曹龍龍，張恒春，王穩(wěn)石，閆家，胡晨

（1.中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局深部地質(zhì)鉆探技術(shù)研究中心，河北 廊坊 065000；3.中國地質(zhì)大學（北京）工程技術(shù)學院，北京 100083）

0 引言

常規(guī)取心鉆進泥漿通過鉆頭水眼循環(huán)，進入鉆頭的巖心會直接接觸泥漿，受到泥漿中濾液和部分固相組分的污染，使獲取的目的地層巖心含油飽和度和地層孔隙度等重要數(shù)據(jù)失真［1-2］。密閉取心技術(shù)獲取的巖心基本不受鉆井液污染，能真實再現(xiàn)地層原始地質(zhì)孔隙度、含油飽和度及水侵和含水率等數(shù)據(jù)［3-4］。KM型密閉取心鉆具配套密閉取心鉆頭設(shè)計為胎塊式孕鑲金剛石鉆頭，鉆頭唇面設(shè)計為雙水口，分別過流鉆井液和密閉液［5-6］。應(yīng)用計算流體力學（CFD），模擬分析鉆頭在井底正常鉆進時鉆井液和密閉液兩相流過流鉆頭水口在井底富集狀態(tài)，以直觀的流體分析模擬還原實際鉆進時的井底兩相流流場特征，為鉆頭唇面冷卻排屑的流體力學特征、密閉液漫流密閉巖心效果評價等提供參考依據(jù)［7-8］。

1 建模及控制方程

1.1 建模及計算條件設(shè)定

以KM216型密閉取心鉆具配套?215.9 mm/? 124 mm鉆頭作為研究模型，該鉆頭為8個U形胎塊式均布圓弧形底唇面，密閉液過流水口為8個直徑16 mm的圓形水口，與鉆井液的過流水口間隔式排布［9-10］，鉆頭三維結(jié)構(gòu)和建模如圖1和圖2所示。

圖1 密閉取心鉆頭三維結(jié)構(gòu)Fig.1 3D structure of the sealed coring bit

利用三維建模軟件構(gòu)建鉆頭井底工作時的3D模型計算域，鉆頭底唇面與井底間距設(shè)為0.01 mm，鉆頭內(nèi)壁面與巖心環(huán)隙間距設(shè)為1 mm，鉆頭外壁面與井壁間距設(shè)為2 mm，模型計算域如圖3和圖4所示。

圖2 密閉取心鉆頭三維建模Fig.2 3D modeling of sealed coring bit

圖3 密閉取心鉆頭井底工作的3D模型計算域Fig.3 Calculation domain of 3D model for bottom hole operation of the sealed coring bit

圖4 模型計算域剖視圖Fig.4 Section view of the model calculation domain

利用計算流體力學（CFD）分析軟件采用四面體網(wǎng)格對計算域進行劃分并模擬分析，為簡化模擬計算過程，忽略對井底兩相流流場影響較小的次要因素，對邊界條件作出以下假設(shè)［11-12］：

（1）假設(shè)井底為平面，井壁為規(guī)則的圓柱面，鉆頭正常鉆進時與井底為平面接觸；

（2）忽略兩相流流體重力影響因素；

（3）不考慮巖屑對兩相流體的影響。

采用某體系鉆井液和某合成基密閉液進行模擬［13］，采用標量混合形式，密度和粘度的變化方式均采用分段線性變化，兩相流的入口及出口邊界條件具體設(shè)置參數(shù)如表1所示。

表1 兩相流的具體參數(shù)設(shè)置Table 1 Specific parameter setting of the two phase flow

1.2 控制方程及湍流模型

假設(shè)鉆井液和密閉液進行不可壓縮三維非定常湍流流動，建立井底兩相流流場的三維湍流物理模型，根據(jù)流體動力學基礎(chǔ)理論，則流體的連續(xù)性方程為：

因鉆井液和密閉液兩相流介質(zhì)的流動處于穩(wěn)態(tài)，則

式中：u——矢量速度；ux、uy、uz——矢量速度u在x、y、z軸上的分量；ρ——密度；t——時間。

鉆井液與密閉液的流動系統(tǒng)遵守動量守恒定律，因此x、y、z三個方向的微分動量守恒方程為：

式中：p——流體微元體上的壓力；Sx、Sy、Sz——動量方程廣義源項分量；μ——動力粘度。

但對于湍流，如果直接求解三維瞬態(tài)N-S方程（2），求解難度較大，工程中廣為采用的方法是對瞬態(tài)N-S方程做時間平均處理，同時補充反映湍流特性的湍流模型方程，即采用標準的湍流k-ε模型控制方程。

