固井注水泥顶替效率预测计算方法研究开题报告

1、本科毕业设计（论文）开题报告题目固井注水泥顶替效率预测计算 方法研究学生姓名学号教学院系石油工程学院专业年级石油工程2008级指导教师职称副教授单位石油工程学院辅导教师职 称研究生单位研究生院完成日期2012年6月11固井注水泥顶替效率预测计算方法研究1 论文选题的目的、意义及国内外研究现状1.1 论文选题的目的、意义1.1.1 论文选题的目的影响水泥环封固质量的主要因素是提高顶替效率，没有良好的顶替效率，其他任何措施都不会对固井质量起到很好作用（如防止窜槽措施）。但顶替效率是固井施工过程中最难控制的因素，受到井眼条件、钻井液性能、水泥浆性能、浆体结构设计、施工参数、前置液接触时间等等的影响。

2、传统的油气井固井注水泥顶替方式为轴向一维顶替,该顶替理论研究获得一系列成果。但因一维轴向顶替自身的缺点,难以将近壁泥浆、虚泥饼驱替干净,对变径井眼造成的回流更是无能为力。使用螺旋流顶替理论能克服这一缺点,大大改善顶替效率。但此项技术起步较晚,研究成果很少,理论很不完善,从而使其应用受到限制。以上技术措施的理论基础是保持两相流界面的平整。普遍的共识是紊流顶替固井效果最好。实际上，由于受井眼条件、固井设备等因素的制约，层流顶替在固井施工中最多，并且同样获得了很好的施工效果，说明除了公认的紊流顶替之外还有更重要的因素影响顶替效率。本文将研究在注水泥施工过程中，通过对注水泥动态过程的分析研究, 建立了

3、描述这一动态过程的模拟模式。通过对螺旋流顶替理论的研究，会大大提高固井质量，对油气开采提供坚实的保证。因此，加强固井注水泥顶替效率预测计算方法的研究有着重要的理论意义和实际价值。1.1.2 论文选题的意义石油工业对我国工业乃至整个国民经济的发展起着举足轻重的作用。近年来，石油资源一直处于供不应求状态，石油工业的经济发展与资源供给之间的不协调日显突出，严重地制约了我国石油工业的可持续发展。而且在石油开采过程中会浪费掉大量的能源，尤其是固井质量的好坏更是其中的重中之重。只有提高固井水泥浆顶替效率，才能最大程度地提高固井质量，进而减少对油气资源的浪费，这对我国石油工业的发展具有很重要的意义。要得到好

4、的固井质量, 必须尽量提高固井注水泥的顶替效率。本研究从基础理论出发, 通过对注水泥动态过程的分析研究, 推导出计算各种注水泥流体在注替过程中任一时刻的井下动态参数及与之相应的其他注水泥动态参数的模式。1.2 国内外研究现状随着世界各国石油工业的发展，油井逐步向深井、超深井、排量大的方向发展，对固井质量也提出了更高的要求。国内外研究者做了大量的试验和统计工作来描述注水泥动态过程的工作模型，理论研究集中在固井注水泥顶替效率预测计算方法研究，根据流体力学理论、推导公式，建立数学模型结合试验数据求解。通过国内外研究和固井实践证明，在井下条件确定的情况下，水泥浆环空流动的壁面剪应力在提高水泥浆顶替效率

5、方面起着决定性作用。1.2.1 国内研究现状目前, 国内外定向井钻井技术已经趋于成熟, 但是定向井注水泥技术还处于研究阶段, 大斜度井及水平井注水泥顶替机理, 由于其复杂性, 至今未见系统的理论发表。针对上述问题, 国内外学者从非牛顿流体在环空流动的理论研究、注水泥室内模拟实验研究, 以及模拟注水泥顶替过程的数值计算研究三个方面对水平井及定向井注水泥进行了一系列探索。国内学者从理论出发, 通过对注水泥动态过程的分析研究, 推导出计算各种注水泥流体在注替过程中任一时刻的井下动态参数及与之相应的其他注水泥动态参数的模式 。并综合固井技术研究的其他成果和结论, 开发注水泥计算机模拟软件。该软件包括注

6、水泥流体设计、注水泥工艺设计、动态参数跟踪计算、参数校核、调整及经验指导等多方面的内容, 现场实际应用对比表明, 效果较好1.2.2 实践应用由于所建立的顶替效率的数学模型是三阶非线性偏微分方程, 解析求解难度较大, 通常都是寻求数值解。早期计算机软硬件较为落后, 进行大规模计算有一定困难, 现如今专业化的流体力学计算软件已经成熟, 如李洪乾的论文借用了Ansy s 工程计算软件对注水泥顶替进行模拟, 高永海利用计算流体力学软件Fluent 进行了不同因素影响规律的模拟, 均取得成功。2 主要研究内容本课题是对固井水泥浆顶替效率预测计算方法的研究，因此主要的研究内容就是固井水泥浆顶替效率的影响

