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。

提升偏心环空注水泥顶替效率的浆柱结构优化分析

套管偏心是决定注水泥环空流速与流态演化的关键因素,进而制约了顶替效率的提升;优化浆柱结构是改善顶替效率的重要途径,而关于相关的理论机理未见报道。借助于计算流体力学Fluent软件,建立了不同套管偏心下水平环空3D模型,探讨了不同套管偏心下的顶替效率变化特性,结合套管偏心0.4时顶替效率差的案例,通过探究不同浆柱结构下的环空流体滞留体积分数,以推荐最佳注水泥浆柱结构。研究表明:①套管偏心0.1时,偏心效应与浮力作用下顶替效率优于居中工况;偏心度大于0.1后,在套管偏心与质量扩散效应耦合作用下,顶替效率逐渐降低;②先注入隔离液后注入冲洗液有利于充分发挥隔离液在正密度差下的顶替效果,再利用低密度冲洗液的冲刷作用,进而提高了顶替效率;③套管偏心时,宽边流速高于窄边,引起水泥浆从宽边提前返出,而窄边滞留大量钻井液的问题。模拟成果为偏心环空下浆柱结构设计与优化提供了重要理论依据。

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。

偏心环空层流顶替滞留层边界位置研究

水泥浆顶替过程中环空边界处的泥浆所受的剪应力最大,随着顶替界面从环空最大流速位置处逐渐向两边扩展,泥浆层各处所受的剪应力逐渐减小,直到环空边界处的剪应力等于泥浆的动切力,顶替界面不再扩展,形成稳定的顶替边界。根据水泥浆顶替泥浆过程中顶替界面达到稳定的平衡条件,建立了偏心环空不同周向角下套管和井壁处的泥浆滞留层边界位置计算模型,通过计算表明:随着套管偏心度的增大,宽间隙处的剖面顶替效率变化不大,而窄间隙处的剖面顶替效率却急剧下降,易形成泥浆窜槽;泥浆滞留层首先在井壁处出现,井壁处的泥浆滞留层厚度和范围要明显高于套管处,严重影响第二胶结面固井质量,应重点加强第二胶结面顶替效率和固井质量技术的研究。

幂律流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的流量计算

建立了双极坐标系下幂律流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的控制方程、初始条件和边界条件方程,给出了瞬时流量和时间平均流量的计算公式,并介绍了幂律流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的流量计算方法。利用不同质量浓度的部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)水溶液,对在内管做轴向往复运动的偏心环空中的非定常流进行了实验,把由控制方程、初始条件和边界条件方程以及时间平均流量公式数值计算而得的平均流量与实验测得的平均流量进行了对比。结果表明,文中建立的控制方程、初始条件和边界条件方程、流量公式以及数值计算流量的方法都是正确的。

幂律流体偏心环空流场的CFD模拟

在流体计算软件PHOENICS的VR编辑环境中,在三维直角坐标系下建立了偏心环空流动的物理模型,采用正交网格和湍流模型及壁面函数法,对幂律流体的偏心环空流动进行数值计算,分析了幂律流体下流性指数和偏心度对偏心环空流场中速度、压力分布的影响。结果表明,正交网格和湍流模型及壁面函数法可以很好地反映出偏心环空流动的基本特征,为石油生产中常见的偏心环空流问题的研究提供了理论依据。

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。

幂律流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的流量分布

建立了双极坐标系下幂律流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的控制方程、初始条件和边界条件方程,以及瞬时流量计算公式.介绍了幂律流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的瞬时流量分布的数值计算方法.以部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)水溶液为例,对这种流量分布进行了数值计算,绘制了瞬时流量分布曲线.分析结果表明,环空偏心距、内管冲程是影响瞬时流量分布的主要因素.

水平井偏心环空顶替流体密度差优化

顶替界面失稳指进造成的钻井液迟流是导致油气水窜槽的主要原因。水平井顶替界面受到套管偏心引起的宽窄间隙阻力效应和密度差引起的浮力效应共同影响,且两者对顶替界面的影响相反,因此有必要根据水平井套管偏心情况优化顶替流体密度差,从而提高顶替界面的稳定性。在总结三维数值模拟方法优缺点的基础上,采用该方法分析了水平井顶替界面长度随顶替时间的变化规律,以实现最小顶替界面长度为目标,得出了水平井套管偏心度与最优密度差之间的匹配关系。研究结果表明:水平井顶替界面长度随顶替时间增加增长幅度趋缓,但并不明显;在水平井套管偏心的情况下,密度差过大或过小都会降低顶替界面的稳定性,需要根据套管偏心度选取合理的密度差使得顶替界面长度最短。研究结果为水平井顶替参数和封固段长度设计提供了必要的理论依据。

非Newton流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的速度分布

本文建立了双极坐标系下非Newton流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的控制方程;并以HPAM水溶液为例,用有限差分法对控制方程进行了数值求解,绘制了这种流动的速度分布曲线;分析了环空内外管的偏心距、环空内管的冲程和冲次对流体在偏心环空中速度分布的影响。分析结果表明:随着环空偏心距减小,最宽和最窄间隙处的流体速度分布越来越接近;随着环空内管的冲程和冲次的增加,环空内管的轴向往复运动对流体速度分布的扰动增大。

