油氣井流體力學教學課件PPT 固液兩相流動.ppt

第三章 環(huán)空固液兩相流動,顆粒沉降速度 牛頓流體 非牛頓流體 鉆井液的攜帶能力 Moore關系式 Chien模式 Walker和Mayes關系式 巖屑傳輸率 兩層穩(wěn)定運移模型 巖屑運移機理 兩層運移模型 巖屑床厚度經驗模式 實驗研究,主要內容,1,第三章 環(huán)空固液兩相流動,兩層不穩(wěn)定運移模型 模型假設 與時間相關方程的建立 差分離散 計算結果 Chien模式 Walker和Mayes關系式 三層穩(wěn)定運移模型 幾何模型 數(shù)學模型的建立 傳輸方式和通用方程 模擬結果,主要內容,2,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第一節(jié) 顆粒沉降速度,1.1 牛頓流體,重力W、浮力Fbo和粘性阻力F平衡,粘性阻力F與球形顆粒的沉降速度之間的關系(stokes),則顆粒沉速為：,適用于雷諾數(shù)小于0.1的流動,（工程單位）,3,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第一節(jié) 顆粒沉降速度,1.1 牛頓流體,對于雷諾數(shù)大于0.1的流動，引入摩擦系數(shù)的概念：,顆粒沉降速度公式可用于雷諾數(shù)小于0.1的情況。,4,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第一節(jié) 顆粒沉降速度,1.1 牛頓流體,5,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第一節(jié) 顆粒沉降速度,1.1 牛頓流體,例1 鉆井液的密度為8.33lbm/gal，粘度為1cp，含沙量約為1%（體積分數(shù)）。如果鉆井液停止循環(huán)30分鐘，將有多少砂礫沉降到井底？假定砂礫的平均粒徑為0.0025in，圓球度為0.81，比重為2.6,沙礫沉降物的孔隙度為0.4 。 解：,6,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第一節(jié) 顆粒沉降速度,1.1 牛頓流體,7,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第一節(jié) 顆粒沉降速度,1.1 牛頓流體,例1 鉆井液的密度為8.33lbm/gal，粘度為1cp，含沙量約為1%（體積分數(shù)）。如果鉆井液停止循環(huán)30分鐘，將有多少砂礫沉降到井底？假定砂礫的平均粒徑為0.0025in，圓球度為0.81，比重為2.6,沙礫沉降物的孔隙度為0.4 。 解：,=,如果鉆井液停止循環(huán)30min，井筒下方沉降的沙礫高度為303ft。如果那么井底沙礫沉降物的高度為：,8,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第一節(jié) 顆粒沉降速度,1.2 非牛頓流體,9,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第一節(jié) 顆粒沉降速度,1.2 非牛頓流體,微粒直徑必須大于,例2 泥漿密度為9lbm/gal，膠凝作用力為5lbm/100sqft，沙礫比重為2.6。試計算能在鉆井液中懸浮的沙礫的最大直徑。,10,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第一節(jié) 顆粒沉降速度,1.4 Moore關系式,非牛頓流體,牛頓流體,11,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第一節(jié) 顆粒沉降速度,1.4 Moore關系式,當流核雷諾數(shù)3時，流體處于層流狀態(tài)，,對于過渡流雷諾數(shù)，,12,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第一節(jié) 顆粒沉降速度,1.5 Chien模式,對于聚合物鉆井液：,對于粘土在水中懸浮問題，推薦使用塑性粘度代替表觀粘度。