1、本科毕业设计（论文）题目定向井扶正器周围环空流场数值模拟学生姓名XXX学号100XXXXX专业班级船舶与海洋工程101班指导教师XXX2014年6月18日中国石油大学（华东）本科毕业设计论文定向井扶正器周围环空流场数值模拟摘要定向井中扶正器是钻井和固井中必不可少的工具。通过文献调研，总结了扶正器的类型、作用和特性。基于流体力学理论，以井底型长型直棱扶正器为例，应用GAMBIT和FLUENT软件，针对扶正器环空流场进行三维数值模拟计算，得到环空内流体的速度分布和压强分布规律。通过结果分析，绘制了流体压力等值线图、速度矢量图及速度等值线图、流场流线图，结论认为流体在流经扶正器环空流场的时候，速度在
2、流入凹槽后会变大，在凹槽中心速度最大，周围速度较小。压力则是随着流体的流动在均匀增加通过扶正器之后会有一个明显的增加变化。关键词定向井；扶正器；环空流场；FLUENT；数值模拟中国石油大学（华东）本科毕业设计论文NUMERICALSIMULATIONOFTHEANNULARFLOWFIELDAROUNDDIRECTIONALWELLCENTRALIZERABSTRACTTHECENTRALIZERHASAVARIETYOFTYPES，ANDITWELLISANESSENTIALTOOLINTHEDIRECTIONALSUCHASINDRILLINGANDCEMENTINGTHROUGHTHEI
3、NVESTIGATIONANDSTUDY,THETYPES,FUNCTIONANDCHARACTERISTICOFCENTRALIZERSARESUMMARIZEDONTHEBASISOFANNULUSFLUIDDYNAMICSTHEORYANDUSINGGAMBITANDFLUENTSOFTWARE,THEBOTTOMLENGTHCENTRALIZERASANEXAMPLE,FORTHECENTRALIZERANNULARFLOWFIELDOFTHREEDIMENSIONALNUMERICALSIMULATION,GETTHEANNULUSFLUIDVELOCITYANDTOOTHPICKT
4、HROUGHDISTRIBUTIONAFTERTHEANALYSISOFTHERESULTS,ITDRAWTHEFLUIDPRESSURECONTOURS,VELOCITYDISTRIBUTION,VELOCITYVECTORDIAGRAMANDPATHSLINEMAPSTHECONCLUSIONTHATTHEFLUIDINTHEANNULARFLOWFIELDTHROUGHTHECENTRALIZER,THESPEEDWILLBECOMELARGEINFLOWINTHEGROOVECENTER,INTHECENTERHASMAXIMUMSPEEDANDPERIPHERALSPEEDISSMA
5、LLTHEPRESSUREISUNIFORMLYINCREASEDBYTHEFLUIDFLOWANDTHEREWILLBEASIGNIFICANTINCREASEINCHANGEKEYWORDSTHEDIRECTIONALWELLTHECENTRALIZERANNULARFLOWFIELDFLUENTNUMERICALSIMULATION中国石油大学（华东）本科毕业设计论文目录第1章引言111研究背景112国内外研究现状313研究内容4第2章扶正器521扶正器分类5211弹性扶正器5212刚性扶正器622扶正器组合作业923本章小结13第3章扶正器环空流场数值模拟1431扶正器模型1432扶正
6、器环空流场计算的物理模型1433FLUENT数值模拟17331模拟计算区域17332GAMBIT中网格划分18333设置边界条件2133扶正器环空流场参数2234本章小结26第4章环空流场计算结果分析2741残差曲线2742速度分布2743压力分布3244本章小结35第5章结论36致谢37参考文献38第1章引言1第1章引言11研究背景扶正器是固井和钻井过程中重要的一种辅助工具，其具有制造工艺简单，外形简单美观，工作周期长，扶正力大等特点。扶正器不单是可以克服原有焊接式扶正器容易发生脱焊的弊端，也能保障钻井质量、固井质量。图11为井筒剖面图图。图中所示扶正器位于立管和延伸管上。抽油杆扶正器是由抽
