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本文研究了适合带渗透性井壁的偏心环空非牛顿流体二维运动微分方程式。提出了牛顿流体与宾汉流体在该偏心环空中流动的流场解析解及幂律流体流场的数值解。文中还导出了计算牛顿流体与宾汉流体在实际井眼内流动的压降与流量计算公式。     

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利用流体力学理论，导出了两种非牛顿流体在偏心环空中轴向层流顶替的数学模型，并利用数值方法求解了该模型。最后得出结论：增大乐密度、泥浆流性指数、水泥浆稠度系数、流量，降低泥浆密度、水泥浆流性指数、泥浆稠度系数等，都有利于提高注水泥顶替效率。     

屈服假塑性流体偏心环空流动的基本特征

石油钻井和完井过程中，经常出现钻井液、水泥浆和完井液在偏心环空中的流动。屈服假塑性流体在描述这些流体的流变性时有很高的精度。文中根据非牛顿流体流动的基本方程和偏心环空环隙间距的几何关系，利用相似原理，求解了屈服假塑性流体在偏心环形空间中作层流轴向流动时适于工程应用的二元速度分布，以及平均流速、流量和压降的表达式。研究表明：液体在偏心环形空间流动时与在同心环空中流动的最大差异，在于流经偏心环空不同间     

偏心环空中幂律流体轴向层流压降的计算

根据非牛顿流体力学原理,本文首先求得同心环空中幂律流体轴向层流压降精确解,在此基础上,引进当量间距的概念,提出偏心环空中轴向层流压降的计算方法。此外,文中还就固井工程和环空携屑计算中偏心环空极值速度问题进行了探讨,得到偏心环空中幂律流体轴向层流的最大和最小速度精确解。     

基于拟谱法的偏心环空流动模拟

通过坐标变换将笛卡尔坐标系下的N-S方程转化为便于描述偏心环空流动的双极坐标系下的运动方程,采用拟谱法进行数值求解。在径向上采用Chebyshev-Lobatto配置点,周向上采用Fourier配置点求出谱导数矩阵,通过数值计算得到了牛顿流体偏心环空流动的流场;同时发展了偏心环空流动的简化算法。通过与精确解的对比发现,拟谱法的数值解的精度要远高于其它方法,并且计算效率较高。在一些特定的情况下,简化方法也能够满足工程精度要求。     

非牛顿流体偏心环形空间螺旋流的速度分布

从理论上建立了双极坐标系下非牛顿流体偏心环空螺旋流的控制方程,其为用流函数和轴向速度表示的四阶非线性变系数非齐次偏微分方程组.给出了上述方程组的有限差分法数值求解步骤,并以水和CMC水溶液室内实验数据为例,计算和分析了非牛顿流体偏心环空螺旋流的速度分布规律,结果表明：非牛顿流体偏心环空螺旋流中存在二次流区,且影响二次流区域大小的主要因素是偏心距.     

紊流注水泥顶替机理研究

本文首先推导出普遍适用的非牛顿流体紊动微分方程式,然后在此基础上导出了适用于偏心环空紊流的运动微分方程式。据此研究了泥浆在偏心环空中的轴向紊流流动规律及水泥浆和泥浆在偏心环空中的轴向紊流顶替规律。最后得出结论:提高水泥浆密度、泥浆动切应力和塑性粘度或降低水泥浆动切应力和塑性粘度、泥浆密度等都有利于提高顶替效率。     

粘弹性流体偏心环空流动的数值计算

利用共转Maxwell本构模型建立了粘弹流体在内管做轴向运动的偏心环空中定常流动的控制方程，采用控制容积法和ADI方法对流场进行了数值计算，分析了偏心度、内管运动速度、流体的弹性对速度分布及内管所受径向力的影响，得出了聚驱井抽油杆偏磨加重的原因。     

聚驱螺杆泵井偏心环空流体流动仿真研究

螺杆泵主要用于聚驱井和稠油井,由于转子偏心以及井口不对中等原因,螺杆泵井杆管环空中流体可能呈现偏心流动.针对目前多数研究将该流动考虑为牛顿流体同心环空轴向流动的情况,对此流动系统进行运动和受力分析,建立螺杆泵井幂律流体杆管偏心环空螺旋流仿真数学模型.运用线性迭代的方法进行求解.通过计算可知,螺杆泵井杆管偏心环空螺旋流角速度随转速增加而增加,窄间隙处角速度径向梯度比宽间隙处大.轴向速度随转速的增加而增加,且增加幅度较大.仿真数学模型中螺杆泵杆管环空流体的流动状态符合实际工作状况,完善了螺杆泵举升工艺理论.     

