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Rasel a .苏丹穆罕默德Azizur拉赫曼细哔叽·鲁世德,索拉博Zendehboudi, Vassilios Kelessidis, ”CFD分析的压力损失和沉积速度的水平环形”,国际化学工程杂志》上, 卷。2019年, 文章的ID7068989, 17 页面, 2019年。 https://doi.org/10.1155/2019/7068989
CFD分析的压力损失和沉积速度的水平环形
Rasel答:苏丹
,1
穆罕默德Azizur拉赫曼,2
细哔叽·鲁世德,3
索拉博Zendehboudi,4
和
Vassilios c Kelessidis5
1收购集团技术有限公司、Deltech制造部门,乔治王子,公元前,加拿大
2德克萨斯A&M大学卡塔尔多哈,卡塔尔
3费萨尔国王大学,Al Ahsa沙特阿拉伯
4纽芬兰纪念大学,圣约翰,问,加拿大
5阿联酋阿布扎比石油学院
文摘
估计的压力损失和沉积速度是至关重要的水力设计的环形钻洞的石油工业。本研究调查的影响,流体速度、流体类型、粒子大小、粒子浓度、钻柱转速和偏心压力损失和沉降条件下利用计算流体动力学(CFD)。古怪的钻杆在0 - 75%的范围不同,它绕自己的轴旋转在0 - 150 rpm。模拟钻孔的直径比是0.56。实验数据证实了当前CFD模型的有效性使用ANSYS 16.2开发平台。
1。介绍
在石油行业,预测摩擦压力损失和沉淀条件的运输钻井液在轮对钻井作业很重要。不准确的预测会导致昂贵的钻井问题。几个例子的问题是循环,好玩,堵塞,磨损,磨损和钻机功率选择不当。现有的实证模型变得不那么准确的涉及许多简化的假设。CFD模拟有助于减少这些假设通过使用基于物理的n - s方程模型流的流体动力学系统。当前的工作重点是开发一个全面的CFD模型,能够考虑到所有重要的钻井参数的影响,如流体速度、流体类型、粒子大小、粒子浓度、钻杆转速和钻杆偏心。
2。文献综述
在环空压力损失的估计更困难与管流相比,由于产生的复杂性在水力学复杂几何(1,2]。从实证的角度来看,这个问题通常是通过更换管直径的管流模型的有效直径环。大量的“有效直径”的定义提出了至今为止。然而,很难选择一个字段定义应用程序的开发和/或应用经验。比较预测压力损失是由多个定义Anifowoshe和Osisanya3]。其他问题,使压力损失的估计困难是偏心和钻孔内钻杆的旋转速度。许多研究已经完成在环形非牛顿流体的流动引入经验/分析模型,允许考虑这些影响(1,3- - - - - -10]。先前的研究结果表明,环形压力损失非牛顿幂律)流体流动在一个钻孔取决于钻杆旋转速度、流体性质、流动机制(层流过渡/紊流),直径比、偏心度和等效水力粗糙。
使用ANSYS等商用CFD软件包流利预测钻井液的环形交通压力损失是相对较新的方法。Sorgun和Ozbayoglu9]证明了CFD模型的更好的性能比现有的实证模型在预测摩擦压力损失。Sorgun [8]调查管偏心度对压力损失的影响,切向速度、轴向速度,和有效利用CFD粘度。Erge et al。6]介绍了CFD建模方法,适用于摩擦压力的损失估计在偏心环空内管旋转循环时产生幂律流体。然而,大多数这些CFD研究仅限于一个单相层流的动态水力光滑轮。
环状流含岩屑的钻井液。泥浆,没有足够详细地研究。领域的工作的例子环形泥浆流在引用(11- - - - - -14]。这些研究的重点是理解在环空泥浆流的流体动力学实时实验和生产基于数据分析的经验模型。最近,不同的研究人员15- - - - - -17)利用CFD在环形研究泥浆的运输。Ofei [15)检查携带液体的流变参数的影响速度的固体。Sorgun和Ulker16)而获得的压力损失的预测使用人工神经网络(ANN)和计算流体动力学。这两种方法产生了类似的结果。太阳et al。17]研究倾向的影响,转速和流量的分布固体浓度和摩擦压力损失。类似于单相环状流的作品,其中大部分CFD研究仅限于层流浆流条件。
3所示。方法
3.1。CFD模拟
在当前的工作中,环形泥浆流动的CFD仿真模型是使用ANSYS 16.2流利的开发平台。以前作品后(18- - - - - -20.),multi-fluid颗粒模型用于描述流体混合物的流动行为。细粒度的版本的欧拉模型选为多相模型(附录C)。这是因为高固相体积分数将被用于这项研究和细粒度的版本捕获的流体动力学高浓度料浆组成不同的晶粒大小。它允许多个单独的建模,但互动阶段。阶段可以是液体、气体或固体在几乎任何组合。欧拉治疗用于每个阶段,拉格朗日治疗用于与离散相模型。
