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螺旋套管扶正器诱导环空流场的数值模拟

石油钻探技术 2012年第2期40卷 25-29页

作者：李洪乾中国石化国际石油勘探开发有限公司北京100083

为了优化固井设计、确定螺旋套管扶正器的合理安放位置、有效提升水泥浆的顶替效率,对螺旋套管扶正器诱导环空流场进行了理论分析。依据环空流体动力学基本理论,建立了环空流场的理论模型,采用数值模拟方法对螺旋套管扶正器诱导的环空... 详细信息

为了优化固井设计、确定螺旋套管扶正器的合理安放位置、有效提升水泥浆的顶替效率,对螺旋套管扶正器诱导环空流场进行了理论分析。依据环空流体动力学基本理论,建立了环空流场的理论模型,采用数值模拟方法对螺旋套管扶正器诱导的环空螺旋流动规律进行了研究,并利用室内试验对有限元数值的计算结果进行了验证,有限元数值计算结果和激光测速试验数据吻合较好,证明了有限元数值计算方法的可行性。借助ANSYS软件对不同条件下流场的变化以及有效旋流长度的变化进行了计算,总结了螺旋扶正器螺旋角、屈服应力、流量对旋流速度以及有效旋流长度的影响规律。数值模拟结果表明,螺旋角和流量对旋流速度和有效旋流长度影响很大。

关键词：螺旋扶正器数值模拟环空流场顶替效率

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分层配注器波纹环空流场的数值模拟

石油机械 2006年第2期34卷 15-17页

作者：孟令尊崔海清王常斌崔金哲大庆石油学院大庆油田有限责任公司第六采油厂

用3D Max建立了分层配注器波纹环空流场的计算模型,调入PHOENICS的VR编辑环境中,根据实际配注器的几何尺寸,在柱坐标系下,采用局部加密正交网格,应用k-ε湍流计算模型对水介质流场进行了数值计算,给出流场的速度分布与压力分布曲线,并... 详细信息

用3D Max建立了分层配注器波纹环空流场的计算模型,调入PHOENICS的VR编辑环境中,根据实际配注器的几何尺寸,在柱坐标系下,采用局部加密正交网格,应用k-ε湍流计算模型对水介质流场进行了数值计算,给出流场的速度分布与压力分布曲线,并对比分析了3种形状的波纹环空流场的数值计算结果。结果表明,波纹环空流场特性与流道的形状有密切关系。

关键词：分层配注器环空流场数值模拟 k-ε模型流场特性配注器环空波纹 PHOENICS 压力分布曲线

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水力喷射多簇压裂簇间流量分配特征

石油科学通报 2023年第3期8卷 318-329页

作者：张壮壮盛茂武晓光黄中伟中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室北京102249

水力喷射压裂是非常规油气资源的有力增产手段。压裂液簇间流量分配直接影响多簇裂缝起裂与扩展。本文建立了水力喷射多簇压裂环空流动模型,研究了喷嘴周围的流场特征,分析了环空流速、射流速度、簇间压差和环空出口压力等关键因素对压... 详细信息

水力喷射压裂是非常规油气资源的有力增产手段。压裂液簇间流量分配直接影响多簇裂缝起裂与扩展。本文建立了水力喷射多簇压裂环空流动模型,研究了喷嘴周围的流场特征,分析了环空流速、射流速度、簇间压差和环空出口压力等关键因素对压裂簇间流量分配的影响规律。结果表明,环空中速度和压力变化集中于射流周围:射流中心静压高于环空压力,射流周围存在低压区和类似点汇流动的特征,且流场非均匀分布。本文条件下簇间无干扰:相同孔眼出口条件下最大簇间流量差异仅0.08 kg/s;最大簇间裂缝延伸压力差达到4 MPa,参考簇流量仅变化0.05 kg/s;延伸压力差改变,各簇孔眼流量仍以同一规律变化。孔眼流量与射流速度、环空出口压力等正线性相关,环空流速对孔眼流量无影响,上述因素均不引起簇间流量分配差异。簇间裂缝延伸压力差异是流量非均匀分配的主控因素:各簇孔眼流量随裂缝延伸压力减小而线性增加;簇间流量差异和簇间裂缝延伸压力差异呈正线性关系。实验条件下,环空流速低于3 m/s或环空出口压力高于40 MPa,压裂液利用效率可达100%。研究结果可为水力喷射多簇压裂设计提供理论依据。

