小井眼钻井环空压耗计算与分析

环空水力学是小井眼钻井的关键技术,通过对钻井水力参数的分析和研究,结合小井眼钻井的实际情况,采用合适的流变模式来描述小间隙环空中的流动规律．并应用非牛顿流体力学的基本原理建立偏心环空螺旋流模型,对小井眼情况下的环空压耗进行了计算,进一步对小井眼环空中的压力损失进行了研究．所选择的模型层流时为偏心环空螺旋流模型,紊流时为考虑广义雷诺数、范宁摩阻系数、水力直径的模型．分别运用当量直径和水力直径,层流时通过迭代、积分,紊流时通过修正系数进行了求解,并与实验和现场数据相比较,经验证,此模型基本上满足现场需要．结果表明：①在小井眼钻井中,环空中的压力损失远大于常规井;②钻杆偏心及高转速对环空压耗的影响很明显;③在窄的环空间隙,需要建立准确的环空压耗模型来调整泥浆密度及钻井液的流变性能．     

幂律流体在倾斜旋转内管的偏心环空中层流流动近似解法

英国的Luo和Peden提出了用无穷多个不同外径的同心环空代替偏心环空来求解偏心环空中流体流动问题.本文用Luo-Peden方法对幂律流体在倾斜的同心环空中层流螺旋流和倾斜旋转内管的偏心环空中的层流流动问题进行了近似求解,得出了视粘度和速度分布函数、流量计算公式以及压力梯度方程.     

深水钻井隔水管段大尺寸环空压耗数值模拟

深水钻井过程中海水段隔水管环空中的水力学特性与常规井有较大差别。运用理论分析的方法对海洋深水钻井隔水管段大尺寸环空中的压力损失进行了研究,分析了环空泥浆返速、钻杆旋转速度、钻井液性能和环空尺寸等对压耗的影响,并与常规井眼环空压耗进行了对比。研究结果表明:在大尺寸环空中,对于幂律流体,在层流状态下环空压耗随钻杆转速的增加而减小;随着环空尺寸的增大,环空压耗急剧降低;随钻井液流变指数和稠度系数的增加,环空压耗呈指数增大和线性增大。本文可为研究隔水管环空螺旋流携岩规律提供帮助。     

偏心环空中Robertson-Stiff流体的波动压力计算模型

用窄槽流动模型模拟流体在偏心环空中的流动,结合流体流动的控制方程和Robertson-Stiff流体的流变方程,建立了稳态层流条件下的波动压力计算模型。利用自适应的辛普森积分法对其进行了数值求解,并对波动压力的影响因素进行了分析。结果表明,建立的Robertson-Stiff流体在偏心环空中的波动压力计算模型预测结果准确,采用的数值求解方法精度高,与已有的偏心环空波动压力计算模型结果对比误差在10%以内;在井眼环空处于完全偏心的情况下,波动压力梯度降低为同心环空的50%左右;当流性指数和管柱井眼尺寸比较大时,要对起下钻的速度严格限制。     

水平井段偏心环空中非牛顿流体层流流场的研究

对水平井段偏心环空中幂律流体和宾汉流体轴向流层流流场作了理论分析。把偏心环空视作变外径的同心环空，根据同心环空中流场分布规律，导出了水平井段偏心环空中轴向流速、剪切应力和剪切速率分布的数学表达式，并结合实验用非牛顿流体钻井液，绘制了各参数在偏心环空不同部位的分布规律曲线。解释了水平井段钻具的正偏心不利于岩屑携带的原因，并用实验结果验证了这一结论。初步建立了水平井段同心环空中层流螺旋流的微分方程。     

水平井段偏心环空中非牛顿流体层流流场的研究

对水平井段偏心环空中幂律流体和宾汉流体轴向流层流流场作了理论分析.把偏心环空视作变外径的同心环空.根据同心环空中流场分布规律.导出了水平井段偏心环空中轴向流速、剪切应力和剪切速率分布的数学表达式.并结合实验用非牛顿流体钻井液.绘制了各参数在偏心环空不同部位的分布规律曲线.解释了水平井段钻具的正偏心不利于岩屑携带的原因.并用实验结果验证了这一结论.初步建立了水平井段同心环空中层流螺旋流的微分方程.     

