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提高注水泥顶替效率偏心环空流动特性分析.doc

提高注水泥顶替效率偏心环空流动特性分析.doc

上传者: Isidore远平 2018-01-13 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《提高注水泥顶替效率偏心环空流动特性分析doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含提高注水泥顶替效率偏心环空流动特性分析摘要:注水泥顶替效率的高低直接关系到油气井的产量和寿命以及后期的增产作业研究注水泥顶替效率的环空流动特性能够在符等。

提高注水泥顶替效率偏心环空流动特性分析摘要:注水泥顶替效率的高低直接关系到油气井的产量和寿命以及后期的增产作业研究注水泥顶替效率的环空流动特性能够在理论上分析影响顶替效率的因素。本文首先对钻井液水泥浆在偏心环空中的两相流动进行简化然后利用流体力学理论导出两种非牛顿流体在偏心环空中的轴向层流顶替模型并用解析方法对该模型进行求解最后得出结论:增大钻井液的动塑比、降低水泥浆的动塑比以及采用合理的顶替压力梯度有利于提高注水泥顶替效率。关键词顶替效率环空流动平板流动偏心非牛顿流体前言对于注水泥顶替效率的环空流动由于钻井液和水泥浆的非牛顿性、紊流流动的复杂性以及现场套管居中度的不高性据统计现场套管的居中度很少超过因此研究水泥浆在偏心环空中的轴向层流顶替流动相对与偏心环空紊流顶替流动更具有可操作性相对与同心环空轴向层流顶替流动更具有实际意义。基本假设及模型为了便于工程应用现将钻井液和水泥浆在偏环空中的顶替流动作如下假设:()忽略相界面处的混掺、扩散及水泥浆、钻井液接触后的化学反应等因素对顶替流动的影响。()在环空流动系统中忽略由于流场几何特性不均而造成的二次流即V,(,,u),u,u,u,u,,且则可认为流动为稳定的轴向层流流动。,,,y,z,y,t()假设流场中的流核很小可以忽略不计。()在偏心环空周向角为,及处作两个半径它们与环空内外壁面组成一足够,d,小的流通区域(如图中的阴影部分)设该区域内的流动可以看成是两平板间的流动。图偏心环空几何形状对于平板流动模型其实质是将非牛顿流体在环空中的顶替流场视为由不同速度轴向流第页共页动的无数层流体组成,而每一层流体又是由无数根不同流速的流线组成,每根流线,由井底至井口,由无数个速度相同的粒子(包括水泥浆粒子和钻井液)组成。其模型是用无限个变宽度的平板来代替偏心环空,它的高度可表示为:式中e套管偏心距套管外半径井眼半径RR文献〔〕指出,当内管外径和外管内径的比值大于时用变高度的平板流模型代替偏心环空中的流动具有满意的精确度。文献〔〕进一步指出当环空内外径比值大于时可以用平板流模型精确模拟偏心环空中的流动。在石油固井工程中,一般情况下都能满足上述内外管径比条件。因此完全可用平板流模型研究固井工程中水泥浆的顶替过程。图轴向层流顶替流动流场示意图钻井液和水泥浆在偏心环空中流动的理论分析由流体力学理论知偏心环空流动平衡微分方程的柱坐标形式为:u,,,u,u,u,u,p,,,,zzzzzzz,uu,,(r,),,g(),,,,rrzz,t,rT,,,zr,rr,,z,,,,,,z,u,uzzu,由假设可知流动为稳定的轴向层流流动所以有:u,o,,,r,t,z,,,,,zzz其中表示周向应力沿周向的变化认为该项与其它各项相,,ykacobHAr,,,z比很小可以忽略不计于是上式变为:,,p(r,),,g()rzr,r,z,,,rzrz即,,g(),rr第页共页,,对于平板流令并以、分别代替、则上式变为:,,r,,rz,y,r,,,p()平板流运动方程,,g,y,z为了方便起见用下坐标i表示水泥浆的参数钻井液的参数不标注任何角标则两种流体平板间的运动方程为,,p,i(),(g),,i,z,y,p,,(),(g),,,z,y式中,、流体的剪切应力,i、水泥浆、钻井液密度,,i,p流动方向上的压力梯度。,z,p,pLL设在流动方向上=常数=其中为偏心环空的长度,p为长度内的压,,zL降。在实际工程中钻井液、水泥浆的流变性一般可用宾汉模式来描述其本构方程为,,o,,,,(),,,,tr,,,,(),,tr,,,,,,,,,对于平板流动的简单情况上式可写成,duii(),,,(),,,,i,iiidyduidydui(),,,,,iidy,dui(),,,(),,,,,idydudydu,,,,,()dy第页共页积分式()及()得,p,,(,g)yCii,z,p,,(,g)yC,z由流场的对称性条件可得C,于是,p(),,(,g)yii,z由两种流体界面应力的偶和条件得,|,,|iy,,ay,,a可得C,(,,,)gai于是,p(),,(,g)y(,,,)gai,z在上述分析中由于已假设速度分布对称于两板的几何中心所以只考虑了y,的区域。