前置液流变性对顶替界面稳定性影响的数值模拟

借助计算流体力学(CFD)软件FLUENT6.20,对环空井筒内水泥浆顶替过程进行了数值模拟,模拟环空井筒外径0.24 m、内径0.18 m、高8 m.在顶替速度为0.4 m/s、偏心度为0.4的条件下,计算得到了顶替界面形状以及前置液流变参数屈服应力、稠度系数和流性指数对顶替界面稳定性及顶替效率的影响规律,并对数值模拟结果进行了实验验证.数值模拟结果表明,降低前置液的屈服应力、稠度系数及流性指数有助于提高水泥浆和前置液之间界面的稳定性和顶替效率.固井设计时要考虑界面的稳定性,对前置液流变参数进行调整.     

侧钻小井眼固井顶替效率数值模拟

保证小井眼固井质量的关键是如何用固井液把环空中的钻井液及井壁泥饼顶替干净。小井眼本身井况的复杂性(如井眼不规则、套管偏心)、顶替液与被顶替液的流体性质以及固井施工参数都是影响小井眼固井顶替效率的主要因素,因此需要开展相关研究,以认识各因素对固井质量的影响规律,并对固井参数进行优化。首先,基于计算流体力学相关理论与方法,建立了侧钻小井眼固井顶替数值模型,分析了固井顶替过程中顶替液与被顶替液之间的两相界面变化特征,揭示了小井眼固井的顶替机理;其次,基于小井眼固井顶替数值模型,模拟了幂律流体在小井眼固井顶替过程中顶替界面的发展过程,得到了顶替界面长度与顶替效率随顶替时间的变化规律;最后,根据数值模拟结果分析了顶替液与被顶替液流性指数与稠度系数、顶替液与被顶替液之间的密度差、套管偏心度和固井顶替排量对顶替界面长度与顶替效率的影响规律。研究结果成功指导了长庆苏里格气田首口侧钻水平井固井施工。     

深水气井测试条件下井筒水合物生成及浅层水合物分解的环空保护液导热系数

针对南海海域可能钻遇浅层水合物,且在深水井测试过程中井筒生成天然气水合物造成井筒堵塞的难题,从环空保护液的角度出发,以南海某深水气井为例,采用数值模拟方法,研究深水气井测试时不同产量下不同环空保护液导热系数对井筒生成水合物和浅层水合物分解的影响。结果表明：环空保护液导热系数越低,井筒生成水合物的临界测试产量越低,当环空保护液导热系数低至0.10 W/(m·℃)时,可满足产量5×10⁴ m³/d,井筒内不生成水合物;随着环空保护液导热系数降低,井筒外缘温度随之降低,浅层水合物越不容易发生分解;现场测试产量下的井口温度与模拟结果误差均小于5%,验证了计算模型的可行性。     

大位移井旋转套管固井顶替模拟分析

旋转套管固井可以改变顶替过程中流体的流场,增加周向的旋流和回流作用,更好地保障顶替界面稳定性,提高固井顶替效率。借助计算流体力学软件对大位移井旋转套管固井顶替进行数值模拟,并得到不同井斜角和井径扩大率条件下的最低套管旋转转速。结果表明:同一套管旋转速度,切向速度随着无量纲环空半径的增加而降低,随着井斜角的增加,截面旋流数在不同位置处各异,但总体趋于减小,套管旋转固井顶替效率明显改善,井斜角越大,改善效果越好;偏心度越大,环空同一位置处旋流数越大,窄间隙的旋流数明显高于宽间隙的旋流数,在偏心度大于0.4以后,顶替效率增加效果明显;环空截面同一位置处,井径扩大率越大,其产生的旋流数越大,旋流程度增强,有利于水泥浆固井顶替;采用旋转套管固井能有效改善复杂井眼条件下大位移井固井顶替质量和顶替效率。     

环空宾汉流体流量对顶替效率的影响规律研究

固井时水泥浆常常采用宾汉流体模型,因此许多学者对宾汉流体性质及流态做了大量的数值模拟研究,然而排量对顶替效率的影响规律的数学解析方程推导还未见报道。本文根据宾汉流体在环空中的层流流动特性推导出了顶替效率与注水泥的排量关系式,并且计算了不同流量情况下的顶替效率大小,计算结果表明:流量越大顶替效率越高,并且呈现线性关系,适当提高水泥浆的流量能够有效提高顶替效率,推出的流量与顶替效率的关系式对固井工程设计具有较大的指导意义。     

