椭圆形井眼环空压力梯度预测与影响因素分析

井筒压力梯度的准确预测是井底压力精确控制的必要条件,其有利于减小井下复杂情况的发生。常规的压力梯度模型建立在井眼是圆形的基础上。然而,由于非均匀地应力的影响,实际井眼常常为椭圆形状,椭圆形井眼环空流动规律与圆形环空流动规律有着显著不同。基于流体力学的基本方程,笔者引入了有效水力直径,建立了椭圆形井眼环空流动的压降模型。研究表明,随着椭圆井眼尺寸比的增大,环空平均流速减小,压力梯度也随之减小;并且椭圆井眼尺寸比越大,环空环形方向高、低流速区域分级现象越加明显。另外,与CFD软件模拟结果相比,该模型的误差在±10%以内。影响因素分析表明,其他条件不变时,椭圆形井眼环空井筒压力梯度随流量、流体动切力和稠度系数的增大基本呈线性形式增大,而随流性指数的增大基本呈指数形式增大,模型能够用来计算椭圆形井眼的井筒压力。      

椭圆井眼同心环空赫巴流体流动规律研究及压降计算简化模型

因岩石和地应力的非均匀性易形成椭圆井眼,导致现有规则圆形井眼环空流动模型存在较大误差。为明确椭圆井眼同心环空赫巴流体流动规律,建立了解析模型和Fluent仿真模型,分析椭圆井眼对环空流速和压降梯度的影响规律;通过修正水力直径和引入有效黏度的方法建立了椭圆井眼同心环空压降计算简化模型,实现流动压降的准确快速预测,并利用解析模型、仿真模型和实测结果对简化模型有效性进行验证。结果表明:当流量一定时,轴向平均流速和最大流速随椭圆长短轴轴长比值的增大呈线性和指数型增加;无量纲压降梯度随椭圆长短轴轴长比值增大呈线性增加;简化模型与仿真模型、解析模型和实测结果均吻合较好,误差分别为±8%、±5%和±5%。研究成果为椭圆井眼同心环空流动压降准确快速预测提供了理论支撑。     

偏心环空中幂率流体层流流动特性数值模拟研究

Herschel-Bulkley模型（即屈服幂率模型）可用于研究非牛顿流体的流动特性,并能在大范围剪切速率条件下得到准确的预测结果。为此,采用有限体积方法（FVM）,研究了内部管柱旋转及流变参数（屈服应力τ₀、稠度系数K和流性指数n）对偏心环空（E=0.5）中Herschel-Bulkley流体层流区域的轴向、切向速度剖面与压降梯度的影响。研究结果表明,内部管柱转速从100 r/min增加至400 r/min时,会引起最大轴向速度增加,增幅为120%;较低的流性指数（n=0.2）会引起偏心环空宽区域出现二次流;内部管柱转速及流变参数的变化对偏心环空宽区域切向速度剖面有不良影响;内部管柱转速从0增加至400 r/min时,会引起不同偏心环空（E=0.2, 0.4, 0.6和0.8）内幂率流体压降梯度降低,降低幅度为10%。      

宾汉流体在环空中流动时的速度分布规律

将宾汉流体的本构方程与运动方程相结合,利用因次分析方法,推导出宾汉流体在环空中作层流运动时的速度分布规律.根据速度分布规律,讨论屈服应力和压力梯度等参数对宾汉流体环空层流速度分布剖面的影响:屈服应力增加,宾汉流体环空层流流动的速度分布与牛顿流体环空层流时的速度分布之间的差异加大,且流核宽度随屈服应力增加而增加;压力梯度减小,宾汉流体环空层流流动的速度分布剖面愈扁平,即流核宽度增加.     

宾汉流体在环空中流动时的速度分布规律

将宾汉流体的本构方程与运动方程相结合,利用因次分析方法,推导出宾汉流体在环空中作层流运动时的速度分布规律.根据速度分布规律,讨论屈服应力和压力梯度等参数对宾汉流体环空层流速度分布剖面的影响屈服应力增加,宾汉流体环空层流流动的速度分布与牛顿流体环空层流时的速度分布之间的差异加大,且流核宽度随屈服应力增加而增加;压力梯度减小,宾汉流体环空层流流动的速度分布剖面愈扁平,即流核宽度增加.     

