气举反循环钻井用气液混合器设计及优化

气举反循环钻井用气液混合器设计及优化

王惠文

中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院河南濮阳457001

摘要：针对气举反循环钻井施工过程中，现有的气液混合器的难以满足气液混合和顺畅排渣的要求，通常注气孔的参数设计主要基于丰富的加工经验或复杂的纯理论分析，因此，提出了一种采用正交分析方法和运用CFD分析手段对注气孔的3个主要参数进行优化设计，确定了d=（5+6+7+8mm）×16,α=10°,L=30mm时，可形成均匀的压力场和微气泡，从而达到更高效的岩屑运移速度和井底清洁效果。

关键词：气举反循环；气液混合器；注气孔；数值模拟；

1引言

气举反循环钻进技术由于其技术特征，能高效排出井下钻屑，可以实现高速钻进，同时又能防止地层漏失，该技术在水文地质勘探、大口径基桩孔、水井和地热井的钻进施工中得到了广泛的应用[1]。因此，将气举反循环技术进行适当的改造使其满足石油天然气钻井，对降低钻井成本、解决上部井段存在的难题具有重要意义。

气液混合器是气举反循环钻井设备中一个极为重要的部分，其作用是让双壁钻杆的环空中的压缩空气从气液混合器进入双壁钻杆的内通道，与钻井液及岩屑混合，形成低密度的三相流体，从而产生气举排液。气液混合器的好坏不仅关系到井底清洁程度与岩屑输送效果，也影响着井底钻头的碎岩效果。

本文作者在前人研究成果的基础上，设计了一种适用于石油钻井用的气举反循环气液混合器，对混合器内部的注气孔的主要参数进行正交试验设计，并运用计算流体动力学(CFD)分析软件对注气孔流场进行数值模拟分析。

2注气孔结构参数数值模拟

首先，根据实际采用的API钻具尺寸，建立由外环空气体、内环空液体和气液混合器芯管所构成的三维几何单元，在保证计算精度的前提下将芯管简化为注气圆管，沿着周向和轴向布有8×8=64个圆形水眼，保留与气举反循环注气过程中密切相关的3个主要结构参数，孔径d、倾斜角度α、孔距L。

2.1数学模型

压缩空气在注气孔内复杂流场中的流动要受到物理守恒定律的支配，需要同时满足质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程[2]。

质量守恒方程：

式中：p表示散度；u表示速度矢量；u，v和w分别是速度矢量u在x，y和z方向的分量；ρ为液体密度；μ为动力黏度；p为压强；k为流体传热系数；cp为比热容；Su，Sv和Sw为动量守恒方程的广义源项。

2.2几何模型及网格划分

采用Solidworks软件建立外环空气体、内环空液体和气液混合器芯管所构成的流场几何单元，采用四面体非结构化网格进行划分，划分好的钻头网格模型的单元总数为(3.0~3.1)×105个，单元最大尺寸为2mm，可以满足计算精度需求。

2.3边界条件和求解控制

钻头流场模型的外环间隙入口1采用质量入口边界条件，，压缩空气质量流量设为0.49kg/s（相当于24m3/min的供气量），水力直径为0.01m，，湍流强度5%；中心通道入口2采用速度入口边界条件，入口速度设为1m/s，水力直径0.03m，湍流强度5%；中心通道出口设为自由流动出口；而其他壁面则全部采用软件默认的壁面边界条件选择。

采用基于密度的隐式求解器，在求解时，采用监测残差曲线及中心贯通孔出口与外环间隙出口的质量流量变化曲线相结合的方式对整个求解过程进行收敛性的判定。当残差曲线低于预设值10?6并且中心贯通孔出口和外环间隙出口的质量流量变化曲线平稳时，可认定整个迭代求解过程收敛。

3结果分析及优化

改变有限元分析模型的注气孔孔径大小，其中孔径范围为5~10mm，固定注气孔倾斜角度和孔距，重复计算在孔径范围内的包括等径和不等径组合方式的内部流场分布，获得最佳孔径组合方式为（5+6+7+8mm）×16。

图3改变注气孔间距下内部流场分布云图

根据有限元分析计算单元的内部流场分布，确定在注气孔孔径（5+6+7+8mm）×16、倾斜角度10°、间距30mm条件下可形成均匀的压力场和微气泡，从而达到更高效的岩屑运移速度和井底清洁效果。

4结论及建议

（1）通过建立单元建立井下的由气液混合器芯管、芯管外环空和芯管内环空所构成的有限元分析模型，改变注气孔直径、角度和孔距等参数，可求解获得上返速度、压力、壁面速度和压力流场分布规律，从而获得最佳的注气孔的设计方案。

（2）基于模型的分析计算不需要设计经验和理论分析，从而实现了注气孔设计方法的简易和精准的目的，同时可根据不同施工条件，针对性的设计出更加适合的气液混合器结构。

参考文献：

[1]陈怡，段德培.气举反循环钻进技术在地热深井施工中的应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2009，36(4)：23-28.

[2]范黎明,殷琨,张永光,等.基于引射原理的侧吸式反循环钻头结构参数数值研究[J].中南大学学报(自然科学版),2011,42(1):220?226.