【正文】 參考文獻(xiàn)[1] 胡海良，唐海雄，汪順文，等．，2008 , 30 ( 6 ) ：2528．[2] Akers T J．Jetting of structural casing in deepwater environments:Job design and operational practices．SPE 102378，2006．[3] Philippe Jeanjean．Innovative design method for deepwater surface casings．SPE 77357，2002．[4] Beck R D，Jacson C W，Hamilton T K． Reliable deepwater structure casing installation using controlled jetting．SPE22542，1991．[5] 侯福祥，王輝，任榮權(quán)，等．海洋深水鉆井關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備．石油礦場(chǎng)機(jī)械， 2009．38(12)：1～4．[6] 陳小榆，劉義軍，宋曉健，等．，2002， 24(1)．[7] 管志川．PDC鉆頭井底流場(chǎng)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究．石油人學(xué)，1996．[8] 謝翠麗，楊愛玲，陳康民．鉆頭水力學(xué)研究初探．石油機(jī)械，2002，11．[9] 管志川，柯珂，蘇堪華．深水鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法．石油鉆探技術(shù)，2011， 39（2）．[10] 張輝，高德利，唐海雄，等．深水導(dǎo)管噴射安裝過程中管柱力學(xué)分析．石油學(xué)報(bào)，2010，31（3）．[11] 王騰，孫寶江．深水噴射井口結(jié)構(gòu)套管水平承載力．中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32(5)．[12] 唐海雄，盛磊祥，陳維杰，等．深水噴射鉆井導(dǎo)管力學(xué)分析與強(qiáng)度校核．石油天然氣學(xué)報(bào)，2010，32(5)．[13] 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在本文只針對(duì)鉆頭在導(dǎo)管內(nèi)部的情況進(jìn)行模擬，缺乏鉆頭在導(dǎo)管外部情況的對(duì)比。用這種方法下導(dǎo)管，在安裝海底防噴器的同時(shí)導(dǎo)管也固定下來(lái)。采用后一種方法的公司中，Exxon Mobile公司是最成功的一家，它如此設(shè)計(jì)的目的是：鉆頭噴嘴在導(dǎo)管內(nèi)部而鉆頭巴掌和牙輪在套管鞋外部。 建議由于井底漫流場(chǎng)數(shù)值模擬可以直觀的反映幾股射流的相互作用, 能很好的解釋鉆井工程中的許多現(xiàn)象, 且運(yùn)算工作量少, 操作簡(jiǎn)單, 可為評(píng)價(jià)井底流場(chǎng)的優(yōu)劣、改進(jìn)和優(yōu)化鉆頭水力結(jié)構(gòu)提供有效的手段。流體自鉆桿進(jìn)入水眼后，鉆頭的流線分布在空間上分布不均勻，說(shuō)明射流后直接作用在刀翼上的水力能量分布不均勻噴嘴和刀翼的布置搭配存在問題, 導(dǎo)致水力能量分配不均勻, 會(huì)對(duì)鉆頭牙齒的冷卻和清洗造成影響。這將對(duì)胎體的強(qiáng)度不利，說(shuō)明水眼設(shè)計(jì)傾斜角度要合理。從圖可看出井底的低速區(qū)主要在鉆頭井底的肩部, 此處由于旋渦發(fā)生回流而速度很小,這不利于肩部切削齒的清洗和冷卻, 易造成此部分先出現(xiàn)鉆頭破壞。 通過數(shù)值計(jì)算，對(duì)鉆頭表面的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行分析。湍流定義方法采用水力直徑（Hydraulic Diameter）和湍流強(qiáng)度（Turbulence Intensity）。表 41　噴射導(dǎo)管鉆壓和排量參數(shù)導(dǎo)管入泥深度/ 鉆壓/ 排量/00～4513. 