7、油杆扶正器杆体、设在该杆体上的两个扶正套以及设两者之间的扶正块三部分组成，其技术特点是两个扶正套对应的导向齿相互交错，扶正块两端也对应设有导向齿。抽油杆扶正器依托油管内壁与抽油杆扶正器的扶正块之间的摩擦力使其在油管内上下往复运动，每往复一次，扶正块将旋转一定角度，这样可以使扶正块有规则的旋转，从而避免因扶正块局部长时间的磨擦造成的损伤，不仅能提高使用寿命，而且还能节省修井成本。水文仪器立管套管电介耦合HE合延伸管连续缝筛扶正器图11井筒剖面图桥梁缝筛第1章引言2扶正器在钻井和固井当中都起到相当大的作用。（1）定向井钻井中扶正器重要性定向井的应用不仅在陆地上日渐广泛，在海洋钻井中应用广泛程度也越
8、来越大，如图12所示为海洋钻井的定向井示意图。到2000年，全世界完成定向井23385口，到2001年12月，我国共钻成定向井272口，其中胜利油田钻成定向井数量占全国总数量的805，数量达219口之多。在定向井钻井技术中，扶正器起了必不可少的作用，定向钻井中，用得比较多的扶正器有滚子扶正器和螺旋扶正器。扶正器在定向井中作用的相当重要，在定向井的增斜和降斜组合中，扶正器起在钻井过程中起支点作用，通过改变组合的受力状态，不但可以控制井眼轨迹，而且扶正器还可以通过增加在其下部钻具组合的刚性的方法达到巩固方位和井斜的目的。所以对于扶正器的研究意义是相当大的。（2）扶正器在固井中的重要性在定向井下套管
9、的过程中，由于部分井段斜率较大，使得套管偏心相当严重，很大程度的减弱了定向井固井的质量。保证套管居中的一个重要因素就是扶正器安放位置是否合理，从而才能真正地提高固井质量。使用扶正器不但能避免水泥窜槽的问题，还能极大程度地避开套管因为压差粘卡的原因而造成的危险。图12海洋定向井第1章引言3扶正器周围环空流场的研究，就是研究流体流动的速度分布和流动状态，探讨流体在扶正器和井壁之间的压力分布。在定向钻井中，合理设计抽油机的工作参数，可以有效防止抽油杆的偏磨。而在固井中，可以增加水泥浆的顶替效率，降低工程投资，最终建立钻井和固井的合理工作制度。因此，在钻井和固井过程中，对于定向井扶正器周围环空流场的研
10、究是相当重要的。12国内外研究现状到目前为止，国内外对于扶正器结构设计和周围流场的研究已经有了很大的进步。很多学者根据实验或者理论对扶正器的结构和周围流场都做过大量的分析和研究，以下从这两方面分别列举了国内外学者的研究。（1）对于扶正器结构的设计于会永、张传新1等人对稠油定向井加重杆和扶正器进行了优化设计，解决抽油杆的偏磨的问题。甘庆明2对定向井的油管扶正器的位置进行设置，扶正器可保持油管居中，做出尼龙可换式油管扶正器的新设计，并结合长庆油田的情况，总结计算了油管扶正器间距和其实际的应用效果。QIBIAO,X3提出摩擦力计算和定向井抽油杆柱扶正器的分布设计。（2）扶正器周围环空流场的研究实验方
11、面，历玉英4等人通过实验，建立了幂律流体环空流动模型，研究了偏心环空流动的特性，利用PIV（PARTICLEIMAGEVELOCIMETRY,粒子成像测速仪）进行实验研究。舒秋贵5等人研究了在旋流扶正器的作用下，螺旋环空流场产生的压降，并推导出了环空螺旋流场压降的计算公式。理论研究方面，张基达6钻井泥浆管道与环空流场统一的水力计算方法和理论基础，讨论并用特征化方法，将管道和环空流场空间水力计算方法统一起来，并指出了环空流场水力学的些许特性，但由于泥浆体系的复杂，流动方程精确求解较为困难。由于扶正器周围环空流场水泥浆体系复杂，流动方程精确求解又十分困难，而且水泥浆环空流动的实验受条件限制，所以解
12、决这一问题的有效手段可以用数值模拟。数值第1章引言4模拟方面，章敬7等人利用三维CAD仿真技术，以FLUNT软件为数值模拟平台，采用有限体积法散离方程组，对稠油定向井扶正器流场进行了研究，李洪乾8根据流体力学的基本理论体系，通过数值模拟的方法，建立环空流场的理论模型，研究了螺旋套管扶正器诱导的环空螺旋流动规律。孙宝江、高永海9等人利用FLUNT软件数值模拟了环空井筒内水泥浆流动，结果分析了流动不均匀度的影响的因素是流速、偏心度和流体的流变参数等。WIMPAULBREUGEM10数值模拟了同心环空紊流流场。13研究内容（1）扶正器。通过对不同类型、用途的扶正器文献调研，充分清楚地认识扶正器类型、
