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。     

��ţ��������͸�Ծ���ƫ�Ļ��ն�ά����

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。     

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。     

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.     

偏心环空紊流场的发展规律及岩屑沉降特性

实验结果表明环空紊流泥浆能有效地改善水平井的净化质量,然而对偏心环空紊流场的发展现律及岩屑颗粒的沉降特性的研究却很少.本文由确定偏心环空轴向流的当量直径出发,讨论了流态的转换条件;并以环空压降为自变量,流体稳定性参数为准则,描述了种空断面紊流的发展过程.用随机理论分析了局部紊流的强度及统一速度方程.其次,考虑紊动流场加速度的影响,以ε₁=1/g|duf/dt|参数摄动小量,利用摄动法求解岩屑颗粒在紊动流场中的沉降运动,讨论流场性质对颗粒运动的影响.结果表明,脉动频率及紊动强度的增大,增大了颗粒的沉降阻力,降低了沉降速度.     

幂律流体偏心环空流动中的波动压力修正模型

在石油钻井过程中,井眼环空中的流动多为幂律流体偏心环空流动.Burkhardt公式仅适用于同心环空流动,用来计算偏心环空流动中的波动压力时存在较大误差.通过CFD数值计算,分析了环空比和偏心度对幂律流体偏心环空中波动压力的影响.结果表明:在大环空比的情况下,波动压力随偏心度增大而减小;在小环空比时波动压力随着偏心度增大而出现先增大后减小的趋势.建立了Burkhardt公式中的常系数和泥浆粘附系数与环空比和偏心度之间的函数关系,从而扩展了Burkhardt公式的适用范围,使之可以计算幂律流体偏心环空紊流流动的波动压力.将扩展型Burkhardt公式的计算结果与文献中的数据进行了对比,误差＜9％.     

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.     

幂律流体偏心环空间隙雷诺数及层流区域计算方法研究

以平板流模型为基础,提出了幂律流体偏心环空间隙雷诺数及层流区域计算方法.计算实例表明:可用偏心环空间隙雷诺数分析并表征偏心环空横截面上紊流和层流同时存在的现象;可用幂律流体偏心环空层流区域方程确定环空局部层流和紊流区域范围;在偏心度较大情况下,偏心环空幂律流体不易发生完全紊流;偏心环空综合雷诺数大于临界值2100时,幂律流体也可能出现紊流和层流两种流态.     

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。     

雾化空气钻井井壁稳定性的实验研究

井壁稳定问题严重干扰着雾化空气钻井工艺的实施和推广。利用雾化空气钻井模拟实验装置,研究了风速、雾化液性质、雾化液在空气中的浓度对井壁稳定性的影响。试验发现,雾化液性质及其在空气中的浓度是决定井壁稳定与否的主要因素,保证井壁稳定的根本途径是防止机械强度大幅度降低及添加剂能在井壁表面形成致密的保护膜以阻止雾化液向地层的渗透,高速气流在干空气钻井中对井壁稳定性的影响较小,在雾化空气钻井中对井壁有一定的剪切冲蚀作用。     

泥浆性能影响环空岩屑运移的实验研究

在文献调研的基础上,对泥浆性能影响环空岩屑运移进行了实验研究。讨论了动塑比、表观粘度、塑性粘度、有效粘度、泥浆密度等因素对无因次岩屑床面积的影响。结果表明:层流下泥浆携岩能力随动塑比升高而增加,紊流时泥浆动塑比值与携岩能力关系不大;提出了一种极限粘度的概念,低于极限粘度时,泥浆携岩能力随粘度升高而降低,高于极限粘度时,两者关系相反;泥浆密度增加可使环空岩屑床面积大大降低。低粘紊流是清洗大斜度井与水平井的最佳措施。     

用动态试验方法研究井壁化学稳定性

结合大庆油田的实际情况,利用高温高压径向动态模拟装置进行了4个方面的研究:(1)高温高压下钻井液的径向动滤失;(2)高温高压下钻井液的防塌性能评价;(3)硬脆性泥页岩防塌剂的防塌机理;(4)防塌钻井液的体系。并对钻井液及降滤失剂、防塌剂在不同温度、压力下的滤失特性进行了试验,分析了径向动滤失形成的泥饼结构。认为在动态条件下钻井液的滤失速率随时间变化趋向一个常数;滤失速率随温度升高而增加,随固相增加而减少,随压差的增加而略有增加;降滤失剂对降低动滤失是有效的。经泥饼分析发现,降滤失剂在花饼形成过程中起重要作用。通过动态防塌装置可以模拟地下条件对泥页岩稳定性进行研究,也可以评价各种防塌剂的效果,认为降滤失剂和封堵剂的共同作用对非膨胀硬脆性泥页岩坍塌的预防有显著效果。     

