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.     

幂律流体偏心环空螺旋流轴向速度分布规律的PIV实验研究

为研究幂律流体偏心环空螺旋流轴向速度的分布规律,建立了幂律流体的偏心垂直环空螺旋流动实验模型及实验方案。利用PIV系统拍摄各种工况下偏心环空螺旋流场中粒子的图像,对实验数据进行处理分析,确定了幂律流体偏心环空螺旋流轴向速度分布的主要影响因素。着重分析了压力梯度、黏滞性、内管旋转角速度、偏心度这些影响因素对偏心环空宽、窄间隙处轴向速度分布的影响规律,为解决石油工业中相关问题提供了有益的参考。     

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。     

偏心环空幂律流体层流螺旋流流量及压降计算

在石油钻井中,特别是在定向井、水平井的正常钻进时,井眼中的上返泥浆液流属于偏心环空层流螺旋流流型。钻井泥浆(一般视为纯粘性非牛顿流体)的层流螺旋流问题,国内外学者研究的较少,而对圆管内及同心环空流场研究较多。在定向井、水平井数量日益增加的今天,深入研究偏心环空中钻井泥浆层流螺旋流问题,就成为当务之急。为此,本文将泥浆近似地当作纯粘性幂律流体,依据流体力学原理,比较深入地研究了幂律流体在偏心环空中流动规律,探讨了信心环空中幂律流体层流螺旋流流场分布,提出了计算偏心环空中幂律流体层流螺旋流流量及压降的新方法,同时还分析了影响流量及压降的因素,新方法的计算结果与同心环空螺旋流计算结果做了对比,即用前人的有关结论与本文理论及计算方法进行了初步验证,结果表明,本文理论及方法完全正确,可供定向井、水平井钻井施工,水力参数设计时参考。     

偏心环空层流螺旋流与同心环空层流螺旋流压降的比较

推导了幂律液体偏心环形空问堪流螺旋流的压降方程.介绍了由降方程计算幂律液体偏心环空间层流螺旋流的压降的方法并把由压降方程算得的偏心环空螺旋流的理论压降和同心螺旋的理论压降进行比较.     

幂律流体偏心环空螺旋流压力梯度的数值计算

为合理设计钻井水力参数,对可视为幂律流体的钻井液偏心环空螺旋流动的压力梯度进行了研究。利用待定系数法对幂律流体偏心环空螺旋流的控制方程进行了变换,得到了压力梯度公式。以可视为幂律流体的CMC水溶液为例,利用有限差分法对该流动的压力梯度进行了数值计算,并分析了内管自转速度、环空偏心度和流量对其的影响。结果表明:环空偏心度和流量是其主要的影响因素。通过比较利用轴向速度数值解求得的压力梯度与利用轴向速度解析解求得的压力梯度,发现二者吻合效果较好,进一步说明文中给出的幂律流体偏心环空螺旋流的压力梯度公式和数值计算方法是正确的,可进一步推广应用。     

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.     

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。     

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.     

偏心环空中幂率流体层流流动特性数值模拟研究（英文）

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%。     

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。     

偏心环空中幂律流体螺旋流的解析解及其应用

将钻井泥浆当作纯粘性幂律流体处理,较深人地研究了偏心环空中幂律流体层流螺旋流.提出了视粘度、速度、流量、压降及流动状态判别式的解析解;给出厂电算模拟示例通过室内验证及大庆油田11口井实际应用.表明了本文理论的精确性和实用性好.由本文的工作可知,在进行定向井水力参数设计时,造斜点以上环空压降可按同心环空螺旋流计算;造斜点以下可认为偏心度为100%.然后用本文理论汁算.     

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.     

偏心环空螺旋流的PIV测试研究

首次将PIV技术应用于测试偏心环空幂律流体紊流螺旋流速度场,设计了一套可调偏心度的垂直环空管道实验装置。实验为不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液在偏心度分别为40%和80%的垂直环空管道内做螺旋流动的PIV实验,得到了轴向速度影响规律:压力梯度一定时,黏滞性的减小或内管转速的增加将使轴向速度增大;流量一定时,黏滞性的减小或内管转速的增加都将使宽间隙处紊流核心区的轴向速度减小;偏心度的增大可以使紊流核心区轴向速度减小;当其它条件相同时,轴向速度随着压力梯度或流量的增加而增大。PIV实验结果与PHOENICS数模结果吻合良好,证明了PIV技术对幂律流体偏心环空螺旋流速度场进行测试是可行的、有效的。     

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。     

偏心环空压降的实用求解法

石油工程、化学工程和摩擦润滑中,经常遇到非牛顿流体在偏心环空中的流动问题。偏心环空中由于内、外号柱的不同轴,给有关参数计算带来了很大不便。文中首先求解了非牛顿流体在同心环空中作轴向运动时的解析解,之后利用数值方法求解了偏心环空中非牛顿流体轴向运动时的数值解。在此基础上,利用多元多数回归分析的方法,建立了非牛顿流体在偏心环空中运动时压降计算的经验模式。计算表明,同近似法和数值法相比较,该方法不仅使用方便,而且误差仅在5%以内,完全可以满足工程施工的需要。     

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。