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气体钻井环空气固两相流动数值模拟研究

作　者: 郭建华
导　师: 李黔
学　校: 西南石油大学
专　业: 油气井工程
关键词: 气体钻井数值模拟环空气固两相流 CFD 冲蚀
分类号: TE21
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

气体钻井对于防止井下复杂有明显效果，能较大幅度提高机械钻速，节省钻头，提高采收率，有利于环保，近年来，在国内外应用得越来越广泛。国内气体钻井技术迅速发展，取得了一定的阶段性成果，但是就技术的先进性、成熟性、配套性来讲，与国际先进水平和大面积的成熟应用相比仍有较大差距，尤其在气体钻井的工作特性和工艺参数研究方面还不成熟。为了提高气体钻井理论模型的计算精度和水平，本文试图利用现代计算流体动力学(CFD)方法对气体钻井环空气固两相流动规律进行数值模拟研究，探索出一套基于CFD的气体钻井全井全尺寸水力学设计分析方法，力图采用该方法后能直观形象地观察到全井任意位置处的流体流动特征。本文建立了气体钻井环空气固两相流动三维瞬态力学模型，并采用实验数据对模型进行了验证，结果表明采用该模型计算的结果与实验结果吻合较好。采用该模型对气体钻井环空气固两相流动规律进行了数值模拟研究，研究表明： 1．在垂直、倾斜、水平和弯曲井段环空内：压降随气体速度增加先减后增，同心环空压降大于偏心环空；平均岩屑浓度随岩屑直径增加呈对数关系增加；钻柱和井壁受到的剪切应力随速度增加呈幂指数增加，钻柱冲蚀更明显。 2．开泵过程中，沉积在井底的岩屑一般经历沟流、节涌、崩裂、聚团流动四个阶段；开泵瞬间压降较大，随时间延长压降减小，到达最低值后又开始增大。 3．对地层出水后(＜5m~3／h)环空气液固三相流动规律进行了数值模拟分析，从理论上揭示了钻柱腐蚀的原因，即地层水主要分布在钻柱外壁和井壁上。 4．在变截面环空井段过渡截面处，压力分布有突变。本文基于建立的环空气固两相流动三维瞬态力学模型及CFD理论，对气体钻井全井全尺寸水力学设计分析方法进行了新的探索性研究，研究表明： 1．采用该方法可定量计算分析环空气固两相流动对钻柱和井壁的剪切作用力。 2．该方法结合APIRP14E标准可对钻柱和井壁的冲蚀临界速度进行计算，计算研究表明可通过加载回压控制其冲蚀作用。 3．采用该方法可确定加载的合理回压值，即合理的回压值应确保环空内流速介于最小携岩速度和冲蚀临界速度之间。本文探索的基于CFD的气体钻井全井全尺寸水力学设计分析方法在川东北M1井得到应用，现场应用结果表明，采用该方法设计的注入参数与现场实际施工数据吻合较好。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-8
1 绪论  8-16
  1.1 研究目的及意义  8-10
  1.2 国内外研究现状  10-14
    1.2.1 气体钻井环空气固两相流动国内外研究现状  10-11
    1.2.2 CFD计算技术应用于气体钻井的可行性  11-14
  1.3 本文的研究思路及方法  14
  1.4 本文完成的主要研究工作  14-16
2 环空气固两相流动力学模型建立与验证  16-34
  2.1 岩屑颗粒运移机理分析  16-18
    2.1.1 岩屑重复破碎机理分析  16
    2.1.2 开泵过程岩屑运移机理分析  16-17
    2.1.3 岩屑间协同作用的物理模型  17-18
  2.2 岩屑颗粒受力分析  18-20
    2.2.1 阻力分析  18-19
    2.2.2 颗粒加速度力分析  19
    2.2.3 流体不均匀力分析  19-20
  2.3 环空气固两相流动力学模型建立  20-26
    2.3.1 基本控制方程  20-23
    2.3.2 湍流模型  23-26
    2.3.3 壁面处理  26
  2.4 环空气固两相流动力学模型求解  26-30
    2.4.1 有限体积法  26
    2.4.2 方程的离散  26-29