在顆粒雷諾數(shù)小于100時：,13,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第一節(jié) 顆粒沉降速度,1.6 Walker和Mayes關系式,Walker和Mayes提出了用磨擦系數(shù)來求滑脫速度的關系式，適用于圓片。,顆粒雷諾數(shù)大于100時，認為流動模式是紊流，并假定f=1.12，則：,14,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第一節(jié) 顆粒沉降速度,1.6 Walker和Mayes關系式,雷諾數(shù)小于100時,則用于確定顆粒雷諾數(shù)的表觀粘度由下式得到：,15,與,=刻度盤讀數(shù) 1.066,=電機速度 1.03,第二節(jié) 巖屑傳輸率,巖屑向地面運移的速度為流體流動速度和顆粒沉降速度之差。 傳輸速度：顆粒相對于地面移動的速度,傳輸率為傳輸速度與平均環(huán)空返速之比：,傳輸率為正值時，巖屑被攜帶到地面。當顆粒沉降速度為零時，巖屑平均速率與平均環(huán)層速率相等，巖屑傳輸率為整數(shù)。隨著顆粒沉降速度的增加，傳輸率減小，巖屑在環(huán)空向地面?zhèn)鬏斖局袧舛仍龃?。所以，巖屑傳輸率是鉆井液攜巖能力的量度。,第三章 環(huán)空固液兩相流動,16,第二節(jié) 巖屑傳輸率,預測巖屑傳輸率的各種方法對比,第三章 環(huán)空固液兩相流動,17,第二節(jié) 巖屑傳輸率,各種方法預測巖屑傳輸效率的誤差直方圖,第三章 環(huán)空固液兩相流動,18,第二節(jié) 巖屑傳輸率,Moore和Chien關系式預測下滑速度的誤差直方圖,第三章 環(huán)空固液兩相流動,19,通過提高泥漿泵排量可以降低環(huán)空泥漿平均密度，從而提高巖屑傳輸效率。但是，隨著泥漿泵排量增加到達一定值后，井底壓力會隨著流量的增加而增大，這是因為在環(huán)空產生了過大的磨擦壓力損失。同時，由于鉆柱中的過大摩擦壓力損失，鉆頭處的噴射沖擊力開始隨著流量的增大而降低。因此，存在一個最優(yōu)化流量，在該流量下，鉆進每英尺理論費用最小。,第二節(jié) 巖屑傳輸率,第三章 環(huán)空固液兩相流動,20,第二節(jié) 巖屑傳輸率,巖屑傳輸優(yōu)化結果實例,第三章 環(huán)空固液兩相流動,21,第二節(jié) 巖屑傳輸率,泥漿粘度對優(yōu)化巖屑傳輸效率和降低每英尺費用的影響實例,調整流體性質（粘度、密度）及增加環(huán)空返速可增大巖屑傳輸效率。在多數(shù)情況下，使用低粘度流體可實現(xiàn)每英尺的理論費用。,第三章 環(huán)空固液兩相流動,22,第二節(jié) 巖屑傳輸率,例3.3 計算傳輸效率，巖屑直徑0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土鉆井液密度為9.01bm/gal，其環(huán)空返速為120ft/min(2.0ft/s)，環(huán)空尺寸為105in。分別用Moore、Chien、Walker和Mayes關系式求解。從旋轉粘度計上讀得參數(shù)如右表。假定巖屑直徑及厚度均約為0.25in。,解：Moore 模式 稠度系數(shù)K和流性指數(shù)N根據300轉和600轉的粘度計讀數(shù)求得：,第三章 環(huán)空固液兩相流動,23,例3.3 計算傳輸效率，巖屑直徑0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土鉆井液密度為9.01bm/gal，其環(huán)空返速為120ft/min(2.0ft/s)，環(huán)空尺寸為105in。分別用Moore、Chien、Walker和Mayes關系式求解。從旋轉粘度計上讀得參數(shù)如上表。假定巖屑直徑及厚度均約為0.25in。