆頭在井底工作時(shí)多噴嘴撞擊射流在井底的液流流動(dòng)規(guī)律十分復(fù)雜，使得人們?cè)谶M(jìn)一步深入了解井底流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和液流流動(dòng)特性方面從認(rèn)識(shí)手段上還存在著一定的困難。 圖 12 最初的噴射組合示意圖 圖 13 最初噴射過(guò)程 19 世紀(jì) 70 年代，諸如 容積式泥漿馬達(dá)和井口頭下入工具 的發(fā)展使得噴射技術(shù)得以發(fā)展。鉆至預(yù)定井深后 ,靜止管串 ,利用地層的粘附力和摩擦力穩(wěn)固住導(dǎo)管 ,然后脫手送入工具并起出管內(nèi)鉆具 ,從而完成導(dǎo)管的安裝。同 時(shí)，射流流場(chǎng)對(duì)深水鉆井噴射下導(dǎo)管技術(shù)液有重要影響。已鉆 (沖刷 )出的井眼輪廓小于套管直徑，套管依靠自重穿透軟的泥線地層，下入到井眼中。 噴射技術(shù)傳播到全世界其它 海域 。 為了發(fā)展有預(yù)見(jiàn)性的定量化井底流場(chǎng)研究技術(shù)，人們將目光轉(zhuǎn)向了井底流場(chǎng)的數(shù)值模擬方向。 圖 21 表示了主射流從噴嘴中流出到另一射流中的情況 (伴隨射流 )。在此區(qū)內(nèi)隨著噴距的增加核心區(qū)逐漸減少，最后消失。進(jìn)人 60 年代，大批高壓柱塞泵和增壓器的問(wèn)世大大推動(dòng)了射流技術(shù)的研究工作。磨料射流是將一定數(shù)量的磨料與高壓水互相混合而形成的液固兩相射流。 (4)第四階段 (迅速發(fā)展階段 ):80 年代初至 90 年代中，主要特點(diǎn)是射流技術(shù)研究進(jìn) 一步深化，磨料射流、空化射流和自激振動(dòng)射流等新型射流發(fā)展很快，許多產(chǎn)品已達(dá)到 商品化。 （ 5） 按射流流體力學(xué)特性分類：定常射流（射流的各個(gè)斷面上的流體力學(xué)特性不隨時(shí) 間而變化，僅為位置的函數(shù)）和非定常射流（射流各斷面上的流體力學(xué)特性不僅隨位置 射流基本理論 10 而變化，而且隨時(shí)間而變化）。因此，切口窄而整齊，可以對(duì)物料進(jìn)行 精密切割和成形加工。 我國(guó)從 60 年代初期開(kāi)始研究噴射鉆井理論， 70 年代初期開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，成效顯著。 射流出噴嘴后，由于摩擦作用，射流流體與周圍流體產(chǎn)生動(dòng)量交換，帶動(dòng)周圍流體一起運(yùn)動(dòng)，使射流的周界肖徑不斷擴(kuò)大。從噴嘴噴出的射流沖擊到井底后又從井底反噴并向四周橫向擴(kuò)散，到達(dá)井壁附近向上拐入環(huán)形空間。 第Ⅲ 區(qū)：井底漫流區(qū)，常稱為壁面射流區(qū)。 鉆頭射流數(shù)值模擬理論與 操作過(guò)程 17 第 3 章 鉆頭射流數(shù)值模擬理論與操作過(guò)程 流體力學(xué)基本方程組 流體的流動(dòng)一般遵循三個(gè)基本的守恒定律：質(zhì)量方程、動(dòng)量守恒和能量守 恒，具體體現(xiàn)為連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）、動(dòng)量方程和能量方程。39。 首先，對(duì) PDC 鉆頭頭部的流場(chǎng)作如下假定： （ 1） 鉆頭如口處來(lái)流均勻； （ 2） 鉆頭出口界面處的流動(dòng)過(guò)程已經(jīng)充分發(fā)展。實(shí)施過(guò)程是把所計(jì)算的區(qū)域劃分成許多互不重疊的子區(qū)域，確定每個(gè)子區(qū)域的節(jié)點(diǎn)位置和該節(jié)點(diǎn)所代表的控制體積。有限差分法只考慮網(wǎng)格點(diǎn)上 Φ 的數(shù)值而不考慮 Φ 值在網(wǎng)格點(diǎn)之間如何變化。缺點(diǎn)是收斂時(shí)間長(zhǎng)。上述 幾 種軟件 之間的關(guān)系如圖 31 所示。 Type 項(xiàng)選擇 PRESSURE_OUTLET， Name 項(xiàng)輸入“ outlet”，點(diǎn)擊 Faces 右邊的黃色區(qū)域，然后選中流體從井底上返經(jīng)過(guò)的面。由于在本模型中涉及不到熱量．所以不需要啟動(dòng)能量方程。點(diǎn)擊 Init，然后點(diǎn)擊 close 關(guān)閉對(duì)話框。點(diǎn)擊下面的 Set 按鈕，打開(kāi)出流邊界設(shè)置對(duì)話框如圖 319 所示。 