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。     

充气钻井环空弹状流稳态流动模型与实例验证

国内外针对弹状流(段塞流)管流的力学模型研究很少,且计算误差较大,无法应用于钻井工程。为此,针对充气钻井开展环空气液弹状流稳态力学模型研究,可准确预测和设计井筒流体参数。首先,借鉴国外研究成果,对钻井气液两相管流型态进行描述分析,推导出环空弹状流与泡状流的转换判别关系式,认为环空充气钻井液主要出现泡状流和弹状流两种流型,且充气钻井井深小于300 m的环空内为弹状流。然后,建立环空弹状流单元的物理模型,并对其流动参数进行解析计算。依据管流机械能守恒定律,建立充气钻井环空弹状流稳态力学模型,并给出数值解法。通过两井连通充气钻水平井(DNP02井)的实钻模拟,计算出的环空流动参数与现场实测数据非常吻合,误差小于5%。证实模型的理论体系完整,计算结果满足钻井工程需求,具有很好的通用性。     

理想电流变阀的流体动力学响应

根据Ｂｉｎｇｈａｍ流体塑性本构方程提出一种计算方法,分析了理想电流变阀中的非定常Ｐｏｉｓｅｕｉｌｅ流动的动力学过程．结果表明,理想电流变阀的响应时间不仅取决于流体的动力学粘性系数、阀间距和压力梯度,而且也与电流变液的屈服应力有关．用ＣＮ有限差分格式及近似Ｂｉｎｇｈａｍ模型的双粘性系数参数模型数值模拟了在相同情形下的动力学响应过程,两者符合得很好．     

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。     

顶替速度对粘砂套管水泥环胶结强度影响研究

套管粘砂增加了管壁的粗糙度,造成部分钻井液滞留在砂粒间无法顶替,降低了水泥浆的顶替效率和粘砂套管的胶结强度。通过分析幂律水泥浆在套管-井壁环空中轴向紊流流场,计算粘砂套管水泥浆的顶替效率,并在此基础上建立考虑钻井液滞留的粘砂套管胶结强度计算模型。研究结果表明:随着水泥浆顶替速度增大,粘砂套管顶替效率逐渐增大,顶替速度为2.9m/s时,粘砂套管胶结强度达到最大值;粘砂套管破坏位置主要发生在胶结剂-砂粒界面,砂粒粒径4～6mm和6～8mm粘砂套管的胶结强度分别为1.509MPa和2.480MPa。     

基于Herschel-Bulkley流变模型的 盾构螺旋输送机保压性能

为准确预测土压平衡式盾构螺旋输送机的保压性能,假定渣土为黏塑性流体材料,对螺旋输送机的进出口压差进行了理论分析,从能量转化的角度解释了保压能力的来源.采用计算流体力学模拟方法对螺旋输送机内渣土的运输进行了定常流计算,其中Herschel-Bulkley模型用于描述渣土材料的流变行为,且运用多重参考系法充分考虑了螺旋叶片的旋转作用,得到了渣土流变参数及螺旋输送机工作参数对保压性能的影响规律,并将模拟结果与室内模型试验结果进行了对比.研究表明:渣土的屈服应力、黏度指数及幂律指数越大,螺旋输送机保压性能越优异,其中黏度指数及幂律指数的影响较为明显;螺旋输送机机械能损失量与螺旋转速和出渣效率基本成正比,转速越快,出渣效率越高,则保压性能越优异,可用二元线性回归模型估测机械能损失量与螺旋转速和出渣效率之间的关系;模拟结果与试验结果的趋势基本一致,Herschel-Bulkley流变模型用于计算螺旋输送机保压性能基本可靠,但模拟结果对保压性能的预估偏保守.基于数值计算结果,提出了螺旋输送机保压性能的优化流程.     

密度差对水平段固井顶替界面影响规律研究

水平封固段的固井顶替效果是影响水平井固井质量的关键问题,居中度和密度差是影响水平段固井顶替效果的重要参数。本文基于国家超级计算中心天河一号大规模集群计算平台,采用Fluent软件对300 m长水平段偏心环空进行1 000 s的隔离液顶替界面的数值模拟实验,研究居中度和密度差对隔离液与钻井液顶替界面的影响规律。研究结果表明,在扶正器扶正条件和密度差设计许可时,尽量提高水平段套管居中度与密度差,可以达到理想顶替效果与固井质量。当井眼条件差、扶正器下入困难时,采用大密度差的浆体设计,可以大幅改善偏心环空窄边钻井液滞留,提高隔离液顶替效率与固井质量。当钻井条件限制无法采用合理的密度差设计时,提高水平段扶正器的扶正效果,可以大幅改善偏心环空窄边钻井液滞留,提高隔离液顶替效率与固井质量。本文研究结论对固井顶替施工具有重要理论与实践指导意义。     

