Friction pressure correlations for turbulent flow of drag reducing polymer solutions in straight and coiled tubing

Accurate determination of friction pressure losses of dilute drag reducing polymer solutions remains to be a challenge in many practical applications. These include a wide variety of hydraulic operations performed on a daily basis in the oil and gas industry. Most drilling, completions, and stimulation jobs require pumping fluids at high flow rates, which in turn generates high frictional pressure losses, enhanced by the use of small diameter tubing or coiled tubing. Curvature in this latter is believed to generate secondary flows and thus extra flow resistance. Therefore, good drag reduction characteristics of fluids are desirable.In this study, energy dissipation by eddies in turbulent flow of viscoelastic fluids is assumed to be the mechanism causing drag reduction. Various concentrations of Nalco ASP-700 and Nalco ASP-820 dilute polymer solutions are tested at ambient temperature in laboratory-scale and full-scale flow loops installed with straight and coiled tubing sections exhibiting different values of diameter, curvature ratio and pipe roughness. In addition, flow tests are conducted at 100 °F and 130 °F using the laboratory-scale flow loop.Effects of concentration, temperature, curvature ratio, and pipe roughness on drag reduction are discussed in light of Fanning friction factor versus solvent Reynolds number plots. Results show that drag reduction in coiled tubing is lower than in straight tubing. As curvature ratio increases, drag reduction decreases. The effect of increasing temperature is to decrease drag reduction in straight tubing and increase it in coiled tubing. In turn, the effect of increasing pipe roughness is to slightly decrease drag reduction in straight tubing up to a certain Reynolds number value and then it starts to increase. For coiled tubing, the effect of increasing pipe roughness is to decrease drag reduction.In this study, generalized correlations for the prediction of drag reduction in dilute polymer solutions flowing in straight and coiled tubing are developed on the basis of the energy dissipation of eddies in turbulent flow field and a shear rate dependent relaxation time. In addition, correlations are validated using experimental data for a low concentration guar fluid flowing through full-scale flow loop.     

连续油管内流体压力损失研究进展

连续油管内流体可能为水、钻井液、泡沫、含钻屑的混合物等,涉及到牛顿流体和非牛顿流体,一般情况下其流态为紊流。通过边界层理论可以对管内流体的摩擦压力损失进行理论分析,从而得到减阻的途径。但由于流体本身性质及流场形状的复杂性,实验成为研究压力损失的主要手段。概述了国外近十年来关于连续油管内流体的摩擦压力损失、流体和油管之间的相互作用、岩屑传输等方面的最新研究进展,主要有连续油管中的压力损失随着流量和油管曲率的增大而增大;泥浆的含沙量以及泡沫流中的泡沫含量均会增大摩擦损失;聚合物具有减阻的作用,且减阻效果与紊流度密切相关,同时紊流度的大小也是影响岩屑传输的根本原因。基于目前的研究现状,提出了需要进一步深入研究的问题。     

弯曲连续管内流体运动机理与摩阻研究

井眼的弯曲直接影响连续管在井下的弯曲状态和连续管内流体的运动特性与摩阻。为此,分析了弯曲连续管内流体流动的运动机理,在此基础上根据流体力学原理建立了不同流体条件下弯曲连续管内流体摩阻计算模型。分析结果表明:弯曲连续管内流体的运动呈现断面环流和冲击波效应,这可能是引起弯曲连续管内流体复杂运动的力学机制;弯曲连续管内流体流动的断面环流和冲击波效应在一定程度上影响了连续管内流体的流态和摩阻;随着井眼曲率半径的减小和注入排量的增大,不同流体条件下弯曲连续管内流体的横向切力和摩阻随之增大;弯曲连续管内流体流动的横向切力和摩阻受弯曲段井眼曲率半径和注入排量的影响较大。研究结果可对弯曲井眼中连续管循环摩阻计算、受力分析和排量优选提供理论参考。     

牛顿流体在连续管内流动的压降数值模拟

通过数值模拟的方法研究不同曲率下流体在连续管螺旋管段流动的压降,并与经验计算公式的计算数据进行对比。结果表明,连续管螺旋管段由于存在二次流动现象,导致摩阻损失变大,大于直管段的摩阻损失;连续管水力摩阻损失随曲率和流速的增大而增大;随着流速的增大,曲率对摩擦压降损失的影响越明显。最后指出,利用连续管进行酸化压裂作业时,排量大,井底压力高,在这种情况下就需要选用大功率高压泵,如果选用的泵功率不够,会影响作业效果。     