鉆頭射流數(shù)值模擬理論與 操作過(guò)程 28 圖 311 長(zhǎng)度單位設(shè)置對(duì)話框 建立求解模型 (1)求解器設(shè)置 單擊 DefineModelsSolver，彈出圖 312 所示的對(duì)話框，將 Time(時(shí)間屬性 )一欄改為 Steady(定常流動(dòng) )，其他的保持默認(rèn)狀態(tài)即可，點(diǎn)擊 ok。在 Elements右面的方框中選擇 Tet/Hybrid， Type選擇 TGrid，點(diǎn) Tet/Hybrid，Type 選擇 TGrid ，令 spacing 后面的 interval size 數(shù)值為 1，點(diǎn)擊 volume 右面的黃色區(qū)域，然后鼠標(biāo)左 鍵選中整個(gè)幾何體點(diǎn)擊 Apply，則網(wǎng)格圖如圖 35 所示。 （ 2） prePDF—— FLUENT 用 PDF 模型計(jì)算燃燒過(guò)程的預(yù)處理軟件。缺點(diǎn)是需要的內(nèi)存比較大 (是非耦 合 求解迭代時(shí)的 倍 )。 有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制體積都得到滿足，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域，自然也得到滿足，因此用有限體積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒性，對(duì)區(qū)域形狀的適應(yīng)性也比有限差分法好，這是有限體積法吸引人的優(yōu)點(diǎn)。并且，單方程模型沒(méi)有考慮長(zhǎng)度尺度的變化，這對(duì)一些流動(dòng)尺度變換比較大的流動(dòng)問(wèn)題不太適合。各種紊流模型都是表示紊流渦粘性系數(shù) μt 的方程式。 不可壓縮粘性流體的三維 NS方程組作時(shí)均處理后的時(shí)均方程為： 連續(xù)性方程： 0???iixu , 039。 2/ ?? ?dRc （ 24） 式中 ， 0d — 噴嘴直徑， m ； 同時(shí)，環(huán)空中鉆井液上返速度應(yīng)滿足攜巖要求。例如，戴維尼波（ Davanipour）等研究了短沖擊距地非自由射流，貝爾塔斯（ Beltaos）等研究了長(zhǎng)沖擊距 的非自由射流。 射流撞擊井底后，射流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成對(duì)井底的壓能，形成井底沖擊壓力波。這充分說(shuō)明 射流的破巖作用。在鉆進(jìn)中，及時(shí)將鉆頭牙齒 所破碎的巖屑沖離井底并攜帶出來(lái)，是安全快速鉆井的重要條件之一。 射流技術(shù)的特點(diǎn) 射流技術(shù)之所以能得到這樣高速的發(fā)展，主要是這種技術(shù)與其他加工方法相比具有一系列優(yōu)點(diǎn)。同樣，非淹沒(méi)射流不受固壁條件約束，稱為非淹沒(méi) 自由射流 。 回顧射流技術(shù)的發(fā)展概況，大體上可分為四個(gè)階段 : (1)第一階段 (探索試驗(yàn)階段 ):60 年代初，主要研究低壓射流采礦?？栈淞髟谙嗤脡汉土髁織l件下，清洗與切割效果大大優(yōu)于普通射流。 射流基本理論 8 射流技術(shù)的發(fā)展概況 19 世紀(jì)中葉，在北美洲第一次使用射流開(kāi)采非固結(jié)的礦床。 初始段 :由噴嘴出口至等速核 斷面之間的射流區(qū)域稱為射流的初始段。射流的內(nèi)邊界和外邊界 之間的區(qū)域?yàn)檫吔鐚印? 圖 14 目前噴射下入表層導(dǎo)管示意圖 前言 5 國(guó)內(nèi)外研究概況 PDC 鉆頭射流流動(dòng)模擬研究現(xiàn)狀 井底流場(chǎng)數(shù)值模擬研究的現(xiàn)狀 [6]如下： 鉆頭井底流場(chǎng)是指以井底面為基礎(chǔ)，向上至均勻環(huán)空流場(chǎng) 為止的空間流場(chǎng)。 Minton 提到這一事實(shí)：即使是在浮式鉆井的早期，噴射下導(dǎo)管已經(jīng)成為一個(gè)考慮因素。目前新出現(xiàn)的深水噴射下導(dǎo)管技術(shù)是 利用水射流和管串的重力，邊噴射開(kāi)前言 2 孔邊下導(dǎo)管，同時(shí)在噴射管柱中下入動(dòng)力鉆具組合以提高作業(yè)效率（如圖 11）。井底流場(chǎng)的特性與噴射下導(dǎo)管的效率、鉆井安全、井底清洗、巖屑運(yùn)移等有著密切的關(guān)系。 圖 11 噴射導(dǎo) 管管串示意