油气井流体力学教学课件PPT固液两相流动.ppt

1、第三章环空固液两相流动,颗粒沉降速度 牛顿流体 非牛顿流体 钻井液的携带能力 Moore关系式 Chien模式 Walker和Mayes关系式 岩屑传输率 两层稳定运移模型 岩屑运移机理 两层运移模型 岩屑床厚度经验模式 实验研究,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 模型假设 与时间相关方程的建立 差分离散 计算结果 Chien模式 Walker和Mayes关系式 三层稳定运移模型 几何模型 数学模型的建立 传输方式和通用方程 模拟结果,主要内容,2,第三章环空固液两相流动,第一节 颗粒沉降速度,1.1 牛顿流体,重力W、浮力Fbo和粘性阻力F平衡,粘性阻力F与球形颗粒的

2、沉降速度之间的关系(stokes),则颗粒沉速为：,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 颗粒沉降速度,1.1 牛顿流体,对于雷诺数大于0.1的流动，引入摩擦系数的概念：,颗粒沉降速度公式可用于雷诺数小于0.1的情况。,4,第三章环空固液两相流动,第一节 颗粒沉降速度,1.1 牛顿流体,5,第三章环空固液两相流动,第一节 颗粒沉降速度,1.1 牛顿流体,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

3、.6,沙砾沉降物的孔隙度为0.4 。 解：,6,第三章环空固液两相流动,第一节 颗粒沉降速度,1.1 牛顿流体,7,第三章环空固液两相流动,第一节 颗粒沉降速度,1.1 牛顿流体,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：,=,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：,8,第三章环空固液两相流动,第一节 颗粒沉降速度,1.2 非牛顿流体,

4、9,第三章环空固液两相流动,第一节 颗粒沉降速度,1.2 非牛顿流体,微粒直径必须大于,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。,10,第三章环空固液两相流动,第一节 颗粒沉降速度,1.4 Moore关系式,非牛顿流体,牛顿流体,11,第三章环空固液两相流动,第一节 颗粒沉降速度,1.4 Moore关系式,当流核雷诺数3时，流体处于层流状态，,对于过渡流雷诺数，,12,第三章环空固液两相流动,第一节 颗粒沉降速度,1.5 Chien模式,对于聚合物钻井液：,对于粘土在水中悬浮问题，推荐使用塑性粘度代替表观

5、粘度。在颗粒雷诺数小于100时：,13,第三章环空固液两相流动,第一节 颗粒沉降速度,1.6 Walker和Mayes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。,颗粒雷诺数大于100时，认为流动模式是紊流，并假定f=1.12，则：,14,第三章环空固液两相流动,第一节 颗粒沉降速度,1.6 Walker和Mayes关系式,雷诺数小于100时,则用于确定颗粒雷诺数的表观粘度由下式得到：,15,与,=刻度盘读数 1.066,=电机速度 1.03,第二节 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,传

6、输率为传输速度与平均环空返速之比：,传输率为正值时，岩屑被携带到地面。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 岩屑传输率,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 岩屑传输率,各种方法预测岩屑传输效率的误差直方图,第三章环空固液两相流动,18,第二节 岩屑传输率,Moore和Chien关系式预测下滑速度的误差直方图,第三章环空固液两相流动,19,通过提高泥浆泵排量可以降低环空泥浆平均密度，

7、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。,第二节 岩屑传输率,第三章环空固液两相流动,20,第二节 岩屑传输率,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 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,调整流体性质（粘度、密度）及增加环空返速可增大岩屑传输效率。在多数情况下，使用低粘度流体可实现每英尺的理论费用。,第三章环空固液

8、两相流动,22,第二节 岩屑传输率,例3.3 计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密度为9.01bm/gal，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为105in。分别用Moore、Chien、Walker和Mayes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0.25in。,解：Moore 模式 稠度系数K和流性指数N根据300转和600转的粘度计读数求得：,第三章环空固液两相流动,23,例3.3 计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密度为9.01bm/

9、gal，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为105in。分别用Moore、Chien、Walker和Mayes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0.25in。,第二节 岩屑传输率,环空返速为120ft/min(2ft/s)时的表观牛顿粘度为：,第三章环空固液两相流动,24,例3.3 计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密度为9.01bm/gal，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为105in。分别用Moore、Chien、Walker和Mayes关系式求解。从旋转粘

