油气井流体力学 第3章 固液两相流动

1、第三章环空固液两相流动颗粒沉降速度颗粒沉降速度牛顿流体牛顿流体 非牛顿流体非牛顿流体 钻井液的携带能力钻井液的携带能力 Moore关系式关系式Chien模式模式 Walker和和Mayes关系式关系式 岩屑传输率岩屑传输率两层稳定运移模型两层稳定运移模型 岩屑运移机理岩屑运移机理 两层运移模型两层运移模型 岩屑床厚度经验模式岩屑床厚度经验模式 实验研究实验研究 主要内容主要内容1第三章环空固液两相流动两层不稳定运移模型两层不稳定运移模型模型假设模型假设 与时间相关方程的建立与时间相关方程的建立 差分离散差分离散计算结果计算结果Chien模式模式 Walker和和Mayes关系式关系式 三层稳定

2、运移模型三层稳定运移模型几何模型几何模型 数学模型的建立数学模型的建立 传输方式和通用方程传输方式和通用方程 模拟结果模拟结果 主要内容主要内容2第三章环空固液两相流动第一节第一节 颗粒沉降速度颗粒沉降速度 1.1 牛顿流体牛顿流体重力W、浮力Fbo和粘性阻力F平衡)6/()()(3sfssfsbodggVFWF粘性阻力F与球形颗粒的沉降速度之间的关系(stokes) 13ssvdFgdvfsss)(18121则颗粒沉速为：)(13821fsssdvssfdvN1Re928适用于雷诺数小于0.1的流动（工程单位）3第三章环空固液两相流动第一节第一节 颗粒沉降速度颗粒沉降速度 1.1 牛顿流体牛

3、顿流体对于雷诺数大于0.1的流动，引入摩擦系数的概念： KAEFf 2121sfKvE4/2sdAffsssvdf2157. 3ffsssfdv89. 11颗粒沉降速度公式可用于雷诺数小于0.1的情况。 Re24Nf 4第三章环空固液两相流动第一节第一节 颗粒沉降速度颗粒沉降速度 1.1 牛顿流体牛顿流体形状圆球度球体1.0八面体0.85立方体0.81圆柱体h=r/15h=r/10h=r/3h=rh=2rh=3rh=10rh=20r0.250.320.590.830.870.960.690.585第三章环空固液两相流动第一节第一节 颗粒沉降速度颗粒沉降速度 1.1 牛顿流体牛顿流体例例1 钻井

4、液的密度为8.33lbm/gal，粘度为1cp，含沙量约为1%（体积分数）。如果钻井液停止循环30分钟，将有多少砂砾沉降到井底？假定砂砾的平均粒径为0.0025in，圆球度为0.81，比重为2.6,沙砾沉降物的孔隙度为0.4 。解：解：ft/s 15. 1133. 8)33. 8(6 . 2)025. 0(138)(138221fsssdv108. 0)15. 1 (33. 8025. 033. 8)33. 8(6 . 257. 357. 3221ffsssvdf.2221)025. 0)(15. 1)(33. 8(9289281RessfdvN 6第三章环空固液两相流动第一节第一节 颗粒沉降

5、速度颗粒沉降速度 1.1 牛顿流体牛顿流体7第三章环空固液两相流动第一节第一节 颗粒沉降速度颗粒沉降速度 1.1 牛顿流体牛顿流体例例1 钻井液的密度为8.33lbm/gal，粘度为1cp，含沙量约为1%（体积分数）。如果钻井液停止循环30分钟，将有多少砂砾沉降到井底？假定砂砾的平均粒径为0.0025in，圆球度为0.81，比重为2.6,沙砾沉降物的孔隙度为0.4 。解：解：ffsssfdv89. 11=sft /17. 033. 8)33. 8()33. 8(6 . 25025. 089. 1如果钻井液停止循环30min，井筒下方沉降的沙砾高度为303ft。如果那么井底沙砾沉降物的高度为：f

6、t 5)4 . 01 ()01. 0(303 8第三章环空固液两相流动第一节第一节 颗粒沉降速度颗粒沉降速度 1.2 非牛顿流体非牛顿流体9第三章环空固液两相流动第一节第一节 颗粒沉降速度颗粒沉降速度 1.2 非牛顿流体非牛顿流体) 6/()(32sfsgsdgd)(6fssggd微粒直径必须大于 )(4 .10fsg例例2 泥浆密度为9lbm/gal，胶凝作用力为5lbm/100sqft，沙砾比重为2.6。试计算能在钻井液中悬浮的沙砾的最大直径。 in 038. 00 . 9)33. 8(6 . 24 .105)(4 .10fsgsd)(4 .10fssgd10第三章环空固液两相流动第一节第

