赫-巴流体圆管轴向层流压降的数值计算

计算赫一巴钻井液在钻具中的层流压降时,需要求解一个非线性方程,以往通常使用近似公式进行计算.对于求解这个非线性方程,提出了一个数值迭代算法,并对该算法的收敛性进行了证明,给出了最大迭代步数的上限值.理论分析和大量实际算例表明:该算法具有非常稳定的收敛性和非常快的收敛速度,并且能够给出压降的精确计算值.     

幂律液体偏心环空螺旋流层流压降计算

本文依据柱坐标系下流体质点运动方程,推得了在倾斜的同心环空中幂律液体螺旋流层流流场的视粘度函数、速度函数及流动压降的解析式。并引入当量间距的概念,给出了偏心环空中幂律液体螺旋流层流压降的计算公式。最后讨论了偏心环空螺旋流流场中宽、窄间隙处的流速特征。     

宾汉钻井液圆管轴向层流压降的精确计算

在钻井水力参数计算和优化设计等问题中,钻具内及环空中的压降计算是基本的计算。除了与钻具、环空的几何参数有关之外．钻井液的流变性质是影响压降的主要因素。不同类型的钻井液其流变性质是不同的．目前常用的描述钻井液流变性质的模型主要有5种：牛顿模型、宾汉模型,幂律模型、赫-巴模型和卡森模型。     

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。     

幂律流体环空及钻头水力参数的计算方法

给出一种求幂律流体环空循环压耗及钻头和参数的计算方法。使用牛顿迭代法求紊流时的范宁摩阻系数，根据求出的压耗，并以最大钻头水功率或最大射流冲击力的工作方式为依据确定最优水力路线，建立了压耗－排量方程，以此来优化钻井水力参数和优选最佳喷嘴尺寸。     

幂律流体在椭圆井眼同心环空中螺旋层流流动压降

环空压降的准确预测是精准控制井底压力的基础,能够有效防止井漏、溢流,甚至井喷等井下复杂和事故。常规环空压降预测多以圆形井眼为基础,未考虑井眼形状不规则的影响;由于岩石力学特性参数和地应力的非均质性,易形成椭圆形井眼。以流体动力学为基础,建立椭圆井眼中幂律流体螺旋层流流动压降数值模型,利用流体力学仿真结果和实验结果对数值模型进行验证;以数值模型为基础,开展流动压降影响因素分析,明确不同参数对流动压降的影响规律;采用最小二乘法建立无量纲压力梯度拟合模型。研究结果表明,数值模型与仿真模拟和实测结果误差介于±5%。压力梯度随流体稠度系数的增加呈线性增大,随流体流性指数和环空内外径比率增大呈指数数型增大,随轴向平均速度增大呈对数型增大,随椭圆长短轴之比和内管转速增大呈指数型降低。无量纲压力梯度几乎不随流体稠度系数的变化而变化,拟合模型与数值模型误差仅为±5%。适用参数范围为0.8 m/s≤v_x≤1.4 m/s, 40 r/min≤ω≤120 r/min, 0.5≤K_d≤0.8,1.0≤η≤1.2和0.5≤n≤0.8。椭圆井眼同心环空螺旋层流无量纲压力梯...     

钻井液偏心环空紊流速度分布及压降计算

本文依据非牛顿流体力学的基本原理，分析了钻井液在偏心环空中紊流流动规律，推导出了钻井液在偏心环空中紊流及压降计算的理论模型，并通过实验验证了理论模型的正确性。     

环空幂律液体旋流研究与应用

在油气井固井注水泥顶替技术中，多用一维轴向流顶替方式进行顶替。该顶替方式理论与实践证明不能有效替净环空被顶替液。轴向流顶替存在的最主要的缺点是顶替液对近井壁区的驱动能力弱，对边壁的高粘附钻井液及虚滤饼清除效果差，造成二界面附近难以被替净；对于变径、不规则环空流道，由于存在涡流而滞留的钻井液，轴向流顶替效果更差。而通过使用旋流扶正器不但可以提高套管居中度，而且可以改变液体流速剖面，产生螺旋流，从而增加周向剪切驱动力，这有利于将环空窄间隙钻井液和井壁附着虚滤饼驱替干净，从而提高水泥与地层的胶结质量，提高固井质量。为此，研究了旋流扶正器作用下形成的环空幂律液体螺旋流边壁剪切应力，提出了旋流扶正器安放间距设计的新理念，即根据旋流周向剪切驱动力与近壁滞留钻井液粘滞阻力相平衡的原则确定旋流扶正器安装位置。推导出了旋流扶正器安放间距设计理论公式，该公式简单，利于现场施工应用。     

泡沫钻井液在井筒中的流动与传热

针对泡沫钻井液特殊物理性质,建立了泡沫在井筒中流动与传热的数学模型,并给出了模型求解方法。为了分析传热对泡沫钻井水力参数的影响,采用建立的数学模型和给出的求解方法进行的数值计算结果表明：钻杆内泡沫温度始终低于环空内泡沫温度和地层温度,而环空下部泡沫温度低于地层温度,在环空上部泡沫温度高于地层温度。随着井深、注液流量和注气流量的增加,环空下部泡沫温度与地层偏差增大。传热使井口泡沫质量增大、井底泡沫质量减小、井底压力增大、最小携岩流速减小、最小注气流量增大,降低了泡沫的稳定性和携岩能力。另外,对泡沫的密度、Fanning摩擦系数也有一定的影响;井筒传热对泡沫钻井水力参数有一定的影响,但不是很明显,可通过增加注气流量和井口回压来抵消传热对泡沫钻井水力参数的影响。     

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.     