2410 0～4513. 242089～1333017835178～22340178～22317. 4150267～356703568035680356～623導(dǎo)管入泥15m深度以內(nèi)，要采用低排量（通常189 l/min），避免沖刷導(dǎo)管外部，然后逐步增加排量至正常排量（ l/min），要滿足攜巖要求設(shè)定鉆頭排量為 69 l/s[17]。荔灣3 1 1井水深1 482m ,完鉆井深3843 m，該井所處海床表層主要為粘土沉積, mm（36in） m。但是有一個(gè)原則就是導(dǎo)管尺寸越大，相應(yīng)的噴射BHA尺寸也越大，如常見的36in導(dǎo)管通常采用26in噴射BHA，30in導(dǎo)管通常采用17in噴射BHA。進(jìn)口采用速度入口邊界，出口采用出流邊界條件，計(jì)算介質(zhì)采用海水介質(zhì)。具體邊界條件：噴嘴進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口邊界條件，環(huán)空部分出口邊界采用出流邊界條件，噴嘴出口流量根據(jù)計(jì)算環(huán)境分配，不具體限定，壁面邊界設(shè)為光滑壁面，滿足無(wú)滑移條件，即流體在壁面處的速度為0。 圖43 鉆頭表面生成的計(jì)算網(wǎng)格圖 圖44 用GAMBIT在模型上逐面生成網(wǎng)格 圖45 鉆頭及計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格圖 鉆頭射流數(shù)值模擬邊界條件流動(dòng)邊界條件主要包括鉆頭的進(jìn)、出口條件和固壁條件。如下圖示：圖41 PDC鉆頭實(shí)體圖 圖42（a）鉆頭在FLUENT中的外形(正視） 圖42(b) 鉆頭在FLUENT中的外形（俯視）利用已建立的幾何模型在GAMBIT軟件中對(duì)流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用了Tgrid網(wǎng)格劃分方案，此方案運(yùn)用的是混合網(wǎng)格模式，因此能很好的適應(yīng)PDC鉆頭流場(chǎng)復(fù)雜的幾何形狀，又能提高運(yùn)算速度。鉆頭的幾何模型由Pro/ENGINEER軟件完成。Data打開保存結(jié)果文件對(duì)話框，選擇要保存的目錄文件，點(diǎn)擊ok。如圖325，圖326所示。點(diǎn)擊solve—Iterate打開Iterate對(duì)話框如圖324所示，在Number of Interactions(迭代次數(shù))欄中輸入 1000 ，點(diǎn)擊Iterate開始迭代。在Report of項(xiàng)選擇Velocity和velocity magnitude，在Surfaces項(xiàng)選擇監(jiān)測(cè)表面為outlet，點(diǎn)擊ok，點(diǎn)擊Surfaces Monitors對(duì)話框中的ok。點(diǎn)擊Solve—Monitors—Surface打開Surface Monitor(表面監(jiān)視器)設(shè)置對(duì)話框如圖321所示。點(diǎn)擊Init，然后點(diǎn)擊close關(guān)閉對(duì)話框。在Computer From列表中選擇inlet，則表中數(shù)據(jù)與邊界inlet相同。點(diǎn)擊下面的Set按鈕，打開出流邊界設(shè)置對(duì)話框如圖 319所示。點(diǎn)擊ok關(guān)閉速度邊界設(shè)置對(duì)話框，然后點(diǎn)擊close關(guān)閉Boundary Conditions對(duì)話框。點(diǎn)擊下面的Set按鈕，打開速度邊界設(shè)置對(duì)話框如圖318所示。在Material Name下拉列表中選擇drillfluid，點(diǎn)擊ok，關(guān)閉材料選擇對(duì)話框。 圖316 邊界選擇對(duì)話框 圖317 流體選擇對(duì)話框在Zone欄內(nèi)選擇fluid，其類型在右邊Type欄內(nèi)選擇fluid。將Density(密度)大小改為1025，Viscosity(粘度)，點(diǎn)擊change／create然后點(diǎn)擊close關(guān)閉對(duì)話框。