13、用途以及特点。（2）扶正器周围环空流场数值模拟。以井底型长型直棱扶正器为例，确定扶正器环空流场几何参数，应用GAMBIT三维仿真技术建立扶正器和套管之间环空的网格数学模型。以FLUENT软件为计算平台，采用SIMPLE算法，选取二阶迎风格式计算，确定边界条件。（3）环空流场计算结果分析。对环空流场进行数值模拟计算，基于FLUENT数值模拟结果，获得扶正器环空流场的速度等值线图、矢量图和流线图以及压力等值线图、矢量图。针对扶正器环空流场的流速和压力规律展开分析，观察流体流动的规律，了解流体流动的特性。第2章扶正器5第2章扶正器21扶正器分类各种各样的扶正器按不同材料或力学性质等可分为不同类型。常
14、用扶正器分为两类，一类是弹性扶正器，另一类是刚性扶正器。211弹性扶正器如图21为一种改良弹性扶正器结构示意图。扶正器上有抗磨杆、摩擦体、摩擦体压帽，滚珠安设在在摩擦体压帽中。摩擦体与摩擦体压帽相连。抗磨杆与滚珠之间的摩擦为滚动摩擦。抗磨杆上套有摩擦体。特征1滚珠（1）安装在摩擦体压帽（2）内。2在摩擦体压帽（2）中设有环形槽口，在环形槽口内安装有滚珠（1）。图22弹性套管扶正器图21弹性扶正器结构示意图1滚珠；2摩擦体压帽；3摩擦体；4抗磨杆第2章扶正器63径向孔设在在摩擦体压帽（2），在径向孔中安装上了滚珠（1），钢钉填补在径向孔外面。4抗磨体具有良好的弹性效果，可以随着油管内径大小的变化
15、而变化，摩擦系数较小的摩擦一般为滚动摩擦，不会产生磨损。扶正器的作用油管和抗磨体之间有两个力分别是径向的力和轴向方向的力。由于暂时的固定在壁面上，抗磨体与粗糙的油管内表面上摩擦不会产生磨损，所以这款扶正器自身不会受到磨损，这样可以增加油管和抽油杆的使用寿命，也能够保证抽油杆和油管不磨损。如图22所示为弹性套管扶正器，其中弓形扶正器这种产品的性能达到并超过API10D规范的要求，可在绝大多数井况中使用，这种扶正器具有高回复力和低送入力的特点，在直井，水平井和大斜度井中都可以很好的扶正套管。212刚性扶正器螺旋式、直条式以及半刚性等多种类型的扶正器都属于刚性扶正器。如图23所示图23刚性扶正器结构
16、示意图1本体；2扶正条；3滚轮；4滚轴第2章扶正器7为刚性扶正器结构示意图，由本体（1）、以及周围的一些扶正条组成，每个扶正条（2）上都有轴向分布的凹槽，滚轴（4）上套装有滚轮（3），滚轴和滚轮之间为间隙配合，在扶正条的凹槽里安放滚轴和滚轮，通过焊接扶正条来固定滚轴。特征A扶正器任意截面的滚轮所形成的外廓外径略大于扶正器扶正条所形成的外轮廓的外径。B滚轮设计成纺锤形，扶正器本体与位于任意截面的滚轮形成的外边轮廓为同心圆。作用扶正条上安装有可以沿着扶正器轴向方向滚动的滚轮，在套管下井的过程中，可以将与井壁接触处的套管串的滑动摩擦改为滚动摩擦，因此，就可以达到降阻的目的。（1）半刚性扶正器如图24
17、为半刚性扶正器示意图，半刚性扶正器中拥有非铰接式的环形匝箍，特别平而且环箍上焊有刚性的弹性片，这样的扶正器能够让管柱旋转，通过套管的旋转可以增加环空流场注水泥的顶替效率。图24半刚性扶正器第2章扶正器8图25是螺旋刚性扶正器示意图。其特点是扶正器的轴线和扶正条之间有一定的夹角,一般是30。这样的特殊设计能够使它具以下五个优点（1）扶正块与轴线间的夹角能够避免扶正块刮削井壁、嵌入地层的问题；（2）在遇到井壁不规则的情况时，可以有效的减轻工作过程中所受到的冲击阻力；（3）螺旋纹似得凹槽可以保证水泥浆在通过导流槽后形成旋流,进而提高水泥浆的顶替效率；（4）螺旋刚性扶正器可以最大限度得到提高与井壁的接
18、触面积，显著地提高固井质量；另外，此类扶正器是由优质合金铝铸造而成，不仅能够抵抗较高的冲击力，而且还具较大的屈服强度利抗拉抗压强度；（5）螺旋刚性扶正器结构过度比较平滑，在随杆柱放过程中的时候不会对井口设备造成损害。（2滚轮式刚性扶正器图25螺旋刚性扶正器第2章扶正器9如图26所示为滚轮式刚性扶正器，滚轮刚性扶正器本体设有有直带或螺旋带，带间是流线型导流槽，相比于螺旋式扶正器，滚动刚性扶正器在每条螺旋带上安装有2到3个滚柱，这些滚柱是由优质合金制造而成，并经热处理工艺处理。滚轮式扶正器在修井作业时，滚柱将和套管内壁接触形成支点，这样避免了修井管柱与套管接触的问题，使修井工作过程中遇到的滑动摩擦