式 中：k——湍 動 能;ε——湍 流 耗 散 率；σk=；Cμ=0.09。

2 網(wǎng)格劃分與數(shù)值求解

2.1 網(wǎng)格劃分

密閉取心鉆頭為雙流道結(jié)構(gòu)，內(nèi)部裝配雙卡簧和模擬巖心，既存在圓環(huán)形內(nèi)腔，又有帶一定角度的斜過流孔和不規(guī)則變截面的環(huán)形縫隙，兩相流體在鉆頭底唇面交匯混流形成的流場分布是鉆頭密閉效果分析的關(guān)鍵。因此，合理的網(wǎng)格劃分是提高流場計算準確度的重要前提［14-15］。密閉取心鉆頭采用分區(qū)域劃分網(wǎng)格，針對鉆頭、卡簧、模擬巖心等對模擬結(jié)果影響較小的區(qū)域采用相對粗網(wǎng)格劃分，對于密閉液和鉆井液的混合流體域采用網(wǎng)格間隙加密和面加密，并傳播變化類型，針對鉆頭底唇面兩相流交匯區(qū)域進行多重面加密調(diào)整，劃分網(wǎng)格后計算節(jié)點數(shù)為1380360，計算單元數(shù)為4023043。網(wǎng)格劃分效果如圖5所示。

2.2 數(shù)值求解

鉆井液和密閉液兩相流混合流場模擬采用標量混合方式，2種流體的密度變化選用分段線性，根據(jù)菲克定律及相關(guān)計算公式求得兩相流體的擴散系數(shù)為1.2×10-10m2/s，采用k-ε模型對兩相流流場進行數(shù)值求解，對流利用改進的Petrov-Galerkin有限元算法，流動和標量求解同時運行。

圖5 網(wǎng)格劃分效果圖Fig.5 Meshing effect

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 鉆頭兩相流標量混合分析

流體仿真CFD軟件模擬輸出的鉆頭兩相流標量混合流場云圖如圖6所示（紅色為密閉液，藍色為鉆井液），密閉液從巖心與鉆頭內(nèi)環(huán)隙流出后包裹巖心，沿鉆頭底唇面流道內(nèi)沿向外均勻輻射，密閉液在鉆頭底唇面形成的漫流富集區(qū)域有效將巖心與鉆井液隔離，鉆井液從鉆頭弧形水口流出形成完整的流場域全面覆蓋鉆頭底唇面，沖洗冷卻鉆頭胎體和唇面，保證鉆頭壽命和鉆進效率［16-17］，密閉液與鉆井液在鉆頭底唇面的流場分布及模擬流跡線云圖如圖7所示。

圖6 密閉取心鉆頭兩相流混流狀態(tài)云圖Fig.6 Cloud chart of the two phase flow in the mixed flow state of the sealed coring bit

圖7 鉆頭底唇面密閉液與鉆井液流場及流跡線Fig.7 Flow field and trace of the sealing fluid and drilling fluid on the drill bit bottom lip

3.2 井底液流流速及壓力分析

密閉鉆頭兩相混合流流速云圖如圖8所示，在鉆頭斜水口處鉆井液流速急劇增大，從位置2到3流速從15 m/s增加到近28 m/s，鉆井液出水口漫流后流速降低，位置5處的流速為10 m/s，鉆頭底唇面上流速從內(nèi)沿向外沿逐級降低，但在位置7處密閉液與鉆井液的交匯區(qū)域流體速度很小，接近0 m/s。鉆頭底唇面位置7所處的環(huán)形域流速小，鉆進時巖屑易堆積，但此區(qū)域若通過調(diào)整鉆頭水口參數(shù)增大流速，鉆井液與密閉液對流作用增強，巖心易受泥漿污染，密閉效果變差［18］。

