偏心环空中稳态波动压力的理论研究

本文从理论上分析了偏心环空中管柱上下运行时引起的波动压力,导出了偏心环空中幕律流体的稳态波动压力的计算公式,从而为波动压力的计算提供了可靠的理论依据和计算手段,为大斜度井和水平井井身结构设计及井内压力控制提供了重要依据．为方便现场使用,给出了有关系数的计算图板。     

偏心环空中内管壁受非牛顿流体作用力的数值计算

由于聚合物溶液特有的非Newton流变性,聚驱抽油机井产生了诸如泵效下降、抽油杆偏磨等问题.为研究非Newton流体对内管壁的作用力,分别选用变系数二阶流体和幂律流体模型,建立了流体在偏心环空中流动的基本方程,以及内管壁受非牛顿流体作用力的数学模型;通过有限差分法对流动的基本方程进行了数值求解;并以HPAM水溶液为例,计算了内管做轴向匀速运动时受非牛顿流体的作用力;分析了压力梯度、偏心度、内管速度等对内管壁受力的影响.结果表明,内管壁所受流体作用力在x方向的合力Tx主要受法向应力差的影响,而合力的方向则受压力梯度、偏心度、内管速度等的共同影响;z方向的合力Tz与Tx相比在工程上可以忽略.     

赫-巴流体偏心环空紊流的数值模拟

针对钻井工程中经常遇见的钻井液、水泥浆等赫-巴流体在偏心环空中的复杂流动问题,应用FLUENT软件在紊流条件下进行数值模拟计算和分析,得到了不同参数下的赫-巴流体偏心环空流场特性。给出了偏心度、稠度系数、动切力等主要因素对速度和压力分布影响的规律性。结果表明,偏心度对偏心环空流场的速度分布影响很大,而稠度系数和动切力对流速影响不是很大,对轴向压力的影响较大。数值模拟对钻井工程以及其他领域中此类问题具有现实意义。     

变系数二阶流体在偏心环空中非定常流压力梯度的数值计算

建立给定流量条件下变系数二阶流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的瞬时压力梯度方程,给出这种流动的时均压力梯度公式及相应的数值计算方法;以HPAM水溶液为例,对其在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的时均压力梯度进行数值计算和室内试验。结果表明:环空偏心度对时均压力梯度有明显影响,内管冲程和冲次对时均压力梯度的影响不明显;试验验证了时均压力梯度公式及相应数值计算方法的正确性。     

倾斜偏心环空中宾汉流体层流流动

本文应用流体力学中的运动微分方程,建立了宾汉流体在倾针偏心环空中的层流流动模型。通过求解徽分方程得出了宾汉流体在该流动条件下的精确流速分布公式,并由此分析了倾针偏心环空宾汉层流流动特征,然后证明了当环空流速较高时,也就是当宾汉流体的屈服值г。与单位长度压降的比值较小时,宾汉流体层流最大流速“半径”P近似等于相同条件下的牛顿流体最大流速“半径”p1。文中也分析了由此产生的误差,结果表明当屈服值T。与单位长度压降的比值小于或等于0.01米时,相时误差不超过1,27%;最后进一步提出了精确计算该流动条件下的宾汉层流流量公式及压降公式。     

偏心环空轴向流动的级数解及其流量计算

采用坐标变换和函数展开成傅立叶级数的方法,推导出了牛顿流体偏心环空轴向流动速度场的严格数学解析解.     

