【摘要】：大位移井是當代鉆井技術(shù)的新里程碑,其在海洋、灘海及地面條件惡劣的邊際油氣勘探開發(fā)中,可以加速油田勘探開發(fā),提高產(chǎn)量及最終采收率,顯著提高經(jīng)濟效益。但是,大位移井水平井段以及傾斜井段的巖屑運移問題相比于直井段更加復雜,已成為井眼清潔問題的重要攻關(guān)方向。在以往對井筒內(nèi)液固兩相流動的研究中,一般是對鉆井液和巖屑采用液固兩相歐拉-歐拉雙流體模型,而忽略了巖屑顆粒的流動細節(jié),因而本文采用CFD-DEM方法模擬水平井內(nèi)巖屑運移過程,在Lagrange坐標下求解離散顆粒運動,在Euler坐標下求解液相運動。采用軟球模型充分考慮了顆粒與顆粒、顆粒與井壁和鉆桿壁之間的碰撞,得到巖屑在井筒內(nèi)運移過程中出現(xiàn)的移動巖屑床-非均勻懸浮-均勻懸浮三種形態(tài)的變化,并將模擬巖屑濃度結(jié)果與實驗值進行對比,充分驗證了CFD-DEM模型的準確性。通過對巖屑運移影響因素的分析,研究不同操作工況參數(shù)對巖屑運移規(guī)律的影響,結(jié)果表明:轉(zhuǎn)速的增加有利于提高周圍液體的周向舉升力,增強鉆井液懸浮能力,同時加強了對巖屑床的擾動,從而抑制巖屑沉積并削減床層厚度;流速的增加直接增強了對巖屑床的軸向推動力,環(huán)空內(nèi)流核區(qū)面積占比增大,對巖屑顆粒運移速度影響很大,巖屑運移效果的提升十分明顯;鉆桿偏心程度地增加使得鉆桿下側(cè)的環(huán)空間隙變窄,流速降低,顆粒擬溫度降低,加重了鉆桿底部的沉積情況;井斜角由水平0o到30o過程中顆粒運移速度有所減小,井底堆積情況加重,而隨著井斜角進一步升高,更多的巖屑顆粒脫離巖屑床,在環(huán)空上方以懸移質(zhì)狀態(tài)向出口運移,巖屑運移效率明顯增強。在本文中充分考慮了鉆井液在實際情況中作為非牛頓流體,其冪律特性對巖屑運移情況的影響,模擬結(jié)果表明:流性指數(shù)n反映的是流體在一定剪切速率下非牛頓性的強弱,從不同流性指數(shù)的對比可以看出其對液相攜巖能力的影響,n值升高主要體現(xiàn)在軸向流速的升高,以及其對巖屑懸浮能力的增強,進而提高了井筒內(nèi)運移效率;而K值的改變直接影響流體的表觀粘度,K值越小表觀粘度越低,更容易使巖屑顆粒由于重力作用在井底部沉降,K值增大,意味著有效粘度增大,給予巖屑更多的能量,有利于顆粒在井筒內(nèi)保持較長時間的懸浮,從而增強井眼清潔效果。本文基于CFD-DEM方法充分考慮不同的操作條件和鉆井液流變性對井筒巖屑運移規(guī)律的影響,更符合真實井筒內(nèi)液固兩相流動狀態(tài),旨在為鉆井工程的實際應用過程中提供切實的理論依據(jù)。
【學位授予單位】：東北石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TE243
【圖文】：

流變特性得出的結(jié)論與實驗結(jié)果具有良好的一致性。Erge 等人[50]（2016）在分析環(huán)空中牛頓和非牛頓流體流動的基礎(chǔ)上提出了一種數(shù)學模型，能夠精準的預測環(huán)空摩擦壓降并且充分考慮了鉆桿旋轉(zhuǎn)和不旋轉(zhuǎn)的情況，并發(fā)現(xiàn)在完全偏心時的壓降相比于同心時有所減少，同時，鉆桿旋轉(zhuǎn)增加了偏心環(huán)空的壓降。Ofei 等人[51]（2016）研究了流變參數(shù)對水平偏心環(huán)空窄間隙出的巖屑運移速度的影響采用的是歐拉雙流體模型進行分析，作者同樣對 K，n，τy對壓力損耗和巖屑運移的影響進行了研究，結(jié)果表明提高稠度系數(shù)增加了流體的舉升能力，n 的增加也會提升巖屑顆粒的速度。隨著計算流體力學 CFD 和離散單元法（DEM）的建立和日趨完善，采用 CFD-DEM耦合方法對巖屑在井筒內(nèi)的運移研究得到了長足發(fā)展，CFD-DEM 求解過程如圖 1-1 所示，該方法立足于單個顆粒的運動分析，利用牛頓方程求解其運動，顆粒間的碰撞過程采用相應的接觸模型來描述；流體相被當作在計算單元內(nèi)局部平均 Navier-Stokes 方程所描述的連續(xù)相求解；流體與顆粒通過耦合模型來實現(xiàn)連續(xù)介質(zhì)和離散之間的動量交換CFD-DEM 越來越多地應用于流體與顆粒體系的工程問題。

顆粒間碰撞過程中接觸力的瞬時量以及碰撞力的變化時，這種方用了。DEM 通過對顆粒碰撞過程的詳細模擬，可以提供顆粒碰度與受力信息，因此，我們可以通過采用 DEM 研究顆粒復雜碰EM 液固兩相數(shù)學模型iserete Element Method）是一種通過跟蹤流場中每一個顆粒或者到模擬整個流場中顆粒運動狀況的數(shù)值模擬方法。DEM 方法有型，一種是軟球模型[56]。由于硬球模型不考慮顆粒的碰撞過程理幾個顆粒同時相碰的情況。在這種條件下，必須使用軟球模型程。采用的基本方程包含動量方程和動量矩方程。與硬球模型不同式的牛頓運動方程。當兩個顆粒碰撞時，實際上它們都要變形。粒保持形狀不變，并且互相疊加。如圖 2-1 所示，δ是兩個顆粒越大，顆粒所受的力也就越大。

東北石油大學碩士研究生學位論文.2 巖屑間接觸力對于顆粒碰撞的接觸力一般有三種處理形式：線性模型、非線性模型和非線性滯后。通常用的是線性模型，我們采用的是 Cundall 和 Strack 提出的彈簧-滑塊模型進行[52]，如圖 2-2 所示，在本文中，巖屑顆粒運移過程中的接觸力分為三種，即巖屑，巖屑-鉆桿，巖屑-壁面。

【參考文獻】

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1 張好林;李根生;黃中偉;田守]

本文編號：2796700