基于修正幂律模型流体的柳叶形扶正器旋流规律及应用

为提高注水泥过程中水泥浆顶替效率,国内外愈来愈多地使用旋流扶正器。但是,目前旋流扶正器结构参数主要靠经验设计,缺乏理论基础也没有相关行业标准。针对依据文丘里效应设计的柳叶形旋流扶正器,基于修正幂律流体模型,构建了旋流扶正器旋流长度计算模型。通过数值模拟对旋流扶正器井下旋流规律进行研究,推导出了旋流扶正器在修正幂律流体条件下,周向平均速度和完全顶替的临界速度公式。基于旋流扶正器井下旋流规律,分析了井眼环空结构、流体性能、井下井壁附着力对水泥浆顶替效率的影响,优化了柳叶形旋流扶正器旋流角、扶正棱长度、扶正棱有效体积和扶正器高度等设计参数。对比分析了柳叶形与常规旋流扶正器在不同工况下的旋流长度,柳叶形扶正器的旋流长度比常规扇形平均提升了32%,比常规梯形扶正器平均提升了47%。柳叶形扶正器在新疆顺北油田顺北3井等20多井次超深井应用,应用井固井质量明显优于常规扇形的旋流扶正器。     

宾汉塑性流体中旋流扶正器间距设计方法

油气井固井注水泥施工时使用旋流扶正器导流产生螺旋流的顶替方式,可以大大提高注水泥顶替效率;但是,目前油气井固井使用旋流扶正器大多凭借经验,缺乏理论依据和行业标准。对固井施工使用较多的宾汉塑性流体介质条件下旋流扶正器的井下间距设计方法进行了研究。使用聚丙烯酰胺配制相似液模拟直井条件下的环空流体进行实验,使用吊线法测取沿程旋流角,得出宾汉塑性流体在旋流扶正器导流作用后旋流衰减规律,通过受力平衡分析推导出了被顶替液静切力小于等于和大于1.81倍顶替液的动切力值时的旋流扶正器安装间距计算公式;该公式反映了井眼环空结构、旋流扶正器导流角、导叶高度,以及宾汉塑性流体性能对旋流扶正器井下间距的影响,为指导旋流扶正器井下间距设计、优化固井液的性能、合理使用施工排量提供了依据。     

旋流扶正器导流能力评价

固井作业中，首要解决的是注水泥顶替泥浆的问题。如果水泥浆未能“替净”环空泥浆，再好的水泥浆体系也根本不起作用。使用旋流扶正器既可提高套管的居中度，又可对流体进行导流而形成螺旋流，还可以提高环空水泥浆对泥浆的顶替效率。为此，采用理论与实验相结合的方法，深入研究了评价旋流扶正器的导流能力的合理指标，在此基础上研究了旋流扶正器的导叶叶型、导流角、导叶高度，以及旋流扶正器的长度等结构参数对导流能力的影响。     

在旋流扶正器作用下环空流场旋流衰减规律研究

在油气井固井注水泥顶替技术中，传统的一维轴向流顶替方式不能有效替净环空被顶替液；而使用旋流扶正器不仅提高套管居中度，还能使环空流体改变流速剖面而做螺旋运动，这使轴向驱替的同时增加一周向剪切驱动力，从而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,提高固井质量。文章对旋流扶正器本身结构、流体性能、施工排量与旋流发展之间的关系进行了较为全面的研究，研究得出的旋流周向速度的经验公式，计算精度较高，对计算边壁剪切应力，设计旋流扶正器的间距具有重要的意义。     

旋流扶正器在水平井固井中的作用

根据需要,定向井井眼的倾斜度大小不一,当倾斜度很大,甚至接近水平状态时,下套管固井就要考虑以下问题:1.长水平井段的套管柱,由于自身重量,套管会紧贴井壁下边,或套管柱与井壁的间隙很小。2.大量的固相颗粒或钻屑沉积在管柱下边,注水泥时使水泥浆无法通过这些阻塞地带。     

