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。     

计算窄间隙环空循环压耗的新模型

影响窄环空中摩擦压降的关键因素为环空尺寸的变化、钻柱旋转及偏心。用Herschel—Bulkley模式描述钻井液的流变性，考虑钻柱偏心和旋转对钻井液在环空和钻柱内流动的影响，提出了一种新的计算窄间隙环空循环压耗的模型，将所建立模型和传统方法的计算结果与实测数据比较表明，该模型具有较高的精度，可以满足现场作业的要求。     

预测实际环空中压降的方法

在小眼井和连续油管作业的窄环空中，要求更加准确地计算摩擦压降，影响窄环空中摩擦压降的关键因素为歪空尺寸变化，钻柱的旋转和振动，本文介绍偏心度为井深函数的实际环空中压降计算的理论模型和便于现场使用的简化计算方法。     

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。     

气体钻井偏心环空气固两相流模拟研究

国内气体钻井技术仍处于发展阶段,井内流场分布及工艺参数研究方面还不成熟,尤其是在气体钻井过程中发生偏心时环空内的流场分布变化研究较少。基于流体动力学方法,利用FLUENT软件对气体钻井时环空内气固两相流场进行了数值模拟研究,模拟发现偏心环空中岩屑流速偏离对称分布,在倾斜井眼中有明显增加,最大速度在环空厚度较大处发生;钻柱旋转使环空压降增大,而随井斜角的增大,压降逐渐减小;偏心环空的岩屑浓度较大,随钻柱旋转速度的增大先增后减,而随井斜角的增大而增大。数值模拟气体钻井形象直观地反映了井内各参数的分布情况,为进一步设计技术参数提供了有效的依据。     

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。     

气体钻井全井段环空流场改善方法

气体钻井以可压缩气基流体作为循环介质,环空流速沿井深分布不均,容易导致下部井段井眼净化不良、上部井段冲蚀严重等问题。因此,有必要对气体钻井全井段环空流场进行优化改善。借助现代计算流体力学,考虑钻具偏心、旋转、截面突变等复杂情况,建立了气体钻井的环空流体动力学数值分析模型,计算得到了任意井深处环空多相流动规律,并对其影响因素进行了分析,总结出了一套全井段环空流场改善方法,并采用有限体积法对该方法的可行性进行了数值评价。结果表明:井口加载回压配合井下气体分流技术能有效地限制上部井段环空流速,减少冲蚀,降低井底压力和地面注气压力,提高下部井段井眼净化能力和水力能量利用效率,实现改善全井段环空流场的目的。     

不同偏心度的环空涡动流场特性

为了深入研究环空涡动时的流场特性,根据流体力学理论,以连续性方程和N-S 方程为控制方程,利用计算流体力学技术对钻柱涡动时环空赫巴流体的流动进行了系统的数值模拟,研究了不同公转方向下钻柱偏心度的变化对环空切向速度剖面与合速度剖面的影响。通过对模拟数据的对比分析,发现不同公转方向下环空流场分布截然不同,正向公转时切向速度在环空宽间隙处随着公转速度、自转速度和偏心度增大正向增大;反向公转时会出现二次流,切向速度在环空宽间隙处随偏心度的减小整体反向减小,同时二次流趋势越明显,摩阻压耗越大。合理应用这些规律有助于完善现有钻井水力学理论,更好地揭示井下环空流场特性,并为钻井水力参数优化设计提供有效的理论指导。     

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。     

活动套管提高注水泥顶替效率的理论分析

文章在假设偏心环空为楔形区域的情况下，利用流体力学理论及幂律流体在楔形区域中的流动方程，分析了旋转套管及上下活动套管时水泥浆及泥浆在偏心环空中形成的流场，并研究了旋转套管及上下活动套管对顶替效率的影响。结论认为注水泥旋转套管及上下活动套管都能使环空泥浆及水泥浆处于剪切状态，并且旋转套管还能在环空宽间隙外侧形成回流。正是由于这种剪切与回流作用破坏了泥浆的胶凝结构，消除了环空窄间隙处的泥浆滞流，因而提高了注水泥顶替效率。文章通过对旋转套管及上下活动套管在偏心环空中产生的流场计算与分析得知，增大环空流体的流性指数、旋转套管的转速及上下活动套管速度，可增大其剪切及回流作用，因而有利于破坏泥浆的胶凝结构，消除泥浆滞流，提高注水泥顶替效率。     