连续管钻井减摩技术综述

连续管钻井应用越来越广泛,但由于连续管弯曲和连续管不旋转造成连续管钻井摩阻较大,限制了其应用范围,因此,减摩降阻成为连续管钻井扩大应用范围的关键。连续管钻井减摩降阻的思路是避免连续管屈曲和减小摩擦系数,主要措施包括使用大尺寸连续管、钻小尺寸井眼、在钻井液中添加减阻剂以及应用减摩工具等,其中牵引器和振动减摩器是较为理想的减摩工具。      

连续油管管内摩擦压降计算模型与敏感性分析

连续油管压裂作业过程中,压裂液除了在连续油管井下直管段流动,同时也会流入缠绕在滚筒上的那部分连续管,螺旋段的流动非常复杂,现有模型的计算结果与工程实际有一定的差距,基于流体力学基本原理,结合直管段摩擦因数公式和螺旋段几何特征,给出了连续油管螺旋段摩擦因数的一般关系式,最后经理论推导建立了完整的连续油管压裂作业管内压降的计算模型。分析了连续油管管径、滚筒直径、排量、黏度和流性指数等参数对管内压降的影响规律。结果表明:该模型的计算结果精度较高;相同条件下,螺旋段的压降总是大于直管段的压降;连续油管管径对压降的影响最大,管径增大近1倍,压降却减小了13倍,而滚筒直径对压降的影响最小,选择不同的滚筒直径,压降几乎未发生变化。     

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。     

CT-摩擦块静摩擦因数测定试验研究

为了测定CT-摩擦块的静摩擦因数,进行了相应试验。制造了连续管静摩擦因数测试专用试验装置,并确定了试验测试方法。试验发现,CT与摩擦块之间静摩擦因数与CT的初始曲度有一定关系;当摩擦块与CT之间磨损量加大,管-块之间配合改变,各试件实测静摩擦因数呈下降趋势,最终趋于恒定,保持在0.5以上;注入头优化设计中采用最小试验测定静摩擦因数是安全可靠的。     

连续油管喷砂射孔和筛管改流跨隔压裂组合工艺

常用的漏掉产层增产技术主要为连续油管跨隔压裂、连续油管逐层填砂顶封压裂,这些技术通常应用于埋藏较浅的储层。但对于埋藏较深的漏掉产层进行改造作业时,存在摩擦损失大、井口压力高、施工排量小的问题。连续油管喷砂射孔具有无压实作用和降低地层破裂压力的优点;连续油管筛管改流跨隔压裂工艺,通过将筛管和双封隔器相结合,在上部封隔器处通过筛管将油套环空的压裂液改流进入油管,油管中的压裂液经过下部封隔器后由节流喷嘴喷出,实现对目的层改造作业,由于施工过程中压裂液大部分在油套环空中流动,降低了沿程摩阻。该组合工艺充分利用了连续油管的优点,并克服施工排量小、井口压力高的问题,在准噶尔盆地储层深度3 660 m的××井中成功应用,施工过程中的最高排量为4.6 m3/min,最高井口压力43.8 MPa,压裂后增产效果明显。     

国产高强度CT100连续油管在青海油田的试验应用

为适应深井和复杂井开展连续油管高端作业,打破国外对高强度连续油管的技术垄断,成功研制了CT100连续油管,并在青海高原复杂恶劣环境下开展喷砂射孔、环空拖动压裂等多项工艺试验应用。通过现场应用,验证了国产CT100连续油管具有强度高、抗压高、疲劳寿命高、环境适应性强等优点。应用表明,国产CT100级连续油管具有良好的可靠性,可替代同类型进口连续油管,实现油田连续油管作业的降本增效。     