19、转变为滚动摩擦，从而减少了摩擦引起的能量损失，可以提高修正井壁的质量，还能够保证井眼轨迹。另外，还有利于提供其传输效果，和保护扶正器和油层套管。这种扶正器，主要适用于研磨性底层。刚性扶正器有其自身的优缺点。其优点是，刚性扶正器具有很高的屈服强度，可以提供很高的支撑力，而且所需要的启动力和位移力较低，这样不仅保证套管顺利下入井内，还能使其在井内保持较高的居中度，以便提高修固井质量。另一方面，刚性扶正器的缺点也很明显。刚性正器会提高作业管柱的刚度，导致下放套管比较困难；另外，制造工艺复杂，成本较高等缺点，都影响了它的使用情况。22扶正器组合作业在钻井和固井中，扶正器应用相当广泛，如表21扶正器钻具
20、组合在钻井时的使用情况。在钻井中一般都是由扶正器组合来完成，也有单扶情况。表21使用扶正器钻具组合的情况图26滚轮式刚性扶正器第2章扶正器10井号钻头类型使用井段（井眼直径）钻具组合使用情况河148斜21PDC2159MM钻头扶正器扶正器（L1099M；L21053M）井斜降15/50M河148斜54PDC2159MM钻头扶正器（L1158M）井斜增08/50M王58斜16PDC2159MM钻头扶正器扶正器（L1099M；L2824M）井斜角0816/50M1降斜组合图27为降斜扶正器组合，扶正器在降斜组合中起支点作用。在作业过程中，可以在钻柱的下部合适位置加入一个扶正器（一般离钻头的距离一般
21、为1020M），所加的扶正器井壁上支撑着，使得下部的钻杆有一部分是悬空的，这时该扶正器以下的部分就类似于一个钟摆，依靠自身重力出现了一个钟摆力。该钟摆力使钻头井壁的下侧进行切削，使钻的井眼不断产生井斜，最终达到降斜和控制井眼轨迹的目的。在控制井眼轨迹时优先使用转盘式扶正器，尽量的使用转盘扶正器钻具组合，这样在井壁造斜结束后，可以用该组合继续增斜。另外，遇到需要稳斜和降斜的问题，也同样可以使用该组合解决。A）和B）两种情况转盘式扶正器不适用于井眼的控制A改用动力造斜工具可以实现在扶正器组合很难完成增斜、降斜的要求的情况；B在钻进的过程中经常出现方位偏差的情况。由于转盘钻扶正器组合不能控制方位，所
22、以不得不使用动力钻具来进行完成扭方位。特别是遇到井眼方位产生较大偏差的情况并且会造成脱靶时，只能使用动力钻具，不能使用钻盘钻扶正器。在降斜组合中要注意A）和B两点A工作时要保持低钻速、小钻压；B）在强降斜组合中，L1的长度对是衡量降斜能力的关键，L1越长则其降斜能力越强。但应该保证扶正器组合不能和井壁有任何其他的接触点。如图28所示为增斜组合，增斜钻具中以近钻头扶正器为支点，增斜钻具组合大部第2章扶正器11分情况是双扶正器钻具组合。根据杠杆原理设计增斜钻具。（2）增斜组合增斜扶正器组合以一个近钻头足尺寸的扶正器为支点，第二个扶正器和近钻头扶正器之间的长度需要根据两个扶正器之间钻铤的刚性大小和要
23、求的增斜率大小确定。使用中应注意AL1的长度越大，增斜能力就越小；B增斜扶正器组合的增斜能力随着近钻头扶正器的直径减小而减小直径减小；C扶正器的钻进压力越大，它的增斜能力就会越大；D钻进时要注意保持低转速。图28增斜组合图27降斜组合第2章扶正器123稳斜组合按稳斜能力可将稳斜组合分为强、中、弱三种类型。在稳斜组合使用过程中要尽量保持稳定钻压。如果因需要提高组合的稳斜能力，可以使用通过将双扶正器串联起来作为近钻头扶正器方法来实现。如图29所示为强、中、弱三种稳斜组合。另外，在靠近钻头大约20米左右的位置适当安装的扶正器来提高刚度能够达到稳定井斜和方位的目的，这里的“合适位置”包括扶正器的尺寸、
24、数量、安装位置等方面。4单扶组合如图210为单扶组合。单扶组合扶正器的安装位置对造斜特性的影响至关重要。当扶正器离钻头较近的情况时，钻具组合会有较强的增斜力，在一定的范围内，该类钻具的增斜力随着L的增大而增大；当L超过这一临界值时临界值与钻井条件有关，继续增大钻头与扶正器之间的距离则表现为降斜。所以，当使用单扶正器钻具控制井眼图29稳斜组合图210单扶组合第2章扶正器13轨迹时，可以通过改变L的大小，以达到降斜、增斜和稳斜的目的。23本章小结扶正器的种类多种多样，并且在整个石油开采的不同阶段都会被使用，例如钻探、钻井、固井、采油。在固井作业中，扶正器随套管下井前，用钢带把套管扶正器的在弹性片压
