牛顿流体条件下偏心环空间隙雷诺数及层流区域方程研究

以平板流模型为基础,提出了偏心环空间隙雷诺数及其计算方法,并用偏心环空分区的概念,研究了偏心环空牛顿流体的层流区域方程。研究结果表明:偏心环空间隙雷诺数和偏心环空综合雷诺数存在不一致性,可用偏心环空间隙雷诺数来研究偏心环空的局部紊流和层流;可用偏心环空牛顿流体层流区域方程确定环空局部层流和紊流区域范围。     

幂律流体偏心环空流动中钻井液粘附系数研究

为了研究偏心环空中钻井液的粘附系数,建立了幂律流体偏心环空理论模型,用有限元软件Fluent对所建模型进行了模拟计算,分析了在环空紊流模型下钻井液粘附系数与套管运动速度及偏心距之间的关系,并对比分析了钻井液粘附系数和波动压力随偏心距的变化趋势。模拟中紊流计算采用κ-ε模型,假设幂律流体做稳定不可压缩流动。分析结果表明,当偏心距从0增大到完全偏心时,钻井液粘附系数减小值大于52%,受套管运动速度的影响较小,可以忽略;钻井液粘附系数和波动压力随偏心距具有相同的变化趋势,随着偏心距的增大,环空中波动压力逐渐减小,且从同心环空到完全偏心波动压力减小了74%。     

幂律流体在偏心环空中流动的Hanks稳定性参数

在水平井的钻井和固井作业中,井的环空是偏心环空,而偏心环空不同于圆管和同心环空,它是几何边界不规则的区域,从而给判定非牛顿流体在偏心环空中流动的稳定性带来了巨大的困难。利用幂律流体在偏心环空中流动的数值解,研究汉克斯(Hanks)稳定性参数,得到了如下重要规律:Hanks稳定性参数的最大值和最小值分别在偏心环空的最宽边和最窄边处,符合已有的实验观察结论;Hanks稳定性参数的最大值和最小值总是在靠近钻柱壁的位置处,即层流的失稳点总是从钻柱壁附近开始发生,然后发展到整个环空,这点对钻井和固井是极端不利的;偏心越严重,则在偏心环空的最宽边和最窄边处的最大Hanks稳定性参数相差越大,一般大于5~100倍,这充分地说明了偏心时最宽边处早已是紊流但是最窄边却仍然是层流,符合实验和工程实际情况。表明了汉克斯(Hanks)稳定性参数对水平井的钻井和固井作业中水力参数的科学设计具有重要应用价值。     

幂律流体偏心环空螺旋流计算机仿真

偏心环空螺旋流是钻井作业常见的一种流动,怎样方便、快速及高精度地计算其流速场与流量是一个重要问题.根据1987年Luo和Peden提出的方法,利用数值计算高级语言MATHCAD结合现代计算机仿真计算技术,对幂律流体在偏心环空的螺旋流动做了研究,得到了这种流动的重要规律.从算例可以发现:在其它参数不变的情况下,钻柱的偏心对幂律流体螺旋流轴向流量的影响非常大.最大偏心时,轴向流量是同心时轴向流量的2.635倍,是最小偏心时轴向流量的1.668倍;钻柱的旋转速度对幂律流体螺旋流轴向流量的影响较小,但随钻柱旋转速度的增加,轴向流量有所增大,钻柱旋转速度最大时轴向流量是钻柱旋转速度最小时轴向流量的1.013倍.     

偏心环空幂律流体层流螺旋流流量及压降计算

在石油钻井中,特别是在定向井、水平井的正常钻进时,井眼中的上返泥浆液流属于偏心环空层流螺旋流流型。钻井泥浆(一般视为纯粘性非牛顿流体)的层流螺旋流问题,国内外学者研究的较少,而对圆管内及同心环空流场研究较多。在定向井、水平井数量日益增加的今天,深入研究偏心环空中钻井泥浆层流螺旋流问题,就成为当务之急。为此,本文将泥浆近似地当作纯粘性幂律流体,依据流体力学原理,比较深入地研究了幂律流体在偏心环空中流动规律,探讨了信心环空中幂律流体层流螺旋流流场分布,提出了计算偏心环空中幂律流体层流螺旋流流量及压降的新方法,同时还分析了影响流量及压降的因素,新方法的计算结果与同心环空螺旋流计算结果做了对比,即用前人的有关结论与本文理论及计算方法进行了初步验证,结果表明,本文理论及方法完全正确,可供定向井、水平井钻井施工,水力参数设计时参考。     

