基于CFD-DEM方法对井筒内岩屑运移规律的研究
发布时间：2020-08-18 20:48
【摘要】：大位移井是当代钻井技术的新里程碑,其在海洋、滩海及地面条件恶劣的边际油气勘探开发中,可以加速油田勘探开发,提高产量及最终采收率,显著提高经济效益。但是,大位移井水平井段以及倾斜井段的岩屑运移问题相比于直井段更加复杂,已成为井眼清洁问题的重要攻关方向。在以往对井筒内液固两相流动的研究中,一般是对钻井液和岩屑采用液固两相欧拉-欧拉双流体模型,而忽略了岩屑颗粒的流动细节,因而本文采用CFD-DEM方法模拟水平井内岩屑运移过程,在Lagrange坐标下求解离散颗粒运动,在Euler坐标下求解液相运动。采用软球模型充分考虑了颗粒与颗粒、颗粒与井壁和钻杆壁之间的碰撞,得到岩屑在井筒内运移过程中出现的移动岩屑床-非均匀悬浮-均匀悬浮三种形态的变化,并将模拟岩屑浓度结果与实验值进行对比,充分验证了CFD-DEM模型的准确性。通过对岩屑运移影响因素的分析,研究不同操作工况参数对岩屑运移规律的影响,结果表明:转速的增加有利于提高周围液体的周向举升力,增强钻井液悬浮能力,同时加强了对岩屑床的扰动,从而抑制岩屑沉积并削减床层厚度;流速的增加直接增强了对岩屑床的轴向推动力,环空内流核区面积占比增大,对岩屑颗粒运移速度影响很大,岩屑运移效果的提升十分明显;钻杆偏心程度地增加使得钻杆下侧的环空间隙变窄,流速降低,颗粒拟温度降低,加重了钻杆底部的沉积情况;井斜角由水平0o到30o过程中颗粒运移速度有所减小,井底堆积情况加重,而随着井斜角进一步升高,更多的岩屑颗粒脱离岩屑床,在环空上方以悬移质状态向出口运移,岩屑运移效率明显增强。在本文中充分考虑了钻井液在实际情况中作为非牛顿流体,其幂律特性对岩屑运移情况的影响,模拟结果表明:流性指数n反映的是流体在一定剪切速率下非牛顿性的强弱,从不同流性指数的对比可以看出其对液相携岩能力的影响,n值升高主要体现在轴向流速的升高,以及其对岩屑悬浮能力的增强,进而提高了井筒内运移效率;而K值的改变直接影响流体的表观粘度,K值越小表观粘度越低,更容易使岩屑颗粒由于重力作用在井底部沉降,K值增大,意味着有效粘度增大,给予岩屑更多的能量,有利于颗粒在井筒内保持较长时间的悬浮,从而增强井眼清洁效果。本文基于CFD-DEM方法充分考虑不同的操作条件和钻井液流变性对井筒岩屑运移规律的影响,更符合真实井筒内液固两相流动状态,旨在为钻井工程的实际应用过程中提供切实的理论依据。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE243
【图文】：
流变特性得出的结论与实验结果具有良好的一致性。Erge 等人[50]（2016）在分析环空中牛顿和非牛顿流体流动的基础上提出了一种数学模型，能够精准的预测环空摩擦压降并且充分考虑了钻杆旋转和不旋转的情况，并发现在完全偏心时的压降相比于同心时有所减少，同时，钻杆旋转增加了偏心环空的压降。Ofei 等人[51]（2016）研究了流变参数对水平偏心环空窄间隙出的岩屑运移速度的影响采用的是欧拉双流体模型进行分析，作者同样对 K，n，τy对压力损耗和岩屑运移的影响进行了研究，结果表明提高稠度系数增加了流体的举升能力，n 的增加也会提升岩屑颗粒的速度。随着计算流体力学 CFD 和离散单元法（DEM）的建立和日趋完善，采用 CFD-DEM耦合方法对岩屑在井筒内的运移研究得到了长足发展，CFD-DEM 求解过程如图 1-1 所示，该方法立足于单个颗粒的运动分析，利用牛顿方程求解其运动，颗粒间的碰撞过程采用相应的接触模型来描述；流体相被当作在计算单元内局部平均 Navier-Stokes 方程所描述的连续相求解；流体与颗粒通过耦合模型来实现连续介质和离散之间的动量交换CFD-DEM 越来越多地应用于流体与颗粒体系的工程问题。