偏心环空中幂率流体层流流动特性数值模拟研究（英文）

Herschel-Bulkley模型(即屈服幂率模型)可用于研究非牛顿流体的流动特性,并能在大范围剪切速率条件下得到准确的预测结果。为此,采用有限体积方法(FVM),研究了内部管柱旋转及流变参数(屈服应力τ0、稠度系数K和流性指数n)对偏心环空(E=0.5)中Herschel-Bulkley流体层流区域的轴向、切向速度剖面与压降梯度的影响。研究结果表明,内部管柱转速从100 r/min增加至400 r/min时,会引起最大轴向速度增加,增幅为120%;较低的流性指数(n=0.2)会引起偏心环空宽区域出现二次流;内部管柱转速及流变参数的变化对偏心环空宽区域切向速度剖面有不良影响;内部管柱转速从0增加至400 r/min时,会引起不同偏心环空(E=0.2, 0.4, 0.6和0.8)内幂率流体压降梯度降低,降低幅度为10%。     

连续管幂律流体流动及压降影响因素分析

幂律流体是石油工程领域应用非常广泛的非牛顿流体,为了研究其在连续管螺旋管段的复杂流动状况和压降变化,基于Fluent软件模拟了幂律流体在螺旋管内的流动,分析了管径、滚筒直径、入口速度、流体密度、流体稠度系数以及幂律指数对压降的影响,得到了截面上的压力和速度分布,总结出了螺旋管压降随各个参数的变化规律:在直管段截面压力和速度呈同心圆状规则分布,而在螺旋管截面压力和速度则向外凹陷;螺旋管的湍流核心区较直管段减小,说明曲率增大导致黏性力的作用范围变大;油管压降随入口速度、流体密度、稠度系数和幂律指数的增大而增大,其中幂律指数的影响比稠度系数大得多;压降随管径的增大而减小,滚筒对压降的影响可以忽略;当流速很高时,为了减小压力损失,保证平稳流动,应在保证所需井下压力的基础上选择管径稍大的油管。研究结果可为现场确定连续管和流体的相关参数提供理论指导。     

用PIV技术测量幂律流体同心环空螺旋流的流场

为研究幂律流体同心环空螺旋流的流动特性,建立了流体的同心环空螺旋流动实验模型。利用PIV(粒子图像测速仪)系统拍摄各种情况下环空螺旋流场中粒子的图像,对数据进行分析处理。结果表明:幂律流体在同心环空管道内做螺旋流动时,流量、流体黏滞性的增大或内管旋转角速度的减小都可以使压力梯度增大;其它条件相同时,压力梯度或流量的增大可以使轴向速度增大,促进紊流发生;压力梯度一定时,黏滞性的减小或内管旋转角速度的增大可以使轴向速度增大,促进紊流发生。将所有工况下实测速度与理论计算速度进行对比,最大相对误差为4.8%,理论与PIV测试实验结果吻合得较好。     

钻柱偏心旋转对环空摩阻压降影响的数值模拟研究

准确预测钻柱偏心旋转工况下的环空摩阻压降是复杂结构井控压钻井的重要理论基础,但常规钻井液环空摩阻压降计算方法无法直接计算复杂结构井的环空摩阻压降。为此,应用数值模拟方法,分析了偏心度（0～67.42%）和钻柱转速(0～114.65 r/min)对典型环空（Ф127.0 mm钻杆和Ф215.9 mm井眼）中摩阻压降梯度的影响。分析结果表明：偏心度小于45.00%时,转速和偏心度对摩阻压降梯度影响较弱,摩阻压降梯度随转速增大略有降低,随偏心度增大而增大;偏心度大于45.00%时,低转速（<60 r/min）下摩阻压降梯度随偏心度增大而降低,高转速（≥60 r/min）下摩阻压降梯度随偏心度增大而略有增大。基于数值模拟结果,建立了偏心度分类的无因次偏心环空摩阻压降梯度预测模型,计算了南海某水平井Ф215.9 mm井段的ECD,并与PWD测试结果进行了对比,平均相对误差为0.45%,表明该模型具有较好的准确性。研究结果表明,无因次偏心旋转环空摩阻压降计算模型可以精细描述环空压力场和准确计算ECD,为控压钻井水力参数优化提供指导。     

