Численное исследование вязкостно-инерционного ламинарного закрученного течения в круглой трубе с эксцентричным круглым ядром

Abstract

Актуальность исследования определяется необходимостью понимания особенностей гидродинамики и тепломассообмена в реологически сложных однородных и неоднородных средах при течении в кольцевых областях. Это важно для выработки рекомендаций по управлению бурением, повышения надежности функционирования специального оборудования при высоких динамических и тепловых нагрузках при вращении трубы, заполнения межтрубного пространства шламом, а также установления контроля за изменением состава, структуры, давления, скорости и реофизических свойств (с псевдопластическими, тиксотропными и вязкоэластичными эффектами) бурового раствора на горизонтальных участках скважин. Цель: исследовать гидродинамику вязкого потока в кольцевых трубах с эксцентрично расположенным круглым ядром, полых каналах в условиях прямоточного и закрученного (способом подвижной внутренней стенки/локально на входе) течений; внести понимание эффектов, сопровождающих операции бурения на наклонных и горизонтальных участках скважин с эксцентричными бурильными трубами; установить особенности изменений динамической структуры потока в зонах преимущественного движения вязких сред за счет инерционных сил, а также в моменты торможения потока при загромождении сечения продуктами выработки; выдать рекомендации о благоприятном воздействии инерционных сил на вязкость промывочных жидкостей для поддержания эффективного бурения нефтяных скважин. Методы: инженерный анализ моделей реальности процессов транспорта реологически сложных вязких сплошных сред во внутренних системах (трубах, каналах) и их описание методами физико-математического и численного моделирования в форме систем дифференциальных и алгебраических уравнений, решение которых в важнейших аспектах технологических процессов бурения согласуется с характеристиками элементов специального оборудования. Результаты. Исследованы внутренние течения вязких сред со специфической реологией [ньютоновские и неньютоновские жидкости (типа Гершеля-Балкли)] в геометрических конфигурациях, характерных для эксцентричных бурильных труб с эффектами от изменений их пространственной ориентации, расхода, интенсивности вращения входящего потока/стенки ядра, а также реофизических свойств ([tau]0, k, n). Параметрический анализ динамических эффектов выполнен для диапазона изменений критериев: Россби Ro=0…5, Рейнольдса Re=102…103, Бингама Bi=5…15, эксцентриситета [delta]=0,1…0,9. Оценены и обобщены эффекты от механизмов конвективно-диффузионного взаимодействия процесса переноса импульса в трубах/каналах при сложном движении потока и его контактах со стенками. Расчеты показывают, что любые осложнения течения капельных сред обусловлены изменением полей давления, скорости, внешних и внутренних сил (вследствие реологии). Проанализированы особенности возникновения рециркуляционных зон в закрученном потоке, затухания по длине трубы тангенциальной компоненты скорости. Отмечается, что с ростом эксцентриситета ядра усиливается неоднородность потока, асимметрия распределения осевой компоненты вектора скорости и устанавливаются условия к блокированию течения в нижней части межтрубного пространства. Установлено, что наличие препятствий движению потока в кольцевых областях, например, в виде частиц шлама при бурении, способно интенсифицировать асимметричность процессов переноса, особенно при высоких числах Re, Bi. Этого можно избежать в режимах течения с вращением бурильной трубы методом подвижной стенки/орбитального движения. В заключение приведены рекомендации по моделированию, расчету течений вязких сред, сопровождающих бурение, очистку горизонтальных скважин.

Relevance of the research is determined by the need to understand the features of hydrodynamics and heat exchange in reologically complex homogeneous and heterogeneous media during the flow in coaxial fields. This is important for making recommendations for drilling management, improving the reliability of special equipment at high dynamic and thermal loads during the rotation of the pipe, filling the inter-tube space with sludge, as well as establishing control over changes in composition, structure, pressure, velocity and rheophysical properties (at pseudo plastic, thixotropic and viscoelastic effects) of drilling mixture on horizontal areas of wells. Aims: to investigate the hydrodynamics of the viscous flow in coaxial tubes with eccentrically located round core, hollow channels at the conditions of direct and swirling (by the way of moving inner wall/locally at the entrance) streams; to explain the effects accompanying drilling at the sloping and horizontal sections of wells with eccentric drilling pipes; to establish the features of changes in the dynamic structure of the flow in the zones of motion of viscous media at the expense of inertial forces, as well as at the moments of flow braking when the section is cluttered by production products; to give recommendations on the beneficial effects of inertial forces on the viscosity of washing liquids to support effective oil drilling. Methodology: the engineering analysis of the reality models of transport processes of rheologically complex viscous media in internal systems (pipes, channels) and their description by the methods of physical, mathematical and numerical modeling in the form of systems of differential and algebraic equations, the solution of which in the most important aspects of drilling is consistent with the characteristics of special equipment elements. Results. The internal flows of viscous media with specific rheology (Newtonian and non-Newtonian fluids, such as Herschel-Bulkeley) have been investigated in geometric configurations typical of eccentric drilling pipes with effects from changes in their spatial orientation, flow rate, rotation intensity of the incoming flow/core wall, as well as rheophysical properties ([tau]0, k, n). The parametric analysis of dynamic effects is performed for a range of criteria changes: Rossby Ro=0…5, Reynolds Re=102…103, Bingham Bi=5…15, eccentricity [delta]=0,1…0,9. The effects of the mechanisms of convective-diffusion interaction of the momentum transfer process in pipes/channels at the complex flow movement and its contacts with walls are evaluated and generalized. Calculations show that any complications of the viscous flows are caused by changes in pressure, velocity, external and internal forces (due to the rheology). The features of the occurrence of recirculated zones at the swirling flow, fading along the length of the pipe of tangential velocity component, are analyzed. It is noted that with the growth of the core eccentricity the flow heterogeneity and the velocity vector axial component distribution asymmetry increase and the conditions to block the motion at the bottom of the inter-tube space are set. It was established that the presence of obstacles to flow movement in the coaxial fields, for example, in the form of sludge particles during drilling, can intensify the asymmetry of transfer processes, especially at high Reynolds (Re), Bingham (Bi) numbers. This can be avoided in flow regimes with the rotation of the drill pipe by the method of mobile wall/orbital movement. In conclusion, recommendations are given on modeling, calculating the flows of viscous media accompanying drilling, cleaning horizontal wells.