7、一节 颗粒沉降速度颗粒沉降速度 1.4 Moore关系式关系式2221022nnrrKLhgC42381 42381202222202220303204240021122022212021212010313004140011121200rrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrCnn非牛顿流体1221222122ln8rrrrrrvLh牛顿流体11第三章环空固液两相流动第一节第一节 颗粒沉降速度颗粒沉降速度 1.4 Moore关系式关系式ffsssldv54. 1当流核雷诺数3时，流体处于层流状态， )(87.822fsassldv对于过渡流雷诺数， 333. 033

8、3. 0667. 0)(90. 2affsssldvnnaanvddK0208. 01214411212第三章环空固液两相流动第一节第一节 颗粒沉降速度颗粒沉降速度 1.5 Chien模式模式 对于聚合物钻井液： asypavd5对于粘土在水中悬浮问题，推荐使用塑性粘度代替表观粘度。在颗粒雷诺数小于100时： 11368000075. 02ffssfassfasldddv13第三章环空固液两相流动第一节第一节 颗粒沉降速度颗粒沉降速度 1.6 Walker和和Mayes关系式关系式Walker和Mayes提出了用磨擦系数来求滑脱速度的关系式，适用于圆片。 ffsslvghf22颗粒雷诺数大于1

9、00时，认为流动模式是紊流，并假定f=1.12，则：ffsslhv19. 214第三章环空固液两相流动第一节第一节 颗粒沉降速度颗粒沉降速度 1.6 Walker和和Mayes关系式关系式雷诺数小于100时 fssssldv0203. 0)(9 . 7fssh则用于确定颗粒雷诺数的表观粘度由下式得到： ssa47915ss与=刻度盘读数 1.066=电机速度 1.03 第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 岩屑向地面运移的速度为流体流动速度和颗粒沉降速度之差。传输速度：颗粒相对于地面移动的速度slaTvvv传输率为传输速度与平均环空返速之比： aslaTTvvvvF1传输率为正值时，岩屑被携带到

10、地面。当颗粒沉降速度为零时，岩屑平均速率与平均环层速率相等，岩屑传输率为整数。随着颗粒沉降速度的增加，传输率减小，岩屑在环空向地面传输途中浓度增大。所以，岩屑传输率是钻井液携岩能力的量度。第三章环空固液两相流动16第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 预测岩屑传输率的各种方法对比预测岩屑传输率的各种方法对比 第三章环空固液两相流动17第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 各种各种方法方法预测预测岩屑岩屑传输传输效率效率的误的误差直差直方图方图第三章环空固液两相流动18第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 Moore和和Chien关系式关系式预测下预测下滑速度滑速度的误差的误差直方图直方图第三章环空固

11、液两相流动19通过提高泥浆泵排量可以降低环空泥浆平均密度，从而提高岩屑传输效率。通过提高泥浆泵排量可以降低环空泥浆平均密度，从而提高岩屑传输效率。但是，随着泥浆泵排量增加到达一定值后，井底压力会随着流量的增加而但是，随着泥浆泵排量增加到达一定值后，井底压力会随着流量的增加而增大，这是因为在环空产生了过大的磨擦压力损失。同时，由于钻柱中的增大，这是因为在环空产生了过大的磨擦压力损失。同时，由于钻柱中的过大摩擦压力损失，钻头处的喷射冲击力开始随着流量的增大而降低。因过大摩擦压力损失，钻头处的喷射冲击力开始随着流量的增大而降低。因此，存在一个最优化流量，在该流量下，钻进每英尺理论费用最小。此，存在一

12、个最优化流量，在该流量下，钻进每英尺理论费用最小。 第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 第三章环空固液两相流动20第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 岩屑传输优化结果实例岩屑传输优化结果实例 第三章环空固液两相流动21第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 泥浆粘度对优化岩屑传输效率和降低每英尺费用的影响实例泥浆粘度对优化岩屑传输效率和降低每英尺费用的影响实例 调整流体性调整流体性质（粘度、质（粘度、密度）及增密度）及增加环空返速加环空返速可增大岩屑可增大岩屑传输效率。传输效率。在多数情况在多数情况下，使用低下，使用低粘度流体可粘度流体可实现每英尺实现每英尺的理论费用。的理论费用。 第三章环空固液

