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。     

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。     

螺旋套管扶正器诱导环空流场的数值模拟

为了优化固井设计、确定螺旋套管扶正器的合理安放位置、有效提升水泥浆的顶替效率,对螺旋套管扶正器诱导环空流场进行了理论分析。依据环空流体动力学基本理论,建立了环空流场的理论模型,采用数值模拟方法对螺旋套管扶正器诱导的环空螺旋流动规律进行了研究,并利用室内试验对有限元数值的计算结果进行了验证,有限元数值计算结果和激光测速试验数据吻合较好,证明了有限元数值计算方法的可行性。借助ANSYS软件对不同条件下流场的变化以及有效旋流长度的变化进行了计算,总结了螺旋扶正器螺旋角、屈服应力、流量对旋流速度以及有效旋流长度的影响规律。数值模拟结果表明,螺旋角和流量对旋流速度和有效旋流长度影响很大。      

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。     

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。     

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。     

满足页岩气水平井固井质量的套管扶正器研究

为提高页岩气水平井的固井质量,常在套管上安装扶正器.常规的滚轮扶正器对套管的居中度提高有限,旋流扶正器的旋流效果不好.根据页岩气水平井分段压裂的要求,并结合弹簧片、旋流及液力变径扶正器的优点,设计了一种新型扶正器.该扶正器下入过程中其外径与套管接箍外径相同,能有效减小下入摩阻.下入至设计井深时,弹簧片可伸出扩径,且可使注水泥时产生旋流顶替.试验结果表明：该扶正器的居中度可提高至97％,外径缩小30％.     

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。     

YX型刚性套管扶正器研究

常用套管扶正器不能改变钻井液流动方向,而一些带滚子的螺旋式扶正器或螺旋式旋流扶正器又增加了制造难度。为此,研制了YX型刚性套管扶正器。通过流场模拟分析了扶正器高度及扶正棱高度对流体衰减的影响,以及扶正棱截面对过流特性的影响,并最终确定了相关几何参数。YX型刚性套管扶正器在保证套管居中的基础上,能在一定程度上改变传统的一维轴向流顶替方式,有效替净环空被顶替液,从而有利于将环空窄边滞留钻井液和井壁附着滤饼驱替干净,进一步提高固井质量。     

泾河油田水平井固井难点与对策研究

泾河油田地层承压能力低,固井过程中易发生水泥浆漏失,导致水平井固井质量较差。在分析固井技术难点的基础上,通过室内和现场试验优化了GSJ水泥浆体系,基于地层压力与破裂压力确定了环空浆体结构,优选了扶正器类型并优化了其加放位置,采用了加长胶塞、树脂滚轮刚性旋流扶正器和关井阀等工具,并采用"紊流+塞流"复合顶替工艺,以降低漏失风险、提高固井质量。室内试验表明,GSJ水泥浆体系具有良好的性能,尾浆API滤失量小于20 mL,过渡时间15 min,水泥石12 h抗压强度达19.0 MPa,模拟套管居中度大于72.5%。该固井技术在泾河油田18口水平井进行了现场应用,水泥浆全部返至地面,固井优良率达100%。现场应用表明,该固井技术解决了泾河油田水平井固井难题,提高了固井质量,为后期分段压裂提供了良好的井筒条件。      

一种旋流+膜联合油水分离器流场数值模拟

相对于单原理油水分离方法而言,利用旋流+膜联合原理进行油水分离是一种新的油水分离方式。为提高井下油水分离性能,探讨一种联合原理的油水分离器。建立旋流+膜联合油水分离器的物理数学模型,并用数值模拟的方法计算其中的流场分布规律,针对不同分流比、入口流速和入口含油体积分数对其性能进行系统研究。结果表明：分流比的变化影响第一级和第二级出油口相汇流动规律,应用时应进行性能核算从而保证两级分离的效果;随着入口流速的增大,旋流+膜分离性能逐渐更优,若流速过低,则旋流+膜分离性能较差;随着入口含油体积分数增大,旋流所分离的油相占比减小,留给膜分离的油相占比增大,即含油体积分数较大时,旋流+膜联合油水分离的应用更有必要。     

