深海钻井中井筒内液固两相流动特性数值模拟研究

作     者：李昊龙 

作者单位：东北石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王淑彦;王树青

授予年度：2019年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：液固两相流 双梯度钻井 双流体模型 计算流体力学 

摘      要：世界油气资源的大量开采和消耗,海洋油气开发将成为全球能源开发的一个重要领域。由于海底地层较为松散且沉积物较多,使得地层的孔隙压力与破裂压力之间的余量很小,常规的钻井技术很难使环空中的压力保持在两者之间,空心球双梯度钻井方法的出现很好的解决了该问题。由于在环空中的流动难以观测,针对该问题,本文采用欧拉-欧拉双流体模型结合颗粒动理学,采用SST k-ω湍流模型对空心球注入系统进行数值模拟。通过对环空内的压降以及固相运移规律的分析,研究了不同物性参数以及操作参数对空心球双梯度钻井系统(HGS)的影响。研究结果表明,岩屑直径的增大,使得环空内岩屑的整体浓度有所上升;空心球直径的增加会增大隔水管中压降,同样会降低岩屑在环空中的浓度,但降低的幅度非常有限;岩屑浓度的上升,导致环空内固相速度的降低以及颗粒拟温度的上升,由于其发生碰撞的概率升高,动量损失变大,使环空中的压降升高,压降值与入口岩屑浓度呈非线性关系,但在注入空心球后,环空内呈现出更明显的双梯度现象;随着空心球浓度的降低,环空内压降值升高,进而使环空内两种压力梯度的现象越来越不明显;提高钻杆的转速,可以增加固相在环空中浓度,同时增加其运移速度,并不会对环空内的压力产生过多的影响;当底部入口速度出现周期性波动时,环空内产生了大量的能量损失,导致更高的压降;随着钻井液流性指数的降低,环空内岩屑与空心球混合更为均匀,空心球主要占据环空中央的区域,而岩屑则主要分布在靠近壁面的区域。本文旨在为空心球双梯度钻井技术的实际应用提供切实的理论依据。