幂律流体偏心环空流动中钻井液粘附系数研究

为了研究偏心环空中钻井液的粘附系数,建立了幂律流体偏心环空理论模型,用有限元软件Fluent对所建模型进行了模拟计算,分析了在环空紊流模型下钻井液粘附系数与套管运动速度及偏心距之间的关系,并对比分析了钻井液粘附系数和波动压力随偏心距的变化趋势。模拟中紊流计算采用κ-ε模型,假设幂律流体做稳定不可压缩流动。分析结果表明,当偏心距从0增大到完全偏心时,钻井液粘附系数减小值大于52%,受套管运动速度的影响较小,可以忽略;钻井液粘附系数和波动压力随偏心距具有相同的变化趋势,随着偏心距的增大,环空中波动压力逐渐减小,且从同心环空到完全偏心波动压力减小了74%。     

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。     

小井眼环空压耗的室内试验研究

小井眼环空水力学与常规井区别很大。在室内小井眼环空实验架上对小井眼环空压力损失进行了试验研究。模拟环空钻井液返速、钻柱旋转速度、钻柱偏心弯曲程度、钻井液性能和钻具接头等对压耗的影响,取得上千组试验数据。试验结果表明:随环空返速增加,小井眼环空压耗增加很快;在转速较低时随转速增加压耗反而有所下降,但下降幅度很小,在转速较高时钻柱旋转时压耗的影响很大;随偏心度增大,环空压耗降低;随环空间隙减小,压耗对钻柱旋转变得更为敏感;随钻井液幂律流性指数增加,环空压力损耗增大;随宾汉塑性粘度增加,环空压耗增加;随钻井液密度增加,环空压耗增大;钻具接头对小井眼环空压耗的影响很显著。     

赫-巴流体在偏心环空中的波动压力计算模型

在窄环空间隙中下套管、小井眼钻进、深水钻进和大位移井钻进等作业中,精确的波动压力计算模型是准确预测井底压力的前提。以往利用CFD软件模拟赫-巴流体在偏心环空中流动的波动压力计算方法不仅对计算机性能要求高,而且时间成本高,导致现场应用受限。用窄槽流动模型模拟偏心环空建立了流体流动的物理模型,在稳态层流条件下,结合流体流动的控制方程和赫-巴流体的流变方程,建立了波动压力数学模型和基于自适应辛普森积分与黄金分割理论的数值求解方法,利用室内试验结果对模型的合理性进行了对比验证。结果表明：建立的赫-巴流体在偏心环空中的波动压力数学模型结果准确;采用的数值求解方法精度高、速度快,与室内试验数据对比误差在10% 以内,满足现场精度需求;分析了波动压力的影响因素,在管柱处于完全偏心的情况下,波动压力梯度降低为同心环空的50%左右,在窄环空间隙中作业时,应严格限制起下钻的速度。     

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.     

小井眼环空水力学评述

讨论了小井眼环空水力学中的环空压耗的理论及其主要影响因素,导出了环空压耗的具体表达式,描述了库特流、戴劳旋涡和戴劳数等流变模式,钻具的各种运动形式,钻井液粘滞性及流变性对环空压耗的影响。小开眼钻具外径与内径之比(k值)较大,环空间隙较小,引起环空压耗、钻井液流变性、流态发生较大变化,许多常规钻井中可忽略的因素在小井眼中却显得尤为重要。     

Characteristics of helical flow in slim holes and calculation of hydraulics for ultra-deep wells

Due to the slim hole at the lower part of the ultra-deep and deep wells, the eccentricity and rotation of drill string and drilling fluid properties have great effects on the annular pressure drop. This leads to the fact that conventional computational models for predicting circulating pressure drop are inapplicable to hydraulics design of deep wells. With the adoption of helical flow theory and H-B rheological model, a computational model of velocity and pressure drop of non-Newtonian fluid flow in the ecc...     

连续油管钻水平井岩屑运移规律数值模拟

连续油管钻水平井过程中,井底岩屑在重力作用下容易沉积在井壁下侧,形成岩屑床;连续油管又受到排量小、钻柱无法旋转等因素限制,造成井眼净化效率较低。针对这一问题,在欧拉坐标系下考虑相间滑移速度和颗粒流的影响,建立了微小井眼水平井岩屑运移的混合物漂移模型,采用Realize κ-ε湍流模式及SIMPLEC算法进行数值计算,研究了钻井液排量、环空偏心度、岩屑直径、井斜角和钻井液黏度等参数对偏心环空岩屑运移的影响,得到了各种条件下环空岩屑速度和浓度的分布规律。研究表明:随着钻井液排量增大、环空偏心度减小、岩屑直径减小、井斜角减小及钻井液黏度提高,连续油管水平井岩屑运移效率提高。