环空流体吸入式自激振荡脉冲射流大涡模拟研究

3.1 物理模型
环空流体吸入式自激振荡脉冲射流调制工具 原理样机及其简化物理模型见图 2，为了进行效果 对比，将吸入口接头换为堵头，即转换为非吸入式 自激振荡脉冲射流钻井工具的物理模型。在前期实 验的基础上，我们优选了一套环空流体吸入式自激 振荡脉冲射流原理样机的最佳结构，分别取上喷嘴 直径 d1=5 mm，下喷嘴直径 d2=9 mm，自激振荡腔 腔径 D=50 mm，自激振荡腔腔长 L=35 mm。
环空流体被吸入，参与调制生成高效脉冲射流。与非吸入式脉冲射流相比，吸入式脉冲射流振荡更加剧烈，破岩能力
更强。研究结果得到了实验验证，为实际钻井工具的研制和相关工艺技术的开发提供了依据。
关 键 词：破岩钻井；水力能量；吸入式；脉冲射流；大涡模拟
中图分类号：TE248
文献标识码：A
Large eddy simulation of self-oscillation pulsed water jet drawing in annulus fluid
文章编号：1000-4874(2009)-04-0455-08
环空流体吸入式自激振荡脉冲 射流大涡模拟研究*
杜玉昆, 王瑞和, 倪红坚
（中国石油大学石油工程学院，山东东营 257061，Email: duyukun_100@）
摘 要： 发展新型破岩钻井技术对于促进油气田高效开发具有重要意义，高压水射流是提高破岩钻井效率的一个
图1 环空流体吸入式自激振荡脉冲射流调制工具
3 大涡模拟研究
目前湍流流动的数值模拟比较有效的方法有： Reynolds 平均方法、大涡模拟方法和直接数值模拟
杜玉昆，等：环空流体吸入式自激振荡脉冲射流大涡模拟研究
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方法[11,12]。大涡模拟方法介于 Reynolds 平均方法和 直接数值模拟方法之间，要求的网格尺度低于直接 数值模拟一个数量级，所耗费的计算资源比直接数 值模拟大为降低，对湍流脉动量的模拟远少于 Reynolds 平均方法，大涡模拟目前在解决工程问题 方面具有突出的优势[13,14]。大涡模拟的基本思想是 将湍流中的涡分为大尺度涡和小尺度涡两种类型， 大尺度涡与平均流动之间有强烈的相互作用，动 量、质量、能量及其它标量主要由大涡输运，且大 尺度涡受流动的几何形状和边界条件影响，对流动 的初始条件有较大的依赖性，涡的形态和强度与平 均流动相关，具有高度各向异型；小尺度涡受流动 几何形状影响较小，可近似为各向同性，且与平均 流动和边界条件无关，对不同流动初始状态依赖性 较小。大尺度涡由 Navier-Stokes 方程描述，并进行 直接求解，而小尺度涡通过亚网格尺度模型进行模 拟[15,16]。
∂ui = 0 ∂xi
（1）
∂ ∂t
(ui ) +
∂ ∂x j
(uiu j )
=
−
1 ρ
∂p ∂ xi
+
∂ [v( ∂ui + ∂u j )] ∂x j ∂x j ∂xi
（2）
控制方程需通过对 N-S 滤掉。先采用滤波函数将流动变量 f (x, t) 分解成大
G( x,
x′)
=
⎧1/V
⎨ ⎩
0
x′ ∈ Ω x′ ∉ Ω
（5）
其中， Ω 为计算单元的体积。
将式（3）带入 N-S 方程和连续性方程中，得 到控制方程：
∂ui = 0 ∂xi
（6）
图 2 原理样机及简化物理模型
3.2 控制方程 本文采用连续性方程和 Navier-Stokes 方程作为
大涡模拟的基本方程：
DU Yu-kun, WANG Rui-he, NI Hong-jian
(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Dongying 257061, China)
Abstract: It is of great significance that developing new rock breaking drilling technology to promote efficient exploit of oil field. High pressure water jet drilling technology is an important method to promote the rock breaking drilling efficiency, and pulsed water jet is such a kind of high efficiency water jet. In order to take full advantage of hydraulic energy in bottom hole, a concept of new type of pulsed water jet drawing in annulus flow, is put forward. The pulsed water jet modulation tool is designed based on the self-exciting principle, and the large eddy simulation is adopted to simulate the flow field and the dynamic characteristics in this tool. This simulation shows the modulation mechanism of self-exciting pulsed water jet drawing