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。圖中Inviscid 表示無(wú)黏(理想)流體：Laminar表示層流模型；另外4個(gè)為常見的湍流模型。 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。點(diǎn)擊Change Lengths Units，此時(shí)在Domain Extents欄中給出了區(qū)域的范圍和度量的單位。單擊Grid—Scale打開Scale Grid對(duì)話框如圖311所示。單擊Grid—Smooth/Swap打開Smooth/Swap Grid對(duì)話框如圖310所示，點(diǎn)擊Smooth按鈕，再點(diǎn)擊Swap，重復(fù)以上操作直到FLUENT報(bào)告沒有需要交換的面為止。圖37 FLUENT軟件的工作界面 圖38 讀入網(wǎng)格文件的信息反饋 與網(wǎng)格相關(guān)的操作(1)讀入網(wǎng)格文件依次點(diǎn)擊File—Read—Case彈出選擇文件對(duì)話框，．在讀入網(wǎng)格文件后會(huì)在信息反饋窗口顯示圖38所示的信息，其中包括節(jié)點(diǎn)數(shù)175082 等，最后的Done表示讀入成功。 圖35 定義邊界條件 圖34 GAMBIT 劃分的網(wǎng)格圖 圖36 保存網(wǎng)格文件對(duì)話框 定義完邊界條件之后點(diǎn)擊File—Export—Mesh彈出圖36所示的對(duì)話框，保持默認(rèn)狀態(tài)點(diǎn)擊Accept即可，則文件保存在GAMBIT的啟動(dòng)目錄下。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)過的面。依次點(diǎn)擊建模工具區(qū)的Zones—Specify Boundary Types，打開Specify Boundary Types對(duì)話框如圖36 所示。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。當(dāng)執(zhí)行了某一項(xiàng)操作后其命令和命令執(zhí)行結(jié)果以及相關(guān)提示將在命令反饋區(qū)中顯示，當(dāng)內(nèi)容較多時(shí)，還可點(diǎn)擊其右側(cè)上方向上的箭頭將命令反饋區(qū)展開。導(dǎo)入GAMBIT之后GAMIT的主控制畫面如圖 33所示：圖32 圖33 GAMBIT的主控制畫面圖33中右邊上半部分為建模工具區(qū)，下半部分為屏幕顯示工具區(qū)；左邊上面部分為工作區(qū)，下面左邊部分為命令反饋區(qū)，下面右邊部分為圖標(biāo)說(shuō)明區(qū)。 關(guān)于FLUENT求解器的說(shuō)明(1)FLUENT2D——二維單精度求解器；(2)FLUENT3D——三維單精度求解器；(3)FLUENT2ddp——二維雙精度求解器；(4)FLUENT3ddp——三維雙精度求解器； Gambit操作過程簡(jiǎn)介鉆頭射流流動(dòng)模擬計(jì)算模型是先將建立的物理模型導(dǎo)入GAMBIT中獲得初始模型，然后以初始模型進(jìn)行建模獲得的。 用FLUENT程序求解問題的步驟利用FLUENT軟件進(jìn)行求解的步驟如下：(1)確定幾何形狀，生成計(jì)算網(wǎng)格(用GAMBIT，也可以讀入其他指定程序生成的網(wǎng)格)；(2)輸入并檢查網(wǎng)格；(3)選擇求解器(2D或3D等)；(4)選擇求解的方程：層流或湍流(或無(wú)粘流)，化學(xué)組分或化學(xué)反應(yīng)，傳熱模型等。一旦網(wǎng)格文件被輸入到FLUENT 中，剩下的工作就由 FLUENT 完成。上述幾種軟件之間的關(guān)系如圖31 所示。 （4）TGRID——FLUENT 用于從表面網(wǎng)格生成空間網(wǎng)格的軟件。 （2）prePDF——FLUENT 用PDF 模型計(jì)算燃燒過程的預(yù)處理軟件。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整只是在需要