基于LBM方法的石油筛管双梯形缝流动研究.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 1 年第 3 9卷第 5期 专题研 究 基于 L B M方法的石油筛管双梯形缝流动研究 李 夯 刘永红 王亚洲 李 山 徐艳迪 中国石油 大学 华 东机 电工程学院 摘要双梯形缝隙结构与传统 的缝隙结构相比具有更大的流通容积，并且与同样流通容积的 矩形缝隙和梯形缝 隙相比流动阻力更小，可进一步提高采油效率。利用格子 b o l t z m a n n方法对双梯 形缝 隙内的流场进行研究，采用 D 2 Q 9离散速度模型，并采用具有二阶精度 的 G u o格式处理边界 的分布函数，将边界节点 的分布 函数分为平衡态和非平衡态。结果表明，扩散角度越大，涡旋脱 离越 明显，并且越大的扩散角，脱离涡旋的尺度越小；随着筛管径 向长度的增大，速度均值整体 上呈减小的趋势 ；转折处宽度越大，速度均值越小，总体压力均值越小。 关键词 双梯形缝格子 b o h z ma n n G u o格式L B M模型 流动研究 0 引 言 随着现在对油气田开发步伐的加快 ，油井的出 砂量逐渐增加 ，实施 防砂措施将不可避免 。 。机 械防砂作为防砂的重要手段 ，是现今应用最广泛的 防砂方式之一 。割缝筛管作为机械 防砂 的基 础设 备 ，其缝隙流通特性对油 田开采非常重要。一般来 说 ，就筛管的缝隙结构而言，筛管可分为矩形缝隙 和梯形缝隙，由于梯形缝容积较矩形缝大 ，原油通 过时不容易造成堵塞 ，并且具有 自洁功能，因此在 实际应用中更有利于原油的开采。近年来 ，一种双 梯形结构的新型复合缝被提 出 J ，与传统的缝隙 结构相 比，双梯形缝具有更大的流通容积 ，并且与 同样流通容积的矩形缝隙和梯形缝隙相比，双梯形 缝隙的流动阻力更小 ，可进一步提高采油效率，提 高开采 的经济适用性。 笔者利用格子 b o l t z m a n n方法对双梯形缝 隙内 的流场进行研究。格子 b o l t z a m n n方法基于分子动 理论 ，在许多传统模拟方法难以胜任的工程计算领 域 如微尺度流动换热、多孔介质等 ，该方法都 可 以进行有效地模拟计算 ，成为一种重要的科 学研究手段。 1 双梯形缝 L B M模 型 1 ． 1 双梯 形缝的 结构 筛管双梯形缝结构示意图如图 1所示。图中， 为第 1 个梯形的扩散角 ； 为第 2个梯形的扩散 角； 为人 口处梯形缝宽度 ；f 为双梯形缝转折处 宽度；f ’ 为出口处梯形缝宽度；h为双梯形缝的长 度 ，即筛管的厚度。若考虑筛管的厚度为定值 ，则 上述参数决定了筛管的结构。若设转折处 即2个梯 形的交接处距离人 口为 h ，则 a与 可由 、Z 、 Z 和 h 表示 ，即 f 0 、Z 、Z 和 h 决定 了筛 管 的 结构 图 1 筛管双梯形缝结构示意图 1 ． 2 L B M模 型 格子 b o h z m a n n 方法的离散化速度模型为 re 6 ， t 一 r ， t 基金项 目国家 自然科学基金项 目 “ 可 自适应膨 胀防砂筛管及其应用技术基础研究 ” 5 0 8 7 4 1 1 5 ；国家 “ 8 6 3 ”计 划项 目 “ 3 0 0 0／ r l 深水防喷器组及控制系统的研制 ” 2 0 0 7 A A 0 9 A1 0 1 。 2 0 1 1 年 第 3 9卷 第 5期 李 夯等 基 于 L B M 方法的石 油筛管双梯形缝流动研 究 一 l r ， t 一 r ， t I ／ 丁 1 其中， r ，t 和 r ， 是与第 O L 个方向上的 速度 e 相对应的粒子速度分布函数和平衡态分布 函 数，丁表示无量纲的松弛时间，6 是时间步长。 