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。     

幂律流体偏心环空波动压力数值解

钻井液性能和环空几何形状对波动压力影响很大.本文建立了双极坐标下非牛顿流体偏心环空稳态波动压力的控制方程,利用盒式积分法和有限差分法推导了椭圆型变系数非齐次偏微分方程的数值模型,以幂律流体为例计算了下套管作业时所产生的激动压力梯度和偏心环空速度分布.模型计算结果表明:随偏心度增加,波动压力减小,偏心环空宽、窄间隙内速度分布差异增大.管柱完全平躺于井眼下侧时的波动压力大约只有管柱居中时的一半.文中还把数值模型计算结果与经验模型和近似模型计算结果进行了对比.     

幂律流体在偏心环空中流动的Hanks稳定性参数

在水平井的钻井和固井作业中,井的环空是偏心环空,而偏心环空不同于圆管和同心环空,它是几何边界不规则的区域,从而给判定非牛顿流体在偏心环空中流动的稳定性带来了巨大的困难。利用幂律流体在偏心环空中流动的数值解,研究汉克斯(Hanks)稳定性参数,得到了如下重要规律:Hanks稳定性参数的最大值和最小值分别在偏心环空的最宽边和最窄边处,符合已有的实验观察结论;Hanks稳定性参数的最大值和最小值总是在靠近钻柱壁的位置处,即层流的失稳点总是从钻柱壁附近开始发生,然后发展到整个环空,这点对钻井和固井是极端不利的;偏心越严重,则在偏心环空的最宽边和最窄边处的最大Hanks稳定性参数相差越大,一般大于5~100倍,这充分地说明了偏心时最宽边处早已是紊流但是最窄边却仍然是层流,符合实验和工程实际情况。表明了汉克斯(Hanks)稳定性参数对水平井的钻井和固井作业中水力参数的科学设计具有重要应用价值。     

偏心环空中幂率流体层流流动特性数值模拟研究

Herschel-Bulkley模型（即屈服幂率模型）可用于研究非牛顿流体的流动特性,并能在大范围剪切速率条件下得到准确的预测结果。为此,采用有限体积方法（FVM）,研究了内部管柱旋转及流变参数（屈服应力τ₀、稠度系数K和流性指数n）对偏心环空（E=0.5）中Herschel-Bulkley流体层流区域的轴向、切向速度剖面与压降梯度的影响。研究结果表明,内部管柱转速从100 r/min增加至400 r/min时,会引起最大轴向速度增加,增幅为120%;较低的流性指数（n=0.2）会引起偏心环空宽区域出现二次流;内部管柱转速及流变参数的变化对偏心环空宽区域切向速度剖面有不良影响;内部管柱转速从0增加至400 r/min时,会引起不同偏心环空（E=0.2, 0.4, 0.6和0.8）内幂率流体压降梯度降低,降低幅度为10%。      

幂律流体偏心环空螺旋流计算机仿真

偏心环空螺旋流是钻井作业常见的一种流动,怎样方便、快速及高精度地计算其流速场与流量是一个重要问题.根据1987年Luo和Peden提出的方法,利用数值计算高级语言MATHCAD结合现代计算机仿真计算技术,对幂律流体在偏心环空的螺旋流动做了研究,得到了这种流动的重要规律.从算例可以发现:在其它参数不变的情况下,钻柱的偏心对幂律流体螺旋流轴向流量的影响非常大.最大偏心时,轴向流量是同心时轴向流量的2.635倍,是最小偏心时轴向流量的1.668倍;钻柱的旋转速度对幂律流体螺旋流轴向流量的影响较小,但随钻柱旋转速度的增加,轴向流量有所增大,钻柱旋转速度最大时轴向流量是钻柱旋转速度最小时轴向流量的1.013倍.     

聚合物产出液在抽油泵的缝隙中流动

室内聚合物溶液流变性测试表明,大庆油田应用的聚合物溶液的流变性符合幂律模式。运用非牛顿流体力学理论和数理方法,结合抽油泵柱塞运动特点,假设液体为不可压缩的,液体在缝隙中流动的水力半径很小,呈层流流动,柱塞在每一位置的瞬间,流动做定常流处理,建立了泵筒与柱塞同心和偏心两种情况下运动方程和边界条件,引入无量纲坐标、无量纲速度和柱塞与泵筒偏心配合时的缝隙高度,并给出缝隙流流速、流量的解析解。讨论了流性指数n=1时的特殊情况,所得的流速、流量方程与目前国内外应用的缝隙流公式完全相同。此外,还作出牛顿流体和非牛顿流体在柱塞与泵筒同心和完全偏心的情况下,漏失量与压差关系图,在其他条件相同情况下偏心时漏失量大于同心时漏失量。为聚合物驱抽油机井排量系数的正确计算提供了理论依据。     

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。     

非牛顿流体偏心环空紊流流动及顶替机理

对石油钻井工程中颇有实用价值的非牛顿流体紊流流场进行了理论研究。首先推导出普遍适用的非牛顿流体紊动微分方程式。在此基础上,导出了适用于偏心环空紊流的运动微分方程式。据此研究了偏心环空非牛顿流体紊流流场及紊流顶替规律。