25、平、固定在一起，再通过来锁定装置来控制钢带。下井之后解除锁定装置，钢带失去束缚后，弹性片恢复到原状态，从而起到扶正的作用。扶正器按自身材料以及力学性质来分，可分为弹性扶正器和刚性扶正器，按组合性质来分，则分为增斜、降斜、稳斜以及单扶组合。扶正器在钻井中不仅有扶正的作用，而且扶正器还起支点的作用，在增斜和降斜的组合中通过改变组合的受力状态，来控制井眼轨迹。扶正器的加入提高了下部钻具组合的刚度，而下部钻具刚度的提高有助于稳定井斜和方位。另外，在修整井眼作业中，扶正器可以使井眼曲率变化更加平缓、圆滑。第3章扶正器环空流场数值模拟14第3章扶正器环空流场数值模拟以扶正器中的井底型长型直棱扶正器为例进行
26、模拟，扶正器周围环空内流场中假设以水流动。31扶正器模型如图31所示，为井底型长型直棱扶正器结构图。其中参数如表31所示。表31井底型直棱扶正器参数表套管直径（MM）工作外径D1（MM）总长L1（MM）D2（MM）L3（MM）158150120012020032扶正器环空流场计算的物理模型RE数是流体运动流态的重要判别准数REVD31式中水的密度，KG/M3；图31直棱扶正器模型第3章扶正器环空流场数值模拟15水的粘度KG/MS；D水力直径MM；V水的流速M/S；其中D为水力直径，公式为D4R32式中R（R2R2）/（RR）简化为RRR其中R外环直径MMR内环直径MMD4（RR）33扶正器周围
27、假设为水流动。其中，水的密度1000KG/M3，粘度0001003KG/MS，水的流速V05M/S，外环直径R158MM，内环直径R120MM。雷诺数的值RE10000为紊流状态。这里我们所采用的基于布辛涅斯克假设的双方程模型K双方程模型，是目前所有紊流模型中发展较为完善的模型。在双方程模型中，紊流的时间尺度和长度尺度，即紊流的量纲规定是紊动能K及其耗散率中导出的，K及则是由各自的模型化的输运方程求出来的。紊流物理量可表示为脉动值和时均值两部分。这里为简洁起见，如果没有特别指出，以代替表示时均量。给出以下标准K紊流模型的控制方程连续性方程0YVXU（34）X向动量方程XKXVYUYXUXXPY
28、UVXUUTT3221（35）Y向动量方程第3章扶正器环空流场数值模拟16YKYVYXVYUXYPYVVXVUTT3221（36）湍动能方程PYKYXKXYKVXKUKKTKT37）湍动能耗散率方程KCPKCYYXXYVXUKTT22138）式中U为X方向的流速分量V为Y方向的流速分量P为压力K为湍动能IIUUK21为湍动能耗散率JIJIXUXU为流体运动粘性系数T为涡粘性系数或湍流粘性系数。是紊流模型中的一个重要参数，取决于紊流当地结构的特性，而与流体物理性质无关。2222XVYUYVXUPTK39模型常数（WRODI,1980）C009，1C144，2C192，K10，13需要指出的是最初
29、在建立标准K紊流模型和确定模型常数时，都引入了一些假设和近似，因而它的普适性就受到损失。弥补的方法就是对模型常数进行修正，因此我们考虑对标准K紊流模型进行模型常数C的修正。参考前人的经验16，我们对C值进行以下修正在回流区内取0250C，其它流动区域取为090C。这就是我们提出的修正K紊流模型。第3章扶正器环空流场数值模拟1733FLUENT数值模拟331模拟计算区域如图32和33所示，分别为扶正器的纵剖和横剖面阴影部分为扶正器环空流场需要模拟计算的区域，图中的坐标原点以及坐标系已经给出。ZY图32模拟计算纵剖区域XY图33模拟计算横剖区域第3章扶正器环空流场数值模拟18332GAMBIT中网
30、格划分如图35和36所示，分别为扶正器环空流场视图以及网格模型图，通过创建节点、将点连线。再建面的方法，再生成实体，将三维立体图形画出来，在面上创建网格，采用的是三角体网格，选取最短边的40创建网格，生成整体结构网络。网格个数为230666个，点的个数为57580，面的个数为499607，如图34所示为FLUENT中网格检查的截图。图35扶正器环空流场视图图34FLUENT中网格数量检查截图第3章扶正器环空流场数值模拟19如图37所示，为扶正器环空流场的实体渲染图，结合图35和36可以看出扶正块的形状以及存在位置。如图37所示为FLUENT中网格检查图，由图可以看出在GAMBIT中所画的扶正器