10、度计上读得参数如上表。假定岩屑直径及厚度均约为0.25in。,第二节 岩屑传输率,假定是过渡态雷诺数（过渡流型），下滑速度为,雷诺数由下式求得：,第三章环空固液两相流动,25,例3.3 计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密度为9.01bm/gal，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为105in。分别用Moore、Chien、Walker和Mayes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0.25in。,第二节 岩屑传输率,既然雷诺数介于3300之间，则求解正确。故在环空流速2.0ft/s、岩屑

11、下滑速度为0.49ft/s条件下的岩屑传输效率为：,第三章环空固液两相流动,26,例3.3 计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密度为9.01bm/gal，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为105in。分别用Moore、Chien、Walker和Mayes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0.25in。,第二节 岩屑传输率,Chien模式 对粘土水泥浆，Chien推荐用塑性粘度代替表观粘度。用范氏粘度计的300转和600转读数得到：,第三章环空固液两相流动,27,第二节 岩屑传输率,假定

12、为过渡态，下滑速度可由公式（3.11）求得：,例3.3 计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密度为9.01bm/gal，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为105in。分别用Moore、Chien、Walker和Mayes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0.25in。,第三章环空固液两相流动,28,第二节 岩屑传输率,例3.3 计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密度为9.01bm/gal，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)

13、，环空尺寸为105in。分别用Moore、Chien、Walker和Mayes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0.25in。,则,此速度下的颗粒雷诺数为：,既然这个雷诺数小于100，则结果正确，传输效率由下式给出：,第三章环空固液两相流动,29,第二节 岩屑传输率,例3.3 计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密度为9.01bm/gal，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为105in。分别用Moore、Chien、Walker和Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上表。假定岩屑

14、直径及厚度均约为0.25in。,Walker-Mayer模式 在静止液体中颗粒下沉的剪切力估算：,14 lbm/100sq ft的剪切应力对应粘度计读数为：,第三章环空固液两相流动,30,第二节 岩屑传输率,例3.3 计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密度为9.01bm/gal，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为105in。分别用Moore、Chien、Walker和Mayes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0.25in。,假定流型为过渡态，下滑速度由下式求得：,第三章环空固液两相流

15、动,31,第二节 岩屑传输率,例3.3 计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密度为9.01bm/gal，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为105in。分别用Moore、Chien、Walker和Mayes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0.25in。,此下滑速度下的颗粒雷诺数为：,岩屑传输效率由下式给出：,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,33,第三章环空固液两相流动,34,第三章环空固液两相流动,35,3.1 两层稳定模型,假设在一定环空返速下，因倾斜或

16、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。,两层模型示意图,第三章环空固液两相流动,第三节 两层稳定运移模型,36,连续性方程：,运动方程：,岩屑扩散方程：,受阻颗粒沉速：,第三章环空固液两相流动,第三节 两层稳定运移模型,3.1 两层稳定模型,37,水动力摩擦力：,岩屑床中流体流动压降：,第三章环空固液两相流动,第三节 两层稳定

17、运移模型,3.1 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 两层稳定运移模型,3.1 两层稳定模型,39,第三章环空固液两相流动,第三节 两层稳定运移模型,3.2 岩屑床厚度经验模式,40,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

18、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 两层不稳定运移模型,4.1 模型假设,41,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,第三章环空固液两相流动,第四节 两层不稳定运移模型,4.2 模型方程,42,低粘度的钻井液在井眼中达到稳态大约需1200s左右，而高粘度的钻井液在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

19、钻头长度,岩屑床高度,第三章环空固液两相流动,第四节 两层不稳定运移模型,4.3 计算结果,43,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,第三章环空固液两相流动,第四节 两层不稳定运移模型,4.3 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： （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； （2）钻井液

20、和岩屑物性连续； （3）悬浮层岩屑浓度相对很小，且符合扩散定律； （4）均匀层岩屑体积浓度为55%，分散层浓度为均匀层浓度的0.8倍。,第三章环空固液两相流动,45,连续性方程,动量方程,第三章环空固液两相流动,46,动量方程,连续性方程,模型求解,有限差分：使用交错网格和一阶迎风格式差分方程组,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，得到 ； （3）将 代入动量方程修正步，得到的 和 方程； （4）将以上方程代入连续性方程预测步，求解出 、 和 ； （5）将压力 代入动量方程修正步，得到速度 ； （6）将速度 代

