CFD技術(shù)在井噴救援中的應(yīng)用

范英琪

北京信息科技大學(xué)高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

0 前言

井噴救援工作中，井噴流量參數(shù)是調(diào)配壓井液的一個(gè)重要指導(dǎo)參數(shù)。在井噴救援時(shí)，井口周邊環(huán)境惡劣，無(wú)法通過(guò)傳感器進(jìn)行近距離的測(cè)量，因此，仿真分析的研究便引起越來(lái)越多的關(guān)注。早期，救援人員通過(guò)液柱高度估算井噴流量，但是這種方法沒(méi)有科學(xué)的計(jì)算模型計(jì)算誤差。隨著仿真軟件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們提出了基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynami，CFD）軟件仿真的指導(dǎo)方法。如李瑩瑩等人[1]通過(guò)CFD軟件完成了井噴高速?lài)娏鳡顟B(tài)下對(duì)封井裝置的沖擊規(guī)律；潘曉毅等人[2]通過(guò)CFD軟件分析了不同井底鉆井液對(duì)鉆頭影響。

本文通過(guò)室外井噴模擬實(shí)驗(yàn)獲得具體數(shù)據(jù)，依照模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備繪制仿真模型，依據(jù)CFD仿真結(jié)果和室外模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證井噴流量計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，達(dá)到輔助井噴救援人員配制合理密度的壓井液的精度要求，從而優(yōu)化井噴救援的物資供給以及災(zāi)情風(fēng)險(xiǎn)研究。

1 井噴流量物理計(jì)算模型

井噴流量計(jì)算過(guò)程中需要引入液柱水頭所受空氣阻力的水頭損失hf：

其中，H——井噴液柱實(shí)際高度（單位：m）；

HL——忽略空氣阻力的井噴液柱理論高度 （單位：m）；

hf——水頭損失（單位：m）；

k——阻力系數(shù)；

d——井噴出射口直徑（單位：m）；

V——噴口初速度（單位：m/s）；

g——重力加速度（單位：m/s2）。

由文獻(xiàn)[3]可知：

綜合公式（1）、（2），推導(dǎo)初速度和實(shí)際高度的計(jì)算公式：

流量公式：

其中，Q——井噴流量（單位：m3/s）；

S——噴口截面積（單位：m2）；

將（3）帶入（4）計(jì)算可得流量Q：

2 仿真模型的確立

統(tǒng)計(jì)石油生產(chǎn)中常見(jiàn)的套管尺寸如表1所示。常見(jiàn)的表層套管尺寸339.73 mm×8 m為參考依據(jù)，以7:1的比例縮小至50 mm×1.25 m，依據(jù)該尺寸建立戶(hù)外模擬實(shí)驗(yàn)噴口[4]，根據(jù)戶(hù)外模擬實(shí)驗(yàn)的管道模型建立仿真模型。

表1 套管常見(jiàn)尺寸統(tǒng)計(jì)表

仿真模型的網(wǎng)格由ICEM CFD 20.0軟件完成，在開(kāi)始正式選擇物理模型前，因?yàn)槟Ｐ洼^大，所以進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的驗(yàn)證測(cè)試。在給定10 m/s的入射速度后，網(wǎng)格數(shù)量在122,563、273,207、372,808、467,413時(shí)，得到的最大出口速度的結(jié)果差別并不大，結(jié)果如圖1所示，因此選擇適中的網(wǎng)格數(shù)量122,563。

3 物理模型的確定

選擇物理模型是尤為重要的過(guò)程。Fluent中非直接模擬方法有3種：大渦模擬、雷諾（Reynolds）時(shí)均方程、分離渦模擬。大渦模擬和分離渦模擬注重動(dòng)態(tài)流場(chǎng)細(xì)節(jié)，計(jì)算量大。本次實(shí)驗(yàn)主要為時(shí)均流場(chǎng)，故而選擇Reynolds時(shí)均方程。常見(jiàn)的基于Reynolds時(shí)均方程的渦粘模型有以下4大類(lèi)。這4大類(lèi)渦粘模型經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，有了多種多樣的變體模型，在Fluent中常見(jiàn)模型及其變體的特點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）S-A（Spalart-Allmaras）模型單方程求解，計(jì)算量小，對(duì)解決復(fù)雜的邊元問(wèn)題有較好效果，同樣也帶來(lái)了三維流、強(qiáng)分離流模擬較差，不能預(yù)測(cè)各向同性湍流耗散的問(wèn)題，所以常用于機(jī)身、船身等；

（2）Standard k-epsilon模型由于其廣泛的工程應(yīng)用，所以模型參數(shù)經(jīng)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證所得，系數(shù)更為可靠，但模擬的渦動(dòng)能k偏大，所以常應(yīng)用于管流、平板流等模型；

（3）Baseline（BSL）k-Omega模型在仿真時(shí)近壁面采用k-omega，主流區(qū)采用k-epsilon，這樣雖然避免了對(duì)湍流耗散率ω較為敏感的問(wèn)題，但也帶來(lái)了較大的計(jì)算量，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，進(jìn)而提出Shear-Stress Transport(SST) k-Omega模型；

（4）Reynolds Stress模型克服了渦粘模型的各向同性假設(shè)，由于方程間強(qiáng)耦合性，收斂稍差[5]，需要更多的CPU時(shí)間和內(nèi)存，適合復(fù)雜三維流動(dòng)、強(qiáng)旋流等。

在對(duì)計(jì)算模型有了一定了解后，確定本次采用Standard k-epsilon模型。

4 井噴失控噴流實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真分析

在進(jìn)行仿真分析前，需要設(shè)置邊界條件：

（1）對(duì)于流動(dòng)入口邊界，本次仿真給定的是質(zhì)量流率，流速是垂直于邊界的，指定的是均勻的速度分布，不可壓的流動(dòng)；

（2）此次仿真為管道內(nèi)的液體流動(dòng)，所以存在壁面邊界，在粘性流中，壁面強(qiáng)制執(zhí)行無(wú)滑移邊界條件；

（3）出口設(shè)置為出流邊界，不施加任何作用力；

（4）采用清水進(jìn)行室外對(duì)照實(shí)驗(yàn)，設(shè)置1,000 kg/m3密度流體參數(shù)進(jìn)行對(duì)照分析。

當(dāng)出射口質(zhì)量流率設(shè)為0.271 kg/s時(shí)，輸出計(jì)算結(jié)果后，本次實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注出口流速，所以分析數(shù)據(jù)時(shí)新建一個(gè)表面切割出射豎管段，展示井噴出射口的速度如圖2所示。

以室外實(shí)驗(yàn)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為真實(shí)值，將計(jì)算結(jié)果、仿真結(jié)果分別與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比，統(tǒng)計(jì)的室外測(cè)定的出射口水流速度和仿真結(jié)果如表2所示。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，計(jì)算模型的準(zhǔn)確率在95.27%以上，仿真方法預(yù)測(cè)井噴流量的準(zhǔn)確率在95.28%以上，滿(mǎn)足井噴救援的精度要求。

表2 井噴仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)基本的流體力學(xué)知識(shí)建立單向流井噴流量物理仿真模型，并進(jìn)行室外的模擬實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該過(guò)程可以驗(yàn)證井噴高度與井口速度物理模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)通過(guò)CFD軟件完成井噴仿真的計(jì)算，驗(yàn)證了典型井噴流量計(jì)算模型的可靠性，為井噴救援方案的制定提供了保證，降低了救援風(fēng)險(xiǎn)，提高了救援效率。