煤矿大口径钻井环空固液两相流模拟研究

通过Fluent软件对大口径钻井环空泥浆、岩屑两相流动特性进行模拟研究,结果显示环空内液固两相流动特征在径向上呈对称分布,岩屑的体积分数在轴向上有增减变化,与环空压降和泥浆流速正相关。     

超短半径水平井钻头喷嘴多相流规律分析

为了解决高压射流钻进超短半径水平井技术中钻孔直径与钻孔深度间的矛盾问题,在考虑液固两相相间作用力的基础上,采用连续介质假设,依据液固两相双流体模型,对超短半径水平井钻头喷嘴内液固多相射流进行了模拟研究,并将结果同单相射流进行了对比。对比结果显示：单相与多相两种情况下液相轴线速度分布趋势基本相同,喷嘴轴线上湍流强度发展趋势一致;但当流动进入喷嘴直柱段并逐渐向出口运动时,单相射流液相轴线速度要低于多相情况下液相轴线速度,单相射流的湍流强度要高于多相射流条件下湍流强度;在喷嘴出口截面上,越靠近轴心液相速度越接近;反之,越靠近壁面液相速度差别越大,并且固相颗粒在喷嘴内壁附近存在速度超前滑移现象。     

水平井气液两相流动压降变化规律实验研究

随着水平井技术的完善和规模的不断扩大,水平井气液两相流压降计算对气田生产具有重要意义。现阶段水平井筒内流型判别研究都是将流动参数带入单独管段流型判别公式中进行预测。通过室内模拟水平井实验进行水平井气液两相流流动可视化研究,通过目视法观察水平井水平段、造斜段与垂直段在不同气液流速下流型变化并记录。将实验数据与现阶段常用流行判别式进行比对,为减小误差,对不同井段常用流型判别式进行评价优选。通过模拟实验,优选出不同井段的流型判别方法。在已知气量和液量的情况下,对压降进一步分析发现随着气体流速的逐渐降低,压降会存在骤变的现象,通过单独管段实验发现在压降发生骤变的气体流速下,持液率也会发生突然变化,结合实验观察得到现象得到了水平井临界携液流速的判断方法。通过对Beggs-Brill压降计算公式的修正,得到了准确率有明显提高的新公式,能降低水平井压降预测的误差。     

钻井液固控搅拌系统模拟优化

石油勘探中钻井液的混合效果直接影响钻井的速度和钻探工具的使用寿命。为有效提高钻井液的质量,对钻井液固控仓的搅拌系统进行优化设计。利用数值模拟软件对布置多台搅拌器的方形大固控仓内部流场和安装单台搅拌器并增加挡板的方形小固控仓内部流场进行模拟分析,通过设置多相流模型和湍流模型得到搅拌流场的速率分布、速度矢量分布及相同时间段内固相的浓度分布。结果表明,大固控仓内相邻搅拌器转向相反时可避免搅拌器之间的流动干扰,形成对称的较大的上下旋流,从而提高混合效果;在小固控仓的搅拌器四周布置挡板,可有效扩大搅拌流场的径向旋流区域,减少死角搅拌盲区的固相沉积,扩大轴向旋转区域,形成较大的上下翻转流动,有利于固液混合。模拟优化结果可为改善钻井液固控搅拌系统固液混合效果提供重要的参考依据。     

水平井段环空压耗研究

环空压耗是设计钻井水力参数的一个重要指标。文中在考虑了环空中岩屑颗粒存在不同运动形式的情况下，建立了水平井段环空压耗的理论和经验模式。利用现场两口水平井资料对经验模式进行了验证。结果表明，模式可用于大斜度井段和水平井段环空压耗的预测。     

煤层气直井井筒环空压力模型

为实现煤层气直井排采各阶段井筒环空压力分布的计算,为煤层气井的控压排采提供指导。结合国内煤层气井的生产实际,研究了以油管排水、环空产气为生产方式的煤层气直井,在排采各阶段的井筒内流体分布状态。提出了环空内的纯液流仅出现于煤层气解吸产出前;气液两相流阶段的环空内仅产生泡状流与段塞流;环空内气体上升不携液。基于此,采用水动力学方法,建立了3个井筒环空压力模型,分别为环空液体单相压力模型、环空气液两相压力模型以及环空气体单相压力模型,并给出了模型间的过渡条件及模型求解步骤,从而实现煤层气直井排采各阶段的环空压力分布计算。经41口井、共71组实测数据验证,所建立的3个环空压力模型,其计算结果与实测值的平均误差依次为:2. 70%,7. 96%及3. 80%,对煤层气直井井筒环空压力的计算具有一定准确性与实用性。     