多相流的描述贯穿连续包含相位的体积分数的概念,它代表了每个阶段占据的空间。每个阶段满足质量守恒定律和动量。平均守恒方程被修改的地方瞬时平衡的每个阶段(21)或通过使用混合理论方法(22]。详细描述可在附录一个。
欧拉多相计算,态势的简单(PC-SIMPLE)算法用于压力速度耦合。PC-SIMPLE是多相流的简单算法的扩展(23,24]。阶段的速度耦合隔离的方式来解决。使用的块代数多重网格方案density-based解算器是用于解决一个矢量方程形成的所有阶段的速度组件同时[25]。然后,压力修正方程建立基于总量的连续性。压力和速度然后修正,以满足连续性约束。
确保稳定和收敛的迭代过程,二阶逆风离散化是用于动量方程,和第一逆风离散化采用体积分数、湍动能及其耗散。逆风是指票面价值来源于上游细胞数量,或“逆风”,相对于正常速度的方向。当一阶精度,在细胞数量面临取决于假设任何领域的cell-center值变量代表cell-average价值和保存在整个细胞;面对数量是相同的细胞数量。因此,面对值设置等于cell-center值选择一阶逆风时上游的细胞。相比之下,当二阶精度或二阶逆风,细胞数量在面临计算使用多维线性重建方法(26]。在这种方法中,高阶精度达到细胞面临通过泰勒级数展开的cell-centered解决方案单元形心。整个模拟过程如图1。
3.2。湍流模型的选择
流体湍流量计算采用雷诺应力模型(27- - - - - -29日(附录D)。放弃各向同性涡粘性假设,RSM关闭Reynolds-averaged n - s方程通过求解运输雷诺应力方程,结合耗散率的方程(30.]。这里,需要五个额外的传输方程在二维流动和七个额外的传输方程必须解决3 d(请见附件B为进一步的细节)。湍流模型被选为当前工作,分析不同模型的相对性能。一个典型的例子的分析呈现在图2。在这个图中,%的差异指的是百分比区别实验测量压力损失和相应的CFD预测。在大多数情况下,当采用RSM差异小于10%。一个重要的结果是在表的列表1。
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3.3。长度独立研究
流的长度域被认为是足够长的时间来达到充分发展流动。最小入口长度考虑流开发是50Dh,水力直径Dh= OD-ID [36,37]。独立的测试长度的一个例子是图所示3。仿真结果不依赖于从入口长度在3 m。
3.4。网孔分析法
环形截面的计算网格生成使用ANSYS流畅,啮合是最终确定的基础上适当的网格独立性检查。多层壁附近的通货膨胀被添加来自内部和外墙墙附近计算不同参数的特点,更准确地说。墙面和流体之间的剪切应力更高,这通货膨胀有助于创建墙附近的密集的啮合。计算网格的一个例子分布和网格独立性测试数据所示4和5。网格独立结果可以产生超过800000的节点数量。所有的结果提出了在当前工作得到使用大约900000个节点。
(一)
(b)
(c)
(d)
无因次壁距离的值(y+)检查在墙附近的细胞生成的融合要求的考虑y+为细胞相邻的墙上。的价值y+取决于壁剪切应力、流体密度、水力直径,和分子粘度: 在哪里是细胞墙的距离中心; ,分子的粘度; ,流体密度;和 ,墙剪切应力。最终,y+取决于网格的分辨率和流雷诺数。默认标准壁函数通常适用如果第一个细胞中心附近墙上有一个y+值大于30 (38]。的最低要求(y+> 30)的价值y+在我们的研究保持45以上。
3.4.1。收敛速度分析
10的最优收敛速度−5被选为终止迭代。图6显示了一个示例的分析找出最优收敛速度在10−6-10年−4。仿真结果收敛值大于10时不同−5。但是,结果并没有改变的值小于10−5。
3.5。CFD模型验证
作为初步的步骤,验证了CFD建模方法对数据在开放的文学。验证提出的一些例子如下。
3.6。单相流过环形
实验数据集Kelessidis et al。33]和Camci [32比较图7拟议的CFD模型。几何是取自Kelessidis et al。(2011),在内径(ID)是0.04米,外径(OD)是0.07米,长度是5米(水平同心轮)。流体为水和墙材料是树脂玻璃(动态水力光滑的墙,ε一个= 0)。在Camci(2003),内径是0.0432米,外径0.123米,长度是5米。墙材料是铝(光滑的墙)。