13、两相流动22第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 例例3.3 计算传输效率，岩屑直径计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密度为。粘土钻井液密度为9.01bm/gal，其环空返速为其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为，环空尺寸为105in。分别用。分别用Moore、Chien、Walker和和Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如右关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如右表。假定岩屑直径及厚度均约为表。假定岩屑直径及厚度均约为0.25in。解：解：Moore 模式模式稠度系数稠度系数K和流性指数和流性指数N根据根

14、据300转和转和600转的粘度计读数求得：转的粘度计读数求得：74. 03050log32. 3ncp eq 152511)30(51074. 0K第三章环空固液两相流动转子转速转子转速标度盘读数标度盘读数(rpm)(degree)32 063 31001320022300306005023例例3.3 计算传输效率，岩屑直径计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密。粘土钻井液密度为度为9.01bm/gal，其环空返速为，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为，环空尺寸为105in。分别。分别用用Moore、Chien、

15、Walker和和Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上表。假定岩屑直径及厚度均约为表。假定岩屑直径及厚度均约为0.25in。第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 环空返速为环空返速为120ft/min(2ft/s)时的表观牛顿粘度为：时的表观牛顿粘度为： 10.260.74212 1/152 1052 1/0.7458cp1440.020814420.0208nnaaddKnv第三章环空固液两相流动24例例3.3 计算传输效率，岩屑直径计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密。粘土钻井液密度为度

16、为9.01bm/gal，其环空返速为，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为，环空尺寸为105in。分别。分别用用Moore、Chien、Walker和和Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上表。假定岩屑直径及厚度均约为表。假定岩屑直径及厚度均约为0.25in。第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 假定是过渡态雷诺数（过渡流型），下滑速度为假定是过渡态雷诺数（过渡流型），下滑速度为0.6670.6670.3330.3330.3330.3332.90()2.9(0.25)(21.69.0)0.49ft/s958ssfslfadv

17、雷诺数由下式求得：雷诺数由下式求得： 1858)25. 0)(49. 0)(9(9289281RessfdvN第三章环空固液两相流动25例例3.3 计算传输效率，岩屑直径计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密。粘土钻井液密度为度为9.01bm/gal，其环空返速为，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为，环空尺寸为105in。分别。分别用用Moore、Chien、Walker和和Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上表。假定岩屑直径及厚度均约为表。假定岩屑直径及厚度均约

18、为0.25in。第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 既然雷诺数介于既然雷诺数介于3300之间，则求解正确。故在环空流速之间，则求解正确。故在环空流速2.0ft/s、岩屑、岩屑下滑速度为下滑速度为0.49ft/s条件下的岩屑传输效率为：条件下的岩屑传输效率为：%5 .75or 755. 00 . 249. 00 . 2TF第三章环空固液两相流动26例例3.3 计算传输效率，岩屑直径计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密。粘土钻井液密度为度为9.01bm/gal，其环空返速为，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为，环空

19、尺寸为105in。分别。分别用用Moore、Chien、Walker和和Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上表。假定岩屑直径及厚度均约为表。假定岩屑直径及厚度均约为0.25in。第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 Chien模式模式对粘土对粘土水泥浆，水泥浆，Chien推荐用塑性粘度代替表观粘度。用范氏粘度计的推荐用塑性粘度代替表观粘度。用范氏粘度计的300转转和和600转读数得到：转读数得到：cp 203050p第三章环空固液两相流动27第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 假定为过渡态，下滑速度可由公式（假定为过渡态，下滑速度可由公式（3.1

20、1）求得：）求得：例例3.3 计算传输效率，岩屑直径计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密。粘土钻井液密度为度为9.01bm/gal，其环空返速为，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为，环空尺寸为105in。分别。分别用用Moore、Chien、Walker和和Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上表。假定岩屑直径及厚度均约为表。假定岩屑直径及厚度均约为0.25in。11368000075.02ffssfassfasldddv89. 8)25. 0(920sfad第三

21、章环空固液两相流动28第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 例例3.3 计算传输效率，岩屑直径计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密。粘土钻井液密度为度为9.01bm/gal，其环空返速为，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为，环空尺寸为105in。分别。分别用用Moore、Chien、Walker和和Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上表。假定岩屑直径及厚度均约为表。假定岩屑直径及厚度均约为0.25in。则则 ft/s 79. 011996 .21)89. 8()2