波动压力约束条件下套管与井眼之间环空间隙的研究

利用一维不稳定流动的基本方程,对套管与井眼环空间隙不同时的波动压力进行了计算,绘出了环空间隙与最大井底波动压力之间的关系曲线。根据此曲线及地层破裂压力的最大极限值,可以确定某种尺寸套管与并眼之间间隙的最小值。研究结果表明,在套管与并眼间隙相同的条件下,套管尺寸越大,井底最大波动压力也越大。从控制井底最大波动压力的角度考虑,在确定套管与井眼之间的环空间隙时,大尺寸套管应采用较大的间隙。从波动压力因素方面考虑,由浅井条件所确定的套管与井眼之间的环空间隙同样适合于深井条件。     

钻井环空中赫巴流体内气泡的上升速度

气泡在钻井环空中的运动规律是井筒多相流的一个研究重点,气泡上升速度则是其中的一个关键参数。井筒 内各流型内气泡/气体上升速度的准确性很大程度上影响了井筒多相流描述的精确性。为此,按照含气率对环空流型 进行了划分,对各流型气泡的运动行为进行了分析。系统地总结分析了单气泡在无限流域中的滑脱速度及气泡纵横 比的计算方法。利用赫巴流变模式对气泡周围表观黏度进行了修正,通过实例对比分析单气泡在赫巴流体内滑脱 速度几个计算公式,认为Rodrigue 公式相对于Harmathy 公式来说是极大的提高,能适应不同形状的气泡,可作为泡状 流流域气泡滑脱速度计算的首选公式。通过对单气泡滑脱速度进行含气率、尺寸和井斜修正,得出了环空中各流型的 气体滑脱速度计算方法,过渡流型的气泡滑脱速度则采用线性处理,并对环空气泡滑脱速度随含气率变化关系进行了 实例分析。最终通过漂移流模型给出了计算环空气泡上升速度的方法。     

波动压力约束条件下套管与井眼之间环空间隙的研究

利用一维不稳定流动的基本方程,对套管与井眼环空间隙不同时的波动压力进行了计算,给出了环空间隙与最大井底波动压力之间的关系曲线。根据此及地层破裂压力的最大极限值,可以确定某种尺寸套管与井眼之间间隙的最小值。研究结果表明,在套管与井眼间隙相同的条件下,套管尺寸越大,井底最大波动压力也越大。从控制井底在波动压力的角度考虑,在确定套管与井眼之间的环空间隙时,大尺寸套管应采用较大的间隙。从叔动压力因素方面坏     

粘弹性流体偏心环空螺旋流的速度分布

聚驱螺杆泵采油井产出液是含有聚合物水溶液的油水混合物,这种产出液在螺杆泵采油井的抽油杆和油管所形成的环空中的流动可视为粘弹性流体偏心环空螺旋流。本文在利用变系数二阶流体描述粘弹性流体流变性的基础上,建立了粘弹性流体偏心环空螺旋流的控制方程。利用有限差分法对上述控制方程进行数值求解,得到了该流动的轴向速度、切向速度分布,并分析了环空内管自转速度、偏心度及压力梯度对轴向速度和切向速度的影响。     

深水井环空圈闭压力管理方案研究

除油套环空外,深水油气井套管环空圈闭压力无法释放,易造成套管挤毁等事故发生,需对环空圈闭压力进行管理,保障油气井生产安全。计算深水井在温度差下的环空圈闭压力,优化分析适用于深水的环空圈闭压力防治方法,结合管柱强度校核标准,建立深水井套管柱强度校核方法,最终形成环空圈闭压力管理设计方法。对于深水油气井,适用的圈闭压力防治方法为A环空压力释放、通过地层进行压力释放和套管外安装可压缩泡沫;考虑环空圈闭压力时,套管柱强度优选应同时采用平衡法和非平衡法进行套管强度校核;综合考虑防治方法和油套管强度校核结果,最终确定A环空圈闭压力控制范围,深水井环空圈闭压力管理方案研究对深水油气井安全高效开发提供技术支持。     

赫-巴流体同心环空流动的数值模拟

运用fluent软件在三维笛卡尔直角坐标系下建立同心环空流动的物理模型。分别对同心环空圆管中赫-巴流体层流和紊流流动进行数值模拟。得到流体在出口处以及流场内部的速度等值图。通过改变流变指数和动切力,进而分析各流场中速度的变化规律,速度大小以及速度分布情况,并将其进行比较分析。计算结果很好的反映出了赫-巴流体同心环空流动的基本特征。     

