Численный Прогноз Движения Смеси Вязкой Капельной Жидкости С Твердыми Частицами Во Входной Области Эксцентричных Кольцевых Труб И Их Очистки От Шлама

Abstract

Ссылка для цитирования: Харламов С.Н., Джанхорбани Мехран. Численный прогноз движения смеси вязкой капельной жидкости с твердыми частицами во входной области эксцентричных кольцевых труб и их очистки от шлама // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2022. – Т. 333. – № 6. – С.18-41 
 Актуальность исследования определяется необходимостью: понимания особенностей гидродинамики сдвиговых потоков в геометрических конфигурациях рабочего пространства с изменениями формы поперечного сечения и поверхностей стенок; детализации внутри- и межфазных процессов переноса импульса, массы при течении дисперсных сред со сложной реологией в полях действия специфических внутренних и внешних сил в кольцевых эксцентричных трубах; установления возможностей моделей, подходов, методов прогноза эволюции структуры течения смесей; выработки практических рекомендаций персоналу по эффективной очистке рабочих участков скважины, ее отверстий от шлама. Цель работы состоит в исследовании в рамках методов CFD особенностей пространственного ламинарного и турбулентного течения смеси бурового раствора с твердыми частицами в коаксиальной и эксцентричной входной области скважины, а также в установлении закономерностей сложного сдвигового течения, сопровождающих транспорт шлама по стволу скважины и очистку ее горизонтальных участков. В качестве объекта исследования выбрана скважина с десятиметровой горизонтальной эксцентричной секцией, в которой течение осуществляется в условиях, реально близких к фактическим параметрам бурения (in situ). В методах исследования превалируют подходы комплексного физико-математического и компьютерного моделирования процессов в механике гомогенных и гетерогенных сплошных сред, широко апробированные на классе внутренних сложных сдвиговых течений, а также успешно прошедшие валидацию и верификацию результатов в соответствующих условиях и близких к режимам течений, тепло- и массопереноса, выполненных другими авторами по анализу технологических процессов бурения и очистки скважин. Результаты. Представлен критический анализ современного состояния проблем компьютерного моделирования процессов транспорта шлама в технологиях бурения. Отмечены особенности, эффекты, формируемые наличием вращения бурильной трубы, оказывающие влияние на структуру течения. Детально сформулирована задача о гидродинамике и массопереносе турбулентного развивающегося по пространству дисперсного потока капельной жидкости с твердыми частицами шлама в коаксиальных эксцентричных трубах произвольной реологии, методы ее исследования. Приведены замечания к формализму замыканий определяющих уравнений модели в рамках CFD. Расчетами выявлены закономерности изменений локальных и интегральных параметров течений и массопереноса, связанные с увеличением кольцевых, среднемассовых скоростей, возникающих в результате уменьшения живого сечения потока из-за накопления шлама. Определены тенденции к регуляризации эффектов, формирующих очистку. Раскрыты особенности изменений структуры сложного течения смеси в рамках эйлерово-эйлерова и эйлерово-лагранжевого подходов. В заключение представлены предложения инженерного прогноза течений во входном участке скважины. Прикладная ценность результатов определяется возможностью внесения ряда обобщений, исключающих неопределенности, вызванные учетом деталей геометрической и гидродинамической конфигураций задачи, а также использованием параметров реальных режимов бурения и очистки.