非牛顿流体通过偏心环空的速度分布

根据非矩形槽模型和非牛顿Ellis模型建立了非牛顿流体偏心环空的数学模型,并在极坐标下求出速度分布分析表达式,该方法适用范围广泛,并克服了以往数值差分解法的繁琐和误差。对于钻井泥浆的设计、化学物的注入有一定的实用价值。     

非牛顿流体偏心环空紊流流动及顶替机理

对石油钻井工程中颇有实用价值的非牛顿流体紊流流场进行了理论研究。首先推导出普遍适用的非牛顿流体紊动微分方程式。在此基础上,导出了适用于偏心环空紊流的运动微分方程式。据此研究了偏心环空非牛顿流体紊流流场及紊流顶替规律。     

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。     

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。     

钻井液偏心环空紊流速度分布及压降计算

本文依据非牛顿流体力学的基本原理，分析了钻井液在偏心环空中紊流流动规律，推导出了钻井液在偏心环空中紊流及压降计算的理论模型，并通过实验验证了理论模型的正确性。     

牛顿流体条件下偏心环空间隙雷诺数及层流区域方程研究

以平板流模型为基础,提出了偏心环空间隙雷诺数及其计算方法,并用偏心环空分区的概念,研究了偏心环空牛顿流体的层流区域方程。研究结果表明:偏心环空间隙雷诺数和偏心环空综合雷诺数存在不一致性,可用偏心环空间隙雷诺数来研究偏心环空的局部紊流和层流;可用偏心环空牛顿流体层流区域方程确定环空局部层流和紊流区域范围。     

幂律流体偏心环空波动压力数值解

钻井液性能和环空几何形状对波动压力影响很大.本文建立了双极坐标下非牛顿流体偏心环空稳态波动压力的控制方程,利用盒式积分法和有限差分法推导了椭圆型变系数非齐次偏微分方程的数值模型,以幂律流体为例计算了下套管作业时所产生的激动压力梯度和偏心环空速度分布.模型计算结果表明:随偏心度增加,波动压力减小,偏心环空宽、窄间隙内速度分布差异增大.管柱完全平躺于井眼下侧时的波动压力大约只有管柱居中时的一半.文中还把数值模型计算结果与经验模型和近似模型计算结果进行了对比.     

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.     

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     

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。     

偏心环空紊流场的发展规律及岩屑沉降特性

实验结果表明环空紊流泥浆能有效地改善水平井的净化质量,然而对偏心环空紊流场的发展现律及岩屑颗粒的沉降特性的研究却很少.本文由确定偏心环空轴向流的当量直径出发,讨论了流态的转换条件;并以环空压降为自变量,流体稳定性参数为准则,描述了种空断面紊流的发展过程.用随机理论分析了局部紊流的强度及统一速度方程.其次,考虑紊动流场加速度的影响,以ε₁=1/g|duf/dt|参数摄动小量,利用摄动法求解岩屑颗粒在紊动流场中的沉降运动,讨论流场性质对颗粒运动的影响.结果表明,脉动频率及紊动强度的增大,增大了颗粒的沉降阻力,降低了沉降速度.     

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。     

Casson流体轴向同心环空中速度及温度分布研究

将非牛顿流体动量方程、能量方程与Casson流体的本构方程相结合,推导出了Casson流体在轴向同心环空中的速度和温度分布公式.数值研究结果表明,由于Casson屈服应力的作用,轴向同心环空内存在柱塞流动,柱塞的大小与Casson屈服应力成正比,与压力梯度成反比.在其他相同的条件下,柱塞速度随环空尺寸的增大而增大.柱塞内温度呈对数曲线变化,柱塞外侧温度与内侧温度不同,从柱塞边界到管壁,温度逐渐减小.越靠近管壁,温度降低幅度越大.     

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。     

幂律流体同心环空螺旋流数值模拟

环空螺旋流是钻井液在钻井作业中常见的一种流型，怎样方便、快速及高精度地计算其流速场与压力梯度是一个重要工程问题。提出直接利用线性化迭代法求解幂律流体在环空中螺旋流的流场及压力梯度，避免了求解非线性方程组而可能出现迭代发散的问题，该线性化迭代算法真实可信，精确度高。使用线性化迭代算法，仅以求解两个三对角线性方程组为一次循环，运算速度快，占用时间少，精度高，收敛性得到可靠保证，是矿场使用的好方法，为矿场作业中水力参数设计提供了科学依据。     

非牛顿液体环空螺旋流的精确解

非牛顿液体环空螺旋流的水力计算在石油钻井中具有重要意义.理论分析指出螺旋流可由3个特征参数a、b和c完全描述,这些参数的大小由环空螺旋流的轴向平均速度V_cp、环空内圆旋转角速度ω₁和液体的流变常数决定;从液体流动的运动方程式和具有4个流变常数的本构方程式出发,引入应力函数的概念后导出了求解特征参数的新方法.该法实际上给出了石油工业中常见的宾汉液体、幂律液体、卡森液体、修正幂律液体及罗伯逊液体的环空流和螺旋流水力计算的统一程序,数值计算显示了新方法的优越性.     

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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。