22、5. 0(36800)89. 8(0075. 02slv此速度下的颗粒雷诺数为：此速度下的颗粒雷诺数为： 既然这个雷诺数小于既然这个雷诺数小于100，则结果正确，传输效率由下式给出：，则结果正确，传输效率由下式给出：%5 .60or 605. 00 . 279. 00 . 2TF第三章环空固液两相流动1858)25. 0)(49. 0)(9(9289281RessfdvN29第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 例例3.3 计算传输效率，岩屑直径计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密。粘土钻井液密度为度为9.01bm/gal，其环空返速为，

23、其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为，环空尺寸为105in。分别。分别用用Moore、Chien、Walker和和Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上表。假定岩屑直径及厚度均约为表。假定岩屑直径及厚度均约为0.25in。Walker-Mayer模式模式在静止液体中颗粒下沉的剪切力估算：在静止液体中颗粒下沉的剪切力估算：0 .14)0 . 96 .21(25. 09 . 7)(9 . 7fssh14 lbm/100sq ft的剪切应力对应粘度计读数为：的剪切应力对应粘度计读数为：1 .13065. 114第三章环空固液两相

24、流动转子转速转子转速标度盘读数标度盘读数(rpm)(degree)32 063 31001320022300306005030第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 例例3.3 计算传输效率，岩屑直径计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密。粘土钻井液密度为度为9.01bm/gal，其环空返速为，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为，环空尺寸为105in。分别。分别用用Moore、Chien、Walker和和Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上表。假定岩屑直径及厚度均约为

25、表。假定岩屑直径及厚度均约为0.25in。cp 39)100)(703. 1 (14479a假定流型为过渡态，下滑速度由下式求得：假定流型为过渡态，下滑速度由下式求得：0.25(1.703)(100)0.02030.0203(14)1.07 ft/s9ssslsfdv第三章环空固液两相流动31第二节第二节 岩屑传输率岩屑传输率 例例3.3 计算传输效率，岩屑直径计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密。粘土钻井液密度为度为9.01bm/gal，其环空返速为，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为，环空尺寸为105in。

26、分别。分别用用Moore、Chien、Walker和和Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上表。假定岩屑直径及厚度均约为表。假定岩屑直径及厚度均约为0.25in。此下滑速度下的颗粒雷诺数为：此下滑速度下的颗粒雷诺数为：5739)25. 0)(07. 1)(9(928ReN岩屑传输效率由下式给出：岩屑传输效率由下式给出：%5 .46or 465. 00 . 207. 10 . 2TF第三章环空固液两相流动32第三章环空固液两相流动研究概况研究概况 33第三章环空固液两相流动34第三章环空固液两相流动353.1 两层稳定模型两层稳定模型 假设在一定环

27、空返速下，因倾斜或水平环空内的快速沉降而使绝大多数岩屑颗粒聚集在环空底部形成岩屑床；只有少数颗粒在液流中作悬浮运动。假定岩屑床的厚度均匀，且其中岩屑体积浓度为52%。假定岩屑床面以上颗粒作悬浮运动，不产生滚动、翻转、滑脱。固液体系介质均不可压缩，且固液两相无质量交换。岩屑颗粒具有相同的直径和圆球度。钻杆偏心但不旋转。两层模型两层模型示意图示意图第三章环空固液两相流动第三节第三节 两层稳定运移模型两层稳定运移模型36连续性方程：连续性方程：ttabbbsdsdsdUCAUCAUCAttabbbsdsdsdUCAUCAUCA)1 ()1 ()1 (运动方程：运动方程：gsdiisdsdsdFSSL

28、pA gbbiibbbFFSSLpA 岩屑扩散方程：岩屑扩散方程：)(sinexp)(bphbyyCyCpfpepde030. 524458. 00119449. 0030. 5fppdemphC)1 ( 1 . 0Re45. 4pNm5001RepN39. 2m500RepN受阻颗粒沉速：Cphe9 . 5第三章环空固液两相流动第三节第三节 两层稳定运移模型两层稳定运移模型3.1 两层稳定模型两层稳定模型 37水动力摩擦力：2sin21225. 02DgCFbfpdf2sin2122dtaniifSFfdfbFFF8 . 42Re)1 (336. 03 .17bpobffCdVCNLp)(1

