ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОСТНО-ИНЕРЦИОННОГО ЛАМИНАРНОГО ЗАКРУЧЕННОГО ТЕЧЕНИЯ В КРУГЛОЙ ТРУБЕ С ЭКСЦЕНТРИЧНЫМ КРУГЛЫМ ЯДРОМ

Abstract

Ссылка для цитирования:  Харламов С.Н., Джангхорбани М. Численное исследование вязкостно-инерционного ламинарного закрученного течения в круглой трубе с эксцентричным круглым ядром // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2021. – Т. 332. – № 11. – С. 7-21 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 (τ0, κ, n). Параметрический анализ динамических эффектов выполнен для диапазона изменений критериев: Россби Ro=0…5, Рейнольдса Re=102…103, Бингама Bi=5…15, эксцентриситета Δ=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.