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。     

凸极永磁同步交流发电机负载特性的数值分析

通过相量法建立起永磁同步交流发电机的内阻抗数学模型,采用数值分析手段研究了发电机外特性、电压调整率、有功输出功率与电枢反应电抗关系。结果表明,发电机内阻抗具有电流和功率因数角负反馈特性,使得电压调整率在一定程度上得到改善,感性负载下电压调整率的改善效果取决于直轴反应电抗,阻性负载下取决于交轴反应电抗,根据数值计算和分析确定出了获得最佳电压调整率时电枢反应电抗的变化范围。通过发电机外特性的实验测量与数据分析,实验结果与理论计算相吻合,说明了根据发电机电枢反应所建研究模型的正确性,为永磁发电机的电磁设计提供了一定的理论指导作用。     

泡沫钻井液在井筒中的流动与传热

针对泡沫钻井液特殊物理性质,建立了泡沫在井筒中流动与传热的数学模型,并给出了模型求解方法。为了分析传热对泡沫钻井水力参数的影响,采用建立的数学模型和给出的求解方法进行的数值计算结果表明：钻杆内泡沫温度始终低于环空内泡沫温度和地层温度,而环空下部泡沫温度低于地层温度,在环空上部泡沫温度高于地层温度。随着井深、注液流量和注气流量的增加,环空下部泡沫温度与地层偏差增大。传热使井口泡沫质量增大、井底泡沫质量减小、井底压力增大、最小携岩流速减小、最小注气流量增大,降低了泡沫的稳定性和携岩能力。另外,对泡沫的密度、Fanning摩擦系数也有一定的影响;井筒传热对泡沫钻井水力参数有一定的影响,但不是很明显,可通过增加注气流量和井口回压来抵消传热对泡沫钻井水力参数的影响。     

微小井眼水平伸长影响因素研究

微小井眼钻井技术是近10年提出的一项低成本勘探开发浅层油气藏的技术。微小井眼钻井技术与水平井技术结合,在薄油藏、稠油藏、边际油藏、枯竭油藏等领域具有明显的优势。由于工艺技术及装备水平限制,微小水平井眼水平延伸能力受到多种因素的制约。分析了地面装备性能、井壁稳定因素、摩阻及产能等因素对微小井眼水平伸长的影响。结果表明,水平段伸长极限随着钻井泵额定泵压、地层破裂压力及连续油管抗弯刚度的增加而增大,而经济性产能表明水平段存在最优长度。其中,连续油管与井壁的摩阻对微小井眼水平伸长的限制较大。各影响因素决定的微小井眼最大允许水平伸长值中的最小值即为微小井眼水平段的设计长度。      

水平井井筒清洁临界流速简化模型

石油钻井作业中井筒岩屑运移影响钻井成本、时间及成井质量, 井筒岩屑运移问题已经成为钻井作业中亟待解决的问题。不论在水平井中的直井段还是水平段, 流体拖曳力对于岩屑颗粒运移的作用超越其他作用力占据主导地位,井筒清洁临界流速计算的关键是确定拖曳系数计算的经验公式。根据拖曳系数与雷诺数关系的
实验数据, 对拖曳系数经验计算方法进行优选对比发现Turton的经验公式与实验数据平均误差最小,仅为3.06%;在优选对比拖曳系数的基础上,对岩屑颗粒进行微观受力分析, 推导了岩屑颗粒运移临界流速,研究了井斜角对于岩屑颗粒临界运移流速的影响,计算结果发现在50°~70°之间临界运移流速最大, 并对建立的数学模型进行了现,场应用验证。     

水力喷射注氮压裂工艺及参数设计计算

针对常规水力压裂技术在低压、低渗和能量衰竭地层应用中,常会出现压裂液滞留及返排率低等问题,提出了水力喷射注氮压裂方法,并论述了该方法的特点及施工流程。在分析水力喷射注氮压裂井筒流动压降基础上,结合水力喷射参数及喷嘴组合优选原则和具体实例给出了工艺参数设计方法和计算步骤。计算结果表明,对于同一喷嘴组合而言,地面油管压力随着油管排量的增加而增加,但会随着井口氮气干度的增加而降低;对于不同喷嘴组合,都有其所适用的油管排量和井口氮气干度范围,可用于指导施工时参数设计;水力喷射注氮压裂存在一个最优油管泵注排量,该排量可以满足设计中所有的井口氮气干度要求,文中算例的最优油管施工排量为2.5~3.0 m3/min;最后分析了水力喷射注氮压裂相对于常规液氮压裂所具有的优势。分析和计算的结果可以为水力喷射注氮压裂现场应用以及参数设计提供参考。     