31、环空流场的网格模型图是正确的，检查无误。图36扶正器环空流场网格模型图37扶正器渲染图第3章扶正器环空流场数值模拟20图39和310分别为扶正器环空流场横截面网格图和没有扶正器处的网格图，由图中可以看出扶正器在有扶正块的地方由于固壁之间间隙较小，网格较为密集。图38FLUENT中网格检查图图39扶正器环空横截面网格图第3章扶正器环空流场数值模拟21333设置边界条件选取1200MM长的井段，边界条件设置为顶部面为压力出口，底部面为速度入口其他都为固体壁面，如图35和表32所示。进口速度取05M/S，出口压力为01MPA。图311边界定义固体壁面固体壁面压力出口速度入口图310无扶正块网格截面图
32、第3章扶正器环空流场数值模拟22表32边界定义边（EDGE）名称（NAME）类型（TYPE）速度入口INLETVELOCITYINLET压力出口OUTLETPRESSUREOUTLET固体壁面WALLWALL33扶正器环空流场参数1设置介质属性操作DEFINEMODELSVISCOUS选择KEPSILON（2EQN）紊流STANDARD模式，NEARWALLTREATMENT中选择STANDARDWALLFUNCTIONS，点击CANCEL。操作DEFINEMATERIALS选择FLUENTDATABASE中WATERLIQUIDH2O图312KEPSILON模型第3章扶正器环空流场数值模拟2
33、32设置工作条件操作DEFINEOPERATINGCONDITIONS默认压强值为1ATM。（3）设置边界条件操作DEFINEBOUNDARYCONDITIONS，点击FLUID4设置选择WATERLIQUID，点击OK。设置PRESSUREOUTLET，如图314所示为压力出口设置。将GAUGEPRESSURE（PA）设置为100000PA，点击OK后退出。设置VELOCITYINLET，如图315所示为速度入口设置。将VELOCITYMAGNITUDE（M/S）设为05，COORDINATESYSTEM中选择CARTESIAN（X，Y，Z）X，YCOMPOMENTOFFLOWDRECTIO
34、N都设置为0，ZCOMPONENTOFFLOWDRECTION设置为05，均为常量。点击OK，确认后退出。图313边界设置第3章扶正器环空流场数值模拟24（4）设置计算格式操作SOLVECONTROLSSOLUTION，将其中离散运算设置为二阶迎风格式，如图316所示。图315速度入口设置图314压力出口设置第3章扶正器环空流场数值模拟25操作SOLVEINITIALIZEINITIALIZE，进行初始化，选择ALLZONES。将GAUGEPRESSURE设置为100000PA。ZVELOCITY（M/S）设置为05M/S，可以使得迭代计算加速收敛。操作SOLVEMONITORSRESDUAL
35、，打开残差监视器，如图318所示为残差设置截图。勾选PLOT后，将精度设置为1103，点击OK保存退出。图316二阶迎风格式设置图317初始化设置第3章扶正器环空流场数值模拟2634本章小结以井底型长型直棱扶正器为例选取了扶正器的模型，设置扶正器环空流场的参数，计算出雷诺数RE的值10000,所以扶正器环空流场中流体的流动状态为紊流，选择K双方程模型。在FLUENT数值模拟中首先给出环空流场需要模拟的计算区域，并标明计算区域的坐标原点和坐标系。在GAMBIT中得到了扶正器环空流场的网格模型和实体渲染图。并且导入FLUENT中后检查网格无误之后，得到网格的数量，并给出扶正器环空流场的中横截面有扶
36、正器的网格图和无扶正器出的网格图，网格划分好之后在GAMBIT中设置边界条件，将扶正器环空流场模型的下端口设置为速度入口，上端面设置为压力出口，其他的面设为固体壁面。保存为MESH文件后导入FLUENT中进行设置，分别设置了介质属性、工作条件、边界条件以及计算模式。图318残差设置第4章环空流场计算结果分析27第4章环空流场计算结果分析41残差曲线求解初始化，将Z轴方向速度设置为05M/SGAUGEPRESSURE按默认值初始化。打开残差监视器，观察计算残差。利用SIMPLE算法进行数值模拟计算，计算精度取0001，经过500次迭代后，满足残差要求，计算过程中的残差曲线如图41所示，计算结果如