7、因素。1、有效地驱替钻井液，提高注水泥的顶替效率是清除钻井液窜槽、保证水泥胶结质量和水泥环密封效果的基本前提，通过国内外研究发现影响注水泥顶替效率的因素主要有如下六中因素：1）套管在井内的居中度；2）液体在环空间的流动状态；3）紊流失液体流过封隔层所接触的时间；4）钻井液的触变性；5）钻井液与水泥浆的流变性能；6）水泥浆与钻井液的密度差。2、钻井液的阻力和水泥浆的动力钻井液的阻力和水泥浆的动力是保证两相液体顶替效果的基本因素。阻力：钻井液的流动性能，环形空间的几何尺寸，特征以及近壁层的厚度。近壁层厚度愈大，滞留在边壁的钻井液会多，钻井液的窜槽愈严重。动力：水泥浆与钻井液流动的压力梯度，活动套管

8、引起的牵引力，水泥浆与钻井液交界面上速度差引起的牵引力以及密度差引起的浮力。增大水泥浆动力，减少钻井液阻力，是保证两相液体流动的基本措施，而实现两相液体界面的均匀顶替和减少近壁层厚度则是提高水泥浆顶替效率所要解决的主要问题。3 拟采用的研究思路（方法、技术路线、可行性分析论证等）3.1 拟采用的研究方法本课题是基于质量、动能、能量守恒原理及流体力学等理论，结合实际情况建立数学模型，而后用FLUENT等专业软件对所给模型进行数值模拟，分析影响固井水泥浆顶替效率的因素，并归纳总结出一套自己的计算固井水泥浆顶替效率的计算方法，最后在计算上进行编程。FLUENT通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到深

9、度可压缩范围内的复杂流动。它采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度，它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT可以模拟许多工程实际问题，包括可压缩、不可压缩流动，牛顿流体、非牛顿流体，单相、多相流动，有旋、无旋流动，惯性坐标系、非惯性坐标系下的流动，有化学反应、无化学反应的流动等。同时软件还提供了许多的湍流模型、壁面处理及燃烧、传热模型等，便于针对特定问题选择。用户自定义函数液位改进和完善模型，处理个性化问题和给出合理的边界条件提供了可能。3.2 技术路

10、线3.2.1 数学模型在石油固井工程中, 水泥浆对泥浆的顶替, 可以看成是宾汉流体在偏心环空中的轴向层流顶替。文献在研究两种宾汉流体顶替的轴向速度时仅是将单相流动速度简单地叠加, 其实质是假设压力梯度沿径向为常数, 文献研究宾汉流体在偏心环空中的顶替规律时, 假设顶替液(水泥浆)沿流道中心流动, 而被顶替液(泥浆)沿壁面附近流动, 这实际上是研究了两种宾汉流体的“ 环空” 流动。显然,这种流动与实际顶替情况相差甚远。许多学者已经证明, 对非牛顿流体在偏心环空中的流动, 可以用变高度的平板流模型近似研究。文献困指出, 当内管外径和外管内径的比值大于0.3时, 用变高度的平板流模型代替偏心环空中流

11、动, 具有满意的精确度。文献进一步指出, 当环空内径与外径比值大于0.6时, 可以用平板流模型精确模拟偏心环空中的流动。1、宾汉流体在偏心还空中顶替的数学模型由几何关系得 （1）式中：h环空间隙宽度的1/2，m； e套管偏心距，m； 周向角，弧度； 井眼半径，m；套管外半径，m；由流体力学理论知，宾汉流体在偏心还空中流动的平衡微分方程是 （2） 式中：流体密度，Kg/； 轴向流速，m/s； t时间，s； 径向流速，m/s； r径向坐标，m； 周向流速，m/s； z轴向坐标，m；因考虑轴向层流顶替，所以有 ， ；考虑系统稳定及均匀流动，有 ，；由文献值知，很小，可以忽略。所以式（2）可写为 （3

12、）对平板流，令r，并以、分别替代，则式（3）可以写为 （4）式中y坐标为原点在间隙中心(不同的间隙，即不同的有不同的间隙中心)指向r方向的动坐标。式（4）就是平板流模型。由平板流的对称性，所以只研究的区域。将式（4）分别用于泥浆与水泥浆，有 （5） （6）式中脚标m代表泥浆，c代表水泥浆。 泥浆与水泥浆的本构方程分别为 （7） （8）式中：u轴向流速，m/s； 动切应力，；塑性粘度， 当或0时，取“+”号；当或0时，取“-”号。由= 0 有 （9） 又因为 （10）式中：Z界面位置函数， 所以，联合求解（5）到（10），可得水泥浆对泥浆的顶替模型为 （11）式中：还空出口压力，Pa；环空井口压

