基于粗网格模型（EMMS/Filtered）的水平井空气反循环岩屑多尺度流动行为预测研究

《Powder Technology》：Predictions on multi-scale flow behavior of cuttings in horizontal wells for air reverse circulation using coarse grid models

本文推荐采用粗网格模型（EMMS模型和Filtered模型）模拟水平井空气反循环钻井过程中岩屑的多相流动，重点分析了岩屑团聚体介观结构对运移效率的影响。研究表明，考虑滑移修正的Filtered模型能精确捕捉井筒底部岩屑聚集现象，且气体可压缩性会降低曳力系数并促进介观结构形成，为大尺度钻井工艺优化提供了高精度、低成本的数值模拟方案。

　　

^2. 气固双流体模型 (^{Gas-Solid Two-Fluid Model})

双流体模型包含气体和岩屑相的质量与动量守恒方程。气相和岩屑相的连续性方程可表示为：

?(ε_gρ_g)/?t + ?·(ε_gρ_gu_g) = 0

?(ε_sρ_s)/?t + ?·(ε_sρ_su_s) = 0

其中ε_g和ε_s分别代表气相与岩屑相的体积分数，u_g和u_s为速度矢量，ρ_g和ρ_s为密度。

气体流动遵循纳维-斯托克斯方程（^{Navier-Stokes Equations}），其控制方程由连续性方程和动量方程共同描述。

^3. 网格无关性与模型验证 (^{Grid Independence and Model Validation})

为验证解的网格无关性，生成三组均匀网格（粗网格4.5mm/76,370节点，中网格3mm/138,115节点，细网格1.5mm/414,240节点）。不同模型采用三种网格尺寸的预测结果与Tsuji和Morikawa的实验数据对比。实验管道长3.56米，直径30.5毫米，颗粒密度为1000kg/m3。

^4. 结论 (^Conclusions)

本研究采用EMMS模型和Filtered模型两种粗网格模型，对水平井空气反循环钻井过程中的岩屑流动行为进行模拟，重点探究了岩屑团聚体介观结构对运移的影响。

模拟结果表明：考虑滑移修正的过滤模型（^{Filtered Model with Slip Correction}）计算结果基本不受网格尺寸影响，可显著降低计算成本。