21、入基本连续性方程，求解出正确的 和 ； （7）求解下一时间步至结束。,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，节省计算时间。,SETS数值求解,SETS方法，英文全称为Stability Enhancing Two Step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。,第三章环空固液两相流动,48,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，216mm（8-1/2in）井段虽然也是大斜度井段，

22、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311mm（12-1/4in）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，本研究重点模拟311mm井眼岩屑运移情况。 使用139.7mm钻杆，泥浆密度为1.1g/cm3，岩屑密度为2.5 g/cm3，岩屑粒径为5mm，泥浆性能参数为n=0.5，K=0.8Pasn，钻杆转速默认为130r/min，ROP为50m/h，偏心度为0.5，默认排量为60L/s。 311mm井段从测深1350m连续钻进至4050m，然后停钻洗井，不考虑倒划眼、起下钻等过程。,第三章环空固液

23、两相流动,51,311mm井段从测深1350m连续钻进至4050m，然后停钻洗井。Q=60L/s，钻进用时54h，洗井用时20h。,第三章环空固液两相流动,52,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。 Q=50L/s,钻进过程，钻头逐渐后移,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 Q=70L/s,第三章环空固液两相流动,54,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ECD变化,钻进过程,洗井过程,第三章环空固液两相流动,56,钻杆旋转影响 Q=60L/s,第三章环空固液两相流动,57,岩屑床高度工程计

24、算模型,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 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,60,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。 工程上常将ECD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ECD，基

25、于岩屑床动态运移工程计算模型，通过实测ECD、理论无岩屑床和存在一定高度岩屑床时ECD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。,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,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）17-1/2”井段钻至1342m，井斜角从0变化到77.88，下13-3/8”套管至1341m，固井。采用海水聚合物泥浆体系，密度为1.05-1.12 g/cm3，粘度数据为38/24/19/13/6/2。 （2）12-1/4”钻至

26、4026m，井斜角从77.88变化到87.78，下9-5/8”套管至4024m，固井。采用Ultradril泥浆体系，密度为1.10-1.20 g/cm3，流变参数为51/36/29/20/7/5。 （3）8-1/2”井段钻至4590m，井斜角从87.78变化到88.89，下7”筛管至4047m。采用Ultradril泥浆体系，密度为1.05-1.15 g/cm3，流变参数为55/37/30/21/7/5。,以大港油区ES-H6井为例进行分析，其井身结构与泥浆数据为：,实例分析,66,171/2in井段岩屑床高度分析,实例分析,67,171/2in井段最小排量分析,实例分析,68,171/2i

27、n井段 ECD分析,计算表明，岩屑床对ECD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ROP、排量等，以控制大斜度井段岩屑床。,实例分析,69,171/2in井段岩屑床高度,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。ROP减小，环空岩屑床高度降低。,实例分析,70,171/2in井段加大洗井频率,计算表明，排量为60l/s，ROP为50m/h，洗井间隔为300m时，大斜度井段环空将形成约16%18%的岩屑床，洗井间隔为150m时，大斜度井段环空将形成约14%15%的岩屑床，岩屑床高度降低。,实例分析,71,171

28、/2in井段循环洗井时间,以环空残留1%高度岩屑床为标准，当排量为60L/s，钻杆转速为130rpm时，洗井间隔为150m时，每次洗井所需时间约为60-150min，洗井时间随测深增加而增加。,实例分析,72,121/4in井段 岩屑床高度计算,实例分析,73,121/4in井段 最小排量分析,实例分析,74,121/4in井段 ECD,实例分析,75,121/4in井段循环压耗,实例分析,76,121/4in井段加大洗井频率,计算表明，排量为60l/s，ROP为30m/h，洗井间隔为300m时，大斜度井段环空将形成约11%17%的岩屑床，洗井间隔为150m时，大斜度井段环空岩屑床将控制在9% 13%。,实例分析,77,121/4in井段循环洗井时间计算,以环空残留1%高度岩