,第二節(jié) 巖屑傳輸率,環(huán)空返速為120ft/min(2ft/s)時的表觀牛頓粘度為：,第三章 環(huán)空固液兩相流動,24,例3.3 計算傳輸效率，巖屑直徑0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土鉆井液密度為9.01bm/gal，其環(huán)空返速為120ft/min(2.0ft/s)，環(huán)空尺寸為105in。分別用Moore、Chien、Walker和Mayes關系式求解。從旋轉粘度計上讀得參數(shù)如上表。假定巖屑直徑及厚度均約為0.25in。,第二節(jié) 巖屑傳輸率,假定是過渡態(tài)雷諾數(shù)（過渡流型），下滑速度為,雷諾數(shù)由下式求得：,第三章 環(huán)空固液兩相流動,25,例3.3 計算傳輸效率，巖屑直徑0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土鉆井液密度為9.01bm/gal，其環(huán)空返速為120ft/min(2.0ft/s)，環(huán)空尺寸為105in。分別用Moore、Chien、Walker和Mayes關系式求解。從旋轉粘度計上讀得參數(shù)如上表。假定巖屑直徑及厚度均約為0.25in。,第二節(jié) 巖屑傳輸率,既然雷諾數(shù)介于3300之間，則求解正確。故在環(huán)空流速2.0ft/s、巖屑下滑速度為0.49ft/s條件下的巖屑傳輸效率為：,第三章 環(huán)空固液兩相流動,26,例3.3 計算傳輸效率，巖屑直徑0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土鉆井液密度為9.01bm/gal，其環(huán)空返速為120ft/min(2.0ft/s)，環(huán)空尺寸為105in。分別用Moore、Chien、Walker和Mayes關系式求解。從旋轉粘度計上讀得參數(shù)如上表。假定巖屑直徑及厚度均約為0.25in。,第二節(jié) 巖屑傳輸率,Chien模式 對粘土水泥漿，Chien推薦用塑性粘度代替表觀粘度。用范氏粘度計的300轉和600轉讀數(shù)得到：,第三章 環(huán)空固液兩相流動,27,第二節(jié) 巖屑傳輸率,假定為過渡態(tài)，下滑速度可由公式（3.11）求得：,例3.3 計算傳輸效率，巖屑直徑0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土鉆井液密度為9.01bm/gal，其環(huán)空返速為120ft/min(2.0ft/s)，環(huán)空尺寸為105in。分別用Moore、Chien、Walker和Mayes關系式求解。從旋轉粘度計上讀得參數(shù)如上表。假定巖屑直徑及厚度均約為0.25in。,第三章 環(huán)空固液兩相流動,28,第二節(jié) 巖屑傳輸率,例3.3 計算傳輸效率，巖屑直徑0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土鉆井液密度為9.01bm/gal，其環(huán)空返速為120ft/min(2.0ft/s)，環(huán)空尺寸為105in。分別用Moore、Chien、Walker和Mayes關系式求解。從旋轉粘度計上讀得參數(shù)如上表。假定巖屑直徑及厚度均約為0.25in。,則,此速度下的顆粒雷諾數(shù)為：,既然這個雷諾數(shù)小于100，則結果正確，傳輸效率由下式給出：,第三章 環(huán)空固液兩相流動,29,第二節(jié) 巖屑傳輸率,例3.3 計算傳輸效率，巖屑直徑0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土鉆井液密度為9.01bm/gal，其環(huán)空返速為120ft/min(2.0ft/s)，環(huán)空尺寸為105in。分別用Moore、Chien、Walker和Mayes關系式求解。從旋轉粘度計上讀得參數(shù)如上表。假定巖屑直徑及厚度均約為0.25in。