在图7图,代表对数刻度。双对数尺度的压力梯度增加率几乎是线性的。仿真结果的平均百分比误差Kelessidis et al。(2011)和Camci(2003)分别为9.88%和8.46%,分别,这表明一个非常好的协议(据估计,实验数据的误差为±10%)。
3.7。两相(固液)流过环形
压力梯度(Pa / m)的水沙泥浆流经垂直同心环形相比Ozbelge和Beyaz [35实验数据图8。CFD模拟,液相密度是水(9982公斤/米3和粘度0.001003公斤/ m)和固相为长石(平均颗粒直径0.23毫米,平均密度2500 kg / m3)。长度5米,外径0.125米,内径0.025米,入口速度范围0.0738 - -0.197 m / s,和整体泥浆体积浓度与0.23毫米粒径范围1.0% - -1.8% (dp)被认为是边界条件。光滑的不锈钢管(密度8030 kg / m3)用于模拟。管子被认为是垂直的。,gravity effect is included, and gravity acceleration is directed opposite to the outlet. No slip condition for liquid and solid phases is used at the walls. Figure9显示了模拟和实验的比较两相摩擦压降通过垂直轮在不同速度和不同体积浓度的混合浆为0.23毫米的意思是砂粒径(dp)。模拟结果与实验值吻合较好,平均误差为2.62%。
4所示。结果与讨论
后达到良好的验证模型与实验数据,参数分析了观察流量变化的影响,钻杆旋转,离心率和颗粒大小(附录中给出详细的数据表(一个和B))。中给出的参数用于分析表2。
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4.1。流量的影响
流体流动床上最大浓度的影响分析了数据10- - - - - -13。水与沙粒子混合物(浆)作为工作液。四个不同的条件考虑与解决砂进气浓度(20%)和沙颗粒大小(0.1毫米)。条件如下:(我)同心环形固定内管(2)与150 rpm同心环形旋转内管(3)50%偏心环形固定内管(iv)50%偏心环形150 rpm内管
每个案例的分析,可以看出床底部墙附近的浓度增加时,流量减少。由于重力和水平方向,砂颗粒倾向于聚集下盘附近并创建一个流堵塞。减少流动提高了过程。下面的分析,发现雷诺数床上下盘附近浓度超过25%在所有情况下,当它下降 ,比例是50%以上。在图14,砂颗粒样本轮廓分布在不同的流率。操作条件从图10。等高线分布的环形截面3米距离入口显示流体流动和重力对浓度分布的影响。
(一)
(b)
(c)
(d)
4.2。钻杆旋转和偏心的影响
内管轮可以影响压力损失通过改变其偏心和旋转。内管旋转和偏心率的影响提出了数字9和15。在这个分析单相水用作液体。从图15它可以可视化,压力损失随转速的增加,这一趋势是相同的,不同的流率。静止不动的,50 rpm, 100 rpm, 150 rpm的旋转内管是考虑。增加的趋势在高流率高。由于转速粒子与粒子之间的和particle-wall碰撞和反弹上升,从而导致更高的压力损失。
图9显示了内管偏心对压力损失的影响。同心,25%的偏心,偏心度分析了离心率50%,75%这个数字。在一个固定的流量(Re = 50000),与内管偏心距的增加,压力损失减少。这一趋势适用期间内管固定条件。与内管旋转的趋势是相反的。因为额外的碰撞增加管旋转,这种变化发生。
4.3。颗粒大小的影响
在泥浆流中,砂粒径粒子堵塞底部附近的墙上有一个有效的作用水平环形管。图16分析砂粒径的影响在同心和固定内管进口砂浓度为5%。与砂粒径的增加,粒子沉积下盘附近增加因为单个粒子重量增加,最终导致堵塞。从之前的分析中,我们发现最大床浓度随流量的增加而减小(数字8,10- - - - - -13),但对于粒径0.005毫米,最大床浓度下盘附近几乎是常数在不同的流率。这意味着更小的粒度(< 0.01毫米),粒子沉积的流率的影响可以忽略不计。