e 表示离散速度矢量 ，采用 D 2 Q 9离散速度模 型 ，如 图 2所 示 。 ＼ ／ ＼ 图3 双梯形缝 的格 子模 型 定义变量 q如式 6 所示 q q 采用具有 二阶精 度的 G u o格式处理边界的分 布函数 ，其基本思想是将边界节点 的分布函数分为 平衡态和非平衡态 ，平衡态部分由一个虚拟的平衡 态分布函数代替 ，而非平衡态部分 由相邻流体节点 的非平衡态部分插值获得。 o流体 节点 固体 节点 -固体 的边界 节点 物 理边 界 上节点 图 4模 型 边界 描 述 边界节点 上待定 的分布函数表示为 ， t ’ r ， t 7 式 7 中右边第 1项表示平衡态部分 ，第 2 项表示非平衡态部分 ，“”表示碰撞后 。对 于平 衡态可表述为 ， t f 2 P 6 ， “ 6 ， t 8 未知值可由如下式子进行插值获得 当 g ≥q 时 ， P P r s 9 “ 1 0t I U “ 6 一 当 q q 时 ， P P 1 1 M q 1_g q 』 1 2 其 中，q 表示判断系数 ，可取 0 ． 7 5 ] 。 对于非平衡部分则 由流体节点上 的分布函数插 值来获得 当 q ≥q 时 ， ’ ， t r e ， t - f r i ， t 1 3 当 q g 时 ， ／ ’ g ， 一 _厂 re ， 】 1 一 g [f re ， 一 jgeq rsz ， ] 1 4 2 数值模拟 L B M 模型 的计算 网格 为 N xm y6 0 0 X 8 0 。 为 了方便起见 ，流场描述单位采用无量纲 的格子单 位 。人 口 f 0 4 0 ，出 口 Z 8 0 ，h 1 2 0 0 ，通 过 调 ，一 整 f 来控制 双梯形缝 的狭 窄程 度。可选择 如下 3 种不 同模型，如表 1所示 。 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 5期 表 1 双梯形缝模型 人 口处采用速度边界条件 ，边 界采用 G u o曲 线边界条件。分别对 MA、MB及 MC这 3个模型 进行计算。 2 ． 1 固定 时双 梯形 缝 的流场分 析 图5和图 6显示 了当 R e 3 0 0时双梯形缝内的 流线 图与涡线图。流线整体呈现规则 的平滑层流特 性 ，在缝 的人 口处出现速度环流，这主要是由入 口 处的渐扩结构所造成 的。随着转折处的增大，速度 环流区域逐渐减小。速度最大的区域均出现在人 口 处 的上下两侧。当转折缝宽是 5 0格子单位 时，双 梯形缝 的转折不明显 ，双梯形缝的尾端涡旋脱离明 显 ，当转折宽度逐渐增大时，双梯形缝尾端观察不 到涡旋的脱离 ，然 而转折发生 的前端涡旋脱离 明 显 ，并且转折宽度越大 ，脱离涡旋越小。由此可 以 看出，扩散角度越大 ，涡旋脱离越明显 ，并且越大 的扩散角 ，脱离涡旋的尺度越小 。 羹 筐囊墓鍪霎 ” 1 面 丽 0 b ． 转折 宽度6 O 格子 单位 C ． 转折 宽度7 0 格 子 单位 图 5 双梯形缝流线 图 8 6 4 2 a ． 转折宽 度5 0 格 子单位 b ． 转折 宽度6 O 格 子 单位 c ． 转 折宽度7 O 格 子 单位 图6双梯 形缝 涡线图 2 ． 2 不 同 如 下 双梯 形缝 的流场 分析 选取转折宽度 6 0格子单位 ，分别考察雷诺数 为 5 0 0 、7 0 0 、9 0 0及 1 1 0 0时双梯形缝内的流场 分布。 图 7和图 8分别为双梯形缝 的流体 图和涡线 图。