,Walker-Mayer模式 在靜止液體中顆粒下沉的剪切力估算：,14 lbm/100sq ft的剪切應力對應粘度計讀數(shù)為：,第三章 環(huán)空固液兩相流動,30,第二節(jié) 巖屑傳輸率,例3.3 計算傳輸效率，巖屑直徑0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土鉆井液密度為9.01bm/gal，其環(huán)空返速為120ft/min(2.0ft/s)，環(huán)空尺寸為105in。分別用Moore、Chien、Walker和Mayes關系式求解。從旋轉粘度計上讀得參數(shù)如上表。假定巖屑直徑及厚度均約為0.25in。,假定流型為過渡態(tài)，下滑速度由下式求得：,第三章 環(huán)空固液兩相流動,31,第二節(jié) 巖屑傳輸率,例3.3 計算傳輸效率，巖屑直徑0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土鉆井液密度為9.01bm/gal，其環(huán)空返速為120ft/min(2.0ft/s)，環(huán)空尺寸為105in。分別用Moore、Chien、Walker和Mayes關系式求解。從旋轉粘度計上讀得參數(shù)如上表。假定巖屑直徑及厚度均約為0.25in。,此下滑速度下的顆粒雷諾數(shù)為：,巖屑傳輸效率由下式給出：,第三章 環(huán)空固液兩相流動,32,第三章 環(huán)空固液兩相流動,研究概況,33,第三章 環(huán)空固液兩相流動,34,第三章 環(huán)空固液兩相流動,35,3.1 兩層穩(wěn)定模型,假設在一定環(huán)空返速下，因傾斜或水平環(huán)空內的快速沉降而使絕大多數(shù)巖屑顆粒聚集在環(huán)空底部形成巖屑床；只有少數(shù)顆粒在液流中作懸浮運動。 假定巖屑床的厚度均勻，且其中巖屑體積濃度為52%。 假定巖屑床面以上顆粒作懸浮運動，不產生滾動、翻轉、滑脫。 固液體系介質均不可壓縮，且固液兩相無質量交換。 巖屑顆粒具有相同的直徑和圓球度。 鉆桿偏心但不旋轉。,兩層模型示意圖,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第三節(jié) 兩層穩(wěn)定運移模型,36,連續(xù)性方程：,運動方程：,巖屑擴散方程：,受阻顆粒沉速：,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第三節(jié) 兩層穩(wěn)定運移模型,3.1 兩層穩(wěn)定模型,37,水動力摩擦力：,巖屑床中流體流動壓降：,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第三節(jié) 兩層穩(wěn)定運移模型,3.1 兩層穩(wěn)定模型,38,理論巖屑床厚度與環(huán)空返速間的關系圖,在相同環(huán)空返速下，環(huán)空壓降與井斜角間的關系圖,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第三節(jié) 兩層穩(wěn)定運移模型,3.1 兩層穩(wěn)定模型,39,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第三節(jié) 兩層穩(wěn)定運移模型,3.2 巖屑床厚度經驗模式,40,模型假設： (1)底層為巖屑床(巖屑由于重力的作用而沉積在環(huán)空低側)。此層中的巖屑 體積濃度假定為52%； (2)頂層為懸浮層，巖屑顆粒的徑向擴散瞬時達到平衡； (3)在底層與頂層中，固液兩相之間均無滑脫，固液兩相之間無質量交換； (4)固液體系均為不可壓縮介質，固體顆粒具有相同的直徑和圓球度； (5)底層與頂層的界面高度不變，橫截面上的流體壓力視為靜壓分布； (6)鉆柱偏心但不旋轉。,模型示意圖：,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第四節(jié) 兩層不穩(wěn)定運移模型,4.1 模型假設,41,連續(xù)性方程,運動方程,輔助方程,幾何關系式、各種剪切應力、摩擦系數(shù)、以及各層密度的關系式 懸浮層顆粒濃度的求法同前。