连续管井下作业摩阻计算分析

在综合分析现场3种摩阻计算模型优缺点的基础上,提出软模型是计算连续管作业摩阻的最优模型。根据连续管作业的特点,考虑到井眼轨迹中曲率和方位的变化,建立了连续管单元几何力学模型。分析了连续管单元的受力情况,给出了连续管摩阻的计算模型。进一步探讨了发生屈曲时连续管的受力情况,最终建立了三维井眼中连续管井下作业摩阻计算模型。结合中海油湛江DF1-1气田A1h井数据,对连续管井下作业轴向载荷和注入头载荷进行了预测,为连续管技术的应用提供理论基础。     

井下振动减摩技术研究进展

在大位移井、水平井中,无论是常规管柱还是连续管作业时,由于管柱与井壁接触面大、管柱不旋转等因素,管柱与井壁之间摩阻都很大。井下振动减摩技术利用流体能量通过一定方式使管柱产生振动,从而减小管柱与井壁之间的摩擦力,增加钻头的有效钻压,提高机械钻速,延伸管柱入井位移,可有效降低油田开发成本。介绍了连续管减摩器、声波流动脉冲方法和装置、轴向振荡发生器、降摩阻短节、井下振动减摩器以及水力振动减摩加压器等国内外各种井下振动减摩技术和装置,包括原理、结构设计、特性研究以及现场应用等方面。随着我国复杂结构井的钻井和后续作业陆续出现管柱与井壁摩阻大的问题,对减摩技术的需求也越来越多,井下振动减摩技术发展前景广阔。     

连续油管水力压裂管内摩阻研究进展

连续油管水力压裂摩阻是压裂设计中的重要内容,同时也是压裂能否成功的指标之一。连续油管水力压裂过程中,由于对流体性质、支撑剂、曲率效应等造成的复杂流动理解不足,使得准确预测管内摩阻非常困难,尤其在卷筒上的螺旋段,因而实验成为当前研究连续油管管内摩阻的重要手段。研究认为:在其他条件不变的情况下,摩阻随连续油管管径的增大急剧变小;随压裂液排量增大而增大;随连续油管下入深度的增加总摩阻变小;随黏度和流行指数的增大而增大;随支撑剂积分数增大摩阻先增大而后减少。     

连续油管侧钻径向水平井循环系统压耗计算模型

通过分析相同条件下高压软管段压耗实测值与已有金属直管压耗公式计算值之间的关系,提出了高压软管段压耗计算公式,经理论推导建立了完整的连续油管侧钻径向水平井循环系统压耗计算模型。利用所建压耗计算模型研究了管径、管长、泵排量和流体动力黏度等参数对循环系统各部分压耗的影响规律。结果表明:0.025 4 m(1 in)连续油管的螺旋段、直管段压耗都明显大于0.038 1 m(1.5 in)连续油管,约为后者的8～10倍;高压软管段压耗在循环系统总压耗中占有较大比重,文中算例结果为86%;相同条件下,清水加减阻剂后压耗约为清水压耗的1/2。     

连续油管水力喷射环空压裂技术

连续油管水力喷射压裂是解决我国纵向多层压裂难题的有效手段,为深入了解国外连续油管技术,提高国内现有尺寸连续油管应用范围,在连续油管传输压裂与环空压裂两种方式对比分析的基础上,对连续油管水力喷射环空压裂技术的原理、施工工序、摩阻计算、优越性与局限性等进行了全方位的分析。结果认为这种环空压裂方式通过喷砂射孔与环空加砂配合可以拓宽连续油管应用深度,提高国内现有小尺寸连续油管设备利用率,提高喷嘴寿命,增大施工排量,从而具有更高的现场适用性及可操作性。研究成果为引入国外连续油管解决国内多层气藏分压改造难题,以及转变观念进行连续油管水力喷射环空大规模压裂奠定了基础。     