29、 (bsdboUUCV岩屑床中流体流动压降：第三章环空固液两相流动第三节第三节 两层稳定运移模型两层稳定运移模型3.1 两层稳定模型两层稳定模型 38理论岩屑床厚度与环空返速间的关系图在相同环空返速下，环空压降与井斜角间的关系图第三章环空固液两相流动第三节第三节 两层稳定运移模型两层稳定运移模型3.1 两层稳定模型两层稳定模型 39第三章环空固液两相流动第三节第三节 两层稳定运移模型两层稳定运移模型3.2 岩屑床厚度经验模式岩屑床厚度经验模式 22001. 052. 411.1735. 09 .6176.90NUeNUHttNeUNeeUNUettt003. 009. 005.2916. 08

30、9. 524339. 317. 2662 . 1)1000(02511. 0vvptfEEU40模型假设：(1)底层为岩屑床(岩屑由于重力的作用而沉积在环空低侧)。此层中的岩屑 体积浓度假定为52%；(2)顶层为悬浮层，岩屑颗粒的径向扩散瞬时达到平衡；(3)在底层与顶层中，固液两相之间均无滑脱，固液两相之间无质量交换；(4)固液体系均为不可压缩介质，固体颗粒具有相同的直径和圆球度；(5)底层与顶层的界面高度不变，横截面上的流体压力视为静压分布；(6)钻柱偏心但不旋转。模型示意图：第三章环空固液两相流动第四节第四节 两层不稳定运移模型两层不稳定运移模型4.1 模型假设模型假设 41cos1gAS

31、ASxxptSSIISSSSSSSSBBIIBBBBBBBBASASxxpt1cosgVCAAFsBBBBBBsBBBBBBCVxAtA)()(BsSBSSSSSCVCxAtA)1 ()()(连续性方程运动方程辅助方程几何关系式、各种剪切应力、摩擦系数、以及各层密度的关系式悬浮层颗粒浓度的求法同前。边界条件fvendpgLppfssBTBQQQCAA42bsdROPQ 第三章环空固液两相流动第四节第四节 两层不稳定运移模型两层不稳定运移模型4.2 模型方程模型方程42nsmPak.2 . 068. 0nnsmPak.37. 070. 0n低粘度的钻井液在井眼中达到稳态大约需1200s左右，而高

32、粘度的钻井液在2000s后还在冲蚀岩屑床。从图中也可以看出，高粘度的钻井液在稳态时所形成的岩屑床比低粘度的钻井液所形成的岩屑床低一些。 时间距离钻头长度岩屑床高度时间距离钻头长度岩屑床高度第三章环空固液两相流动第四节第四节 两层不稳定运移模型两层不稳定运移模型4.3 计算结果计算结果 43smT/6 . 0smT/2 . 1低速下只有部分岩屑被除去。随着钻井液流速的增加(右图)，岩屑床可以完全被除去。从图中可以看出岩屑的沙丘传输机制。在6000s后，井段的大部分岩屑均被除去。因此，在一定流速条件下，长时间循环钻井液可以完全除去岩屑床。 时间距离钻头长度岩屑床高度时间距离钻头长度岩屑床高度第三章

33、环空固液两相流动第四节第四节 两层不稳定运移模型两层不稳定运移模型4.3 计算结果计算结果44 由于研究和计算的问题较为复杂，因此对模型作了如下假设：由于研究和计算的问题较为复杂，因此对模型作了如下假设：（1 1）钻井液为不可压缩流体，除悬浮层外，不考虑其它各层内固液两相之间的滑动；）钻井液为不可压缩流体，除悬浮层外，不考虑其它各层内固液两相之间的滑动；（2 2）钻井液和岩屑物性连续；）钻井液和岩屑物性连续； （3 3）悬浮层岩屑浓度相对很小，且符合扩散定律；）悬浮层岩屑浓度相对很小，且符合扩散定律；（4 4）均匀层岩屑体积浓度为）均匀层岩屑体积浓度为55%55%，分散层浓度为均匀层浓度的，分

34、散层浓度为均匀层浓度的0.80.8倍。倍。 第三章环空固液两相流动45 连续性方程连续性方程()()sshsshsEsDsC AC AUts ()()ffhffhfEfDfC AC AUts ()()dddddDsDfEsDfdbAA Uts ()()bbbbbdbAAUts 动量方程动量方程()()cossshssshssshshsshshwshdhdsfdEssDsC AUC AU UPC AC AgtssCSCSFUU ()()cosffhfffhfffhfhffhfhwfhdhdsfdEffDfC AUC AU UPC AC AgCStssCSFUU ()()cosdddddddddd