大斜度井段岩屑床厚度计算模式研究

水平井、大位移井可以大幅度提高油气采收率,在油田开发中得到了广泛的应用,但该井型的水平井段尤其是大斜度井段易出现井眼清洁问题,造成卡钻等事故,从而影响机械钻速和井下安全,制约了复杂结构井技术的发展。深入研究了水平井及大位移井的大斜度井段岩屑运移规律,考虑钻柱旋转和颗粒间作用力的影响,分析岩屑受力情况,建立了环空岩屑床厚度计算程序,并进行了相关参数的敏感性分析,探究了钻井液排量、岩屑直径、流性指数、钻井液密度、钻杆偏心度、钻杆转速等对岩屑床厚度的影响。     

高翼螺旋钻杆内部气固两相流动数值分析

为了揭示高翼螺旋钻杆内部气固两相流动规律,采用Euler-Euler模型,对高翼片螺旋钻杆颗粒输运过程进行气固两相流数值计算,得到高翼片螺旋钻杆在不同转速下内部气体和颗粒两相的速度和压力分布规律。数值计算表明,在400 r/min时,截面内部速度分布和压力梯度均匀,转速为600 r/min时,在轴向中间截面产生压力不连续现象,截面内局部发生压力突变,此时内部流场分布紊乱。螺旋钻杆内部压强由进口到出口呈近似线性增长的趋势,转速越高,压力梯度越大,进出口压差也就越大,随着转速增大,螺旋钻杆中间截面速度依次增大,且静止域中速度明显高于旋转域的速度分布。随着转速增大,颗粒相速度依次增大,颗粒相的最大速度小于连续相最大速度。当转速为400 r/min时,颗粒相主要分布在静止域转筒壁面附近,螺旋钻杆内部颗粒分布较少,在惯性力作用下颗粒贴附在螺旋钻杆壁面螺旋推流,颗粒体积分数较为均匀,推流效率较高。当转速为600 r/min时,静止域内部中间位置转筒壁面附近颗粒体积分数较高,螺旋钻杆内部气固两相流动分布极不均匀,表现出显著的气固两相流动不稳定性。     

煤水两相流动管内表观滑移的数值研究与分析

水煤浆表观壁面滑移的存在会使管内的流动壁面的剪切力减小(正滑移)或增加(负滑移),造成了流动阻力的减小或增加.应用Fluent软件进行了水-煤颗粒管道内两相液固流动的数值模拟,结果表明:在所模拟的低浓度(固相体积分数小于30%)液固两相流中确实存在滑移现象,且固相体积分数低于10%时,近壁面处固相速度均大于液相速度,为超前滑移,30%浓度下近壁面处固相速度出现远大于液相速度,管中心速度液相大于固相,速度出现滞后滑移.而且,固相体积分数低于10%时,单位管长的压降变化率随固相体积分数增加而变化微弱,基本接近单相流动的压降,但固相体积分数超过10%以后,单位管长的流动压降随固相体积分数增加而迅速增大,能耗迅速增长.     

基于颗粒动理学理论的双梯度钻井数值模拟

针对常规深水钻井过程中孔隙压力与地层破裂压力之间的安全窗口较小的问题,采用基于颗粒动理学的Eulerian-Eulerian双流体模型以及液固两相流动的相关理论,对竖直井筒内双梯度钻井过程中岩屑和空心球的流动行为进行了模拟,同时分析了空心球密度以及钻杆转速对岩屑运移情况的影响。根据模拟结果得出了环空井筒内颗粒浓度分布、混合物静压力变化、颗粒速度分布以及颗粒拟温度变化情况。研究表明:注入空心球可以明显降低环空井筒内的压力梯度,减小空心球的密度可以更好的实现双梯度钻井的目的,同时改善空心球与岩屑的浓度分布情况。合适的钻杆转速可以提高岩屑与空心球的混合程度,使空心球和岩屑的浓度分布与速度分布变得更加均匀,避免产生岩屑沉积现象,提升岩屑运移效率。     

煤层水力割缝喷嘴特性的数值研究

针对圆锥收缩型喷嘴内的液固两相流动,采用标准k-ε湍流模型和分散颗粒群模型对喷嘴内的流场进行三维数值模拟。分析了喷嘴内液固两相的加速过程,并研究了出口直径为1.6 mm的喷嘴结构参数（圆柱段长度、收缩角）对磨料加速效果的影响。计算结果表明：圆锥收缩段与圆柱段交界处附近沿轴线方向的压力梯度可高达1 GPa/m,是高压流体和固体颗粒加速的重要区域;为了使磨料颗粒获得较好的加速,圆柱段长度应不小于8.75倍喷嘴出口直径,收缩角应取10°左右。     