泥页岩地层水力裂缝延伸方位研究

以非线性断裂力学理论为基础,通过应力叠加原理,推导出了Ⅰ-Ⅱ型复合水力裂缝起裂角的解析模型。利用该模型计算了裂缝与最大水平主应力方向夹角为0°、30°、60°和90°时的裂缝端部塑性区域范围,并将利用该模型计算出的起裂角与利用最大周向应力准则计算出的起裂角进行了对比。结果表明:裂缝与最大水平主应力方向夹角为0°、30°、60°和90°时的裂缝端部塑性区域的范围分别是0~0.18,0~0.45,0~0.45和0~0.18倍半缝长;裂缝与最大水平主应力方向夹角为0°时,裂缝的起裂角为180°;当裂缝与最大水平主应力方向夹角增大至90°时,起裂角降为0°;在裂缝与最大水平主应力方向夹角及缝内流体压力相同的情况下,利用该模型计算出的起裂角比利用最大周向应力准则计算出的大0°~20°;在裂缝与最大水平主应力方向夹角相同的情况下,缝内流体压力为55 MPa时的起裂角比缝内流体压力为45 MPa时的大0°~40°。研究表明,利用非线性断裂力学研究泥页岩地层起裂是可行的,研究结果可以为水平井分段压裂优化提供一定的理论指导。      

水平井缝网压裂裂缝间距的优化

为了让致密油气藏分段压裂时形成的水力裂缝和天然裂缝相沟通,形成复杂缝网,提高水力压裂增产效果,采用数值模拟方法研究了水平井缝网压裂的缝间距优化问题。建立了均质、各向同性储层内二维水力裂缝的诱导应力差模型;根据裂缝转向机理,推导出了缝间最大诱导应力公式,确定了最优间距。结合现场数据,计算了泊松比为0.2~0.5、缝间距为40~90 m时的缝间诱导应力。计算结果表明:地层的泊松比越小,裂缝的诱导应力差越大,诱导应力的传播距离越远;随着与裂缝距离的增加,诱导应力差呈现先增大后减小的趋势;当2条裂缝之间的距离为最优间距时,缝间的诱导应力差最大。研究表明,优化裂缝之间的缝间距,可以使裂缝之间的诱导应力差达到最大值,形成复杂的裂缝网格,提高油气与井筒之间的连通性。研究结果为低渗透油气藏缝网压裂时的裂缝优化设计提供了参考。      

考虑表面扩散作用的页岩气瞬态流动模型

针对甲烷气在页岩孔隙中的流动规律问题,建立了考虑孔内扩散、孔壁表面扩散、黏性滑脱流动和气体解吸附等多种流动机理的瞬态流动毛管束模型,并采用有限差分法的三层隐式差分格式离散控制方程对模型进行了数值求解。该模型考虑了“表面扩散”和吸附层对气体滑脱速度的影响,其预测产气量高于以往模型预测值。实例计算结果表明,孔壁表面扩散是页岩孔隙中不可忽略的传质方式,且表面扩散通量对总流动通量的贡献随孔径减小而增强,孔径小于5 nm孔隙中表面扩散通量占总流动通量百分比可超过50% ;黏性流动通量所占百分比随孔径增大而增加,孔径大于50 nm孔隙中黏性流动通量所占百分比接近100% ;孔内扩散通量相比于表面扩散通量和黏性流动通量可忽略不计。     

水力压裂过程的扩展有限元数值模拟方法

建立了基于扩展有限元法的水力压裂数值模拟方法,使水力裂缝独立于网格存在,无需预设裂缝扩展方位。在扩展有限元计算框架下,将裂缝面处理为求解域内边界,将缝内水压力转化为相关单元等效节点力;运用考虑缝内水压力作用的相互积分法来数值求解缝尖应力强度因子;采用最大能量释放率准则确定裂缝是否继续扩展及扩展方位;最终编制了计算机程序。利用该方法数值模拟了单条水力裂缝在恒定水压力作用下作非平面扩展,所得结果分别与室内试验和解析模型相对比。结果表明,数值结果与室内试验和解析解吻合较好,缝尖应力强度因子最大相对误差不高于0.45%,验证了该方法的可行性和准确性。