基于赫—巴模型的微小井眼钻井连续油管内钻井液流阻计算分析

微小井眼连续油管(CT)钻井技术具有诸多优点,但微小井眼尺寸小,导致钻井液流动空间小、排量较小、返速较高、循环损失较大,限制了该技术的推广使用。为解决微小井眼CT钻井循环钻井液流阻过大的问题,基于赫—巴模型,结合微小井眼CT钻井的特点,计算了CT内钻井液流阻,探讨了CT内钻井液流阻与钻井液平均流速、CT长度或井深、CT内水眼直径、滚筒直径等参数的关系。研究结果表明:①滚筒上CT内流阻随钻井液流速增大而呈线性增加且增加幅度更大,使用小排量进行钻进能降低滚筒上的流阻;②滚筒上和井筒中CT内钻井液流阻均随CT的长度增加呈线性增加,而随着CT内水眼直径增加呈线性减小,钻深井时,可使用大管径进行钻进;③CT内钻井液流阻受滚筒直径的影响很小,但随钻井液的流速增大呈线性增加,因此当滚筒上缠绕的CT较长时,可使用多个滚筒进行缠绕,以降低滚筒上CT内钻井液流阻。结论认为,寻找控制和减小微小井眼钻井CT内钻井液流阻的方法和优选适合CT钻井的相关参数,有助于加快该技术的推广应用。     

连续油管井下弯曲段沿程压降计算方法

随着压裂技术的发展,压裂工艺和管柱结构日益复杂,特别是井下弯曲段管柱曲率半径由几米到几千米不等。采用数值模拟的方法,结合连续油管几何特征,建立直管、弯管数值仿真模型,计算不同工况下沿程压降,数值仿真结果与理论计算结果对比,弯管误差小于5%,直管误差小于6%,验证了数值模型的准确性。计算了曲率半径为1.25~1 280 m 的弯管沿程压降, 数值仿真结果与弯管理论计算结果对比表明,弯管曲率半径小于某一临界值时（该临界值与流体介质和排量有关）,数值仿真与弯管理论计算结果吻合较好,当曲率半径大于这一临界值时,弯管理论计算结果偏小,甚至小于直管压降。为此,依据数值仿真计算结果,修正了弯管理论压降公式,拓宽了弯管压降计算公式的计算范围,为连续油管等弯管结构压降计算提供了可靠的公式。     

连续油管水平井压裂携砂液流动压降及敏感性

连续油管压裂过程中携沙压裂液流动摩阻压降是压裂设计的重要内容,也是现场压裂施工成功的关键。压裂过程中携砂压裂液流经螺旋管、非螺旋段(垂直段+水平段)、环空压裂段,预测压裂流动压降难度大,现场设计数据与实际出入较大。在前人研究的基础上,以大庆某外径60.3 mm、壁厚2.769 mm的连续油管压裂数据为例,对连续油管水平井压裂携砂液流动压降进行分析。结果表明:螺旋段是连续油管在整个压降系统中最敏感部分,且这种敏感性会随着排量的增大而增强;环空压裂段摩阻压降与排量、环空管径比正相关;整体上压降随岩屑体积分数的增加而增加,但在此过程中会出现短暂下降窗口。     

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针对磨溪气田水平井段长度大、有效储层分散及非均质的特点，提出了水平井连续油管拖动解堵及大型空井酸化工艺技术，即先将连续油管下到水平段末端，根据水平井段储层分布规律，在连续油管注酸的同时按设计的速度提升连续油管，直到酸液覆盖整个水平储层段。采用这种方法，可以让每个射孔段都能接触到地面原始浓度的鲜酸，解决了由于水平井段长，部分射孔段难以接触到鲜酸的难题。此外，还可以将水平井段中的压井液替出井底和进行酸后液氮排液，提高了残酸的返排效率，减少了增产作业中的二次损害。大型空井酸化对连续油管酸化后的井进行彻底解堵和改造。该工艺技术在M75—H、M38H及M50井实施了水平井连续油管酸化工艺试验。3口先导试验水平井累计增加井口产能37.86×104m3/d，是该地区同类直井平均产量的4～7倍，获得了显著的增产效果和经济效益。     

涩北气田连续油管冲砂作业分析

〗涩北气田生产过程中极易出砂,要恢复气井正常生产,就要将砂冲出来,解放产层。由于地层压力低,常规冲砂方法容易使地层压漏,返排困难,对气层造成严重的污染,达不到提高产量的目的。在使用连续油管进行了10口井冲砂作业的基础上,通过对典型井的分析,认为冲砂作业成功的关键是合理控制冲砂排量、井口油压（回压）、泵液时间、泵液量、冲砂速度等,使井口油压、液柱压力、砂柱压力、气柱压力、油管与连续油管环空间的循环阻力之和小于井底地层压力,让产层中的天然气不断地流入井筒,达到减少地层污染的目的。实验结果对今后涩北气田进行大规模的连续油管冲砂作业具有指导作用。