偏心环空循环压耗的数值模拟与验证

在水平井和复杂结构井中，井斜角和方位角随井深不断变化，套管在井内不易居中，影响流体在环空中的流动状态和循环摩阻。现有的偏心摩阻压耗计算模型是基于特定井眼尺寸和流体性能条件下建立的，不具备普适性。为此，结合某水平井井眼尺寸和流体性能，基于计算流体力学(CFD)的仿真理论与方法，分析了不同套管偏心度和直径比对环空流态与摩阻压耗的影响，对比了套管居中和套管偏心工况下环空摩阻压耗与当量循环密度(ECD)分布特征。结果表明：随着偏心度增大，宽间隙中心流速增大，壁面低流速域增多，增加了流体滞留量；直径比越小，有助于提高窄间隙流速；环空间隙越小，套管偏心对摩阻压耗影响越大。实例井偏心环空摩阻压降比同心环空低2.16 MPa;文章建立的摩阻压降计算模型比现有经典模型误差更小，为偏心环空下摩阻压降的准确计算提供了可靠的计算方法。     

四参数流变模式及其水力计算模型

提出了一种四参数流变模式,该模式能够精确地描述各种无时间依存关系的钻井液体系。利用多组测量数据评价了四参数流变模式对不同流体的拟合效果。根据管流特性参数法,并扩展应用到环空中,推导了管内与环空的层流压降计算公式,同时给出了紊流计算的半经验公式。通过引入广义流性指数的方法,给出了流态判别模型,使层流与紊流计算一致。根据四参数水力计算模型编制了计算机程序,利用一组不同来源的实验数据(包括管内与环空各种钻井液下的层流和紊流流动),验证了四参数模式的水力计算模型。与实测数据的对比表明,该模型计算结果与测量数据吻合得很好。说明该模式的水力计算模型要优于当前可用的流变模式。     

幂律流体偏心环空螺旋流压力梯度的数值计算

为合理设计钻井水力参数,对可视为幂律流体的钻井液偏心环空螺旋流动的压力梯度进行了研究。利用待定系数法对幂律流体偏心环空螺旋流的控制方程进行了变换,得到了压力梯度公式。以可视为幂律流体的CMC水溶液为例,利用有限差分法对该流动的压力梯度进行了数值计算,并分析了内管自转速度、环空偏心度和流量对其的影响。结果表明:环空偏心度和流量是其主要的影响因素。通过比较利用轴向速度数值解求得的压力梯度与利用轴向速度解析解求得的压力梯度,发现二者吻合效果较好,进一步说明文中给出的幂律流体偏心环空螺旋流的压力梯度公式和数值计算方法是正确的,可进一步推广应用。     

水下卧式采油树内部环空通道的流动特性分析

采油树内部环空流道模块中的环空通道具有管身多次转捩、管径多次突变的特点,导致管内幂律流体的流动特性复杂。在三维直角坐标系下建立环空通道的物理模型,采用非结构化网格和Realizable湍流模型及标准壁面函数法,用Fluent软件对管道内的流体流动进行数值模拟分析,得到流变参数对速度、表观黏度分布的影响。分析结果表明,由于管道结构复杂,速度分布出现了明显的低速区、中速区和高速区;表观黏度最大值位于管道中心,横截面上的平均表观黏度随着稠度系数的增大而增大,随着流性指数的增大而减小。     

水下卧式采油树内部环空通道的流动特性分析

采油树内部环空流道模块中的环空通道具有管身多次转捩、管径多次突变的特点,导致管内幂律流体的流动特性复杂。在三维直角坐标系下建立环空通道的物理模型,采用非结构化网格和Realizable湍流模型及标准壁面函数法,用Fluent软件对管道内的流体流动进行数值模拟分析,得到流变参数对速度、表观黏度分布的影响。分析结果表明,由于管道结构复杂,速度分布出现了明显的低速区、中速区和高速区;表观黏度最大值位于管道中心,横截面上的平均表观黏度随着稠度系数的增大而增大,随着流性指数的增大而减小。     