Explicit pressure drop-flow rate relation for laminar axial flow of power-law fluids in concentric annuli

This paper is an examination of laminar axial flow of power-law fluids in concentric annuli. The objective is to derive an accurate expression relating pressure drop to flow rate over the whole range of entry parameters: aspect ratio of inner-to-outer diameters, flow behavior index, and consistency parameter of the rheological model. Accuracy of the expression enables determination of the influence of individual parameters to the functional dependence of the explicit relation of pressure drop vs. flow rate.     

幂律流体在偏心环空中流动的数值模拟

提出了一种在数学上适定的、用于描述偏心环空流场的微分方程,并对工程上常见的两类计算问题给出了求解方法:一是已知压力梯度求流速分布;另一是已知流量求压力梯度。实例计算表明,本算法具有精度高、运算速度快等优点,尤其是对第二类工程问题的计算比现有算法优越。同时,对照文中的数学模型可以发现现有文献中流传甚广、影响很大的算法的错误之处.     

黏弹性流体在偏心环空中非定常流的流量计算

给出了双极坐标系下黏弹性流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的运动方程、初始条件及边界条件,推导出平均流量计算公式;在利用有限体积法数值求解该控制方程的基础上,用平均流量计算公式对可视为黏弹性流体的HPAM水溶液在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的平均流量进行了数值计算;绘制了在不同环空偏心距、内管冲程和冲次下平均流量与压力梯度的关系曲线,并分析了它们对平均流量的影响;对比了黏弹性流体与幂律流体做这种流动的平均流量。分析结果对优化聚驱工况下抽油机的工作参数具有指导意义。     

H-B流体在小井眼同心环空中轴向层流的运动规律

根据不可压缩粘性流体力学及非牛顿流体流变学的基本原理,推导出Herschel-Bulkley流体在小井眼同心环空(合钻杆管体环空、钻杆接头环空及钻铤环空)中轴向层流的运动规律,分别得出了流量、流速和压降的简化解析式,定义了钻杆接头(或钻铤)环空当量长度和压降增比,给出了算例,为小井眼钻井工程的水力设计计算提供了理论依据和实用方法。     

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.     

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.     

幂律流体同心环空螺旋流数值模拟

环空螺旋流是钻井液在钻井作业中常见的一种流型，怎样方便、快速及高精度地计算其流速场与压力梯度是一个重要工程问题。提出直接利用线性化迭代法求解幂律流体在环空中螺旋流的流场及压力梯度，避免了求解非线性方程组而可能出现迭代发散的问题，该线性化迭代算法真实可信，精确度高。使用线性化迭代算法，仅以求解两个三对角线性方程组为一次循环，运算速度快，占用时间少，精度高，收敛性得到可靠保证，是矿场使用的好方法，为矿场作业中水力参数设计提供了科学依据。     

宾汉、幂律流体在偏心环空中流动的计算机仿真

根据1987年Luo和Peden提出的方法,利用数值计算语言MATHCAD并结合现代计算机计算技术,对宾汉、幂律流体在偏心环空中流动做了数值模拟,并与工程上流行的平板模型和当量间距模型进行了比较,指出了它们的不足及使用范围,这种计算方法可以避免盲目使用平板模型和当量间距模型计算所带来的误差.实例计算结果表明,这种计算方法具有精度高、运算时间少、运算速度快、占用计算机存储量小的特点,明显比一般数值计算优越.由这种计算方法与目前工程上应用较广的计算方法相比可以看出,偏心越大,压力梯度越大及流核越大时,平板模型和宾汉简化计算模型、幂律当量间距模型的误差越大,最高分别在14.67%～65.68%、56%～52%以上.在大偏心、小流性指数与小流量时,用该计算方法进行精确计算,可避免因工程设计误差而导致的工程事故.     

变压力梯度下钻井环空压力预测

为准确掌握变压力梯度钻井环空温度和压力分布特性,基于井筒流体流动与传热理论,充分考虑分离器位置处流体"变质量"传热传质与循环流体物性参数随温度和压力的变化,建立了变压力梯度下钻井环空温度和压力预测模型,并应用双循环迭代算法对模型进行求解,开展了环空温度和压力分布数值模拟研究。研究结果表明:相比于常规钻井,变压力梯度钻井环空温度和压力分布曲线上均存在一个明显拐点,且拐点位置与分离器位置一致;由于具有低导热系数空心球的注入,变压力梯度钻井环空流体温度要低于常规钻井;分离器位置、分离效率、空心球注入体积分数和空心球密度等参数均对变压力梯度钻井环空压力分布有较大影响。