关键词：多簇压裂水力射流环空流场压裂液运移簇间干扰

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大直径水平定向钻低流速层流下岩屑运移规律

油气储运 2018年第9期37卷 1041-1047,1076页

作者：杨善曾聪闫雪峰许州马保松中国地质大学(武汉)工程学院中铁第四勘察设计院集团有限公司

大直径水平定向钻钻孔直径可达到钻杆直径的10倍以上,钻孔环形空间泥浆不仅处于不利于岩屑运移的层流状态,而且流速极低,岩屑极易在孔底形成稳定的岩屑床,造成孔内事故。针对该问题,首先推导出柱坐标系下环空泥浆的运动微分方程组,然后... 详细信息

大直径水平定向钻钻孔直径可达到钻杆直径的10倍以上,钻孔环形空间泥浆不仅处于不利于岩屑运移的层流状态,而且流速极低,岩屑极易在孔底形成稳定的岩屑床,造成孔内事故。针对该问题,首先推导出柱坐标系下环空泥浆的运动微分方程组,然后使用环空岩屑运移综合模拟实验装置进行多次模拟实验,最后通过数值模拟揭示环空泥浆流场分布及岩屑运移规律。结果表明:增加泥浆PAM含量对提高大粒径岩屑运移效率效果不明显;提高环空泥浆流速,在一定程度上能够提高单颗岩屑运移效率,但同时会增加岩屑床末端回流区尺寸,使岩屑床内部压差增大。研究成果对水平定向钻施工具有指导意义。(图5,表2,参20)

关键词：水平定向钻环空流场岩屑运移综合模拟装置

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基于熵产分析的套管稳定器结构参数优化

石油机械 2023年第5期51卷 33-40页

作者：魏精波刘成文韦宝鑫卓景军李兆敏中国石油大学(华东)石油工程学院中国石化集团中原石油工程公司

套管稳定器是套管钻井过程中必要的部件。为满足现场对安装套管稳定器的井段内环空流动损失较低且有利于携岩的要求,需要对套管稳定器进行整体结构设计。利用Fluent软件对稳定器与井眼之间的环空流场进行了数值模拟,采用熵产方法对流场... 详细信息

套管稳定器是套管钻井过程中必要的部件。为满足现场对安装套管稳定器的井段内环空流动损失较低且有利于携岩的要求,需要对套管稳定器进行整体结构设计。利用Fluent软件对稳定器与井眼之间的环空流场进行了数值模拟,采用熵产方法对流场能耗进行了分析。分析结果表明:流场中湍流熵产占大部分且主要发生在螺旋流道入口;对安装稳定器的井段进行了携岩能力分析,发现稳定器的螺旋流道整体对携岩有利,但螺旋棱根部会有少量岩屑堆积。综合分析了螺旋棱尺寸对流场能耗和携岩能力的影响,优选出套管稳定器的结构尺寸。研究结果可为套管稳定器优化设计和现场应用提供参考。

关键词：套管钻井套管稳定器环空流场能耗熵产携岩

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气体钻井中下部钻具冲蚀失效研究

气体钻井中下部钻具冲蚀失效研究

作者：巴彬西南石油大学

学位级别：硕士

气体钻井具有钻速快、地层污染小、防止循环漏失等优点,但是由于地层出水及钻具磨损严重等问题,其在现场施工中的应用受到了限制。本文针对气体钻井中下部钻具常出现的冲蚀磨损问题,进行了研究探讨,通过冲蚀实验研究、冲蚀模型分析、数... 详细信息