37、图42所示。42速度分布（1）横截面流速分布图42残差计算最终结果图图41残差曲线第4章环空流场计算结果分析28通过FLUENT5/6,获得了速度矢量图等值线图和压力分布以及等值线图，取有扶正块处的环空横截面速度分布图如43、4所示。其中颜色越浅表明流速越大。由图43、4横截面的速度等值线图和矢量图可以看出，流体在有扶正块的地方流速大小相对于没有扶正块的地方较小，流速分布四角对称。流体在接近固体壁面的地方流速较小接近为0。图43横截面速度矢量图图44横截面速度矢量图第4章环空流场计算结果分析29图45所示为横截面上Z0、200、400、600、800、1000、1200的速度矢量图，由该图可以
38、看出，水在横截面Z0时速度约为048M/S约为05M/S,在流入扶正器之后，在凹槽处速度最大为逐渐变大，流出扶正器之后速度逐渐减小。图46为横截面Z450上无扶正块处的连线所得的散点图，由图可以更清楚的看出在没有扶正块的地方，流体在中间流速较大，四周接近股比的地方流速较小，接近为0，并且旋转对称。图45横截面Z0、200、400、600、700、800、1000、1200的速度矢量图第4章环空流场计算结果分析30（2）纵剖面速度分布图45为有扶正块处的速度纵剖面等值图，从图中可以看出流体从速度入口流进之后，速度不变，在进入扶正块之后，由于固壁之间间隙为4MM，流体流经时受到粘滞的作用所以速度接
39、近为0如图47所示为有扶正块处的纵剖面速度等值图，由图中可以看出，流体在流入扶正块之前速度不变，在流入扶正器之后，在扶正块与扶正块之间的空隙中流动时，速图47有扶正块处纵剖面速度等值图图46横截面Z450无扶正块处线的速度点图第4章环空流场计算结果分析31度变大，且中间速度大，在接近固壁的地方由于固壁的粘滞作用，所以流速较小，在流出固壁之后流速又恢复为原来的速度大小。（1）整体速度分布图49为整体速度等值线图,从图49中可以看出，水流在管中流速整体较小，在流经扶正块的时候流速变得更小，是因为水流从大的空间流向较窄的间隙，所以流速会减小。图410所示整体速度流线图，从流线图中可以看出，水在流经扶
40、正器的时候会产生回流。图48无扶正块处纵剖面速度等值图图49整体速度等值线图第4章环空流场计算结果分析32流速规律结论水在流入扶正器之前，流速改变较小，几乎为不变，在流入扶正器之后，在扶正块之间的凹槽中流速增大，在扶正块与套管固壁之间由于间隙较小产生粘滞的作用，所以流速特别小，接近为0在流出扶正器之后，流速又减小为刚开始流入扶正器时的流速值。43压力分布（1）横截面压力分布根据图411横截面压力等值线图和图412压力出口等值线图可以看出每个截面的压力都是相等的，压力从速度入口到压力出口一直在增加。图410整体速度流线图第4章环空流场计算结果分析332纵剖面压力分布如图413和414所示，分别为
41、有扶正块纵剖面压力等值线图和没有扶正块纵剖面压力等值图。由图413和414对比可以看出流体在接近扶正块处流动的时候压力减小，进入扶正器后流体在有扶正块的地方和无扶正块的地方压力相同，在没有扶正块的地方流出的时候压力是缓增的，在有扶正块的地方流出之后压力骤增。图411横截面Z450压力矢量图图412无扶正块压力矢量图第4章环空流场计算结果分析34（3）整体压力分布图415中可以看出压力，流体在流入扶正块环空之前压力大约为99822PA，在流入扶正块之前压力变化不是很大，流入扶正块的时候，在凹槽处是缓降的，在流入间隙处压力是突降的，整体压力变化趋势是一开始压力变化不大，流入扶正器之后压力是均匀降低
42、的，流出扶正块之后压力是增大的。图414有扶正块纵剖压力等值图图413无扶正块压力等值图第4章环空流场计算结果分析35流体压力结论水在流出扶正器之前压力变化较小，在流出扶正块时压力在凹槽处事缓降的，在扶正块处是突降的，在扶正器处流动时是均匀降低的。流出扶正块之后压力增大。44本章小结在FLUENT中进行500次迭代计算得到残差曲线逐渐收敛聚合，最终结果精度达到1104之后，满足要求。然后从中又分别得到流速的等值线图、矢量图和流线图以及压力的等值线图。由图中的到了流速的规律流体在扶正器环空流场中流动的时候，在未流入扶正器之前流速基本不变，在流入扶正器之后，在有扶正块的地方由于固壁间隙比较小产生的