    2.4.3 求解程序  29-30
  2.5 环空气固两相流动力学模型的验证  30-33
    2.5.1 环空气固两相流动实验简介  30-31
    2.5.2 实验气固两相流动物理模型、网格划分及边界条件  31-32
    2.5.3 数值模拟与实验结果对比分析  32-33
  2.6 本章小结  33-34
3 环空气固两相流动规律数值模拟研究  34-56
  3.1 斜直井段环空气固两相流动规律数值模拟分析  34-44
    3.1.1 斜直井段环空气固两相流动物理模型、网格划分及边界条件  34-35
    3.1.2 垂直井段环空气固两相流流场分析  35-37
    3.1.3 斜直井段环空气固两相流动规律敏感性分析  37-44
  3.2 水平井段环空气固两相流动规律数值模拟分析  44-51
    3.2.1 水平井段环空气固两相流动物理模型、网格划分及边界条件  44
    3.2.2 水平井段环空气固两相流流场分析  44-46
    3.2.3 水平井段环空气固两相流动规律敏感性分析  46-51
  3.3 弯曲井段环空气固两相流动规律数值模拟分析  51-54
    3.3.1 弯曲井段环空气固两相流动物理模型、网格划分及边界条件  51-52
    3.3.2 弯曲井段环空气固两相流流场分析  52-54
  3.4 本章小结  54-56
4 特殊条件环空气固两相流动规律数值模拟研究  56-68
  4.1 不同钻具尺寸过渡段环空气固两相流动数值模拟分析  56-60
    4.1.1 过渡段环空气固两相流动物理模型、网格划分及边界条件  56
    4.1.2 垂直钻进时不同钻具尺寸过渡段环空气固两相流流场分析  56-57
    4.1.3 水平钻进时不同钻具尺寸过渡段环空气固两相流流场分析  57-60
  4.2 垂直钻进开、关泵时环空气固两相流动规律分析  60-63
    4.2.1 垂直钻进环空气固两相流动物理模型、网格划分及边界条件  60
    4.2.2 垂直钻进开泵时环空气固两相流动规律分析  60-62
    4.2.3 垂直钻进关泵时气固两相流动规律分析  62-63
  4.3 水平钻进开、关泵时环空气固两相流动规律分析  63-65
    4.3.1 水平钻进环空气固两相流动物理模型、网格划分及边界条件  63
    4.3.2 水平钻进开泵时环空气固两相流动规律分析  63-64
    4.3.3 水平钻进关泵时环空气固两相流动规律分析  64-65
  4.4 地层出水后环空气液固三相流动规律分析  65-67
    4.4.1 地层出水后环空气液固三相流流场分析  65-66
    4.4.2 地层出水量大小对环空气液固三相流动规律的影响  66-67
  4.5 本章小结  67-68
5 基于CFD的气体钻井水力学分析方法探讨与现场应用  68-84
  5.1 最小携岩速度准则  68-69
  5.2 气体钻井注入参数设计方法  69-72
    5.2.1 全井物理模型建立、网格划分及边界条件加载方法  69-70
    5.2.2 气体钻井注入参数设计方法  70-72
  5.3 气体钻井注入参数评价方法  72-76
    5.3.1 井眼净化评价方法  72-73
    5.3.2 冲蚀效应评价方法  73-76
    5.3.3 合理回压确定方法  76
  5.4 现场应用实例  76-82
    5.4.1 M1井井身结构及地层分层  76
    5.4.2 M1井二开空气钻进注入参数设计分析  76-82
    5.4.3 M1井二开空气钻进现场应用情况分析  82
  5.5 本章小结  82-84
6 结论及建议  84-85
  6.1 结论  84
  6.2 建议  84-85
致谢  85-86
参考文献  86-88
答辩委员会  88

气体钻井环空气固两相流动数值模拟研究

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