Ссылка для цитирования: Харламов С.Н., Джанхорбани Мехран, Зайковский В.В. Транспорт шлама буровым раствором в горизонтальных скважинах. Часть 1. Моделирование структуры дисперсных течений // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 10. – С. 34-48.

Актуальность исследования связана с разработкой технических решений для бурения скважин с горизонтальными окончаниями, при которых очистка кольцевого пространства от частиц пробуренного шлама в условиях гидротранспорта представляется технологически и экономически высокоэффективной по сравнению с другими, например, механическими способами. Цель: разработка вычислительной методики/подхода к детальному прогнозу и глубокому пониманию физического механизма влияния гидротранспорта на интенсивность очистки скважин. Причем стратегия такого исследования ориентирована на выбор условий течения и реологических параметров модели, при которых полученные подробные теоретические сведения об эволюции динамической структуры потока следует использовать при разработке расчетных методов и формулировке рекомендаций инженерному персоналу для предупреждений аварийных ситуаций. Объект: новый класс вязких течений дисперсных сред, индуцированных внешними и внутренними силами, характерными для функционирования специального оборудования, обеспечивающего движение бурового раствора со сложной реологией в скважине через эксцентричное кольцевое межтрубное пространство. Методы исследования соответствуют анализу гидродинамики и массопереноса при сложных сдвиговых течениях гетерогенных сред в пространственных областях с произвольной образующей ствола скважины, а также уяснению физической картины и условий очистки. Результаты. Данная работа представляет собой первую часть исследований, посвященных решению комплексных проблем, сопровождающих гидротранспорт реологически сложных смесей по скважинам с протяженным горизонтальным участком и их очистке от бурового шлама. В первой части представлены данные по обоснованному моделированию гидродинамики вязкой дисперсной смеси в рамках обращения к полным уравнениям, описывающим законы сохранения массы, импульса для выявления особенностей, установления закономерностей течения в эксцентричной области кольцевого межтрубного пространства, а также поиска путей интенсификации процесса очистки в условиях реального бурения. Предполагается, что вязкостно-инерционно-гравитационное движение жидкости типа Гершеля–Балкли с твердыми частицами (песка) выполняется в условиях развивающегося по пространству ламинарно-турбулентного, прямоточного и закрученного (методом подвижной стенки) течения. Отмечается, что формирование режимов с активным и консервативным действием внешних и внутренних сил позволяет проводить эффективную очистку межтрубного пространства. Выполнен анализ системы определяющих уравнений математической модели гидродинамики и массопереноса на предмет возможности учета изменений нелинейности теплофизических свойств, устойчивости к возмущениям на границах области течения и раздела фаз. Отмечается, что предсказание молярных процессов проводится в рамках современных статистических моделей RANS-метода и эйлерово-лагранжева подхода к описанию движения гетерогенных сред, реализованного в ПО ANSYS CFD. Показано, что в условиях реального бурения математическая модель успешна по определению спектра локальных и интегральных параметров гидродинамики и массопереноса в широком диапазоне изменений условий бурения, позволяющих уяснить эффекты седиментации частиц на нижнюю стенку, динамику отрыва вихрей и перенос частиц в низкорейнольдсовую область с взвешенным состоянием структуры смеси и инерционную зону ядра потока. Отмечается, что на интенсивность гидротранспорта вниз по потоку заметное влияние оказывают условия входа фаз, реологические характеристики раствора. Расчетами установлены области течения с удовлетворительным согласием динамических характеристик течения по предлагаемой модели с имеющимися опытными данными, например, напряжению трения, радиальным распределениям компонент вектора скорости раствора по длине скважины при различных углах отклонения ее ствола от вертикали. Более того, результаты настоящей работы следует учитывать при изложении материала второй части как дополнения к исследованию гидротранспорта по предложенной методике реального бурения горизонтальных скважин при оптимальных реологических свойствах раствора.