连续油管螺旋段管内幂律流动特性研究

发布时间：2020-07-16 17:47

【摘要】：由于连续油管直径小以及滚筒上螺旋段的存在,相比普通油管连续油管的摩擦压耗较大。现场施工多关注连续油管的井下工况,而对地面螺旋管内的工况研究较少,通过文献调研发现目前对螺旋段流动特性的研究较少且不够精细。目前,连续油管螺旋段中流体摩擦阻力预测还是工程学上的挑战之一,本文基于理论和实验对连续油管螺旋段的流动进行深入分析与研究,着重揭示幂律流体在连续油管螺旋段中的流动特性,从而为现场选择配套设备和确定施工参数提供理论基础。根据流体力学基本原理,以连续性方程和纳维-斯托克斯方程为控制方程,应用边界层理论和数量级分析法,解决了连续油管幂律流体的层流流动问题。在理论分析和数值解的基础上,以Dean数和曲率为自变量,充分考虑流性指数、曲率以及管路的几何尺寸作用下所产生离心力对摩阻系数的影响,得到了层流摩擦系数公式。边界层的近似分析方法也适用于连续油管中幂律流体湍流的分析。首先,要对连续油管的流动模型进行简化,将横截面划分为无粘核心区和粘性薄边界层。然后,通过数量级简化核心区和边界层的流动方程。将简化的边界层动量方程对边界层厚度积分,得到动量积分方程。在假定边界层流速分布的适当形式后,将动量积分方程转化为常微分方程组,求得速度场的数值解。与螺旋管幂律层流的情况类似,建立了湍流条件下考虑离心力对摩阻系数影响的湍流摩擦系数公式。新的摩擦系数公式与HUBS数据有很好的一致性。本文公式与MashelkarDevarajan公式、Ito公式以及HUBS数据进行了对比,结果发现本文公式的计算精度比MashelkarDevarajan公式更高,本文公式的计算结果与Ito公式计算结果和HUBS数据非常接近。实验研究包括一系列不同的管径、长度和曲率的螺旋管,不同浓度的幂律流体(黄原胶、聚丙烯酰胺,瓜尔胶,羧甲基纤维素和羟丙基瓜尔胶)。实验结果发现,连续油管曲率增加对摩擦压力影响显著。连续油管和直管之间摩擦系数的最大差值可以高达200%,连续油管和直管之间摩擦系数的差异主要受油管直径的大小、幂律流体浓度和广义雷诺数的影响。对于牛顿流体(水),连续油管和直管之间的摩擦系数的差别不像幂律流体那样显著,摩擦系数的差异为30%。摩擦压力的数据分析表明,连续油管中幂律流体的减阻效应比直管的要低,而且随着曲率比的增大,连续油管中幂律流体的减阻效应也降低。曲率比对连续油管摩擦系数有显著影响,随着曲率比的增大连续油管的摩擦系数增大。同时曲率比的影响大小也取决于流体浓度。最后根据测得的摩擦系数数据,与本文公式计算值进行对比,在很宽的雷诺数范围内该公式预测值与实验数据基本相符,大多数的误差在10%以内,证明本文公式的计算结果具有较高的可靠性。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE931.2
【图文】：

油管最重要的特点是整个连续油管管柱连续且无接头连接。逡逑为了使连续油管下入井筒或从中起出，需要相应的连续油管装置。逡逑图１．１国际连续油管协会给出的连续油管装置组成中给出的连续油管装置组成中包逡逑括：逡逑１邋？盘管总成邋Ｃｏｉｌｅｄ邋ｔｕｂｉｎｇ邋ｒｅｅｌ；逡逑２．

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本文编号：2758303