幂律流体偏心环空流场的CFD模拟

在流体计算软件PHOENIcS的VR编辑环境中,在三维直角坐标系下建立了偏心环空流动的物理模型,采用正交网格和湍流模型及壁面函数法,对幂律流体的偏心环空流动进行数值计算,分析了幂律流体下流性指数和偏心度对偏心环空流场中速度、压力分布的影响.结果表明,正交网格和湍流模型及壁面函数法可以很好地反映出偏心环空流动的基本特征,为石油生产中常见的偏心环空流问题的研究提供了理论依据.     

幂律流体在偏心环空中流动的数值模拟

提出了一种在数学上适定的、用于描述偏心环空流场的微分方程,并对工程上常见的两类计算问题给出了求解方法:一是已知压力梯度求流速分布;另一是已知流量求压力梯度。实例计算表明,本算法具有精度高、运算速度快等优点,尤其是对第二类工程问题的计算比现有算法优越。同时,对照文中的数学模型可以发现现有文献中流传甚广、影响很大的算法的错误之处.     

幂律流体在偏心环空中流动的数值模拟

提出了一种在数学上适定的、用于描述偏心环空流场的微分方程,并对工程上常见的两类计算问题给出了求解方法:一是已知压力梯度求流速分布;另一是已知流量求压力梯度。实例计算表明,本算法具有精度高、运算速度快等优点,尤其是对第二类工程问题的计算比现有算法优越。同时,对照文中的数学模型可以发现现有文献中流传甚广、影响很大的算法的错误之处.     

幂律流体偏心环空螺旋流轴向速度分布规律的PIV实验研究

为研究幂律流体偏心环空螺旋流轴向速度的分布规律,建立了幂律流体的偏心垂直环空螺旋流动实验模型及实验方案。利用PIV系统拍摄各种工况下偏心环空螺旋流场中粒子的图像,对实验数据进行处理分析,确定了幂律流体偏心环空螺旋流轴向速度分布的主要影响因素。着重分析了压力梯度、黏滞性、内管旋转角速度、偏心度这些影响因素对偏心环空宽、窄间隙处轴向速度分布的影响规律,为解决石油工业中相关问题提供了有益的参考。     

偏心环空中幂律流体螺旋流的解析解及其应用

将钻井泥浆当作纯粘性幂律流体处理,较深人地研究了偏心环空中幂律流体层流螺旋流.提出了视粘度、速度、流量、压降及流动状态判别式的解析解;给出厂电算模拟示例通过室内验证及大庆油田11口井实际应用.表明了本文理论的精确性和实用性好.由本文的工作可知,在进行定向井水力参数设计时,造斜点以上环空压降可按同心环空螺旋流计算;造斜点以下可认为偏心度为100%.然后用本文理论汁算.     

幂律非牛顿流体平面流动的数值计算

提出了一种对非牛顿流体在微观孔道中流动进行模拟计算的改进方法,该方法较以往的方法快速而稳定,从而为进行大量数值实验提供了精确而有效的手段.首先对描述不可压缩幂律流体二维流动的偏微分方程组进行变换,形成流函数-涡度方程组以减少未知量个数.在对微分方程组进行差分离散化的过程中,用不定常解法求解定常问题,对平流项采用迎风格式,用3次样条求解速度场,用自动参数超松弛迭代求解流函数场.利用这一系列改进措施,获得了稳定快速的求解格式.给出了导出方法、计算公式以及程序框图,还给出了实际算例的计算结果,并提出了当前孔隙网络模型计算的改进方向.     