套管旋流扶正器的研制与应用

通过系统的实验研究，得出使用套管旋流扶正器对环空流场的影响规律，分析了旋流对顶替效率的影响情况，认为旋流扶正器比条形扶正器能更有效地提高固井效率和固井质量。     

套管旋流扶正器的流速模拟研究和应用

采用贝塞尔函数解形式模拟了经过套这旋流扶正器的泥浆和水泥浆的旋流衰减速度场，并进行了以泥浆为介质的全尺寸环空旋流衰减速度场超声波测试，分析了套管旋充汉扶正器后的速度场衰减机理，数值模拟结果与实际测试曲线趋于一致。在此基础地旋流注水泥的工程设计计算和应用。     

套管弹性旋流扶正器的旋流规律及应用

提供了一种既能保证套管居中,又能产生水泥浆环空螺旋流的套管弹性旋流扶正器。在实验的基础上对该种扶正器所产生的旋流规律进行了详细的分析;得出了各种不同因素对旋流的影响规律;建立了旋流长度及旋流周向速度的计算公式,为分析旋流段水泥浆顶替效率奠定了基础。现场实践表明,依据本文理论所设计的工具对提高顶替效率、固井质量具有良好的效果。     

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.     

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     

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。     

扩张流道内修正上随体Maxwe Ⅱ粘弹性流体的流动

提出了描述粘弹性流体流变特性的修正上随体Maxwe Ⅱ本构方程，利用数值计算方法模拟了该流体在扩张流道中的流动特征，给出了流场图和速度场图，并分析了修正上随体MaxweⅡ流体的非牛顿幂律特性及粘弹性对流场的影响。研究表明，在扩张流道中，随着幂律指数的逐渐增大，速度等值线逐渐向凹角内伸展，流动区域增大；随着粘弹性的增强，流体的波及体积增加，波及效率增大。     

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。     

基于Fibonacci法求幂律模式流变参数最优值

幂律模式属两参数流变模式,流变参数具有明确的物理意义,应用范围广泛,其值一般采用线性回归法计算,但在转换为线性方程过程中破坏了Gauss-Markov假定,所得参数估计值是近似解而非最优解,导致计算精度降低。针对幂律模式流变方程的特点,基于最小二乘法,通过数学变换,将流变参数估计过程转化为求解一元函数最小值问题。大量测试结果表明,该一元函数在求解区间是单峰函数。文中给出求解区间的上限和下限,并基于Fibonacci法求解。该算法稳定,无需设初始值,收敛速度快,易于计算机编程。经实例验证,所得流变参数估计值是最小二乘意义下的最优值。     

污水动力液单体水力泵系统的改进与应用

该文在调查现场应用情况，肯定前人应用成果的基础上，分析了单体水力泵系统存在的问题，提出采用污水动力液单体水力泵系统并进行针对性改进，改进后的单体水力泵经８口油井现场应用，效果良好。     

缝洞型油藏的离散缝洞网络流动数学模型

针对现有油藏渗流理论在描述缝洞型油藏流动机理上存在的困难,基于缝洞型油藏储层的特点,提出了离散缝洞网络流动数学模型。该模型将缝洞型油藏划分为岩块系统、裂缝系统和溶洞系统;其中裂缝和溶洞嵌套于岩块中,并相互连接成网络;岩块和裂缝系统视为渗流区域,溶洞系统视为自由流动区域。阐述了模型的基本原理,推导了相应的有限元数值计算格式,通过算例验证了其正确性。算例分析结果表明,离散缝洞网络流动数学模型能够正确地描述出缝洞型油藏的流动特征。     

甲酸铯钻井完井液的特性及应用

钻进高温高压油气井时,由于常规高密度钻井完井液中重晶石含量高、高温下聚合物易降解等原因,常常不能满足高温高压井的开发要求,而甲酸盐具有能在1.0~2.3 g/cm3之间自由调节钻井完井液密度、大大提高聚合物的高温稳定性、不易腐蚀钻具等优点,因此已成为大斜度井、小井眼深井等复杂井的理想钻井完井液体系。阐述了甲酸盐钻井完井液的使用概况、甲酸铯的物理性质、甲酸铯钻完井液的基本性质、甲酸铯钻完井液配方及性能。甲酸铯钻井完井液在国外多口高温高压油气井中的应用实例表明,其配方简单,具有优良的水力性能和流变性能,不仅能很好地满足钻井、完井需要,而且能很好地保护储层,对于解决国内目前高温高压井中存在的问题具有非常好的借鉴作用。