气体钻井井底流场的三维数值模拟研究.docx

第38卷第3期2010年5月Vol.38No.3May.2010石油钻探技

第38卷第3期2010年5月

Vol.38No.3May.2010

PETROLEUMDRILLINGTECHNIQUES

?钻井与完井?doi:10.3969/j.issn.1001-0890.2010.03.008

气体钻井井底流场的三维数值模拟研究

肖晓华1朱海燕1,2单世远3

(1.西南石油大学基础实验教学部，四川成都610500;2.江汉石油钻头股份有限公司，湖北武汉430223;3.成都工具研究所，四川成都610051)

摘要：考虑空气锤钎头的排屑槽和硬质合金齿对气体钻井井底流场的影响，建立了气体钻井井底流场的数学模型和物理模型，对气体钻井井深3000m井底流场的速度场、压力场和温度场进行了数值模拟。结果表明：设计的空气锤钎头其井底流场的速度、压力和温度分布合理，流场可有效清洗井底、漫流携岩和冷却钎头牙齿，对称三喷嘴流道结构可用于空气锤钎头的研制。数值模拟结果与气体钻井经验公式的计算值比较吻合，结果可信，可用于指导空气锤钎头的结构优化设计和新产品的开发。

关键词：空气锤；钎头；耦合；三维；数值模拟

中图分类号：TE242.9文献标识码：A文章编号：1001-0890(2010)03-0036-04

空气锤钎头在现场应用中存在着排屑困难、井底清洗能力较弱、耐高温性能差等问题，导致钎头重复破碎、机械钻速较慢、破坏严重。针对潜孔钻头井底流场的数值模拟分析已经较多[1-2],对于空间内部压缩流场和温度场的耦合模拟多见于内燃机内气体的压缩流动[34],而对空气锤钎头井底压缩流场和温度场的研究并未见到，因此有必要进行空气锤钎头井底流场的数值模拟，弄清其井底流场的速度、压力和温度分布，为新型空气锤钎头的研制与空气锤钎头的优化设计提供理论指导。

1空气锤钎头的计算模型

1.1数学模型

控制方程[:

(1)

(2)

式中：A。为常数，当A?=1时用于湍流流动，当A?=0时用于层流流动；p为气体密度，kg/m3;T为流体温度，K;p为流体压强，p=pRT,Pa;u为i方向的速度，m/s;pg,为重力在i方向的体积力，N/m3;F为由温度差异引起的浮力6],F?=pog:β(T-To),N;β为

热膨胀系数，

度，Pa·s;C=0.09;e为流体比热力学能，无因次；e为流体湍流耗散率，m2/s3;k为流体的湍动能，m2/s2;5为流体导热系数，W/(m·K)7]。

湍流模型采用RNGk∈双方程模型[8]:

(4)

(5)

式中：η,为湍流黏性系数，η.=cApk2/e;Ca=1.44;C2€=1.92;a和σ。分别为湍动能c和湍动能耗散率

收稿日期：2009-11-01:改回日期：2010-01-19

基金项目：国家自然科学基余项目“基于气体钻井的钻柱系统动力学特性研究(编号部分研究内容

作者简介：肖晓华(1967),女.四川资阳人.1987年毕业于西南石油学院机械制造及自动化专业.1990年获西南石油学院机械工程专业硕士学位.副教授，主要从事机械设计与制造的教学和科研工作

联系方式：(028swjixxh123(a163.com

第38卷第3期肖晓华等：气体钻井井底流场的三维数值模拟研究·37·

ε的Prandt1数，分别取1.0、1.3。辐射模型[9]:

qo=eOT4+pq(6)式中：g。为表面的总辐射能量，W/m2;σ为斯蒂芬玻尔兹曼常量；ex、p分别为发射率及表面的反射率；q,为表面辐射能量，W/m2。

1.2物理模型

三翼整体式结构空气锤钎头的流道结构包括3个对称的喷嘴、3个对称的大排屑槽、3个对称的键槽和9个小排屑槽，如图1所示。气体钻井井底流场模型的最大单元尺寸设置为6,钎头牙齿和小排屑槽的内表面最大单元尺寸均设置为4。采用结构化网格划分方法，使用四面体和六面体混合结构的网格，对空气锤钎头井底流场区域进行网格划分，共划分777199个网格单元。

大排屑槽

大排屑槽小排屑槽

钎头牙齿

喷嘴一键槽

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