注意,这些粒子大小是选择从粒度分布(PSD)图表在CFD分析考虑。PSD的一个图表,如图17与平均粒径0.1毫米,0.1毫米粒度从八个不同的大小选择基于累积每个粒子的重量(%)。为了简化参数分析过程,只显示平均粒子尺寸。
5。结论
为了开发一个被广泛接受的CFD模型,通过钻井多相流轮,目前的工作涉及项目的总体规划和最初的进步。总之,本研究可以叙述如下:(我)CFD建模方法预测摩擦压力损失和沉淀条件进行了验证。通过示例验证了展示其在复杂钻井条件下的适用性。(2)以下重要的钻井参数对压力损失的影响和结算条件测试:流体流量、转速、偏心钻杆和固体粒子的大小。(3)流体流量的最大影响粒子沉积。在所有分析条件下,与流体流动的减少,粒子沉积在底部附近墙上增加。特定的沉积速度取决于特定的需求最大壁附近沉积,可以使用我们的方法计算。(iv)随着转速的增加和内管偏心,流体流动的能量损失(压力损失)增加。然而,在静止的条件下,压力损失随偏心率的增加而减小。(v)提出了当前研究项目的初步结果与牛顿流体流动。项目预计将产生一个综合CFD模型能够考虑到所有重要的钻井参数与牛顿和非牛顿流体。与非牛顿流体流动分析正在进行中。
附录
答:参数与单相流体研究图表
参数研究的结果图给出了单相流体在表3。
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b参数与两相流体研究图表
参数研究的结果图给出了两相流体在桌子上4。
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c .多相模型的描述
相的体积 , ,被定义为 在哪里
的有效密度的阶段是 在哪里阶段的物理密度吗 。
油和颗粒多相流动的方程是这里介绍的一般情况n步流。每个阶段的体积分数从连续性方程计算如下。 在哪里相位参考密度或体积平均密度的阶段的解决方案域,特征的传质来阶段,特征的传质来阶段。
流体相的动量守恒是 在哪里重力加速度,是阶段应力-应变张量,是一个外部的身体力量,是一个升力,是一个虚拟质量力。
固相的动量守恒 在哪里是固体压力,是液体或固相之间的动量交换系数和固相 ,和阶段的总数。
d .湍流模型的描述
确切的雷诺应力输运方程( )如下: 在哪里率变化的总和吗和运输通过对流。生产的速度吗 。 的扩散运输吗 。 耗散率。是压力应变相关术语。是旋转项。
模拟中使用的扩散项如下: 在哪里 , 。
产率的可以表示为
pressure-strain项有或减缓pressure-strain项也被称为return-to-isotropy项,或快速pressure-strain项,wall-reflection术语。它可以表示为 在哪里 在哪里和 。
wall-reflection项负责正常的墙附近的应力分布。这一项是建模为 在哪里组件的水平分量是正常的在墙上,是最短的距离在墙上, ,在哪里和卡门常数(= 0.4187)。
耗散率或破坏的速度被建模为 在哪里 和=波动变形率。
旋转术语表示为 在哪里=旋转矢量。=交替的象征,+ 1−1或0根据我、j和k。
命名法
| CFD: | 计算流体动力学 |
| RSM: | 雷诺应力模型 |
| 风场: | 剪切应力运输 |
| 跑: | 雷诺平均n - s |
| 简单: | Semi-implicit方法有关的压力方程 |
| d米: | 砂粒径 |
| Cv: | 砂体积浓度 |
| ID: | 管内径 |
| OD: | 管外径 |
| DH: | 水力直径 |
| v: | 流体速度 |
| : | 水速度 |
| : | 砂速度 |
| : | 壁粗糙度 |
| : | 雷诺数 |
| : | 摩擦系数。 |
数据可用性
ANSYS模拟的数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。
信息披露
会议论文(39)由同一作者提出了与主数据集的更新和修改。
的利益冲突
作者还宣布没有利益冲突有关的出版。
确认
作者感谢工学院和纽芬兰纪念大学的应用科学,卡塔尔国家研究基金(格兰特nprp10 - 0101 - 170091),德克萨斯A&M大学卡塔尔,和ANSYS Inc .)帮助和资助这项研究工作。
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版权
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