将式()、()分别代入式()、()得du,pi,,,,(,g)y,,y,a(),iiidy,zhdu,p()(),,,,,,gy,,,gaa,y,(),idy,z边界条件为:()u|,u|iy,ay,au|,()hy,求解由式(),式()组成的定解问题得,,pi,u,,(g)(a,y),(a,y)ii,,,z,i,i第页共页,,phh,,(g)(),a),(,a),,,z,,h(),(,,,)ga(,a)i,,,,phh,u,,(g)(),y),(,y),,,z,,h(),(,,,)ga(,y)i,,式()、()即为偏心环空中水泥浆顶替钻井液流动的速度分布。由此可以计算流过d,角间环空区域内水泥浆与钻井液的流量:,h,p,phiQ,(R){,(,g)a,a,(,g)(),aaii,z,z,,,,i,i,,hh(),(,a)a,(,,,)g(,a)a}d,i,,,,h,phhQ,(R){,(,g)(),()aa,z,,,hhh(),(),haa,(,,,)ga(),aa}d,i,,,,水泥浆对钻井液的顶替效率分析()提高顶替效率的措施现在对影响顶替效率的复杂因素进行深入的理论分析探讨提高注水泥顶替效率的具体措施。如图所示流过偏心环空任一扇形区域的流体总量为水泥浆流量和钻井液流量之和。Q,QQti随着顶替流动时间的增加在压力梯度、流动水泥浆对钻井液的牵引力等的综合作用下水h泥浆顶替流动宽度a将增大。如果并且同时有则偏心环空中已Q,Q,Qa,iimaxt经最大限度的充满了水泥浆。在此情况下的顶替效率无疑是很高的。在此分析基础上我们Q可以将偏心环空顶替效率问题近似地转化成求解任一过流断面上水泥浆流量在某一条件i下的极值问题。第页共页当水泥浆、钻井液的物性参数和井眼几何条件一定时由式()可知水泥浆流动量仅依赖于a,Q,f(a)i将式()对求导得a,dQh,p,ph,pii,(R){,(,g)a,a,(,g)(),a(,g)aida,z,z,z,,,,,i,i,,,,hh(),(,a),a,(,,,)g(,a)a(,,,)ga}d,ii,,,,,,,,dQi的条件是。Q,Q,iimaxdadQi令可以得到,da,,dphi,(,,,,,,,)afidz,,,,ih一般的井眼几何条件对一口井来说是不变量但是水泥浆、钻井液物性参数,、()idQi,、,、,、,、,以及压力梯度则是可以调整的。若令只要给出一组水泥,,i,ida浆、钻井液物性参数及压力梯度便可得到一个值。这些参数改变时值也随之发生变aadQ,phi,化。先给定一组、,、,、,、,、和令。并认为为小量,(,a),i,i,i,zda可忽略不记。在上述条件下由式()可解得的极限值a为a,,,,,,,iia,(),p(,)(,,g)iL,,,,i()可见水泥浆顶替宽度a取决于压降、水泥浆密度及两种液体的动塑比。显然由式,,iQa动塑比、是影响a的关键因素。根据、与顶替效率之间的正比关系由式()i,,,,i不难得知为提高顶替效率应采取的措施如下:,,增大钻井液的动塑比,,,降低水泥浆的动塑比i,i采用适当的顶替压力梯度。第页共页上述三项措施中的前两项与固井现场施工的成功经验是吻合的这不仅得到了现场实际资料的证实而且将研究的定性结论和施工经验上升到了可以定性控制的水平。第三项措施与前人研究结论有些差别由现场经验及式()可知顶替压力降并非越大越好要具体情况具体分析采用合理的顶替压力梯度。()合理的顶替压力梯度在偏心环空中最窄间隙处的钻井液最难被顶替。一般来说如果最窄间隙处的钻井液被顶替净了则偏心环空其它位置处的钻井液是不会有残留的。因此可将偏心环空最窄间隙处无残留钻井液的压力梯度定义为合理顶替压力梯度。合理顶替压力梯度可按下列方法确定:考虑极限情况令()a,(R,R,e),(R,R)(,,)(),,,,,,p,,ii()可解得合理顶替压力梯度的计算公式为由式,,gi()()()LR,R,,,,,,,i()利用式()可以在已知水泥浆、钻井液物性参数的情况下再根据套管偏心度定量地计算出进行偏心环空固井施工的合理顶替压力从而提高顶替效率实现高质量固井。参考文献〔〕IyohoAW,AzarJJAnaccurateslotflowmodelfornonnewtonianflowthrougheccentricannuliSPEJ,Oct:〔〕郑应人幕律液体的偏心环空轴向流动见:陈文芳等主编,流变学进展,北京:学术期刊出版社,〔〕李静林承焰王言峰非牛顿流体顶替机理研究综述钻井液与完井液,():〔〕陈家琅刘永建岳湘安钻井液流动原理北京:石油工业出版社〔〕DutraESS,MartinsAL,MirandaCR,etalDynamicoffluidssubstitutionwhiledrillingandcompletionlonghorizontalsectionwellSPE,:〔〕袁恩熙工程流体力学。北京:石油工业出版社〔〕吴望一流体力学北京大学出版社第页共页

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