35、hdhdddwdwdbdbdbsDsfDfdEsdEfbdbA UA U UPAAgStssSFSFUUUUU ()()cosbbbbbbbbbbdbdbdbbbwbwbdbAUAU UPAAgStssFSFU sCsUfUdUbUdybyP第三章环空固液两相流动46动量方程动量方程连续性方程连续性方程1111111111()()()()()(cos)nnnnnnnsshs isshs isshss isshss iiish inshss hhws hdhdsfdEssDs iC AUC AUC AU UC AU UPPC AtssC AgCSCSFUU 1111111111()()()()(

36、)(cos)nnnnnnffhfiffhfiffhffiffhffiniifh infhffhhwfhdhdsfdEffDfiC AUC AUC AU UC AU UPPC AtssC AgCSCSFUU 1111111111()()()()()(cos)nnnnnnndddidddiddddiddddiiidinddhdhdddwdwdbdbdbsDsfDfdEsdEfbdb iAUAUAU UAU UPPAtssAgSSFSFUUUUU 1111111111()()()()()(cos)nnnnnnnbbb ibbb ibbbb ibbbb iiib inbbdbdbdbbbwbwbdb

37、iAUAUAU UAU UPPAtssAgSFSFU 1111111()()()()()nnnnnssh issh isshs isshs iEsDs iC AC AC AUC AUts 1111111()()()()()nnnnffh iffh iffhfiffhfinEfDfiC AC AC AUC AUts 1111111()()()()()nnnnndd idd iddd iddd iDsDfEsEfdb iAAAUAUts 1111111()()()()()nnnnnbb ibb ibbb ibbb idb iAAAUAUts 模型求解模型求解有限差分：使用交错网格和有限差分：使用交

38、错网格和一阶迎风格式差分方程组一阶迎风格式差分方程组 1111111111()()()()()(cos)nnnnnnnsshs isshs isshss isshss iiish inshsshhwshdhdsfdEssDs iC AUC AUC AU UC AU UPPC AtssC AgCSCSFUU 1111111()()()()()nnnnnssh issh isshs isshs iEsDs iC AC AC AUC AUts 第三章环空固液两相流动第三章环空固液两相流动47（1）划分网格，给定初始值和边界条件；（2）求解动量方程预测步动量方程预测步，得到 ； （3）将 代入动量方程

39、修正步动量方程修正步，得到的 和 方程； （4）将以上方程代入连续性方程预测步连续性方程预测步，求解出 、 和 ； （5）将压力 代入动量方程修正步动量方程修正步，得到速度 ； （6）将速度 代入基本连续性方程基本连续性方程，求解出正确的 和 ；（7）求解下一时间步至结束。 1nU1nU1nU1(/)nPs1nC1nA1(/)nPs1(/)nPs1nU1nU1nC1nA由以上方程和求解过程可以看出，每一步均是求解比较简单的一次线性方程由以上方程和求解过程可以看出，每一步均是求解比较简单的一次线性方程或方程组，无须迭代计算，因此该方法可以有效的提高计算效率，节省计算或方程组，无须迭代计算，因此该

40、方法可以有效的提高计算效率，节省计算时间。时间。 SETS数值求解数值求解SETSSETS方法，英文全称为方法，英文全称为Stability Enhancing Two StepStability Enhancing Two Step方法，包括预测和修方法，包括预测和修正两步，在每一时间步无需迭代，因此能够有效提高计算效率。正两步，在每一时间步无需迭代，因此能够有效提高计算效率。第三章环空固液两相流动48现有不稳定模型现有不稳定模型三层模型三层模型层数层数两层两层三层三层岩屑运移方式岩屑运移方式悬浮、层移悬浮、层移悬浮、滑动、滚动、层移悬浮、滑动、滚动、层移应用范围应用范围单一井段单一井段全井

41、段全井段钻杆旋转钻杆旋转不考虑不考虑考虑考虑泥浆流变模式泥浆流变模式幂律幂律幂律、宾汉、卡森、赫巴幂律、宾汉、卡森、赫巴适应性适应性两层、单层两层、单层三层、拟三层、两层、单层三层、拟三层、两层、单层求解求解SIMPLESIMPLE方法（非线性）方法（非线性）SETSSETS方法（线性）方法（线性）井底边界井底边界静态静态动态动态实钻模拟实钻模拟不能不能能能第三章环空固液两相流动49 以大港ES-H6大位移井为例，其井身结构如图所示。第三章环空固液两相流动50 大位移井钻井实践表明，大位移井钻井实践表明，216mm216mm（8-1/2in8-1/2in）井段虽然也是大斜度井段，）井段虽然也是