模拟压裂作用对水泥环密封性破坏及改善研究

利用全尺寸水泥环密封性评价装置,研究了多段压裂作用下水泥环的密封完整性。分析了密封性破坏的机理;并提出了相应改善措施和评价标准。试验结果显示基浆水泥环在压裂交变应力作用下,加卸载次数较少时,水泥环密封完整性即遭到破坏;密封性失效发生在卸压阶段水泥环与套管之间的界面处。表明在套管内压高应力作用下,弹性模量较高的基浆水泥环中产生较大的应力,除了发生弹性变形还产生了塑性变形;卸载时套管弹性回缩,水泥环中塑性变形不可完全恢复而存在残余应变,导致二者在界面处的变形不协调一致而引起拉应力。随着压裂应力交变次数的增加,水泥环塑性变形不断累积,卸载后的残余变形和拉应力也随之增大。当拉应力超过界面处的胶结强度时出现微环隙,水泥环密封性破坏。采用掺入胶乳、弹性粒子等形成弹塑性水泥石,弹性模量降低并保持较高的抗压强度,压裂作用时水泥环中产生的应力相对其抗压强度较低,产生的塑性变形较小,因此提高了水泥环保持密封完整性时压裂应力交变的次数,改善了水泥环的密封性。     

高渗透水泥浆高温高压流变性研究

随着油气开采难度的增大,对固井质量和固井水泥浆添加剂的要求越来越高,需要研制开发出新型高渗透水泥浆体系。借助美国产Fann50流变仪,研究了温度和压力对高渗透水泥浆流变性的影响,并与常规水泥浆进行了对比。分析结果表明,一定压力下,高渗透水泥浆的动切力、表观粘度随温度的升高而逐渐降低,流性指数减小;一定温度下,压力对高渗透水泥浆体系流变参数的影响不如温度明显。高渗透水泥浆比常规水泥浆体系具有更好的热稳定性。运用宾汉、幂律、卡森、赫切尔巴尔克莱(H B)、带剪切稀释系数等5种模式对实验数据进行了拟合分析,结果表明,H B模式是描述高渗透水泥浆高温高压流变性的最佳模式。     

膏体流变参数影响机制及计算模型

首先对膏体物料特性开展量化表征研究,通过分析膏体细观结构的物质组成,提出了一种全面描述物料特征的综合指标——固体填充率;开展膏体流变实验,基于宾汉模型对流变曲线进行拟合获得相应的屈服应力及塑性黏度,分析了体积分数、质量加权平均粒径、不均匀系数、细颗粒及水泥质量分数等因素对流变参数的影响规律,并从细观结构的角度对其影响机制进行了解释,最终构建了流变参数关于固体填充率的计算模型.研究结果表明:相同条件下,膏体屈服应力及塑性黏度随体积分数增大呈指数增大,随物料不均匀系数增大而减小,随细颗粒含量增大呈先减小再增大的变化趋势.     

岩体裂隙中宾汉姆流体渗流模型

为研究粗糙单裂隙中宾汉姆流体的渗流规律，提出了描述岩体裂隙中宾汉姆流体黏性和黏惯性流动的渗流模型，并采用数值模拟和室内试验结果对模型进行了验证.在粗糙裂隙中，开展了不同流变参数的宾汉姆流体在大范围压力梯度下的渗流模拟，结合修正的Forchheimer方程分析了宾汉姆流体在不同裂隙几何参数及流变参数下的非达西系数β、临界雷诺数Re_○c、非达西效应因子E等变化特性.结果表明:由宾汉姆流体本构方程推导出的黏性模型能更好地描述黏性渗流.修正的Forchheimer方程能更好地描述宾汉姆流体在粗糙裂隙中的黏惯性渗流特征.粗糙度及流变参数会对渗流特性产生显著影响:裂隙粗糙度越大，浆液屈服应力越大;浆液塑性黏度越大，惯性作用越强.     

搅拌运输车罐内流体质心动态变化影响分析

利用FLOW3D软件对搅拌筒内自密实混凝土流体的流变参数进行了仿真验证,并利用标定后的流变参数对自密实混凝土流体在搅拌筒内的流动状态进行仿真,得到了流体的运动状态及其质心位移与侧向加速度变化结果。利用仿真结果,通过数值计算与有限元分析的方法,分析了混凝土流体搅拌时流体质心的动态变化对搅拌运输车侧翻稳定性,及主副车架受力的影响。综合分析结果,找出整车结构的不足,为提高整车侧翻稳定性、主副车架结构的优化设计以及设定车辆侧翻预警系统的临界阈值提供了更准确的依据。