泡沫钻井全过程井筒-地层耦合瞬态传热机理研究

泡沫钻井过程中，井下温度分布是影响井下压力平衡及控制、钻井液的流变性能、摩阻压力、井壁稳定等方面的重要因素，掌握其分布规律对钻井作业安全、快速地进行具有极其重要的意义。本项目在分析不同工况下井筒与地层之间热交换机制的基础上，建立了钻头钻进岩石的三维模型，利用有限元软件对钻头破碎岩石过程进行热-结构耦合仿真模拟，分析了钻进过程中钻头切削齿温度场、应力场的分布规律；建立了泡沫钻井循环期间和静止期间井筒-地层的物理模型和数学模型，模拟分析了泡沫温度、泡沫密度、泡沫流速等因素对井筒-地层温度场的影响规律；建立泡沫钻井多相流的压力和速度模型，分析井筒内多项流体在不同工况下的压力和速度变化规律；搭建了泡沫钻井实验平台，进行泡沫钻井全过程试验，通过正交实验的方法，研究了泡沫钻井液在循环和静止工况下，不同泡沫初始温度、不同泡沫上返流速和不同泡沫密度等因素对井筒-地层温度场规律的影响，验证了数值模拟结果的准确性，得出了适合冻土地层钻进的泡沫钻井液相关参数，为冻土地区泡沫钻进规程参数优选提供了理论基础。

泡沫钻井过程中，井下温度分布是影响井下压力平衡及控制、钻井液的流变性能、摩阻压力、井壁稳定等方面的重要因素，掌握其分布规律对钻井作业安全、快速地进行具有极其重要的意义。现有传热模型多数基于简单流体、单一工况或稳定流动状态条件下，且未充分考虑井筒热源项的影响，导致计算结果与实际工况差别较大。针对目前研究中存在的不足，本项目在分析不同工况下井筒与地层之间能量交换机制的基础上，综合考虑井内主要热源项对井筒温度的影响，建立泡沫钻井全过程井筒-地层耦合瞬态传热模型，并通过现场钻井试验来验证和优化模型，能够较系统地解决泡沫钻井过程中钻井液的循环压力和流速分析、循环温度和静止温度以及钻井过程中井筒和地层的温度分布的计算问题，得到井筒内多项流体在钻具接头、钻杆偏心、不同钻杆转速和起下钻等不同工况下的温度、压力和速度变化规律，为实现井筒压力控制、井壁稳定性预测和泡沫钻井规程参数优选提供理论基础。

流固耦合传热紧耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等开发了将流体及固体内所有物理过程进行瞬态紧耦合算法，能使计算结果与实验结果高度吻合。但是，该瞬态紧耦合计算需要消耗大量的计算资源，难以用于解决实际复杂工程问题。

根据问题的特征，有些研究者近似认为在计算时间内，某些参数的状态是不变的，进而直接将瞬态问题转化为稳态问题。对于绝大多说不能通过准稳态处理直接转化为稳态问题的瞬态问题，有些研究者主张保留耦合的非稳态特性，提出各部分分别进行瞬态求解,并通过边界条件、参数值及活动网格等方式进行实时信息交互的瞬态松耦合传热问题的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等针对高超声速流中固体表面带辐射及烧蚀相变过程的流固耦合强制对流传热问题，提出将流体 Navier-Stokes 方程与固体导热、辐射及烧蚀相变过程分别进行瞬态求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，直至迭代收敛。Lohner 等针对飞机气弹分析中带固体形变的流固耦合传热问题，将流体 Navier-Stokes 方程及固体导热和应变方程分别求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，同时利用固体应变方程的计算结果修正流体耦合边界位置和速度边界条件，直至迭代收敛。

流固耦合传热松耦合

有些研究者提出了基于准稳态流场的松耦合算法，即近似认为在整个流固耦合传热过程中，流场处于若干个准稳态，每一个准稳态的流场都使用稳态 Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos结合二维边界单元法和高超声速计算流体力学( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超声速流与机翼前缘的耦合传热问题。Chen 和Zhang等交替进行稳态流场计算与固体烧蚀和瞬态导热的松耦合算法计算了带烧蚀的流固耦合传热问题。2100433B

耦合传热是指固体壁面和两侧流体的传热。固体壁面和两侧流体的温度场将互相影响，通常必须同时确定。

耦合传热是指固体壁面和两侧流体的传热。固体壁面和两侧流体的温度场将互相影响，通常必须同时确定。通常传热问题要在一定边界条件下求解，然而实际具体问题往往并非完全如此，随着固体壁面和两侧流体间的传热，有限厚度或影响区内的温度场在不断改变。显然，固体壁面和液体内部的温度场必须同时求解确定。固体和流体界面很大程度并非问题解的热边界条件，实际上温度和热流都是一个更大系统的一部分，即要由固体壁面和两侧流体在一起的系统共同确定。

流固耦合传热计算 的关键是实现流体与固体边界上的热量传递。由能量守恒可知 ，在流固耦合的交界面 ，固体传出的热量应等于流体吸收的热量，因此 ，流固边界面上的热量传递过程可表示为

在求解流固耦合的瞬态温度场时，流体区域可按准稳态流场处理，即不考虑流场的动量和湍方程，则其控制方程式

固体区域控制方程以其基本导热方程表示为

流固交界面上不考虑发生的辐射、烧蚀相变等过程，则流固交界面上满足能量连续性条件，即温度和热流密度相等。具体控制方程式为

上述构成了流固耦合瞬态温度场控制方程，可以使用分区瞬态紧耦合算法进行求解。即在每个[t，t Δt]时间步长内，完成如下计算步骤：

1) 假定耦合边界上的温度分布，作为流体区域的边界条件。

2) 对其中流体区域进行稳态求解，得出耦合边界上的局部热流密度和温度梯度，作为固体区域的边界条件。

3) 求解固体区域，得出耦合边界上新的温度分布，作为流体区域的边界条件。

4) 重复 2) 、3) 两步计算，直到收敛。