超深井水力参数设计技术及应用

以超深井小井眼水力学基本特征分析为基础,通过分析超深井、小井眼条件下环空速度分布模型、压力梯度计算模型和钻柱内速度分布模型等水力学模型影响因素,结合实钻中环空间隙大小、钻柱旋转、高温高压钻井液性能对环空压降的影响,建立了超深井高温、高压的流体的流速和压力分布计算模型。计算结果与实钻相比较具有较好的贴合度,对于超深井的钻探有着指导性意义。     

煤层气井井筒流动状态研究

煤层气井在开采过程中必定经历气液两相流动阶段,气液两相流动的结果,必然导致煤层气藏压力动态发生变化。论文针对生产井井筒气泡段现象进行描述,分析其产生原因,以及如何通过套压、流量、产量等参数变化识别气泡段;适当控制套压对初见气时井筒流动状态以及气泡段的影响;不同套压对井筒流动状态和对气泡段的影响;针对不同生产阶段的井,依其状态优选合理的套压,总结出煤层气井生产过程中,井筒内气液两相的流动规律,定量地研究井筒内气液两相各参数相互之间的影响和变化,以及这些变化对井筒流态稳定性的影响。     

并流旋转床压降数值模拟与实验

为探索旋转填料床压降的影响因素,采用Fluent软件对填料直径360 mm、高150 mm的CRPB3615型并流旋转床进行气液两相数值模拟研究,与实验比较得到较好验证。结果表明：旋转床内压降分布是紊乱的,气体存在局部回流现象;在一定条件下,并流旋转填料床压降随液量和气量的增大而增大,随转速的增大而减小;在气液比300（体积比）时,转速为1 200 r/min最优。     

钻孔水力采矿中气举模型的建立

为得到在钻孔水力开采关键设备中气举（气力提升装置）设计所需要的压降参数，建立了气举提升管内的气－液－固三相流压降数学模型。该模型基于压力能量消耗最小原理，得出了在环状流态时具有相对稳定的流动状态。针对在此流动状态下，通过对修正后的气－液和气－固两相流压降数学模型的叠加，得到了适合于对小颗粒、均匀粒径矿砂开采时，工作状态下的气举内气－液－固三相流压降数学模型。模型求解与实验结果表明，该模型计算结果与实验数据比较吻合。     

固液搅拌槽内轴向流动特性的实验研究

在直径为300 mm的平底圆筒搅拌槽内,对固相体积分数为0.05%的固液两相体系轴向流动特性进行研究。采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对ZHX搅拌器进行流场测试,详细分析了挡板前和挡板中部的流场速度以及滑移速度的分布情况。     

固液泵的两相流动理论研究

对固液泵内两相流动进行理论分析，由两相流相对运动方程导出固液泵的基本方程式，并推导出两相流设计计算式，最后给出应用实例。     

浸出设备内部流场研究

对机械搅拌槽和流态化浸出器内固液两相流动进行了数值模拟研究,应用标准k-"模型及RNG k-"模型计算内部湍流运动,分析了不同转速、不同液固比条件下两种设备内部流场特性。结果表明,料桨速度随转速及固液比的增加而增大。研究表明,应用计算机模拟能详细直观的得到不同条件下的流动参数,表现出流动规律。     

固相密度对浮选机内固-液两相流悬浮均匀性的影响

借助计算流体动力学(CFD)方法,采用欧拉-欧拉模型研究了WEMCO浮选机内固-液两相流的流动规律,探讨了湍流模型、固相密度及转速对固液流场特性、固体分散均匀性和功耗的影响。结果表明：Shear stress transport (SST)湍流模型能更好地预测固液流场流动及固体分散性,流体在叶轮作用下形成上下两个循环流并呈中心轴对称结构。随着叶轮转速的增加,固体悬浮分散性显著提高,功耗呈指数增加。当固体密度增加时,固体悬浮均匀度ξ值与叶轮转速呈线性变化,固相密度越高越不利于悬浮分散。     

HW702水平井钻井液完井液技术

针对克拉玛依油田七中区佳木河组裂缝性油藏特点。为降低水平钻井扭矩和阻力,提高大斜度井段和水平井段的环空携岩效果,减少油层污染,在HW702水平井选用了复合离子型聚合物钻井液完井液,进行了抑制性加重钻井液技术研究、钻井液完井液环空携岩试验,并利用粗细碳酸钙、磺化沥青等对裂缝性油藏进行粒子架桥和可变形粒子的充填暂堵的保护油层方法,成功地钻成了HW702水平井。