气体钻井具有钻速快、地层污染小、防止循环漏失等优点,但是由于地层出水及钻具磨损严重等问题,其在现场施工中的应用受到了限制。本文针对气体钻井中下部钻具常出现的冲蚀磨损问题,进行了研究探讨,通过冲蚀实验研究、冲蚀模型分析、数值计算模拟等方法总结分析了钻具的冲蚀规律,针对气体钻井中下部钻具的冲蚀失效问题开展了以下研究工作并得到了相应结论：(1)自主研发设计了一套可循环的冲蚀实验装置,该装置将加沙器和排砂分离装置整合为一体,实现了砂粒在冲蚀中的循环利用。在对试片的冲蚀规律进行了实验研究后得到了不同攻角时,试片表面的油漆在受到长时间冲蚀后的剥落规律。对试片冲蚀后的质量进行了测量统计,估算了所用钢材在实验中的冲蚀速率。(2)利用数值模拟软件建立了试片冲蚀的模型和井下钻具的模型,调整了冲蚀计算中的参数设置,在对试片冲蚀的模拟计算中得到了与实验中相近的结果。对井下钻具模型进行了观察分析,设计了模拟组次,对模型的网格进行了优化处理并根据现场实际工况设计了进出口条件和环境变量。(3)使用DPM模型对不同进出口条件下的环空流场和钻具冲蚀进行了计算,结果分析表明,冲蚀主要集中在钻杆接头位置,钻杆本体受到冲蚀的影响较小,冲蚀痕迹呈现螺旋上升的规律但是会受到不同入口条件的影响。进口速度(注气量)对环空内流场影响较大,也会直接影响冲蚀速率,而相同的入口速度下井底压力的变化对冲蚀速率影响不大。(4)通过对气体钻井中下部钻具的物理模型调整和环境变量设置,计算了不同工况时钻具的冲蚀速率,发现工况的改变对冲蚀速度和冲蚀分布影响很大。

关键词：气体钻井冲蚀环空流场 DPM模型冲蚀抑制

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油气井注水泥顶替混浆长度研究

油气井注水泥顶替混浆长度研究

作者：温达洋西南石油大学

学位级别：硕士

水泥浆水化过程中将产生大量钙离子,当这些钙离子与钻井液发生混合时,易形成粘稠团块状絮凝物质,这将造成水泥浆顶替不到位、水泥石抗压强度和胶结强度大幅降低,严重影响固井质量。为避免水泥浆与钻井液接触,注水泥过程需要在水泥浆与... 详细信息

水泥浆水化过程中将产生大量钙离子,当这些钙离子与钻井液发生混合时,易形成粘稠团块状絮凝物质,这将造成水泥浆顶替不到位、水泥石抗压强度和胶结强度大幅降低,严重影响固井质量。为避免水泥浆与钻井液接触,注水泥过程需要在水泥浆与钻井液之间泵入一定量的隔离液。目前现场常用的隔离液用量计算方法主要根据经验来确定,并没有考虑实际顶替过程两相流混浆长度影响。本论文以Taylor分散理论为基础,对隔离液与水泥浆混浆长度进行了分析计算,主要研究如下:(1)采用顶替界面微元力学方法分析了径向流速产生机理,提出了径向分散系数Er来描述径向物质输运能力;以幂律流变模式作为固井工作液的流变模式,分析了直井条件下套管与同心环空层流顶替轴向流速分布,利用轴向流速分布与径向分散系数Er,建立了适用于管内及同心环空轴向分散模型,阐明了水泥浆在轴向上分散的机理,并得出了混浆长度的理论计式。分析了幂律流体流变指数、平均流速、套管半径及环空间隙、无量纲数ξ对分散系数及混浆长度的影响;通过离子扩散方程得出塞流顶替状态下的混浆长度。(2)以幂律流变模式作为固井液工作的流变模式,研究了紊流状态下直井环空紊流流速分布,得出了直井同心环空紊流最大流速、平均流速之间的关系,并利用紊流流速分布建立了适用于紊流条件下直井同心环空的分散模型,得出了紊流状态下直井同心空的混浆长度计算式,并分析了环空间隙、环空平均流速、流体流变指数对混浆分散系数及混浆长度的影响。(3)通过数值模拟的方式,得出了径向流速与密度差的关系,并通过模拟计算,分析了密度差对混浆长度的影响;通过实验研究了钙离子扩散系数与温度、隔离液种类的关系,并验证了套管内层流顶替混浆长度计算式;将混浆长度计算公式与固井实际工程结合,得出不同流态下的理论隔离液用量计算新方法,并利用新方法对现场固井施工隔离液用量进行了理论计算。通过上述理论与试验研究,分析了层流、紊流顶替各参数对混浆长度的影响,提出了考虑顶替混浆长度后隔离液用量的推荐计算方法,并考虑井斜、偏心等因素的影响,为固井施工顶替参数优化提供了理论依据。

关键词：固井环空流场隔离液用量混浆长度离散系数

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旋转射流除垢装置特性研究

旋转射流除垢装置特性研究

作者：张诚成中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

高压旋转射流是近年来发展起来的一项前沿除垢解堵技术,它利用高压水射流和旋转控制,实现对套管柱的全方位除垢。但射流高速旋转时容易产生雾化作用而降低清洗效果,采用限速体可以控制喷枪转速。因此,研究限速体翼片参数优化和环空旋转... 详细信息