13、力，Pa； L还空长度，m； b径向等速区宽度的1/2，m； 在t=0时的b，m式中：环空横截面内水泥浆占有面积，。文献调研，收集资料确定顶替效率的影响因素主要的三个影响因素分析单个影响因素对顶替效率的影响程度以及数值计算方法公式通过该井的地层资料、实验数据或以往的经验，得出影响因素的具体影响程度（即X、Y、Z）确定顶替效率计算方程式，得出数值解实践验证对研究井建立研究方程式，设置影响程度的参数X,Y,Z图 1 技术路线图3.2.2 研究的几何模型及相关参数在几何模型建立之后，将对其进行网格划分，并对关键区域进行细化，之后定义相关边界条件，建立好合适的数值模型导入FLUENT。在FLUENT中

14、选择适用的数学模型及参数，对不同工况进行相应的边界设置，在设定了不同参数的迭代方式后初始化流场，随后开始计算。计算得到的数据及影像提取后将与实际现场数据进行比较分析，若出入较大，则分析整个过程中可能导致结果错误的环节，通过不断的修正，使得模拟结果与工程实际吻合较好。合适的模型得出后，通过改变边界条件或重新调整几何模型，对固井水泥浆顶替效率进行定性分析。最后，总结出固井水泥浆顶替效率预测的计算方法。3.3 可行性分析1）FLUENT软件具有操作灵活、物理模型丰富等优势，能够对许多工程问题进行模拟，目前广泛应用于航空航天、化学、土木、建筑等行业，涉及面极广，因此用该软件来解决本课题在技术上是可行的

15、。2）已经在CNKI、维普、万方、SPE等网站上收集了很多相关资料，对本课题的基本理论已有一定的掌握，能够结合所学知识射流泵采油问题进行一定的理论分析；3）具有一定的数学、物理知识，能够结合实际情况建立比较合理的数学模型及几何模型；4）通过对FLUENT软件的学习，已经掌握了一些基本操作，能够进行网格划分和数值模拟；5）计算机硬件设备基本上能达到研究所需要求；6）学校师资力量强劲有力，研究中遇到困难可以得到他们的帮助；7）以前许多学者对与本课题有关的研究过程都为我们作好了铺垫。4 研究条件和可能存在的问题4.1 研究条件1）目前已经积累的很多资料，已掌握了FLUENT的相关基本知识，这些为本课

16、题的开展奠定了基础；2）学校图书馆有丰富的资料，在以后的研究过程中可供参考学习；3）导师丰富的研究经验给该课题带来便利、提供详细的指导。4.2 可能存在的问题1）毕业论文只有两个多月的时间，因为时间有限，有些方面无法进行深入细致的研究；2）主要通过主观意识和以往经验用GAMBIT对网格进行划分，网格划分的选型会对计算产生一定的影响，因此网格划分不佳可能会使结果造成一定的偏差。5 论文的预期结果本课题将完成如下预期结果：1）通过对FLUENT等相关专业软件的学习以及进行CFD的模拟，可以掌握数值模拟的基本方法。在今后对其他类似问题进行数值模拟时，能够形成自己的思路，并可以独立操作；2）通过建立合

17、理的数学物理方程以及选用较为准确的技术参数，比选出符合实际情况的数学模型。并且通过这段时间的学习，可以总结出建立数学模型的常用思路，为今后处理其他工程问题奠定基础；3）得出一套属于自己的固井水泥浆顶替效率预测的计算方法，并用于实践。6 论文的工作进度安排序号论文（论文）各阶段内容起止日期1文献调研，资料收集编写开题论证报告3.26-4.112资料阅读与外文翻译4.11-4.173主要影响因素分析、模型建立4.18-5.104计算程序编制、实例计算、分析5.11-5.305整体并提交论文6.01-6.076准备答辩6.08-6.107论文答辩与成绩评定6.11-6.17参考文献1 李娟，步玉环.

18、不同流态的顶替效率的数值模拟研究.2009.42 张兴国，许树谦，陈若铭，等.紊流顶替和接触时间对顶替效率的影响，西部探矿工程.2005.23 张兴国，许树谦，苏洪生，等.泥浆触变性对顶替效率的影响J.西部探矿工程.2005.14 舒秋贵.油气井固井注水泥顶替理论与技术综述，西部探矿工程，20055 范伟华.水平井及定向井注水泥顶替理论与技术综述，内蒙古石油化工，20086 李士勇.工程模糊数学及应用M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001.1-107 张旭，彭明旺.利用壁面剪应力提高固井水泥浆顶替效率的研究与应用.断块油气田，2006.118 刘永建，黄匡道，等.偏心环空中水泥浆顶替泥浆的一维二相流动.大庆石油学院学报，1988.99 杨宇.论述壁面剪应力在提高固井水泥浆顶替效率的研究.价值工程，201010 刘崇建，黄柏宗，徐同台，等.油气井注水泥理论与应用M.北京：石油工业出版社，2001.911 韩占忠，王敬，兰小平.Fluent：流体工程仿真计算实例与应用M.北京：北京理工大学出版社，2004.612 窦国任.紊流力学M.北京：高等教育出版社，198813 章梓雄，董曾南.粘性流体力学M.北京：清华大学出版社，199814 郑永刚.偏心环空注水泥顶替机理研究J.天然气工业，1995年5月：46-4915 P.H.Jones and D.Berdine.Oil-Wel