42、大斜度井段，但由于井眼尺寸小，泵排量可以满足要求，因此该井段一般不会出现携岩问但由于井眼尺寸小，泵排量可以满足要求，因此该井段一般不会出现携岩问题。而题。而311mm311mm（12-1/4in12-1/4in）井段同样是大斜度井段，但由于环空尺寸大，泵排）井段同样是大斜度井段，但由于环空尺寸大，泵排量一般达不到携岩要求，因此该井段钻进时携岩问题最为突出。因此，本研量一般达不到携岩要求，因此该井段钻进时携岩问题最为突出。因此，本研究重点模拟究重点模拟311mm311mm井眼岩屑运移情况。井眼岩屑运移情况。 使用使用139.7mm139.7mm钻杆，泥浆密度为钻杆，泥浆密度为1.1g/cm31.

43、1g/cm3，岩屑密度为，岩屑密度为2.5 g/cm32.5 g/cm3，岩屑，岩屑粒径为粒径为5mm5mm，泥浆性能参数为，泥浆性能参数为n=0.5n=0.5，K=0.8PaK=0.8Pasnsn，钻杆转速默认为，钻杆转速默认为130r/min130r/min，ROPROP为为50m/h50m/h，偏心度为，偏心度为0.50.5，默认排量为，默认排量为60L/s60L/s。 311mm311mm井段从测深井段从测深1350m1350m连续钻进至连续钻进至4050m4050m，然后停钻洗井，不考虑倒划眼、，然后停钻洗井，不考虑倒划眼、起下钻等过程。起下钻等过程。第三章环空固液两相流动51 31

44、1mm311mm井段从测深井段从测深1350m1350m连续钻进至连续钻进至4050m4050m，然后停钻洗，然后停钻洗井。井。Q=60L/sQ=60L/s，钻进用时，钻进用时54h54h，洗井用时，洗井用时20h20h。第三章环空固液两相流动52岩屑床高度分布变化岩屑床高度分布变化图中绿线表示钻进过程，红线表示停钻洗井过程。图中绿线表示钻进过程，红线表示停钻洗井过程。 Q=50L/s 钻进过程，钻头逐渐后移钻进过程，钻头逐渐后移洗井过程，岩屑床逐渐被带出洗井过程，岩屑床逐渐被带出第三章环空固液两相流动53岩屑床高度分布变化岩屑床高度分布变化Q=70L/s 第三章环空固液两相流动54岩屑床高度

45、分布变化岩屑床高度分布变化Q=90L/s 第三章环空固液两相流动55井底井底ECD变化变化 钻进过程钻进过程洗井过程洗井过程第三章环空固液两相流动56钻杆旋转影响钻杆旋转影响Q=60L/s 钻进时钻进时洗井时洗井时第三章环空固液两相流动57岩屑床高度工程计算模型 2.4772(0.282 0.383 )0.27620.5820.2760.20.1740.1852.2620.264/4()()1.45500.6()cos(0.51.4286)(1 0.5 )(1)(1.056)ecwfswpowpoeawpobasaaHdddddUdddROPUde RPMUU敏感性排序：排量、泥浆有效粘度、井

46、眼内径和钻杆外敏感性排序：排量、泥浆有效粘度、井眼内径和钻杆外径、井斜角、偏心度、钻杆钻速、钻头直径、机械钻径、井斜角、偏心度、钻杆钻速、钻头直径、机械钻速、泥浆密度、岩屑直径、岩屑密度速、泥浆密度、岩屑直径、岩屑密度 。第三章环空固液两相流动58实测ECD计算理论无岩屑床ECD理论有岩屑床ECD 井眼清洁的影响因素第三章环空固液两相流动59第三章环空固液两相流动60gHppppECDmbpsf1gHpECDaf2gHpECDacf3实测ECD计算理论无岩屑床ECD 研究和实践表明，大位移井因其大斜度段和水平段长，易形成岩屑床，当环空研究和实践表明，大位移井因其大斜度段和水平段长，易形成岩屑床

47、，当环空中存在岩屑床的时候，即使岩屑床厚度很小，环空压耗也会有大幅度增加，因此可中存在岩屑床的时候，即使岩屑床厚度很小，环空压耗也会有大幅度增加，因此可以利用环空压耗监测井眼清洁程度。以利用环空压耗监测井眼清洁程度。 工程上常将工程上常将ECDECD作为一个重要工作参数进行监测，因此可以将立管压力转换为作为一个重要工作参数进行监测，因此可以将立管压力转换为ECDECD，基于岩屑床动态运移工程计算模型，通过实测，基于岩屑床动态运移工程计算模型，通过实测ECDECD、理论无岩屑床和存在一定、理论无岩屑床和存在一定高度岩屑床时高度岩屑床时ECDECD的对比分析，可以对环空平均岩屑床高度进行定量评价，