从图 7 、图 8可 以看 出，不 同 m 的流体流过 双梯形缝时流场略有不 同，随着 船 的增大，中部 的速度环流逐渐变得狭长 ，靠近边界处的流动仍呈 现明显的层流状态。随着 的增大，靠近入 口边 界的涡旋脱离现象变得不明显。 X a Re500 8 6 4 2 8 6 4 2 b Re 7 0 0 X C ． Re 9 0 0 X d Re l 1 O0 图 7双梯形缝 流线 图 a ． Re500 b Re 70 0 c Re9O 0 d． Re 1 1O O 图 8双 梯 形缝 涡 线 图 2 ． 3 不同胁 与转折处宽度下双梯形缝的速度分析 将格子单位 与实际单位进行换算 ，取 人 口为 0 ． 4 mm，出口为 0 ． 8 m m，长度为6 m m，其余数据 皆按此 比例缩放。取流体粘度 为 0 ． 0 0 3 5 P a8 ， 计算结果如图 9和图 1 0所示 。由于较大的速度变 化主要集中在距离入 口很近的地方 ，所以仅研究筛 管径 向长度在 0 ． 0～0 ． 5 mm范围 内速度的变化。 2 0 1 1年 第 3 9卷 第 5期 李 夯等 基 于 L B M 方法的石油 筛管双梯 形缝 流动研 究 从图 9可以看 出，随着筛管径 向长度 的增大 ，速度 均值整体上呈减小 的趋势 ，由于速度环流的影响 ， 速度下降趋势在径 向长度为 0 ． 1～0 ． 3 mm的位置 有所减缓 ，不同 时的速度 图趋势基本相同。 0 7 0 6 ， 0 ．6 官 0 ． 5 坦 露 0 ． 5 越 0． 4 0． 4 O ． 0 0 ． 1 0 ． 2 O ． 3 0 4 0 ． 5 沿筛 管 的径 向长度 ／ mn l a ．Re 500、 60 0、 700 0 0 0 ． 1 0 ． 2 0 ． 3 0．4 0 5 沿 筛管 的径 向长 度 ／ mm b． Re800、 90 0、 1 0 00 图 9 不 同J R e时双梯形 缝的速度 措 筛 管 的 径 向 长 厦h／ m m 图 1 0不 同转折 处宽度 的双梯形缝 的速度 图 1 O采用 R e 5 0 0，由于 R e 相 同并且 粘度设 置相同 ，3种情 况下入 口速 度保 持一致 。可 以看 到 ，尽 管 初 始 速 度 一 样 ，但 是 随 着 径 向 长 度 的增 大 ，3种情况下的速度值变 的明显不同，转折宽度 越大 ，速度均值越小。 2 ． 4不 同 与 转 折处 宽度 下双 梯 形缝 的压 力分 析 图 1 1 显 示 了不 同 下 压力 沿 筛管 径 向的 变化 情 况 。 同样 ，压 力 的变 化 主要 集 中在缝 口处 ，所 以 研 究 0 ． 0～0 ． 5 mm 范 围 内压 力 的变 化 。 由 图可 以 看 出，压力 逐渐下 降 ，但是 在 0 ． 1 mm 左右 时变 缓 ，随着 尺 e的增大，压力值减小。 图 l 2为 R e5 0 0 ，不 同转折处 宽度下 双梯形 缝的压 力。从 图可 以看 出 ，随着转 折处 宽度 的增 大 ，总体压力均值减小 ，不同转折处宽度的压力均 值在不同位置差距基本相 同。 一 1 1 1 凸 _ 一 1 一 1 露 一1 出 一 1 一 ＼ 一 露 一 一 出 一 ＼ 一 一 出 一 沿 筛管 的径 向长度 ／ mm a ． Re 5 0 0 、 6 0 0、7 0 0 O． 0 图 1 1 0 ． 1 0 ． 2 0 ． 3 0 ．4 0 ． 