,邊界條件,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第四節(jié) 兩層不穩(wěn)定運移模型,4.2 模型方程,42,低粘度的鉆井液在井眼中達到穩(wěn)態(tài)大約需1200s左右，而高粘度的鉆井液在2000s后還在沖蝕巖屑床。從圖中也可以看出，高粘度的鉆井液在穩(wěn)態(tài)時所形成的巖屑床比低粘度的鉆井液所形成的巖屑床低一些。,時間,距離鉆頭長度,巖屑床高度,時間,距離鉆頭長度,巖屑床高度,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第四節(jié) 兩層不穩(wěn)定運移模型,4.3 計算結果,43,低速下只有部分巖屑被除去。隨著鉆井液流速的增加(右圖)，巖屑床可以完全被除去。從圖中可以看出巖屑的沙丘傳輸機制。在6000s后，井段的大部分巖屑均被除去。因此，在一定流速條件下，長時間循環(huán)鉆井液可以完全除去巖屑床。,時間,距離鉆頭長度,巖屑床高度,時間,距離鉆頭長度,巖屑床高度,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第四節(jié) 兩層不穩(wěn)定運移模型,4.3 計算結果,44,由于研究和計算的問題較為復雜，因此對模型作了如下假設： （1）鉆井液為不可壓縮流體，除懸浮層外，不考慮其它各層內固液兩相之間的滑動； （2）鉆井液和巖屑物性連續(xù)； （3）懸浮層巖屑濃度相對很小，且符合擴散定律； （4）均勻層巖屑體積濃度為55%，分散層濃度為均勻層濃度的0.8倍。,第三章 環(huán)空固液兩相流動,45,連續(xù)性方程,動量方程,第三章 環(huán)空固液兩相流動,46,動量方程,連續(xù)性方程,模型求解,有限差分：使用交錯網格和一階迎風格式差分方程組,第三章 環(huán)空固液兩相流動,第三章 環(huán)空固液兩相流動,47,（1）劃分網格，給定初始值和邊界條件； （2）求解動量方程預測步，得到 ； （3）將 代入動量方程修正步，得到的 和 方程； （4）將以上方程代入連續(xù)性方程預測步，求解出 、 和 ； （5）將壓力 代入動量方程修正步，得到速度 ； （6）將速度 代入基本連續(xù)性方程，求解出正確的 和 ； （7）求解下一時間步至結束。,由以上方程和求解過程可以看出，每一步均是求解比較簡單的一次線性方程或方程組，無須迭代計算，因此該方法可以有效的提高計算效率，節(jié)省計算時間。,SETS數(shù)值求解,SETS方法，英文全稱為Stability Enhancing Two Step方法，包括預測和修正兩步，在每一時間步無需迭代，因此能夠有效提高計算效率。,第三章 環(huán)空固液兩相流動,48,第三章 環(huán)空固液兩相流動,49,以大港ES-H6大位移井為例，其井身結構如圖所示。,第三章 環(huán)空固液兩相流動,50,大位移井鉆井實踐表明，216mm（8-1/2in）井段雖然也是大斜度井段，但由于井眼尺寸小，泵排量可以滿足要求，因此該井段一般不會出現(xiàn)攜巖問題。而311mm（12-1/4in）井段同樣是大斜度井段，但由于環(huán)空尺寸大，泵排量一般達不到攜巖要求，因此該井段鉆進時攜巖問題最為突出。因此，本研究重點模擬311mm井眼巖屑運移情況。 使用139.7mm鉆桿，泥漿密度為1.1g/cm3，巖屑密度為2.5 g/cm3，巖屑粒徑為5mm，泥漿性能參數(shù)為n=0.5，K=0.8Pasn，鉆桿轉速默認為130r/min，ROP為50m/h，偏心度為0.5，默認排量為60L/s。 311mm井段從測深1350m連續(xù)鉆進至4050m，然后停鉆洗井，不考慮倒劃眼、起下鉆等過程。,第三章 環(huán)空固液兩相流動,51,311mm井段從測深1350m連續(xù)鉆進至4050m，然后停鉆洗井。Q=60L/s，鉆進用時54h，洗井用時20h。,第三章 環(huán)空固液兩相流動,52,巖屑床高度分布變化 圖中綠線表示鉆進過程，紅線表示停鉆洗井過程。 