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。     

宾汉流体在钻井同心环空内轴向层流核及压降计算

针对石油钻井过程中钻井液在环形空间内的特点.对宾汉液体在钻井同心环空内轴向层流流动时流棱及流动压降进行了精确的理论分析.利用圆柱坐标系.导出了流场分布、流核尺寸及流动压降的理论计算公式.给出了便于现场应用的计算模式及有关的计算图表.有助于准确确定直井钻井过程中环空流核尺寸及流动压降.为更好地进行水力参数和钻井液流变参数设计,提供了参考依据.文中还从理论上对比分析了以前常用简化计算公式的计算误差.     

环空加砂压裂管柱流体压降分析及现场应用

连续油管(CT)水力喷射压裂技术是提高低渗透油藏开发效率的一种重要手段。选择压裂作业连续油管时需要考虑连续油管及套管的强度及尺寸,不仅要保证压裂施工作业过程中管柱结构安全可靠,而且还要保证压裂施工中高压力、大排量要求。环空喷射压裂作业就是为了满足现场施工大排量而采取的一种有效措施,然而,增大环空排量会增加环空流体摩阻压降,摩阻压降又会直接影响地面设备选择、以及井下压裂作业成功与否。因此,针对连续油管水力喷射压裂环空流的流动特点,通过理论分析及现场数据回归的方法开展连续油管环空喷砂压裂环空流体压降分析,主要研究内容包括:连续油管偏心、流体流变参数对压裂液环空流压降规律研究。分析结果表明:连续油管偏心降低了环空流体摩阻压降,且影响明显;流变指数及压裂管柱尺寸增加,油套环空流体摩阻压降增加;压裂液环空流压降为清水压降的36%,根据校正Gallego F理论模型可以准确预测压裂液环空流压降梯度变化规律。研究成果可为连续油管环空压裂施工及设计提供理论指导。     

水平井段脉冲携岩数值模拟研究

水平井钻井技术已成为现代油气勘探开发的重要手段,水平井段岩屑运移不畅造成钻井过程中的高摩阻和扭矩、卡钻和憋泵等情况,影响钻具的使用寿命和钻进安全,特别是使用现有的常规携岩方法无法解决,为此,提出脉冲携岩方法。在现有水力脉冲的基础上,根据分流继能机理,建立小井眼水平井岩屑运移的流场模型,采用RNG k-ε模型、幂律模式及二次开发子程序进行数值计算,确定脉冲携岩合理的脉冲周期、占空比等参数,并研究水力脉冲条件下钻井液排量、偏心度、岩屑粒径等参数对偏心环空岩屑运移的影响,得到环空岩屑运移速度和浓度的分布规律。研究表明,在同等条件下,脉冲携岩效率更高,破坏岩屑床效果更好,降低岩屑床浓度约40%。     

宾汉流体环空螺旋流层流流场的研究

本文对宾汉流体螺旋流层流流场进行了理论分析。研究表明,宾汉流体环空螺旋流流场存在流核,流核宽度随流体的动塑比增大而增大,随内管转速的增加而减小。流核视粘度为无穷大,管壁处视粘度为最小。文中导出了速度分布、视粘度分布、分层雷诺数分布的表达式及压耗和排量的计算式,并用实验证实了这些公式是正确的,可以作为钻井水力参数设计的依据。     

轴向变截面环空幂律流体内边界力的研究

在石油钻采工程中,井筒内流体多为非牛顿流体,在旋转杆管柱作用下做偏心环空螺旋流,而且偏心度沿杆管柱轴线呈任意变化.针对这一流体特性,建立了轴向变截面偏心环空幂律流体三维有限元模型,采用基于有限元的有限体积法,研究了流场分布规律及偏心度和转速对界面力的影响.计算结果表明:宽间隙侧最大轴向速度不变,旋转速度降低,窄间隙侧最大轴向速度降低,旋转速度增强.随着转速或偏心度的增加,流体对杆管柱作用的横向力和弯矩均增大,为进一步揭示和防治杆管偏磨提供了理论依据.     

