Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра бурения нефтяных и газовых скважин

Компьютерное проектирование промывки скважин

Учебно-методическое пособие

Уфа

2013

Учебно-методическое пособие предназначено для изучения дисциплин «Компьютерное проектирование бурения скважин» и «Современные методы исследования, проектирования и обеспечения надежности нефтегазовых объектов» бакалавриатом и специалитетом направления 130500 «Нефтегазовое дело» профиля/специальности «Бурение нефтяных и газовых скважин».

Составитель: Соловьев А.Я., доц.

Рецензент: Исмаков Р.А., проф., д-р. техн. наук

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ................................................................................................................................. 4

1 Методы компьютерного расчета течения жидкостей

1.1 Описание нестационарного потока несжимаемой жидкости ...................................... 5

1.2 Описание спиралевидного потока несжимаемой жидкости ........................................ 12

1.3 Описание турбулентного потока несжимаемой жидкости .......................................... 13

1.4 Методы решения уравнений, описывающих течение жидкостей .............................. 20

1.5 Определение реологических параметров жидкостей .................................................. 25

2 Основы работы в системе «FEMLAB»

2.1 Возможные постановки задач, модели и типы анализа .............................................. 32

2.2 Последовательность решения ........................................................................................ 34

2.3 Построение сетки ............................................................................................................ 35

2.4 Конфигурирование решателя ......................................................................................... 40

3 Практикум

3.1 Расчет ламинарного установившегося течения в трубах ............................................ 44

3.2 Расчет турбулентного течения в трубах ....................................................................... 53

3.3 Расчет ламинарного установившегося течения в эксцентричном кольцевом пространстве....................................................................................................... 62

3.4 Исследование влияния вида реологической модели на параметры промывки эксцентричного кольцевого пространства скважины ....................................................... 70

3.5 Оптимизация промывки эксцентричного кольцевого пространства скважины ...................................................................................................... 74

Список литературы ............................................................................................................. 79

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее учебное пособие описывает возможности системы мультифизического моделирования «FEMLAB» версий 3.0-3.1 применительно к расчетам промывки скважин. Нынешнее название системы «FEMLAB» – это COMSOL Multiphysics – программный пакет, предназначенный для конечно-элементного анализа в различных областях физики и инженерного дела, включая рассмотрение связанных (мультифизических) задач. Возможности пакета освещены на сайте www.comsol.com. Среди областей его применения – механика конструкций, теплоперенос, инженерная химия (в том числе с учетом химической кинетики), электротехника, акустика, геофизика, связанные явления на микроуровне, оптические и высокочастотные эффекты. Уникальной чертой COMSOL Multiphysics является способность использовать аналитические возможности MATLAB. COMSOL Multiphysics обеспечивает эффективный обмен данными с популярными продуктами геометрического моделирования (Autodesk, Inventor, SolidWorks, CATIA, Pro/E, NX, SolidEdge и т.д.).

Из всего многообразия возможностей «FEMLAB» в пособии рассмотрено применение только одного модуля этой системы – Chemical Engineering Module ― совершенное средство анализа химических и связанных процессов. Этот модуль особенно удобен при рассмотрении процессов с одновременным учетом механики жидкостей и газов или транспортировки массы (энергии) и химической кинетики.

В первой части пособия рассмотрены уравнения математической физики, заложенные в программу, которыми определяются расчетные модели и расчетные схемы.

Во второй части освещены основные элементы интерфейса программы и приемы их использования.

В третьей части даны примеры решения практических задач, связанных с промывкой скважин.

Перечень задач, рассмотренных в пособии, не является исчерпывающим. Даны только те задачи, решение которых является базой для создания более совершенных моделей. Программа позволяет считать жидкости произвольной реологии, текущие в каналах сложной формы, поэтому ВУС, каверны, переходные потоки, вращающиеся колонны, турбулизаторы, амбары, отстойники, гидроциклоны – это все в ее возможностях. Как частный случай – фильтрация в пористых средах.

Модели, заложенные в программу, постоянно обновляются и совершенствуются. На сегодня применяется уже версия 4.3, возможности которой гораздо шире, но методология решения задач остается прежней.