颗粒间碰撞过程中接触力的瞬时量以及碰撞力的变化时，这种方用了。DEM 通过对颗粒碰撞过程的详细模拟，可以提供颗粒碰度与受力信息，因此，我们可以通过采用 DEM 研究颗粒复杂碰EM 液固两相数学模型iserete Element Method）是一种通过跟踪流场中每一个颗粒或者到模拟整个流场中颗粒运动状况的数值模拟方法。DEM 方法有型，一种是软球模型[56]。由于硬球模型不考虑颗粒的碰撞过程理几个颗粒同时相碰的情况。在这种条件下，必须使用软球模型程。采用的基本方程包含动量方程和动量矩方程。与硬球模型不同式的牛顿运动方程。当两个颗粒碰撞时，实际上它们都要变形。粒保持形状不变，并且互相叠加。如图 2-1 所示，δ是两个颗粒越大，颗粒所受的力也就越大。
东北石油大学硕士研究生学位论文.2 岩屑间接触力对于颗粒碰撞的接触力一般有三种处理形式：线性模型、非线性模型和非线性滞后。通常用的是线性模型，我们采用的是 Cundall 和 Strack 提出的弹簧-滑块模型进行[52]，如图 2-2 所示，在本文中，岩屑颗粒运移过程中的接触力分为三种，即岩屑，岩屑-钻杆，岩屑-壁面。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE243
【图文】：
流变特性得出的结论与实验结果具有良好的一致性。Erge 等人[50]（2016）在分析环空中牛顿和非牛顿流体流动的基础上提出了一种数学模型，能够精准的预测环空摩擦压降并且充分考虑了钻杆旋转和不旋转的情况，并发现在完全偏心时的压降相比于同心时有所减少，同时，钻杆旋转增加了偏心环空的压降。Ofei 等人[51]（2016）研究了流变参数对水平偏心环空窄间隙出的岩屑运移速度的影响采用的是欧拉双流体模型进行分析，作者同样对 K，n，τy对压力损耗和岩屑运移的影响进行了研究，结果表明提高稠度系数增加了流体的举升能力，n 的增加也会提升岩屑颗粒的速度。随着计算流体力学 CFD 和离散单元法（DEM）的建立和日趋完善，采用 CFD-DEM耦合方法对岩屑在井筒内的运移研究得到了长足发展，CFD-DEM 求解过程如图 1-1 所示，该方法立足于单个颗粒的运动分析，利用牛顿方程求解其运动，颗粒间的碰撞过程采用相应的接触模型来描述；流体相被当作在计算单元内局部平均 Navier-Stokes 方程所描述的连续相求解；流体与颗粒通过耦合模型来实现连续介质和离散之间的动量交换CFD-DEM 越来越多地应用于流体与颗粒体系的工程问题。
颗粒间碰撞过程中接触力的瞬时量以及碰撞力的变化时，这种方用了。DEM 通过对颗粒碰撞过程的详细模拟，可以提供颗粒碰度与受力信息，因此，我们可以通过采用 DEM 研究颗粒复杂碰EM 液固两相数学模型iserete Element Method）是一种通过跟踪流场中每一个颗粒或者到模拟整个流场中颗粒运动状况的数值模拟方法。DEM 方法有型，一种是软球模型[56]。由于硬球模型不考虑颗粒的碰撞过程理几个颗粒同时相碰的情况。在这种条件下，必须使用软球模型程。采用的基本方程包含动量方程和动量矩方程。与硬球模型不同式的牛顿运动方程。当两个颗粒碰撞时，实际上它们都要变形。粒保持形状不变，并且互相叠加。如图 2-1 所示，δ是两个颗粒越大，颗粒所受的力也就越大。
东北石油大学硕士研究生学位论文.2 岩屑间接触力对于颗粒碰撞的接触力一般有三种处理形式：线性模型、非线性模型和非线性滞后。通常用的是线性模型，我们采用的是 Cundall 和 Strack 提出的弹簧-滑块模型进行[52]，如图 2-2 所示，在本文中，岩屑颗粒运移过程中的接触力分为三种，即岩屑，岩屑-钻杆，岩屑-壁面。
【参考文献】
相关期刊论文 前7条
1 张好林;李根生;黄中伟;田守]
本文编号：2796700
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/shiyounenyuanlunwen/2796700.html
