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.     

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。     

幂律流体偏心环空间隙雷诺数及层流区域计算方法研究

以平板流模型为基础,提出了幂律流体偏心环空间隙雷诺数及层流区域计算方法.计算实例表明:可用偏心环空间隙雷诺数分析并表征偏心环空横截面上紊流和层流同时存在的现象;可用幂律流体偏心环空层流区域方程确定环空局部层流和紊流区域范围;在偏心度较大情况下,偏心环空幂律流体不易发生完全紊流;偏心环空综合雷诺数大于临界值2100时,幂律流体也可能出现紊流和层流两种流态.     

内管行星运动环空中幂律流体流动的数值模拟

运用函数UDF和动网格技术,对内管行星运动的偏心环空中幂律流体流动进行数值模拟,计算分析了自转与公转参数对流场速度分布、二次流、杆柱扭矩以及流体轴向压降的影响。计算结果表明:流动时的雷诺数Re=24.083~828.75;内管的公转使偏心环空流场速度核心区绕内管轴线向公转反方向偏移;内管自转与公转方向相反时,环空内二次流现象显著;内管自转且公转时,杆柱扭矩以及环空内流体轴向压降均比内管仅自转时大。     

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。     

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本文研究了适合带渗透性井壁的偏心环空非牛顿流体二维运动微分方程式。提出了牛顿流体与宾汉流体在该偏心环空中流动的流场解析解及幂律流体流场的数值解。文中还导出了计算牛顿流体与宾汉流体在实际井眼内流动的压降与流量计算公式。     

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。     

屈服假塑性流体偏心环空流动的基本特征

石油钻井和完井过程中，经常出现钻井液、水泥浆和完井液在偏心环空中的流动。屈服假塑性流体在描述这些流体的流变性时有很高的精度。文中根据非牛顿流体流动的基本方程和偏心环空环隙间距的几何关系，利用相似原理，求解了屈服假塑性流体在偏心环形空间中作层流轴向流动时适于工程应用的二元速度分布，以及平均流速、流量和压降的表达式。研究表明：液体在偏心环形空间流动时与在同心环空中流动的最大差异，在于流经偏心环空不同间     

幂律液体偏心环空螺旋流层流压降计算

本文依据柱坐标系下流体质点运动方程,推得了在倾斜的同心环空中幂律液体螺旋流层流流场的视粘度函数、速度函数及流动压降的解析式。并引入当量间距的概念,给出了偏心环空中幂律液体螺旋流层流压降的计算公式。最后讨论了偏心环空螺旋流流场中宽、窄间隙处的流速特征。     

偏心环空压降的实用求解法

石油工程、化学工程和摩擦润滑中,经常遇到非牛顿流体在偏心环空中的流动问题。偏心环空中由于内、外号柱的不同轴,给有关参数计算带来了很大不便。文中首先求解了非牛顿流体在同心环空中作轴向运动时的解析解,之后利用数值方法求解了偏心环空中非牛顿流体轴向运动时的数值解。在此基础上,利用多元多数回归分析的方法,建立了非牛顿流体在偏心环空中运动时压降计算的经验模式。计算表明,同近似法和数值法相比较,该方法不仅使用方便,而且误差仅在5%以内,完全可以满足工程施工的需要。     

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.     

幂律流体偏心环空流动中的波动压力修正模型

在石油钻井过程中,井眼环空中的流动多为幂律流体偏心环空流动.Burkhardt公式仅适用于同心环空流动,用来计算偏心环空流动中的波动压力时存在较大误差.通过CFD数值计算,分析了环空比和偏心度对幂律流体偏心环空中波动压力的影响.结果表明:在大环空比的情况下,波动压力随偏心度增大而减小;在小环空比时波动压力随着偏心度增大而出现先增大后减小的趋势.建立了Burkhardt公式中的常系数和泥浆粘附系数与环空比和偏心度之间的函数关系,从而扩展了Burkhardt公式的适用范围,使之可以计算幂律流体偏心环空紊流流动的波动压力.将扩展型Burkhardt公式的计算结果与文献中的数据进行了对比,误差＜9％.     

窄环空中钻柱高速旋转对小井眼环空压降的影响

当一种流材在小井眼的窄球空中流动时环空的几何尺寸、偏心距及钻柱旋转速度的变化对流体压除影响很大．因此在小井眼中精确地计算和控制压降非常困难，钻井工业常用的原有的模型已不能精确地模拟高速旋转的小井眼窄环空的情况，所以需建立一个新的模型，以使精确地计算窄环倾空压降，达到安全控制地层压力和保护井筒完整性的目的。     

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。     

偏心环空螺旋流的PIV测试研究

首次将PIV技术应用于测试偏心环空幂律流体紊流螺旋流速度场,设计了一套可调偏心度的垂直环空管道实验装置。实验为不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液在偏心度分别为40%和80%的垂直环空管道内做螺旋流动的PIV实验,得到了轴向速度影响规律:压力梯度一定时,黏滞性的减小或内管转速的增加将使轴向速度增大;流量一定时,黏滞性的减小或内管转速的增加都将使宽间隙处紊流核心区的轴向速度减小;偏心度的增大可以使紊流核心区轴向速度减小;当其它条件相同时,轴向速度随着压力梯度或流量的增加而增大。PIV实验结果与PHOENICS数模结果吻合良好,证明了PIV技术对幂律流体偏心环空螺旋流速度场进行测试是可行的、有效的。     

偏心环空层流螺旋流与同心环空层流螺旋流压降的比较

推导了幂律液体偏心环形空问堪流螺旋流的压降方程.介绍了由降方程计算幂律液体偏心环空间层流螺旋流的压降的方法并把由压降方程算得的偏心环空螺旋流的理论压降和同心螺旋的理论压降进行比较.     

聚驱螺杆泵井偏心环空流体流动仿真研究

螺杆泵主要用于聚驱井和稠油井,由于转子偏心以及井口不对中等原因,螺杆泵井杆管环空中流体可能呈现偏心流动.针对目前多数研究将该流动考虑为牛顿流体同心环空轴向流动的情况,对此流动系统进行运动和受力分析,建立螺杆泵井幂律流体杆管偏心环空螺旋流仿真数学模型.运用线性迭代的方法进行求解.通过计算可知,螺杆泵井杆管偏心环空螺旋流角速度随转速增加而增加,窄间隙处角速度径向梯度比宽间隙处大.轴向速度随转速的增加而增加,且增加幅度较大.仿真数学模型中螺杆泵杆管环空流体的流动状态符合实际工作状况,完善了螺杆泵举升工艺理论.     

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.     

幂律流体在内管做行星运动的环空中流动的二次流

建立了运动双极坐标系下幂律流体在内管做行星运动的环空中流动的控制方程,并用有限差分法对其进行了数值求解,得到了该流动的流函数分布.结果表明:幂律流体在内管做行星运动的环空中流动时出现二次流,且二次流分布与环空内管公转、自转速度的方向和大小以及环空偏心距有关.