油气钻井岩屑沉降阻力计算模型

油气钻井过程中,破碎的岩屑在井筒钻井液中存在着自由沉降的现象,为了防止和避免岩屑沉积造成沉砂卡钻等井下安全事故,需要研究岩屑颗粒的沉降规律、预测岩屑沉降的末速度。为此,基于Stokes定律和Newton-Rittinger模型,提出了黏性阻力占比系数与压差阻力占比系数的概念,应用最小二乘法对实验数据回归得到阻力占比系数方程,分别推导出岩屑颗粒在牛顿流体与幂律流体中沉降时非斯托克斯区域的阻力计算模型,并通过该模型依据沉积实验数据对岩屑颗粒的沉降末速度进行计算和分析。研究结果表明:(1)岩屑颗粒在幂律流体中沉降时,所受到的黏性阻力和压差阻力不仅与颗粒雷诺数相关,而且还与流性指数及稠度系数相关;(2)岩屑颗粒在牛顿流体中沉降,当颗粒雷诺数小于2.944 6时黏性阻力大于压差阻力,当颗粒雷诺数大于2.944 6时压差阻力大于黏性阻力;(3)颗粒雷诺数小于1.11时岩屑沉降主要考虑黏性阻力,颗粒雷诺数介于1.11~500时岩屑沉降受到黏性阻力与压差阻力的共同作用,颗粒雷诺数大于500时压差阻力在岩屑沉降中占主导作用。结论认为,借助于该计算模型,当钻井液为牛顿流体时,可以预测颗粒雷诺数介于0~105的岩屑沉降末速度;当钻井液为幂律流体时,可以预测颗粒雷诺数介于0~105、流性指数介于0.062 3~1的岩屑沉降末速度;上述范围能够满足钻井工程中对于岩屑沉降速度进行预测的需求。     

基于FLUENT的海上平台天然气储罐泄漏扩散研究

针对海上石油平台天然气储罐泄漏扩散问题,基于计算流体动力学软件FLUENT,参照某海洋平台,建立海上平台的二维模型。模拟得到不同风速、泄漏孔径和泄漏速度条件下天然气在海上平台的泄漏扩散分布规律,并根据天然气5%~15%的爆炸极限模拟出天然气泄漏后的危险区域。模拟结果表明不同风速、泄漏孔径和泄漏速度与天然气泄漏扩散之间的规律并以此预测天然气泄漏扩散危险区域。为此类事故的预防、控制以及海上平台人员应急逃生方面均提供了参考。     

天然气水合物试采中节流螺旋管段微米级砂粒运移沉积规律数值模拟

海洋天然气水合物（以下简称水合物）开采过程中需要考虑储层微米级砂粒突破井筒防砂设施后对井筒设备造成的磨损问题，而对于微米级砂粒（粒径小于44 μm）随地层流体进入井筒后的运移、沉积、堵塞方面的研究尚未见到有文献报道。为此，以水合物降压开采法中输送水流的节流螺旋管段的砂粒为研究对象，建立流道几何模型，进行数值模拟，研究微米级砂粒运移沉积规律，获得了不同条件下微米级砂粒临界不沉积水速。研究结果表明：①微米级砂粒主要堆积在复杂管路螺旋段，沉砂情况随着水速的增加而逐渐改善，其中螺旋段上部的砂粒清洁难度要大于螺旋段下部；②临界不沉积水速随着砂粒粒径和出砂浓度的增大而逐渐增大；③应用Buckingham-Π定理，对变量进行无量纲化，利用OriginPro 2019非线性拟合工具可以得到水合物试采局部复杂井段井筒沉砂浓度预测模型；④提出的砂沉积浓度比概念，结合沉积预测模型可方便计算微米级砂粒临界不沉积水速及判断井筒内沉砂情况。结论认为：提出了一种确定水合物试采局部复杂井段微米级砂粒临界不沉积水速的方法，得到了3种粒径、3种出砂浓度下微米级砂粒的临界不沉积水速；该项研究成果可以为安全合理安排水合物生产制度、降压幅度等提供依据。     

温度对冷热原油交替输送影响的数值模拟

为了解不同原油温度对冷热原油交替输送过程中混油量的影响,建立冷热原油交替输送计算模型,运用计算流体动力学FLUENT软件采用有限体积法对原油温度进行数值模拟,得到不同温度条件下冷热原油交替输送过程中的混油分布规律并对模拟结果进行分析。结果表明,热油前行会比冷油前行产生更多的混油;在热油前行的情况下,适当提高冷油出站温度会减少混油量;在冬季埋地管线地温较低时,应多进行冷油前行、热油后行的输送方式来减少混油量。     

控压钻井楔形节流阀节流压降规律研究

指出了流体通过阀门最小过流面积的位置并计算了最小面积,推导得到了阀芯行程与阀门两端节流压降的解析关系式。结合钻井现场数据具体计算,分析得到了楔形节流阀的有效调节区间约为0.49,压降调节范围0.29~14.71MPa,在有效区间内阀门关度与节流压降函数呈现指数关系,既能对井口回压进行精细调节,又能快速改变压降,具有良好的适用性能。对精确计算不同阀门开度下的节流压降以及其他非标准结构的阀门设计和优化都具有十分重要的意义。     

液力—磁耦合传动岩屑清洁装置的磁扭矩数值优化

钻井过程中水平井段岩屑携带困难、易形成岩屑床,因而研发了一种新型液力—磁耦合传动岩屑清洁工具,但对其磁扭矩传动影响机制、最佳磁路结构及磁铁配置等尚不清楚。为此,应用有限元数值模拟方法分析了磁路结构和永磁铁几何尺寸对磁扭矩的影响规律,数值模拟和室内实验的结果表明:(1)通过提高气隙磁通密度,降低磁路磁阻,增加静磁能的储积等方式可以提高磁扭矩的传递效率;(2)磁扭矩随磁偶对数的增加呈先增大后减小的趋势,12对磁偶的磁扭矩达到最大值;(3)对工具有效断面磁铁覆盖面积和磁体厚度这两种因素制约下的磁铁用量的耦合,得到永磁铁厚度为8.4 mm、工具有效断面上磁铁覆盖面积为71%时,单位体积磁铁产生的磁扭矩为最高;(4)室内实验结果与数值模拟计算结果绝对误差小于17%,能够满足工程计算对精度的要求。结论认为,所建立的数值模拟模型较为合理,可作为该工具结构优化分析的技术手段。     

页岩储层水平扩径井段固井顶替效率数值模拟研究

提高水平扩径井段顶替效率是提高水平井固井质量的途径之一，但相关研究存在假设过于理想化、与现场实际不相符的问题。为此，利用CFD数值模拟方法，以大庆油田古龙页岩储层为例，开展了椭圆形水平扩径井段固井水泥浆三维顶替模拟研究。结果表明：偏心度越高，扩径段的宽窄间隙处的流速差越显著，偏心度为0.7时，流速差达到2.00 m/s,钻井液很难被完全顶替；最大扩径段位于扩径段中部时，水泥浆顶替效率最高，扩径段靠近最大扩径处一侧时，水泥浆顶替效率变差，易形成钻井液滞流区；套管高偏心度条件下，顶替效率随套管转速增加显著改善，偏心度为0.7时，套管转速从30 r/min增至40 r/min,顶替效率提高1.17个百分点；主轴旋转会改变扩径段的几何形状，主轴方位角为60～120°时，顶替效率变化明显，由60°增至90°时，顶替效率降低0.81个百分点。该研究结果有助于提高页岩储层椭圆形水平扩径井段的固井质量。