48、实时监测的对比分析，可以对环空平均岩屑床高度进行定量评价，实时监测井眼清洁程度。井眼清洁程度。实测ECD理论无岩屑床ECD理论有岩屑床ECD第三章环空固液两相流动61 cos32232221aasohohafsfaLgCdDdDQLffkkkP afsohohfbaacPhdDdDgQfPhP00581695. 01 40260686. 025. 1232252232ipfpdQLfP2225 . 0ofbAcQP1ECD2ECD2ECD3ECD第三章环空固液两相流动62第三章环空固液两相流动63第三章环空固液两相流动64第三章环空固液两相流动65（1 1）17-1/2”17-1/2”井段钻至

49、井段钻至1342m1342m，井斜角从，井斜角从0 0变化到变化到77.8877.88，下，下13-3/8”13-3/8”套管套管至至1341m1341m，固井。采用海水聚合物泥浆体系，密度为，固井。采用海水聚合物泥浆体系，密度为1.05-1.12 g/cm1.05-1.12 g/cm3 3，粘度数，粘度数据为据为38/24/19/13/6/238/24/19/13/6/2。（2 2）12-1/4”12-1/4”钻至钻至4026m4026m，井斜角从，井斜角从77.8877.88变化到变化到87.7887.78，下，下9-5/8”9-5/8”套管至套管至4024m4024m，固井。采用，固井。

50、采用UltradrilUltradril泥浆体系，密度为泥浆体系，密度为1.10-1.20 g/cm1.10-1.20 g/cm3 3，流变参数为，流变参数为51/36/29/20/7/551/36/29/20/7/5。（3 3）8-1/2”8-1/2”井段钻至井段钻至4590m4590m，井斜角从，井斜角从87.7887.78变化到变化到88.8988.89，下，下7”7”筛管至筛管至4047m4047m。采用。采用UltradrilUltradril泥浆体系，密度为泥浆体系，密度为1.05-1.15 g/cm1.05-1.15 g/cm3 3，流变参数为，流变参数为55/37/30/21/

51、7/555/37/30/21/7/5。 以大港油区以大港油区ES-H6ES-H6井为例进行分析，其井身结构与泥浆数据为：井为例进行分析，其井身结构与泥浆数据为：实例分析实例分析66实例分析实例分析67159.0L/S1.14m/s实例分析实例分析68 ECD分析分析 计算表明，岩屑床对计算表明，岩屑床对ECDECD的影响很大，由于大斜度段长，现有泵无法达到理论最小的影响很大，由于大斜度段长，现有泵无法达到理论最小排量，环空必然形成一定的岩屑床，因此应严格控制排量，环空必然形成一定的岩屑床，因此应严格控制ROPROP、排量等，以控制大斜度井段、排量等，以控制大斜度井段岩屑床。岩屑床。 实例分析实

52、例分析69岩屑床高度岩屑床高度 钻杆转速是井眼清洁的有效和主要控制手段，应尽可能旋转钻杆，破坏岩屑床。钻杆转速是井眼清洁的有效和主要控制手段，应尽可能旋转钻杆，破坏岩屑床。ROPROP减小，环空岩屑床高度降低。减小，环空岩屑床高度降低。实例分析实例分析70加大洗井频率加大洗井频率 计算表明，排量为计算表明，排量为60l/s60l/s，ROPROP为为50m/h50m/h，洗井间隔为，洗井间隔为300m300m时，大斜度井段时，大斜度井段环空将形成约环空将形成约16%16%18%18%的岩屑床，洗井间隔为的岩屑床，洗井间隔为150m150m时，大斜度井段环空将形成时，大斜度井段环空将形成约约14%14%15%15%的岩屑床，岩屑床高度降低。的岩屑床，岩屑床高度降低。实例分析实例分析71循环洗井时间循环洗井时间 以环空残留以环空残留1%1%高度岩屑床为标准，当排量为高度岩屑床为标准，当排量为6060L/sL/s，钻杆转速为，钻杆转速为130130rpmrpm时，洗井间时，洗井间隔为隔为150150m m时，每次洗井所需