高压旋转射流是近年来发展起来的一项前沿除垢解堵技术,它利用高压水射流和旋转控制,实现对套管柱的全方位除垢。但射流高速旋转时容易产生雾化作用而降低清洗效果,采用限速体可以控制喷枪转速。因此,研究限速体翼片参数优化和环空旋转流场分布特性具有重要意义。本文首先分析了高压射流的除垢机理,然后建立旋转喷枪模型,对喷枪转速、排量和围压对环空流场分布的影响规律开展了数值模拟研究,并利用自行设计的室内实验装置,分别对喷枪转速测试和旋转射流清洗效果进行了研究。数值模拟结果表明,喷枪转速对管壁垢物的冲击作用影响较大,现场除垢解堵作业中应将工具转速控制在200-600rpm范围内。当排量增大至300L/min时,最高冲击压力可达12.1MPa,在满足现场条件下,应尽量使用大排量进行除垢解堵作业;而围压对环空速度分布的影响几乎可以忽略。室内实验结果表明,限速体翼片个数过多会导致翼片间距离较近、液体较少,翼片受到水的阻力较小;三翼片限速体降速效果较为明显,当入口压力为2MPa时,喷枪转速仅为920rpm。射流清洗压力随着水泥比例减少而逐渐降低,当水泥砂子比为2:1时所需射流清洗压力最高,为3.9MPa左右,此时对应的岩样强度也为最高。当限速体为正旋四翼片结构时,除垢质量最多;射流压力较高时,此时喷枪旋转较快,从而减少了射流在垢物表面的停滞时间,因此除垢质量反而减小。研究结果有望对现场除垢作业具有一定指导意义。

关键词：旋转射流除垢环空流场限速体

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幂律流体环空流数值模拟及PIV实验研究

幂律流体环空流数值模拟及PIV实验研究

作者：邢均大庆石油学院

学位级别：硕士

幂律流体在同心及偏心环形空间中的螺旋流动现象在钻井过程中极为普遍,而钻井液在环空中的流动则有时为层流有时为紊流。紊流是流体粘性运动中最复杂的形式,在石油工业中的流动问题,除少数高粘低速流动外,绝大多数都是紊流流动。近年来... 详细信息

幂律流体在同心及偏心环形空间中的螺旋流动现象在钻井过程中极为普遍,而钻井液在环空中的流动则有时为层流有时为紊流。紊流是流体粘性运动中最复杂的形式,在石油工业中的流动问题,除少数高粘低速流动外,绝大多数都是紊流流动。近年来,随着计算流体动力学(CFD)和流场测试技术的不断发展,数值模拟和PIV技术在流场特性研究领域得到了良好的推广和应用。因此,开展幂律流体环空流数值模拟及PIV实验研究具有学术理论意义和工程实际应用价值。本文在PHOENICS软件VR-Editor中三维笛卡尔坐标系下建立了同心及偏心环空管道的物理模型,采用SIMPLEST流场数值计算法的同时,应用有限体积法来实现控制方程离散化,紊流计算模型选取k ?ε两方程模型,近壁面采用壁面函数法来处理,模型参数设置与相应工况下的PIV实验情况完全相同,最后实现了对环空流场的数值模拟计算。通过Tecplot、Sci和Origin等软件对数模数据进行后处理,得到了同心及偏心环空流场的速度云图、向量图、流线图及轴向速度分布情况,详细分析了内管旋转角速度、流体粘滞性及偏心度对轴向速度的影响规律;通过流线图,发现偏心环空紊流螺旋流流场中存在二次流动现象,深入分析了偏心度、流体粘滞性、内管转速及旋转方向对二次流的影响规律。本文首次应用PHOENICS流体计算软件对同心及偏心环空管路中紊流螺旋流流场进行了数值模拟计算。数值模拟结果与PIV实验结果基本吻合,表明利用PHOENICS对环空流场进行数值模拟是可行的,验证了数值模拟计算结果的可靠性。这为进一步研究环空流紊流流动提供了理论依据和指导,并可促进PHOENICS软件在环空流模拟中的开发及应用。

关键词：螺旋流紊流二次流环空流场 PHOENICS 幂律流体