密閉鉆頭兩相混合流壓力云圖如圖9所示，鉆井液的流場壓力分布梯度從位置1到位置7逐級降低，在鉆頭底唇面從位置4到位置5，流場壓力從1 MPa遞減至0.5 MPa，內(nèi)沿壓力高于外沿壓力，有利于形成底唇面的橫向漫流沖洗冷卻鉆頭，但在位置5和7之間流場壓力沒有明顯的梯度，位置7至5流場區(qū)域介質(zhì)流速低，沖洗冷卻效果差，但位置7到5混流區(qū)域壓力梯度小，密閉液和鉆井液混流速度慢，有利于鉆頭的密閉效果［19］。

圖8 密閉取心鉆頭鉆井液流速云圖Fig.8 Nephogram of the drilling fluid velocity of the sealed coring bit

圖9 密閉取心鉆頭流場壓力梯度分布Fig.9 Pressure gradient distribution in the flow field of the sealed coring bit

鉆井液與密閉液的兩相流介質(zhì)流速與絕對剪切應(yīng)力存在一定的比例關(guān)系，流體剪力與流體的沖刷效應(yīng)存在正相關(guān)作用［20］，鉆頭的流體沖刷絕對剪切應(yīng)力與流速場變化趨勢近似契合，如圖10所示，底唇面流體剪力從內(nèi)沿向外沿遞減，2個剪力高峰位置3和4處剪力大小為0.05 MPa左右，均避開了密閉液富集保護區(qū)域，對密閉效果無影響，鉆井液出水口位置4存在強液流沖刷作用，鉆頭胎體對應(yīng)部位會受到?jīng)_刷損耗影響，鉆頭內(nèi)沿位置7處剪應(yīng)力低，鉆井液侵蝕作用弱，有利于密閉液隔離鉆井液密閉巖心效果。鉆頭底唇面整體剪切應(yīng)力等值云圖如圖11所示，在唇面內(nèi)環(huán)形區(qū)域與外環(huán)形水口周圍剪應(yīng)力分布均勻，無剪切應(yīng)力集中部位，有利于兩相流體在鉆頭唇面形成穩(wěn)定流場，提高鉆進過程中的巖心密閉率［21］。

圖10 密閉取心鉆頭流體剪切應(yīng)力分布Fig.10 Fluid shear stress distribution of the sealed coring bit

圖11 鉆頭底唇面剪切應(yīng)力等值云圖Fig.11 Contour nephogram of shear stress on the bit bottom lip

4 結(jié)論

（1）通過標量混合方式對密閉金剛石取心鉆頭密閉液和鉆井液兩相流流場進行CFD模擬，密閉液與鉆井液兩相流在鉆頭底唇面流場分布特征滿足密閉取心要求，理論上密閉液可有效隔離鉆井液，形成良好的巖心密閉效果，鉆頭兩相流流道及水口結(jié)構(gòu)設(shè)計基本合理。

（2）密閉鉆頭底唇面鉆井液與密閉液混流環(huán)形區(qū)域徑向壓力梯度小，流體介質(zhì)流速慢，有利于密閉液形成富集區(qū)域密閉巖心，但會影響鉆井液在該區(qū)域的沖洗冷卻效果，長時間鉆進中鉆頭胎體可能會出現(xiàn)局部微小的熱損消耗現(xiàn)象。

（3）密閉取心鉆頭鉆井液流道斜角度出水口附近介質(zhì)流速快，沖刷剪切應(yīng)力集中，長時間鉆進水口附近存在沖刷損耗風險，進而會影響金剛石鉆頭孕鑲熱壓胎體塊二次鑲焊強度，因此鉆頭胎體塊水口附近的二次焊接區(qū)域應(yīng)提高焊接精度和強度。

（4）密閉鉆頭兩相流流場模擬得出的結(jié)果為后續(xù)密閉取心鉆頭入井試驗和進一步性能優(yōu)化提供了理論依據(jù)和方向指導，通過后續(xù)的實鉆試驗與數(shù)據(jù)反饋，完善模擬邊界條件，優(yōu)化改進鉆井液流道傾斜角度和弧形唇面水口參數(shù)，減少鉆井液沖洗冷卻不充分和剪切沖刷應(yīng)力集中區(qū)域，保證巖心密閉率前提下達到提高鉆頭鉆進效率和使用壽命的效果。