5 措 筛 管的 径 向长度h ／mm b ． Re 8 0 0 、9 0 0 、 1 0 0 0 不 同 下 双梯 形缝 的 压 力 沿 筛管 的径 向长 度 ／ mm 图 1 2 不 同转折处 宽度 下双梯 形缝的压力 3 结 论 1 对不 同结 构 的双梯 形缝 流场 分析 表 明， 扩散角度越大 ，涡旋脱离越明显 ，并且越大的扩散 角 ，脱离涡旋 的尺度越小。随着 e的增大 ，中部 的速度环流逐渐变得狭长 ，靠近边界处的流动仍呈 现明显的层流状态 ，并且靠近入 口边界的涡旋脱离 现 象变 得不 明显 。 2 随着筛 管径 向长度 的增大 ，速度均值整 体上呈减小 的趋势 ，由于速度环流的影响，速度下 降趋势在径 向长度 为 0 ． 1～0 ． 3 mm 的位置有所减 缓 ，压力 亦呈现 逐渐下 降的趋势。转 折处宽度越 大 ，速度均值越小 ，总体压力均值越小。 下转 第 2 9页 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 2 0 1 1 年 第 3 9卷 第 5期 祝 效华等 扭转 冲击钻具设计与 室内试验 ～ 2 9一 的试制后 ，又对其进行室内试验和性能检测。试验 设备包括扭转冲击装置 、井下T具试验台 、压力传 感器 、Y 异步电动机 、P L C控制系统 、示波器及 夹具等。 将扭转 冲击装 置安装 于试 验 台上 ，连 接传感 器 、电动机 及 P L C控 制 系统 。定 轴 和 电 动 机 上 分 别装有 同步轮 ，电动机通过 同步轮带动定轴 同步转 动。P L C控制系统控制电动机的启动和停止及 电动 机运转 的参数设置与数据显示。 P L C控制系统装有变频器 ，通过其调节电动机 的转速和扭矩。为避免损坏试验装置 ，试验过程 中 电动机转速和扭矩 由e J , N大缓慢升高 ，电动机带动 定轴同步转动 ，滑动块 与传动轴 产生周期性 的碰 撞 。试验过程 中注意对 电源纹波的处理并控制变频 器对传感器信号的干扰 。 室内试验结果表明，扭转冲击副运转顺利 ，滑 动块与传动轴周期性 的碰撞可对传动轴施加周期性 的低幅高频扭 向冲击。 4 结 论 1 扭转冲击钻具 能减轻或消 除钻 头的粘滑 振动 ，提高硬地层机械钻速 。 2 扭转冲击钻具 长度小 ，对下部 钻具组合 的影响很小 ，无橡胶和 电子元器件 ，可用于高温环 境 ；流体压耗小 ，能量利用率高。 3 仿真分 析和室 内试验表 明 ，扭 转冲击钻 具工作原理正确 ，结构可靠 ，可给钻头提供周期性 的低幅高频扭 向冲击 ，有利于提高机械钻速 。 参考文献 [ 1 ] 菅志军 ，张文华 ，刘 国辉 ，等 ．石油 钻井用 液动 冲 击器研究现 状及 发展趋 势[ J ]．石油 机械 ，2 0 0 1 ， 2 9 1 1 4 34 6 ． [ 2 ] 杨 顺辉 ．液动射流式 冲击器 的研究 现状与 发展方 向 [ J ]．石油机械 ，2 0 0 9 ，3 7 2 7 3 7 6 ． 『 3 ] F e a r M J ，A b b a s s i a n F，P a r f i t t S H L ，e t a 1 ． T h e d e s t r uc t i o n o f PDC bi t s b y s e v e r e s l i p s t i c k v i b r a t i o n [ R]． S P E 3 7 6 3 9 ． [ 4] 冯定，卢运娇，余继华 ，等 ．涡轮钻具涡轮节模 块化设 计 方法研 究 [ J ]．江 汉石 油学 院学 报， 2 0 0 4，2 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