Актуальность исследования определяется необходимостью анализа особенностей рабочего процесса в аппаратах с соединениями произвольной геометрии, объединяющих/разделяющих течения вязких сред с целью точного и тщательного прогноза нештатных ситуаций их функционирования из-за выраженных тепловых и динамических нагрузок, обусловленных эффектами отрыва, перемешивания, влияния противодавления, эволюции структуры сложного сдвигового неизотермического внутреннего течения при контакте со стенками; потребностью обоснованного выбора с учетом возможностей современной вычислительной техники наиболее естественного подхода исследования пространственного и неустановившегося характера течений в указанных технических системах. Цель: определить проблемы современного уровня исследования течений в каналах Т-образной формы, являющихся одним из главных элементов технического оборудования в нефтегазовой отрасли; установить ценность имеющихся результатов экспериментального и теоретического анализа сложных сдвиговых потоков для совершенствования методик, способствующих повышению эксплуатационно-конструкционного уровня функционирования устройств при высоких динамических и тепловых нагрузках; определить данные для верификации моделей, способных с большей достоверностью прогнозировать особенности течений и тепломассопереноса в трубах; выдать рекомендации в практику расчета надежности устройств с Т-образными секциями. Методы: комплексные теоретические и экспериментальные методы анализа гидродинамики и тепломассообмена при вязкостно-инерционных ламинарных и турбулентных течениях углеводородных капельных и газообразных вязких сред во внутренних системах с T-соединениями магистрали и патрубка. Результаты. Выполнен критический обзор современных данных, методов моделирования и моделей исследований процессов гидродинамики и теплообмена при смешении капельных и газообразных потоков в элементах трубопроводных сетей в широком диапазоне изменений режимных и геометрических параметров (T-соединения, симметричное/несимметричное расширение, Re=102…107, M<0,3...0,7). Исследованы особенности, формирующие структуру течений в отдельных элементах оборудования, используемого в нефтегазовой промышленности (обвязки крановых узлов). Установлено, что закругление углов соединения способно уменьшить потери энергии в патрубке-отводе на 10–20 %. Проанализированы детали изменений структуры вихрей методами визуализации/бесконтактной регистрации. Приведена классификация структур, полезная при формулировке краевых задач в математическом моделировании процессов в нефтегазовом оборудовании. Отмечается, что использование пристеночных функций для моделирования течений в Т-переходах способно приводить к ошибочной оценке уровня пульсаций температурного и динамического полей в областях стенки. Подчеркнуто, что разделение течений, рост энергонапряженности в локальных участках соединения чувствительны к характеру конвективно-диффузионного взаимодействия процессов переноса импульса, тепла, механизмам отрыва, присоединения, локального ускорения/торможения, турбулизации потока в пристеночных областях. Эти особенности вполне успешно могут быть предсказаны современными моделями, учитывающими специфику течений с неоднородной анизотропной турбулентностью. В заключение даны рекомендации по прогнозу локальных и интегральных свойств течений с перемешиванием, а также отмечены проблемы, имеющие фундаментально-прикладное значение, составляющие предмет перспективных исследований.

Актуальность исследования определяется потребностью: уяснения современных достижений в вопросах моделирования процессов транспорта шламов в реальных условиях выполнения буровых операций, способствующих увеличению скорости бурения, повышающих эффективность очистки скважин; установления преимуществ/недостатков существующих подходов, современных моделей и комплексных методов описания динамики систем с частицами для эффективного воздействия на реологические свойства промывочных жидкостей; устранения причин потери оборудования. Цель: уяснение современного опыта моделирования процессов очистки скважин со сложной образующей ее ствола, преимущественно лежащего в горизонтальной плоскости; изучение особенностей течения смесей в межтрубном пространстве с круглым ядром; выдача рекомендаций в практику моделирования и расчета гидродинамических процессов, интенсифицирующих очистку. Методы. Теоретические и практические методы исследования из смежных областей гидродинамики и тепломассопереноса в реофизически сложных системах; методы численного моделирования ламинарного и турбулентного потоков в условиях прямоточного и закрученного течений способом вращающейся стенки вокруг своей продольной оси и орбитального вращения эксцентричного ядра (внутренней трубы с подвижной/неподвижной стенкой) относительно продольной оси буровой колонны, влияющих на формирование слоя шламов и динамику частиц дисперсной смеси. Результаты. Представлены результаты современных численных исследований процессов очистки скважин с горизонтальными участками. Приведены сведения об аспектах детального гидродинамического и диффузионного моделирования сложных течений в скважинах с криволинейной образующей. Сформулированы популярные в практике приложений модели и методы, привлекаемые для изучения характеристик течения и тепломассопереноса гомогенных и гетерогенных сред во внутренних системах. Обсуждаются аспекты моделирования процессов транспорта шламов в рамках эйлерова/лагранжева подходов с учетом особенностей, вносимых эффектами межфазного взаимодействия/вращения и способов закрутки. Представлены данные о деталях прогноза дисперсных систем с характеристикой влияния изменений реологических свойств (модели степенной жидкости, Гершеля–Балкли), формы/размеров частиц, режимов течения смесей, инерционных сил на интенсивность образования шламов. Проанализированы проблемы повышения точности моделирования транспорта шламов, возможности новых технологий, оригинальных моделей турбулентности и их опорных двухпараметрических динамических баз, привлекаемых для интенсификации и эффективности процессов очистки. Даны рекомендации по их решению в рассматриваемых гидродинамических и геометрических конфигурациях. Представлены результаты и отмечены проблемы, имеющие фундаментально-прикладное значение, составляющие самостоятельный предмет перспективных исследований.

