CFD技术在井喷救援中的应用

2022-08-25范英琪

传感器世界 2022年6期

范英琪

北京信息科技大学高动态导航技术北京市重点实验室，北京 100101

0 前言

井喷救援工作中，井喷流量参数是调配压井液的一个重要指导参数。在井喷救援时，井口周边环境恶劣，无法通过传感器进行近距离的测量，因此，仿真分析的研究便引起越来越多的关注。早期，救援人员通过液柱高度估算井喷流量，但是这种方法没有科学的计算模型计算误差。随着仿真软件和计算机技术的不断发展，人们提出了基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynami，CFD）软件仿真的指导方法。如李莹莹等人[1]通过CFD软件完成了井喷高速喷流状态下对封井装置的冲击规律；潘晓毅等人[2]通过CFD软件分析了不同井底钻井液对钻头影响。

本文通过室外井喷模拟实验获得具体数据，依照模拟实验设备绘制仿真模型，依据CFD仿真结果和室外模拟实验结果验证井喷流量计算模型的准确性，达到辅助井喷救援人员配制合理密度的压井液的精度要求，从而优化井喷救援的物资供给以及灾情风险研究。

1 井喷流量物理计算模型

井喷流量计算过程中需要引入液柱水头所受空气阻力的水头损失hf：

其中，H——井喷液柱实际高度（单位：m）；

HL——忽略空气阻力的井喷液柱理论高度（单位：m）；

hf——水头损失（单位：m）；

k——阻力系数；

d——井喷出射口直径（单位：m）；

V——喷口初速度（单位：m/s）；

g——重力加速度（单位：m/s2）。

由文献[3]可知：

综合公式（1）、（2），推导初速度和实际高度的计算公式：

流量公式：

其中，Q——井喷流量（单位：m3/s）；

S——喷口截面积（单位：m2）；

将（3）带入（4）计算可得流量Q：

2 仿真模型的确立

统计石油生产中常见的套管尺寸如表1所示。常见的表层套管尺寸339.73 mm×8 m为参考依据，以7:1的比例缩小至50 mm×1.25 m，依据该尺寸建立户外模拟实验喷口[4]，根据户外模拟实验的管道模型建立仿真模型。

表1 套管常见尺寸统计表

仿真模型的网格由ICEM CFD 20.0软件完成，在开始正式选择物理模型前，因为模型较大，所以进行了网格无关性的验证测试。在给定10 m/s的入射速度后，网格数量在122,563、273,207、372,808、467,413时，得到的最大出口速度的结果差别并不大，结果如图1所示，因此选择适中的网格数量122,563。

3 物理模型的确定

选择物理模型是尤为重要的过程。Fluent中非直接模拟方法有3种：大涡模拟、雷诺（Reynolds）时均方程、分离涡模拟。大涡模拟和分离涡模拟注重动态流场细节，计算量大。本次实验主要为时均流场，故而选择Reynolds时均方程。常见的基于Reynolds时均方程的涡粘模型有以下4大类。这4大类涡粘模型经过一段时间的发展，有了多种多样的变体模型，在Fluent中常见模型及其变体的特点总结如下：

（1）S-A（Spalart-Allmaras）模型单方程求解，计算量小，对解决复杂的边元问题有较好效果，同样也带来了三维流、强分离流模拟较差，不能预测各向同性湍流耗散的问题，所以常用于机身、船身等；

（2）Standard k-epsilon模型由于其广泛的工程应用，所以模型参数经由实验数据验证所得，系数更为可靠，但模拟的涡动能k偏大，所以常应用于管流、平板流等模型；

（3）Baseline（BSL）k-Omega模型在仿真时近壁面采用k-omega，主流区采用k-epsilon，这样虽然避免了对湍流耗散率ω较为敏感的问题，但也带来了较大的计算量，为了简化计算，进而提出Shear-Stress Transport(SST) k-Omega模型；

（4）Reynolds Stress模型克服了涡粘模型的各向同性假设，由于方程间强耦合性，收敛稍差[5]，需要更多的CPU时间和内存，适合复杂三维流动、强旋流等。

在对计算模型有了一定了解后，确定本次采用Standard k-epsilon模型。