基于叠加原理的钻柱行星运动诱发平面流场的PIV分析

为了研究钻柱行星运动诱发流体平面流动的规律,解决提高钻井液携岩能力、降低流动压耗、降低涡动对钻柱破坏等的实际工程问题,提出了基于叠加原理的求解思路,将行星运动诱发的平面流场分解为钻柱与井筒等角度旋转的离心力场和钻柱与井筒同时自转诱发的流场。为分析后者流场,设计了内杆与外筒自转诱发流体平面流场的测量实验装置,并进行了粒子图像测速（PIV）实验。结果表明：内杆与外筒自转所诱发平面流场的速度呈近似对称分布,对称轴是外筒与内杆横截面圆心的连心线;内杆偏心自转时,存在出现二次流的偏心率临界值,且二次流出现在远离内杆、近外筒壁的地方;内杆与外筒自转方向相同时,二次流的出现与偏心率以及内杆与外筒转速差都有关,且二次流分布区域随偏心率的增大、内杆与外筒转速差的增大而扩大;内杆与外筒自转方向相反时,二次流呈月牙儿状近似对称分布,分布区域随内杆或外筒转速的增大、偏心率的增大而扩大。     

小井眼环空压耗的室内试验研究

小井眼环空水力学与常规井区别很大。在室内小井眼环空实验架上对小井眼环空压力损失进行了试验研究。模拟环空钻井液返速、钻柱旋转速度、钻柱偏心弯曲程度、钻井液性能和钻具接头等对压耗的影响,取得上千组试验数据。试验结果表明:随环空返速增加,小井眼环空压耗增加很快;在转速较低时随转速增加压耗反而有所下降,但下降幅度很小,在转速较高时钻柱旋转时压耗的影响很大;随偏心度增大,环空压耗降低;随环空间隙减小,压耗对钻柱旋转变得更为敏感;随钻井液幂律流性指数增加,环空压力损耗增大;随宾汉塑性粘度增加,环空压耗增加;随钻井液密度增加,环空压耗增大;钻具接头对小井眼环空压耗的影响很显著。     

地面驱动螺杆泵井杆管环空螺旋流数值模拟

目前多数研究将地面驱动螺杆泵井杆管环空中的井液的流动看作多相流体轴向流动,实际上在高速旋转抽油杆带动及螺杆泵压差作用下,环空液体呈现螺旋流动。根据粘性流体运动方程及螺杆泵井井筒液体运动的特点,建立了地面驱动螺杆泵井幂律流体杆管同心环空螺旋流数学模型。运用不均匀对数网格法和有限差分法求其数值解,并对不同的流场参数进行了敏感性分析。计算结果表明,井液的轴向速度、切向速度、合速度及压力梯度随抽油杆转速的增加而增加,视粘度随转速的增加而减少。在设计螺杆泵井转速时,既要考虑增大产量,又要考虑螺杆泵举升高度及寿命。     

幂律流体在内管做行星运动的环空中流动的二次流

建立了运动双极坐标系下幂律流体在内管做行星运动的环空中流动的控制方程,并用有限差分法对其进行了数值求解,得到了该流动的流函数分布.结果表明:幂律流体在内管做行星运动的环空中流动时出现二次流,且二次流分布与环空内管公转、自转速度的方向和大小以及环空偏心距有关.     

旋流扶正器作用下环空中气液两相螺旋流场压降研究

目前国内外对于旋流扶正器作用下环空中螺旋流场的研究主要针对单相流体。结合两相流的特点,借助于螺旋角的概念,修正了达西公式中的沿程阻力系数的计算公式,最终得到了环空中气液两相螺旋流场压降的计算方法,并进行了试验验证。运用VB语言编写了环空中气液两相螺旋流计算分析软件,分析了螺旋流场的非线性衰减特征。     

旋流扶正器作用下环空螺旋流场压降研究

在油气井固井注水泥顶替技术中，使用旋流扶正器不仅可提高套管居中度，还能改变环空流体流速剖面，使流体做螺旋运动，螺旋顶替方式有利于将环空窄间隙滞留泥浆和井壁附着虚滤饼驱替干净，从而提高固井质量。液体螺旋流动方式改变了轴向流场压降的分布规律，展开螺旋流场压降的研究对注水泥安全施工有着重要意义。文章在实验的基础上，推导出了环空螺旋流场压降的计算公式，实验结果表明：环空螺旋流场的压降呈非线性衰减，且在同等条件下大于一维轴向流场的压降值，注水泥施工设计时应对其予以足够重视。     

非牛顿液体螺旋流场的数值解

本文采用近代物理中的格林函数,把非线性常微分方程组的解表示成非齐次项的定积分迭代式,对两种有代表性的物质——塑性液体和幂律液体进行了数值计算,并与Savins方法的计算结果进行了对比,其结果令人满意。本文把钻杆与井壁之间(环形空间)的钻井液的流动视为螺旋流,考虑了钻杆转动对水力因素的影响,比不考虑钻杆旋转的环空流更符合钻井实际;并且本方法避免了传统数值解法在解边值问题时的诸多不便,是一种新的积分方法。但在有刚性流核的场合,本方法不适用。     

非牛顿液体环空螺旋流的精确解

非牛顿液体环空螺旋流的水力计算在石油钻井中具有重要意义.理论分析指出螺旋流可由3个特征参数a、b和c完全描述,这些参数的大小由环空螺旋流的轴向平均速度V_cp、环空内圆旋转角速度ω₁和液体的流变常数决定;从液体流动的运动方程式和具有4个流变常数的本构方程式出发,引入应力函数的概念后导出了求解特征参数的新方法.该法实际上给出了石油工业中常见的宾汉液体、幂律液体、卡森液体、修正幂律液体及罗伯逊液体的环空流和螺旋流水力计算的统一程序,数值计算显示了新方法的优越性.     

新型固井冲洗液评价装置适用性分析

为了明确新型固井冲洗液评价装置的适用范围,根据评价装置内筒外壁面处与固井环空壁面剪切速率相等的原理,结合罗伯逊-斯蒂夫流变模式推导了冲洗液为牛顿、宾汉和幂律流体时其在内筒外壁处剪切速率的计算公式,并分析了不同流变模式冲洗液内筒外壁面处剪切速率与固井环空壁面剪切速率的误差。分析结果为:当冲洗液为牛顿流体时,评价装置在内筒外壁面处的剪切速率与固井界面处相等,不存在理论误差;当冲洗液为宾汉和幂律流体时,评价装置内筒外壁面处的剪切速率大于固井界面处,且剪切速率增量与内外筒间隙和冲洗液流变性质有关;当评价装置外内筒半径比限定在1.04~1.20时,冲洗液为幂律流体且流性指数大于0.6或为宾汉流体且动塑比小于1 Pa/（mPa·s）时,剪切速率相对误差在10%以内。研究结果表明,评价装置外内筒半径比越小,相对误差越小,其适用范围越大。      

在旋流扶正器作用下环空流场旋流衰减规律研究

在油气井固井注水泥顶替技术中，传统的一维轴向流顶替方式不能有效替净环空被顶替液；而使用旋流扶正器不仅提高套管居中度，还能使环空流体改变流速剖面而做螺旋运动，这使轴向驱替的同时增加一周向剪切驱动力，从而有利于将环空窄间隙滞留泥浆和井壁附着虚滤饼驱替干净,提高固井质量。文章对旋流扶正器本身结构、流体性能、施工排量与旋流发展之间的关系进行了较为全面的研究，研究得出的旋流周向速度的经验公式，计算精度较高，对计算边壁剪切应力，设计旋流扶正器的间距具有重要的意义。