定向井同心环空中卡森流体稳态波动压力的研究

管柱在充满钻井液的井眼内运动时所产生的压力波动,是影响井眼稳定性的重要因素。其值的大小,是确定泥浆附加密度的主要依据。因此,要求对实际波动压力的预测有较高的精度。多年来,常用的波动压力计算模式多为近似模式,存在较大误差。为此,从理论上对定向井同心环空中起下钻时管柱在卡森流体中运动时钻井液由粘滞性产生的波动压力进行了分析,建立了理论模式。为便于现场应用,绘制了不同情况下波动压力系数的变化规律图,并给出了计算示例。     

MEG钻井液保护油气层特性的实验研究

MEG钻井液是最新研制的对环境无污染的一种抑制性水基钻井液。MEG为葡萄糖的衍生物,是甲基葡萄糖甙或两种对映异构体的单体以及少量二聚、三聚体的混合物。MEG性能可与油基钻井液相比拟。室内通过滤液浸泡、表面张力和界面张力测试、MEG基液的颗粒粒度分布测定、抑制性对比评价实验研究了甲基葡萄糖甙钻井液对储层的保护特性。结果表明,甲基葡萄糖甙钻井液体系具有良好的滤失性和保护储层的特性,在高、低渗透储层中均能有效地控制固相和滤液侵入地层,减轻对储层的伤害。     

动态滤失过程中泥饼形成的研究

提出了一个泥饼形成的新模式。该模式指出:泥饼形成的速率与泥浆中颗粒的分布、泥浆的流变性和剪切速率有直接的关系。大颗拉和小颗粒可以同时沉积到泥饼的底部,而只有小颗粒才能沉积到泥饼的上部,这样形成的泥饼具有非均质性。当泥浆中最小颗粒沉积到泥饼上后,泥饼的厚度即会达到动态平衡,从而使滤失速率也达到动态平衡。     

聚合物钻井液η_∞的测试与计算方法

在测试聚合物钻井液流变性的基础上,通过有关数据分析对比,论证了卡森方程预测η_∞的不合理性,提出了在γ趋于10~5s~(-1)条件下,以管式高剪切粘度测试仪实测粘度值表示η_∞大小的观点,从而为上述问题的解决提供了一条新的途径。此外文中还对γ趋于10~5s~(-1)条件下η_∞的准确与快速测算做了介绍,从而为该方法现场推广应用提供了实验依据。     

官H—1水平井钻井液完井液设计与应用

官H—1井是大港油田的第一口中半径水平井,根据不同井段的地质特点,选用了两性离子聚合物抑制性钻井液、钾基一两性离子聚合物抑制防塌钻井液和暂堵式两性离子聚合物完井液三种钻井液和完井液体系。室内研究及现场实践表明,这些体系抑制造浆能力强,防塌、润滑性能好,有良好的高温高压流变性、滤失性和泥饼润滑性,能完全满足各井段钻井工程要求,解决了水平井钻井中遇到的五大技术难题。此外,利用以前建立的水平井油气层损害评价方法对水平井进行室内评价,证明了经过合理设计的该完井液能很好地保护油层。     

塔里木盆地北部深探井钻井液技术

针对塔里木盆地北部地层复杂、探井多、油气层埋藏深、裸眼段长等特点,分析了钻井过程中经常遇到的各种钻井液技术难题,并通过实例论述了相应的技术对策和工艺措施。认为选用抑制性聚合物钻井液可有效控制大井径、长裸眼井钻井液的流变性能,采用高密度饱和盐水体系可对付膏盐层污染和高压盐水层,选择具有良好抑制能力和护壁性的钻井液可预防不稳定地层坍塌;对高密度钻井液要加强维护和管理;钻井液中加盐可解决钻井液的防冻问题,这些在实践中取得了较好的效果。     

管内液体压力降和传热系数关系式的推导与应用

用公式推导的方法，揭示了管内液体在①层流；②光滑管内的湍流；③粗糙管内的湍流；④过渡区域的湍流四种状态下，其压力降与传热系数之间的关系式。为加深对这些关系式的理解，还配有应用实例。