泡沫鉆井全過程井筒-地層耦合瞬態(tài)傳熱機(jī)理研究

泡沫鉆井過程中，井下溫度分布是影響井下壓力平衡及控制、鉆井液的流變性能、摩阻壓力、井壁穩(wěn)定等方面的重要因素，掌握其分布規(guī)律對鉆井作業(yè)安全、快速地進(jìn)行具有極其重要的意義。本項(xiàng)目在分析不同工況下井筒與地層之間熱交換機(jī)制的基礎(chǔ)上，建立了鉆頭鉆進(jìn)巖石的三維模型，利用有限元軟件對鉆頭破碎巖石過程進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真模擬，分析了鉆進(jìn)過程中鉆頭切削齒溫度場、應(yīng)力場的分布規(guī)律；建立了泡沫鉆井循環(huán)期間和靜止期間井筒-地層的物理模型和數(shù)學(xué)模型，模擬分析了泡沫溫度、泡沫密度、泡沫流速等因素對井筒-地層溫度場的影響規(guī)律；建立泡沫鉆井多相流的壓力和速度模型，分析井筒內(nèi)多項(xiàng)流體在不同工況下的壓力和速度變化規(guī)律；搭建了泡沫鉆井實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行泡沫鉆井全過程試驗(yàn)，通過正交實(shí)驗(yàn)的方法，研究了泡沫鉆井液在循環(huán)和靜止工況下，不同泡沫初始溫度、不同泡沫上返流速和不同泡沫密度等因素對井筒-地層溫度場規(guī)律的影響，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，得出了適合凍土地層鉆進(jìn)的泡沫鉆井液相關(guān)參數(shù)，為凍土地區(qū)泡沫鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)優(yōu)選提供了理論基礎(chǔ)。

泡沫鉆井過程中，井下溫度分布是影響井下壓力平衡及控制、鉆井液的流變性能、摩阻壓力、井壁穩(wěn)定等方面的重要因素，掌握其分布規(guī)律對鉆井作業(yè)安全、快速地進(jìn)行具有極其重要的意義?，F(xiàn)有傳熱模型多數(shù)基于簡單流體、單一工況或穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)條件下，且未充分考慮井筒熱源項(xiàng)的影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況差別較大。針對目前研究中存在的不足，本項(xiàng)目在分析不同工況下井筒與地層之間能量交換機(jī)制的基礎(chǔ)上，綜合考慮井內(nèi)主要熱源項(xiàng)對井筒溫度的影響，建立泡沫鉆井全過程井筒-地層耦合瞬態(tài)傳熱模型，并通過現(xiàn)場鉆井試驗(yàn)來驗(yàn)證和優(yōu)化模型，能夠較系統(tǒng)地解決泡沫鉆井過程中鉆井液的循環(huán)壓力和流速分析、循環(huán)溫度和靜止溫度以及鉆井過程中井筒和地層的溫度分布的計(jì)算問題，得到井筒內(nèi)多項(xiàng)流體在鉆具接頭、鉆桿偏心、不同鉆桿轉(zhuǎn)速和起下鉆等不同工況下的溫度、壓力和速度變化規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)井筒壓力控制、井壁穩(wěn)定性預(yù)測和泡沫鉆井規(guī)程參數(shù)優(yōu)選提供理論基礎(chǔ)。

流固耦合傳熱緊耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等開發(fā)了將流體及固體內(nèi)所有物理過程進(jìn)行瞬態(tài)緊耦合算法，能使計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。但是，該瞬態(tài)緊耦合計(jì)算需要消耗大量的計(jì)算資源，難以用于解決實(shí)際復(fù)雜工程問題。