地面驱动螺杆泵井杆管环空螺旋流数值模拟

目前多数研究将地面驱动螺杆泵井杆管环空中的井液的流动看作多相流体轴向流动,实际上在高速旋转抽油杆带动及螺杆泵压差作用下,环空液体呈现螺旋流动。根据粘性流体运动方程及螺杆泵井井筒液体运动的特点,建立了地面驱动螺杆泵井幂律流体杆管同心环空螺旋流数学模型。运用不均匀对数网格法和有限差分法求其数值解,并对不同的流场参数进行了敏感性分析。计算结果表明,井液的轴向速度、切向速度、合速度及压力梯度随抽油杆转速的增加而增加,视粘度随转速的增加而减少。在设计螺杆泵井转速时,既要考虑增大产量,又要考虑螺杆泵举升高度及寿命。     

气体钻井井眼循环温度预测模型

气体钻井过程中井筒循环气体与地层之间持续不断地发生着热量传递,井筒温度随钻进时间和钻井参数的变化而改变,井眼循环温度是气体钻井工艺设计的基础。通过深入研究井筒流动和热量传递规律,建立井筒温度预测数学模型,并对模型进行数值求解。实例计算表明：钻杆和环空内的温度均呈非线性分布,钻杆内温度低于环空内温度,环空温度随着注气量的增大而降低。     

变压力梯度下钻井环空压力预测

为准确掌握变压力梯度钻井环空温度和压力分布特性，基于井筒流体流动与传热理论，充分考虑分离器位置处流体"变质量"传热传质与循环流体物性参数随温度和压力的变化，建立了变压力梯度下钻井环空温度和压力预测模型，并应用双循环迭代算法对模型进行求解，开展了环空温度和压力分布数值模拟研究。研究结果表明：相比于常规钻井，变压力梯度钻井环空温度和压力分布曲线上均存在一个明显拐点，且拐点位置与分离器位置一致；由于具有低导热系数空心球的注入，变压力梯度钻井环空流体温度要低于常规钻井；分离器位置、分离效率、空心球注入体积分数和空心球密度等参数均对变压力梯度钻井环空压力分布有较大影响。     

旋流扶正器作用下环空螺旋流场压降研究

在油气井固井注水泥顶替技术中，使用旋流扶正器不仅可提高套管居中度，还能改变环空流体流速剖面，使流体做螺旋运动，螺旋顶替方式有利于将环空窄间隙滞留泥浆和井壁附着虚滤饼驱替干净，从而提高固井质量。液体螺旋流动方式改变了轴向流场压降的分布规律，展开螺旋流场压降的研究对注水泥安全施工有着重要意义。文章在实验的基础上，推导出了环空螺旋流场压降的计算公式，实验结果表明：环空螺旋流场的压降呈非线性衰减，且在同等条件下大于一维轴向流场的压降值，注水泥施工设计时应对其予以足够重视。     

Casson流体轴向同心环空中速度及温度分布研究

将非牛顿流体动量方程、能量方程与Casson流体的本构方程相结合,推导出了Casson流体在轴向同心环空中的速度和温度分布公式.数值研究结果表明,由于Casson屈服应力的作用,轴向同心环空内存在柱塞流动,柱塞的大小与Casson屈服应力成正比,与压力梯度成反比.在其他相同的条件下,柱塞速度随环空尺寸的增大而增大.柱塞内温度呈对数曲线变化,柱塞外侧温度与内侧温度不同,从柱塞边界到管壁,温度逐渐减小.越靠近管壁,温度降低幅度越大.     

微小井眼循环系统压力损失规律研究

通过研究,建立了微小井眼连续管内及环空压耗计算模型;根据所建立的数学模型及设定的参数,计算了不同井深和排量下连续管直管段、螺旋管段及环空的压力损失,得到了压力损失与各参数之间的变化规律曲线。曲 线表明,在相同流量下,直管段、螺旋管段及环空的压力损失随井深（长度）的增加而线性增加;流量增大,相同长度的直管段和螺旋管段的压力损失增大,环空压耗也增大;长度相同时,在螺旋段产生的摩擦压力损失远比在直管段的大;随着井深的增加,连续管的总压力降呈下降趋势。