2 环空流体吸入式自激振荡脉冲射流 调制工具
与上覆岩层压力和井眼内的液柱压力相比，脉 冲射流破岩钻井过程中所产生的脉冲幅度和脉冲 峰值有限，且存在较大的沿程损耗，因此该技术一 般只在中深井的范围内效果明显，随着地层埋深的 继续增加，水力能量损失加剧，其效果逐渐衰减， 深井、超深井勘探开发很难再通过提高地面设备能 力的方法来增强井底水力能量，井下增压泵增压的 方式也有其局限性。但是既然钻井过程中井眼内存 在较大的液柱压力，如果采取适当方式，有效利用 这部分环空流体的水力能量，补充钻井液能量的沿
定义为：
以及计算精度等因素的影响，为提高网格质量，对 振荡腔等流体流动特性变化剧烈的流场关键部分 进行了局部加密。运用 SIMPLE 算法解决速度和压 力的耦合问题，采用有限体积法对环空流体吸入式 自激振荡脉冲射流工具的流场和动力学特性进行 了大涡模拟研究。
Key words: rock breaking drilling technology; hydraulic energy; drawing in annulus fluid; pulsed water jet; large eddy simulation
1 前言
我国脉冲射流钻井技术研究进展迅速，在应用 推广方面取得了显著成绩，多年来已经成为提高油 气资源钻探效率的一种有效途径。自激振荡喷嘴形 成的脉冲射流瞬时能量大，能够减小井底压持效 应，形成钻井过程中的局部负压，有效清除井底岩 屑[1-5]，如中国石油大学（华东）进行的脉冲水射流 破岩的数值模拟和试验研究证实，脉冲射流钻井技 术可以明显提高油气钻探效率，促进油气田的高效 开发[6,7]。但是随着上覆岩层压力和井底围压的增 大，脉冲射流提高钻速的优势随着井深的增加逐渐 减弱。深井、超深井勘探开发很难再通过提高地面 设备能力的方法来增强井底水力能量，如果能够有 效利用井眼内环空流体的能量，调制水力脉冲作用 于井底岩石，将有望形成一种高效破岩钻井方法。 因此，本文提出了这种环空流体吸入式脉冲射流， 基于自激振荡原理设计了相应射流工具，对射流工 具的流场和动力学特性进行了大涡模拟研究，研究 结果可用于指导实际钻井工具的研制，同时也可丰 富现有脉冲射流调制理论和方法。
∂u i + ∂u i u j = − 1 ∂P + υ ∂ 2 u i − ∂τ ij （7）
∂t ∂x j
ρ ∂xi ∂x j ∂x j ∂x j
其中，τ ij 为湍流亚网格应力，即：
τ ij = uiu j − ui u j
（8）
τ ij 是一个未知量，采用 Smagorinsky 模式进行求解。
程损耗，调制水力脉冲作用于井底岩石，那么将有 望形成一种新型高效破岩钻井方法，因此本文提出 了这种在不增加地面设备能力的前提下充分利用 井底水力能量，避免钻井液能量沿程损耗的环空流 体吸入式脉冲射流钻井方法。
图 1 是依据上述设想设计的环空流体吸入式自 激振荡脉冲射流调制工具，自激振荡腔上下碰撞壁 为直线型，碰撞壁均取为 120o 锥角，腔室为圆柱型。 工作原理是射流的卷吸作用在振荡腔的中心两侧 区域形成一个汽化低压区，在该低压区与环空压差 的作用下，环空流体被吸入到工具内部，与主射流 混合。混合后的流体经过振荡腔调制，经过谐振、 反馈、选频及放大等过程，在其出口位置形成高速 的周期性自激振荡脉冲射流，经钻头喷嘴加速后喷 出，作用于井底岩石，并且实际钻井工况下，环空 中的钻井液含有部分岩屑，岩屑经射流加速对地层 有一定冲击研磨作用，与脉冲射流的水力脉动协同 作用，也有助于提高破岩效率[8-10]。
尺度量 f (x, t) 和小尺度量 f ′(x, t) ，即
f (x, t) = f (x, t) + f ′(x, t)
其中：
（3）
f (x,t) = ∫D G(x, x′) f (x′,t)dx′
（4）
其中：G(x, x′) 是滤波函数， D 为流场区域，G 为 决定过滤尺寸的函数。滤波函数 G(x, x′) 定义为：
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水动力学研究与进展
A 辑 2009 年第 4 期
该模式由气象学家 Smagorinsky 于 1963 年提出，是 基于涡粘性假设的涡粘模式。这种模式中亚网格应 力中的非各向同性部分正比于湍流涡粘系数与大 尺度变形率张量的乘积，即：