根據(jù)問題的特征，有些研究者近似認(rèn)為在計(jì)算時(shí)間內(nèi)，某些參數(shù)的狀態(tài)是不變的，進(jìn)而直接將瞬態(tài)問題轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題。對于絕大多說不能通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理直接轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題的瞬態(tài)問題，有些研究者主張保留耦合的非穩(wěn)態(tài)特性，提出各部分分別進(jìn)行瞬態(tài)求解,并通過邊界條件、參數(shù)值及活動(dòng)網(wǎng)格等方式進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互的瞬態(tài)松耦合傳熱問題的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等針對高超聲速流中固體表面帶輻射及燒蝕相變過程的流固耦合強(qiáng)制對流傳熱問題，提出將流體 Navier-Stokes 方程與固體導(dǎo)熱、輻射及燒蝕相變過程分別進(jìn)行瞬態(tài)求解，并利用流體數(shù)值計(jì)算結(jié)果對其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，直至迭代收斂。Lohner 等針對飛機(jī)氣彈分析中帶固體形變的流固耦合傳熱問題，將流體 Navier-Stokes 方程及固體導(dǎo)熱和應(yīng)變方程分別求解，并利用流體數(shù)值計(jì)算結(jié)果對其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，同時(shí)利用固體應(yīng)變方程的計(jì)算結(jié)果修正流體耦合邊界位置和速度邊界條件，直至迭代收斂。

流固耦合傳熱松耦合

有些研究者提出了基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流場的松耦合算法，即近似認(rèn)為在整個(gè)流固耦合傳熱過程中，流場處于若干個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，每一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的流場都使用穩(wěn)態(tài) Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos結(jié)合二維邊界單元法和高超聲速計(jì)算流體力學(xué)( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超聲速流與機(jī)翼前緣的耦合傳熱問題。Chen 和Zhang等交替進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場計(jì)算與固體燒蝕和瞬態(tài)導(dǎo)熱的松耦合算法計(jì)算了帶燒蝕的流固耦合傳熱問題。2100433B

耦合傳熱是指固體壁面和兩側(cè)流體的傳熱。固體壁面和兩側(cè)流體的溫度場將互相影響，通常必須同時(shí)確定。

耦合傳熱是指固體壁面和兩側(cè)流體的傳熱。固體壁面和兩側(cè)流體的溫度場將互相影響，通常必須同時(shí)確定。通常傳熱問題要在一定邊界條件下求解，然而實(shí)際具體問題往往并非完全如此，隨著固體壁面和兩側(cè)流體間的傳熱，有限厚度或影響區(qū)內(nèi)的溫度場在不斷改變。顯然，固體壁面和液體內(nèi)部的溫度場必須同時(shí)求解確定。固體和流體界面很大程度并非問題解的熱邊界條件，實(shí)際上溫度和熱流都是一個(gè)更大系統(tǒng)的一部分，即要由固體壁面和兩側(cè)流體在一起的系統(tǒng)共同確定。

流固耦合傳熱計(jì)算 的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)流體與固體邊界上的熱量傳遞。由能量守恒可知 ，在流固耦合的交界面 ，固體傳出的熱量應(yīng)等于流體吸收的熱量，因此 ，流固邊界面上的熱量傳遞過程可表示為

在求解流固耦合的瞬態(tài)溫度場時(shí)，流體區(qū)域可按準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流場處理，即不考慮流場的動(dòng)量和湍方程，則其控制方程式

固體區(qū)域控制方程以其基本導(dǎo)熱方程表示為

流固交界面上不考慮發(fā)生的輻射、燒蝕相變等過程，則流固交界面上滿足能量連續(xù)性條件，即溫度和熱流密度相等。具體控制方程式為

上述構(gòu)成了流固耦合瞬態(tài)溫度場控制方程，可以使用分區(qū)瞬態(tài)緊耦合算法進(jìn)行求解。即在每個(gè)[t，t Δt]時(shí)間步長內(nèi)，完成如下計(jì)算步驟：

1) 假定耦合邊界上的溫度分布，作為流體區(qū)域的邊界條件。

2) 對其中流體區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，得出耦合邊界上的局部熱流密度和溫度梯度，作為固體區(qū)域的邊界條件。

3) 求解固體區(qū)域，得出耦合邊界上新的溫度分布，作為流體區(qū)域的邊界條件。

4) 重復(fù) 2) 、3) 兩步計(jì)算，直到收斂。