幂律流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的流量计算

建立了双极坐标系下幂律流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的控制方程、初始条件和边界条件方程,给出了瞬时流量和时间平均流量的计算公式,并介绍了幂律流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的流量计算方法。利用不同质量浓度的部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)水溶液,对在内管做轴向往复运动的偏心环空中的非定常流进行了实验,把由控制方程、初始条件和边界条件方程以及时间平均流量公式数值计算而得的平均流量与实验测得的平均流量进行了对比。结果表明,文中建立的控制方程、初始条件和边界条件方程、流量公式以及数值计算流量的方法都是正确的。     

小间隙井注水泥环空流动计算方法与应用

非常规井身结构中小间隙与小井眼段的注水泥环空流动与常规井眼有很大出入,采用常规流动计算方法来分析小间隙流动,则会造成很大的误差,影响到作业安全。为此,分析了小间隙对环空流态、流动阻力的影响,从理论上系统研究了小间隙注水泥流动的流态判别、偏心效应系数、摩阻系数等关键参数的计算方法,并提出了相应的修正方法:小间隙环空的水泥浆流变参数计算,应使用旋转黏度计600转和300转的读值进行流变参数计算,进而综合考虑流态、偏心、环空尺寸等影响因素,将环空进行分段,建立了深井固井环空流动摩阻计算模型。在中国西部地区应用了5口小间隙井,固井套管下入深度达到6 000m,小间隙井段长度达到2 000m,采用该修正方法计算的压力值和实际施工压力值的误差控制在1.5MPa以内,很好地满足了生产要求。     

H-B流体在小井眼同心环空中轴向层流的运动规律

根据不可压缩粘性流体力学及非牛顿流体流变学的基本原理,推导出Herschel-Bulkley流体在小井眼同心环空(合钻杆管体环空、钻杆接头环空及钻铤环空)中轴向层流的运动规律,分别得出了流量、流速和压降的简化解析式,定义了钻杆接头(或钻铤)环空当量长度和压降增比,给出了算例,为小井眼钻井工程的水力设计计算提供了理论依据和实用方法。     

黏弹性流体在偏心环空中非定常流的流量计算

给出了双极坐标系下黏弹性流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的运动方程、初始条件及边界条件,推导出平均流量计算公式;在利用有限体积法数值求解该控制方程的基础上,用平均流量计算公式对可视为黏弹性流体的HPAM水溶液在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的平均流量进行了数值计算;绘制了在不同环空偏心距、内管冲程和冲次下平均流量与压力梯度的关系曲线,并分析了它们对平均流量的影响;对比了黏弹性流体与幂律流体做这种流动的平均流量。分析结果对优化聚驱工况下抽油机的工作参数具有指导意义。     

流体密度计的刻度及计算方法

在对流体密度计的测量原理进行分析的基础上，提供了一套比较完整的数据采集及刻度系数计算方法。采用此多点刻度法计算的刻度系数，可以提高测量精度，降低误差，改善测井资料质量。     

稠油油井幂律流体流动视黏度模型

与常规油井相比，稠油油井产出液黏度较高，致使生产过程中出现泵效较低、悬点载荷变化大和调参困难等问题。针对稠油抽油机井举升过程，选用胜利油田5口油井产出稠油，通过实验分析其在35～100℃温度下的流变性，用幂律模式回归稠油幂律指数与稠度系数随温度变化的经验计算公式。以非牛顿流体流变学理论和人工举升理论为基础，按照不同的流动规律，给出稠油油井从地层到井口垂直井筒流动的运动方程和边界条件，并对其进行求解，最终得到视黏度模型。应用结果表明，该模型能够提高设计结果的精度，为稠油油井的优化设计及参数调整提供理论参考。图6表2参13     

幂律钻井液同心环空轴向层流压降的计算

幂律钻井液的同心环空层流压降的精确计算需要求解一个复杂的非线性方程。通过理论推导,将这个复杂的非线性方程转化成另一个等价的非线性方程,证明了该方程满足二分法求解的应用条件。基于二分法,对该方程给出了一个数值迭代算法,该算法具有稳定的迭代收敛性和较快的收敛速度,并且计算过程简单,适合于计算机编程实现。