43、粘滞作用，流速基本接近于0在没有扶正块的地方流速一直增加，流出扶正块之后流速逐渐减小。流体的压力规律流体在流出扶正块之前压力变化不大，流入扶正块时，在无扶正块的地方压力缓降的，在有扶正块的地方压力突降。图415整体压力等值线图998229907339879239894899448第5章结论36第5章结论论文通过对扶正器的文献调研，借助FLUENT软件对定向井扶正器周围环空流场模型的模拟计算进行分析和讨论。主要结论如下（1）通过文献调研，对扶正器的类型、作用、特性进行归纳总结，充分认识了解扶正器。（2）在对扶正器基本认识的基础上，以井底型长型直棱扶正器为例，选取扶正器模型，模拟计算区域，在GAM
44、BIT中建立扶正器的模型并且画网格，设置扶正器环空流场的物理参数，导入FLUENT中设置介质属性、工作条件、边界条件以及计算格式。（3）应用FLUENT62软件，通过对扶正器周围环空内流场的数值模拟，获得了扶正器周围环空流场的速度等值线图、流线图、矢量图，经过分析得出流体在扶正器环空流场中流动时，流速在未流入扶正器之前速度几乎不变，在流入扶正器之后，在有扶正块的地方，由于扶正块固壁与套管固壁之间距离为4MM,固壁对流体产生粘滞作用流速接近为0，在没有扶正块的地方流速一直变大到约19M/S。在固壁附近流速较小，流出扶正块之后流速逐渐减小。（4）通过对数值模拟结果的分析，得到扶正器环空流场压力规律
45、流体从速度入口流向压力出口的过程中，在流出扶正块之前压力变化不大，流入扶正块的时候在有扶正块的地方突降的，在没有扶正块的地方缓降的。在扶正块处流动时压力是均匀降低的，流出扶正块之后压力增大。其中论文还存在不足之处，由于本论文中选取的是直棱扶正器，流体在流经扶正器的时候不会像螺旋扶正器一样产生力和力矩，对于螺旋扶正器的研究将会是以后的研究的方向。中国石油大学（华东）本科毕业设计论文37致谢大学四年即将结束，毕业论文是我们在学校完成的最后一个任务，要想完成这个任务，仅仅靠自己的是很难完成的，所以要感谢我的老师、同学对我的支持和帮助。在老师的细心教导和同学的耐心帮助下，论文顺利完成，所以在这里我要感
46、谢XXX老师，我的老师细心又耐心，她每次都尽自己的最大力量帮助我解决问题，坐在我旁边给我指正错误，耐心的讲解错误的出处，帮助我改正。无论我遇到什么问题，老师总会不顾及她的休息时间，哪怕是晚点吃饭，晚点下班，老师重视的是每次的指导结果，老师的耐心是让我折服的，有的时候问题钻进死胡同怎么都解不开，老师都会耐心的检查我的错误，并且演示正确的做法。总之，每一次的教导，每一次的任务安排，每一次的答疑，都让我看在眼里记在心里，谢谢您，我的老师中国石油大学（华东）本科毕业设计论文38参考文献1于会永，张传新，李桂霞，雷旭东，柯贤贵稠油定向井加重杆及扶正器优化设计J科学技术与工程，20111011145147
47、2甘庆明，黄伟，郭方元，姚斌定向井油管扶正器设计及应用M西安油气工艺研究院，200933QIBIAOXTHEFRICTIONALFORCECALCULATIONANDTHECENTRALIZERDISTRIBUTIONDESIGNOFSUCKERRODSTRINGINDIRECTIONALWELLSJDRILLINGANDPRODUCTIONTECHNOLOGY1006768X，200424历玉英，刘扬，陈建业，周立杰利用PIV技术测量幂律流体在环空管道内的流场J大庆石油学院学报200610542455舒秋贵旋流扶正器作用下环空流场旋流衰减规律研究J天然气工业，2006,26286876张基达
48、钻井泥浆管道与环空流场统一的水力计算方法及理论基础J石油钻采工艺，19826623347章敬，程豪，梁程，马兆林，赵克勤基于FLUENT的稠油定向井扶正器流场数值模拟HTTP/WWWYQTDMGCCOM,2012118李洪乾螺旋套管扶正器诱导环空流场的数值模拟J石油钻探技术，20123202059孙宝江，高永海，刘东清水泥浆流变性分析及其环空流动的数值模拟JJOURNALOFHYDRODYNAMICS,200753030810BENDIKSJANBOERSMAWIMPAULBREUGEMNUMERICALSIMULATIONOFTURBULENTFLOWINCONCENTRICANNULIJHTTP/WWWSPRINGERLINKCOMFLOWTURBULENCECOMBUST201186113127DOI101007/S104940109295Y