Актуальность работывызвана необходимостью идентифицировать, понять, прогнозировать и контролировать физические механизмы, сопровождающие процесс очистки скважин от бурового шлама. Риск некачественной очистки создает условия, обостряющие процессы заклинивания трубы, управления скважиной, снижения скорости бурения, износа бурового специального оборудования, особенно при увеличении количества отверстий, пробуренных под большими углами. Такие экстремальные ситуации характерны для протяженных горизонтальных скважинах. В настоящее время они получили широкое распространение в силу своей повышенной производительности и исключительной эффективности в способах достижения определенных продуктивных пластов. Все это характеризует проблему поиска и разработки эффективных методов очистки скважин как одну из важнейших задач современного бурения. Цель: глубже понять явления в масштабе модели и фактически разработать методы прогнозирования процессов при гидравлической очистке горизонтальных скважин от шлама для определения приоритетов будущих научных и практических разработок процессов очистки. Методы: современные методы теоретического и экспериментального моделирования течений твердых частиц с потоком вязкой среды в ограниченных областях, характерных для задач нефтегазовой отрасли; практические методы исследования таких вопросов, как седиментация, коагуляции, течение реологически сложных вязких сред в затрубном пространстве скважин с произвольной образующей ее ствола. Результаты. Представлен обзор и анализ современных экспериментальных и теоретических результатов моделирования процесса засорения продуктами выработки горизонтальных скважин. Численно исследованы процессы и механизмы транспорта шлама на базе оригинальных редко используемых в практике приложений математических моделей. По результатам мониторинга процессов сформулировано множество критериальных связей и эмпирических правил, которыми руководствуются при техническом проектировании элементов оборудования и прогнозах оптимальных режимов гидравлической очистки. Критически оценены возможности моделей, методов, инструментария опытного оборудования для регистрации, прогноза и управления режимами поступательно-вращательного движения смесей в скважинах с криволинейной образующей стенки. Даны объяснения противоречивости наблюдаемых и рассчитанных процессов при гидравлической очистке в рамках используемого оборудования.

Актуальность исследования связана с практической необходимостью эффективной очистки скважин в технологиях современного бурения их протяженных горизонтальных участков, в которых важно контролировать динамическое давление, весьма чувствительное к изменениям реологических свойств буровых растворов, описываемых нетривиальными деформационными процессами в вязкопластических системах. В большинстве своем это жидкости типа Гершеля–Балкли с трехконстантными параметрами, каждый их которых способен существенно влиять на перепад поля давления, способность раствора выносить шлам через специфическую геометрию эксцентричного межтрубного пространства горизонтальных скважин. Изучение комплексного влияния параметров реологической модели ценно и актуально для оптимизации процесса очистки, предотвращения аварийных режимов функционирования скважин из-за опасности чрезмерного увеличения перепада давления в рабочих узлах оборудования. Цель: определение степени влияния изменений параметров модели Гершеля–Балкли на перепад поля давления; выяснение гидродинамических особенностей, сопровождающих внутреннее течение реологически сложной среды; выдача практических рекомендаций по интенсификации очистки и выносу шлама из горизонтальных скважин при минимальных значениях перепада давления, используя оптимальную комбинацию диапазона изменений реологических свойств бурового раствора. Объект исследования представляет собой скважину с десятиметровой горизонтальной эксцентричной секцией, в которой течение осуществляется в условиях, реально близких к фактическим параметрам бурения (in situ). Методы исследования базируются на комплексном физико-математическом и компьютерном моделировании процессов в механике гомогенных и гетерогенных сплошных сред, широко апробированных на классе внутренних реологически сложных течений, а также успешно прошедшие валидацию и верификацию результатов в соответствующих условиях и близких к режимам течений, тепло- и массопереноса, выполненных другими авторами по анализу технологических процессов бурения и очистки скважин. Результаты. Выполнено численное моделирование гидродинамики ламинарного дисперсного потока смеси неньютоновской капельной жидкости с твердыми частицами в кольцевой эксцентричной трубе. В рамках реального процесса бурения с характерными условиями вязкостно-инерционно-гравитационного несжимаемого изотермического течения вязкопластической среды с частицами песка сферической формы проведен детальный параметрический анализ пространственных эффектов, определяющих интенсивность массопереноса из-за изменения реофизических, геометрических и гидродинамических свойств течения и размеров скважины. Исследованы процессы, определяющие и повышающие эффективность очистки, посредством анализа факта: увеличения количества частиц, покинувших геометрию за характерное гидродинамическое время процесса; контроля механизмов переноса импульса и массы в смеси, а также управления увеличением перепада давления. Численное моделирование соответствовало сценариям течения смеси с разными параметрами геометрии (размеров длин, диаметров и эксцентричности труб) и бурового раствора (неньютоновской реологии). Установлено, что полная очистка скважины при использовании растворов типа Гершеля–Балкли во режиме бурения (in situ) в ламинарном режиме невозможна. В практику прикладных исследований предложены рекомендации путей эффективной очистки за счет коррекции реофизических свойств раствора. Показано, что самым эффективным методом улучшения очистки является метод контроля эксцентричности межтрубного пространства, а также метод управления геометрическим параметром, представляющим собой отношение между диаметрами труб. Практические рекомендации сводятся к необходимости контроля эксцентричности в диапазоне e<15 %. Определено, что из параметров модели Гершеля–Балкли индекс потока является важнейшим с точки зрения управления очисткой скважины. С его помощью создаётся «конвейерная лента» высокой вязкости, которая способна быстро транспортировать частицы шлама через геометрию.

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.