水平井偏心环空低速顶替运移机制研究

水平井固井顶替过程中,受限于现场设备,难以实现紊流顶替,而在层流流速区间内,两相流体在偏心环空中运移机制复杂。基于计算流体动力学方法,建立几何模型和数值模型,采用流体体积法对两相流体顶替界面进行追踪,研究了不同顶替流速下水平井偏心环空流体运移机制。结果表明,（1）低偏心度下,1倍隔离液用量能够实现90%顶替效率,而当偏心度大于0.5时,顶替效率相对较低,即使增加隔离液用量,也未能提高顶替效率;（2）针对套管严重偏心情况,将流速由1.0 m/s降低到0.2 m/s,有助于界面平稳发展,并多置换出6.8%钻井液,解决窄边滞留,宽边指进问题;（3）水平井偏心环空固井注替过程存在偏心效应、重力效应、黏滞效应等多方面影响,这些因素相互制约、相互作用,因此,针对现场实际井况,合理设计固井工艺参数,不仅能提高固井质量,还能起到降本增效的作用。     

双圆柱坐标及其在求解偏心圆环柱域内流动中的应用

文中论述了双圆柱坐标的概念,并推导了双圆柱坐标与直角坐标的变换关系。利用这些结果,可使偏心圆环柱城内的流动和传热问题的求解变得简便。     

间隙环流作用下的转子动力学性能分析

为研究间隙环流对转子动态性能的作用规律,根据流体的连续定理和动量定理建立了描述间隙环流运动规律的偏微分方程组,采用线性摄动方法将间隙环流内流体压力的稳态量和动态量分离,求解得到间隙环流动态作用力的表达式.为验证该流场计算模型,搭建了一个实验装置.使用有限元方法建立实验台干转子的动力学模型,通过实验测试干转子的固有频率,对动力学模型中法兰连接处的接触刚度等参数进行标定.将间隙环流的动态作用力分解为质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵的形式,施加到干转子动力学模型上,得到湿转子的动力学模型.求解该模型得到转子的动力学特征参数对于转子转速的变化规律.通过对间隙环流试验模型进行计算和实验测试,验证了该模型的有效性.研究结果表明,间隙环流能显著降低转子的固有频率,并能够在一定的转速范围内造成转子失稳.     

水平井筒流体质量流动压力梯度模型

建立了水平井筒油藏流体从管壁流入时孔眼段流体压力梯度模型。讨论了井筒有效管壁摩擦系数对流体压力梯度的影响,在此基础上,建立了同时考虑井筒流体流动和油藏渗流的井筒-油藏耦合模型。该模型将Dikken模型中沿整个水平段单位长度生产指数为常数的假定进行了推广,在给定条件下对压力降模型进行了讨论。计算了单个孔眼段的压力损失。计算结果表明,水平井段较长或产量较高时。水平段流体压力降比较明显。     

屈服幂律流体螺旋层流流动压降简化模型#

钻井过程中环空流动压降的准确预测能够为井底动压力的精确控制提供理论依据,避免出现因井底压力控制不当而导致的溢流、井漏乃至井喷等井下复杂情况。当前国内外学者针对不同钻井条件下的流动压降开展过大量的理论和实验研究,但现有研究成果很难实现螺旋层流流动压降的准确便捷预测。为了实现螺旋层流流动压降的准确便捷预测,在基于数值模型预测结果的基础上,建立屈服幂律流体螺旋层流流动压降预测简化模型,并利用仿真模拟和室内实验结果对简化模型的有效性进行了验证。结果表明:屈服幂律流体同心环空螺旋层流流动压降简化模型预测结果与实验结果和仿真模拟均吻合较好,简化模型预测误差仅为±5%。     

计算流体动力学的新领域2006

本书为“计算流体动力学”系列丛书的第4卷，前3卷分别于1994年，1998年和2002年出版。每一卷均献给一位对计算流体动力学有重要贡献的科学家，他们是A．Jameson，E．Murman，R．MacComack和D．Caughey。本书的作者是来自科学院、政府实验室和工业部门，