环形空间内幂律流体螺旋流层流流场性质的分析

本文从理论上分析了幂律流体螺旋流层流流场的性质。为了验证理论分析正确与否,测量了五种浓度的聚丙烯酰胺水溶液环空螺旋流层流流场中的速度分布,证实实验结果和理论计算结果完全吻合。文中所讨论的螺旋流流场可以作为石油钻井井内流场的理想化模型。     

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%。     

水平井两层稳定岩屑传输规律研究

根据物质守恒定律和动量定理,建立了考虑岩屑床层中流体流动压降、悬浮层中岩屑颗粒受阻沉降的水平井偏心环空中两层稳定岩屑传输的数学模型,并用此模型进行了实例计算。研究结果表明,颗粒扩散系数方程中的实验回归系数应考虑成流速的函数,取值范围为0.014～0.020;考虑岩屑床中流体流动压降后计算的环空压降与实际情况吻合较好。     

幂律流体同心环空内层流脉动流的数值分析

建立幂律流体环空内层流脉动流的数学模型,采用SIMPLE算法进行数值求解,得到幂律流体环空脉动层流的流动特性。结果表明:幂律流体环空脉动流的流动特性与稳态流动时差异较大;环空脉动流在距入口非常短的一段距离内就可达到充分发展,且不同时刻的入口段长度随时间而变化;低脉动频率下速度分布曲线类似于稳态时的抛物形分布,高频率下壁面附近的速度分布曲线发生扭曲,振荡速度的最大值出现在壁面附近;内、外壁面的摩擦系数和轴向压力梯度均近似满足正弦变化规律,脉动频率、振幅和流体流性指数的增加均会使壁面摩擦系数和轴向压力梯度及其变化幅度增大。     

斜直井段和水平井段中环空岩屑运移机理的研究

以岩屑颗粒单元为研究对象，通过分析偏心环空各区域中岩屑颗粒的主要受力，预测岩屑颗粒的运移趋势。通过数值计算，分析了在流核区和速梯区中井斜角、岩屑直径、钻井液返速等对岩屑运移的影响，以及静岩屑床面岩屑运移的基本条件及主要影响因素，对钻进中旋转钻柱能提高岩屑运移行程的机理给出了合理的解释。研究结果表明，增大钻井液返速和保持钻井中钻柱旋转是避免岩屑下滑的主要措施；在斜井段及水平井段中钻柱不旋转，环空岩屑的运移主要靠动岩屑床的作用；增大静岩屑床面液流边界层的速度梯度有助于减小静岩屑床厚度。     

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。     

流体在内管做行星运动的环空中流动的压力梯度

利用待定系数法对牛顿流体在内管做行星运动的环空中流动的运动方程进行了变换,得到了给定流量条件下牛顿流体在内管做行星运动的环空中流动的压力梯度计算公式.采用有限差分法对水在内管做行星运动的环空中流动的压力梯度进行了数值计算.结果表明,压力梯度随环空偏心度的增大而减小,随流量的增大而增大.     

斜直井段和水平井段中环空岩屑运移机理的研究

以岩屑颗粒单元为研究对象,通过分析偏心环空各区域中岩屑颗粒的主要受力,预测岩屑颗粒的运移趋势。通过数值计算,分析了在流核区和速梯区中井斜角、岩屑直径、钻井液返速等对岩屑运移的影响,以及静岩屑床面岩屑运移的基本条件及主要影响因素,对钻进中旋转钻柱能提高岩屑运移行程的机理给出了合理的解释。研究结果表明,增大钻井液返速和保持钻井中钻柱旋转是避免岩屑下滑的主要措施;在斜井段及水平井段中钻柱不旋转,环空岩屑的运移主要靠动岩屑床的作用;增大静岩屑床面液流边界层的速度梯度有助于减小静岩屑床厚度。