泥页岩层不规则井眼环空注水泥顶替理论与技术

泥页岩层油气井井眼往往不规则,固井注水泥环空顶替效率低,严重影响着固井质量。目前国内外对之研究非常少,缺乏成熟的理论与技术。对井眼不规则影响固井质量的原因进行了分析,提出了有效解决不规则井眼环空钻井液在作业允许范围内被有效"替净"问题关键在于掌握不规则井眼几何形状及其与井斜角、套管偏心度、浆体性能、施工排量、旋流强度等对顶替界面的稳定性的影响规律; 在不规则井段,顶替液对被顶替液的作用机制,涡流强度与"替净"之间的关系,被顶替液的涡流结构变化规律等,亚滞留钻井液( 暂存于不规则段但能够不断流出的钻井液) 进入下游的扩散与迁移规律。因此,重视对不规则井眼固井环空顶替理论与方法前瞻性的研究具有重要意义。     

基于Fluent的径向水平井旋转射流钻头内外流场数值模拟

运用Fluent软件对径向水平井旋转射流钻头的内外部流场进行数值模拟,提出了利用数值模拟手段计算旋流强度和流量系数的方法。结果表明：流体经导流叶轮加旋后成为强旋流,流经喷嘴收缩段时,速度增加,旋流强度减小,至喷嘴出口时变为弱旋流;叶轮的流量系数小于喷嘴。该分析为旋转射流钻头的结构优化设计和提高破岩效率提供了理论基础。     

水力脉冲射流旋流流场数值模拟

为研究水力脉冲射流流场内旋流流场的变化特性,通过建立井底边界条件下单喷嘴脉冲射流冲击流场物理模型,对脉冲射流旋流流场进行了数值模拟研究。结果表明,非稳态旋流是脉冲射流流场的一个显著特征,对脉冲射流钻井提速起到重要作用,旋流速度和范围具有周期性变化且不随脉冲频率发生改变;在单周期内,旋流强度与脉冲射流速度变化具有一致性,旋流影响范围由前期的快速扩大到后期的缓慢扩大,一直保持增大趋势;旋流作用强于射流动能是脉冲射流产生局部脉动负压的主要原因,有利于降低压持效应;旋流流场改变钻头表面的压力分布,有利于提高钻头清洗效果。研究结果对指导脉冲射流提速技术具有一定的参考价值。     

提高水泥环第二界面胶结质量的固井技术

文章深入分析了水泥环第二界面胶结质量的影响因数,指出改善固井质量是一个系统工程。介绍了旋流固井工艺技术以及该技术在苏北洲城油田中的运用情况。实际应用表明,该工艺技术基本解决了现有固井工艺技术不能很好清除粘覆在井壁上的泥饼问题以及不规则椭圆或葫芦状井眼水泥浆顶替效率低下问题,能明显提高水泥环第二界面的胶结质量。     

塔里木盆地超深天然气井全过程塞流防漏注水泥技术

塔里木盆地库车坳陷山前构造带是典型的超深超高压高温复杂天然气藏,盐膏层段和储层钻井均为多压力层段,如何保障尾管固井既要压稳产层又要防止水泥浆漏失,成为该区块确保气井水泥环完整性的关键。为此,提出了全过程塞流注替水泥浆解决方案,以控制注水泥当量循环密度(ECD)和水泥浆雷诺数为核心,建立了裸眼地层承压能力获取、塞流注替排量和下套管速度计算方法 ;结合盐膏层和储层井段小间隙、偏心、高温以及塞流注替时间长的特点,完成了固井工作液外加剂、外掺料优选以及工作液用量设计。该区4井次现场应用试验结果表明,以控制ECD、水泥浆雷诺数为核心的塞流注替方法能有效防止漏失,隔离液、水泥浆体系能满足全过程塞流注替要求。结论认为,该项固井技术能降低漏失风险,提高顶替效率,提高尾管固井质量,为解决库车山前构造带"三超"气井固井难题提供了新的技术途径。