基于赫巴流体的偏心环空波动压力数值模拟

基于牛顿流体、幂律流体以及卡森流体建立的偏心环空稳态波动压力预测模型计算过程对计算机的硬件要求较高,在现场条件下并不适用。为此,基于钻井液赫巴流变模式,利用Fluent软件对起下钻波动压力进行了计算,并将计算结果与现场广泛应用的压力模型及室内试验数据进行了对比验证。建模时采用一阶迎风格式对动量方程的对流项进行离散,壁面设为非滑移壁面。分析结果表明,数值模拟结果与现存的同心环空计算模型及同心、偏心室内试验结果具有很高的一致性,最大误差不超过8%;流动指数、钻柱井筒直径比以及钻柱偏心度对波动压力影响较大,在窄间隙工况或具有高流动指数流体的情况下应严格控制起下钻速度。

偏心环空中幂律流体层流螺旋流流动规律的研究

在石油钻井工程中,特别是在定向井、水平井正常钻进时,井眼中的上返钻井液液流属于偏心环空层流螺旋流,而不是轴向流。作者依据流体力学原理,研究了幂津流体在偏心环空中的层流螺旋流流动规律,探讨了视粘度分市,速度分布及计算流量和压降的方法。文中还将部分结果与同心环空流理论及两相流实验值作了对比。经过验证表明:文中新的理论公式可用于钻井水力参数计算。

流体在内管做轴向运动的偏心环空中的速度分布

建立了双极坐标系下牛顿流体在内管做轴向周期性往复运动的偏心环空中非定常流的控制方程,对流体的轴向速度分布用有限差分法进行了数值求解,绘制了速度分布曲线,分析了内外管的偏心距、内管的冲程和冲次对流体在偏心环空中速度分布的影响.分析结果表明:随着偏心距减小,最宽和最窄间隙处的速度分布越来越接近;随着内管的冲程和冲次的增加,内管的轴向往复运动对速度分布的扰动增大.

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。

流体在内外管同时旋转的偏心环空中螺旋流的稳定性参数

利用Newton流体在内外管同时旋转的偏心环空中螺旋流的流函数和轴向速度函数,推导出该流动条件下的稳定性参数H的解析表达式;并以水为例,绘制了稳定性参数H的分布曲线,分析了环空偏心距、环空内外管转速对稳定性参数H分布的影响.结果表明:稳定性参数H的峰值随偏心距增大而增大,同时峰值出现的区域由内管附近流动区逐渐向外管附近流动区移动;随外管正向转速的增大,峰值由外管附近流动区移向内管附近流动区;在外管正向转速较小时,内管的转速对稳定性参数H的分布影响较大,稳定性参数H的峰值随着内管转速的增大而增大,并由外管附近流动区移向内管附近流动区;内管转速较小的情况下,外管的旋转方向对稳定性参数H的分布影响不大,对峰值的影响也很小.

幂律流体在偏心环空中流动的数值计算方法

针对水平井中钻井液的流动特点，引入了Ｖａｓｉｌｅｓｃｕ紊流模式，建立了描述幂律流体在偏心环空中流动的基本方程。提出了求解幂律流体流动方程的１种新方法──迭代欧拉法，计算了液体流动的速度分布、流量及压降。找出了影响流场速度分布的主要因素，并将压力梯度的计算值与实验结果进行了比较。结果表明，环空的偏心度及流动状态对速度分布的影响最为明显。该方法不仅适合于幂律流体层流流动的计算，而且适合于幂律流体紊流流动以及其它流变模式流体流动的计算。

黏弹性流体在内管做轴向运动的偏心环空中的速度分布

利用下随体Maxwell本构模型,建立了双极坐标系下黏弹性流体在内管做轴向运动的偏心环空中定常流的控制方程,利用控制体积法对其离散化处理,并用 ADI方法求解流场的速度分布,分析了偏心距等参数对速度分布和流量的影响. 结果表明,偏心距对流场的速度分布和流量影响较大.

大斜度井偏心环空钻柱旋转对岩屑运移的影响

在钻井过程中,当液流速度小于岩屑悬浮运移速度时,岩屑容易在大斜度井段沉降并形成岩屑床,导致钻柱卡钻、高摩阻和扭矩、低机械钻速等问题。建立大斜度偏心环空三维物理模型,采用结构网格划分环空流体域,用滑移网格模拟钻柱旋转。基于欧拉固液两相流模型和Realizable k-ε紊流模型,考虑钻井液对岩屑的举升力、岩屑加速产生的虚质量力以及固液间的动量交换,模拟了钻柱旋转条件下井斜角、岩屑注入浓度、钻井液速度和黏度对岩屑运移的影响。研究表明:钻柱旋转使得岩屑床床面沿旋转方向倾斜,沿井眼呈不对称分布状态,并能够显著减小环空岩屑浓度,其变化幅度受钻井液入口流速、井斜角、钻井液黏度和岩屑注入浓度的影响,但当转速达到某一临界值后,旋转作用效果将减弱。研究结果可为采取合理措施提高岩屑运移效率提供参考。

基于计算流体动力学的偏心环空流场数值模拟

在流体计算软件PHOENICS的VR编辑环境中,建立了偏心环空流场几何模型.采用三维均匀正交网格,应用湍流模型和壁面函数法处理固壁边界,在不同偏心度的情况下对流场进行计算,分析了偏心度对偏心流场速度分布和压力损失的影响.将量纲为1的压降模拟结果,与文献[11]给出的不同偏心度时偏心环空流的量纲为1压力PR计算表达式结果进行对比,其结果吻合较好.

变系数二阶流体在偏心环空中非定常流压力梯度的数值计算

建立给定流量条件下变系数二阶流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的瞬时压力梯度方程,给出这种流动的时均压力梯度公式及相应的数值计算方法;以HPAM水溶液为例,对其在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的时均压力梯度进行数值计算和室内试验。结果表明:环空偏心度对时均压力梯度有明显影响,内管冲程和冲次对时均压力梯度的影响不明显;试验验证了时均压力梯度公式及相应数值计算方法的正确性。