Q=50L/s,鉆進過程，鉆頭逐漸后移,洗井過程，巖屑床逐漸被帶出,第三章 環(huán)空固液兩相流動,53,巖屑床高度分布變化 Q=70L/s,第三章 環(huán)空固液兩相流動,54,巖屑床高度分布變化 Q=90L/s,第三章 環(huán)空固液兩相流動,55,井底ECD變化,鉆進過程,洗井過程,第三章 環(huán)空固液兩相流動,56,鉆桿旋轉影響 Q=60L/s,第三章 環(huán)空固液兩相流動,57,巖屑床高度工程計算模型,敏感性排序：排量、泥漿有效粘度、井眼內徑和鉆桿外 徑、井斜角、偏心度、鉆桿鉆速、鉆頭直徑、機械鉆 速、泥漿密度、巖屑直徑、巖屑密度 。,第三章 環(huán)空固液兩相流動,58,實測ECD計算,理論無巖屑床ECD,理論有巖屑床ECD,井眼清潔的影響因素,第三章 環(huán)空固液兩相流動,59,第三章 環(huán)空固液兩相流動,60,實測ECD計算,理論無巖屑床ECD,研究和實踐表明，大位移井因其大斜度段和水平段長，易形成巖屑床，當環(huán)空中存在巖屑床的時候，即使巖屑床厚度很小，環(huán)空壓耗也會有大幅度增加，因此可以利用環(huán)空壓耗監(jiān)測井眼清潔程度。 工程上常將ECD作為一個重要工作參數(shù)進行監(jiān)測，因此可以將立管壓力轉換為ECD，基于巖屑床動態(tài)運移工程計算模型，通過實測ECD、理論無巖屑床和存在一定高度巖屑床時ECD的對比分析，可以對環(huán)空平均巖屑床高度進行定量評價，實時監(jiān)測井眼清潔程度。,實測ECD,理論無巖屑床ECD,理論有巖屑床ECD,第三章 環(huán)空固液兩相流動,61,第三章 環(huán)空固液兩相流動,62,第三章 環(huán)空固液兩相流動,63,第三章 環(huán)空固液兩相流動,64,第三章 環(huán)空固液兩相流動,65,（1）17-1/2”井段鉆至1342m，井斜角從0變化到77.88，下13-3/8”套管至1341m，固井。采用海水聚合物泥漿體系，密度為1.05-1.12 g/cm3，粘度數(shù)據為38/24/19/13/6/2。 （2）12-1/4”鉆至4026m，井斜角從77.88變化到87.78，下9-5/8”套管至4024m，固井。采用Ultradril泥漿體系，密度為1.10-1.20 g/cm3，流變參數(shù)為51/36/29/20/7/5。 （3）8-1/2”井段鉆至4590m，井斜角從87.78變化到88.89，下7”篩管至4047m。采用Ultradril泥漿體系，密度為1.05-1.15 g/cm3，流變參數(shù)為55/37/30/21/7/5。,以大港油區(qū)ES-H6井為例進行分析，其井身結構與泥漿數(shù)據為：,實例分析,66,171/2in井段巖屑床高度分析,實例分析,67,171/2in井段最小排量分析,實例分析,68,171/2in井段 ECD分析,計算表明，巖屑床對ECD的影響很大，由于大斜度段長，現(xiàn)有泵無法達到理論最小排量，環(huán)空必然形成一定的巖屑床，因此應嚴格控制ROP、排量等，以控制大斜度井段巖屑床。,實例分析,69,171/2in井段巖屑床高度,鉆桿轉速是井眼清潔的有效和主要控制手段，應盡可能旋轉鉆桿，破壞巖屑床。ROP減小，環(huán)空巖屑床高度降低。,實例分析,70,171/2in井段加大洗井頻率,計算表明，排量為60l/s，ROP為50m/h，洗井間隔為300m時，大斜度井段環(huán)空將形成約16%18%的巖屑床，洗井間隔為150m時，大斜度井段環(huán)空將形成約14%15%的巖屑床，巖屑床高度降低。,實例分析,71,171/2in井段循環(huán)洗井時間,以環(huán)空殘留1%高度巖屑床為標準，當排量為60L/s，鉆桿轉速為130rpm時，洗井間隔為150m時，每次洗井所需時間約為60-150min，洗井時間隨測深增加而增加。,實例分析,72,121/4in井段 巖屑床高度計算,實例分析,73,121/4in井段 最小排量分析,實例分析,74,121/4in井段 ECD,實例分析,75,121/4in井段循環(huán)壓耗,實例分析,76,121/4in井段加大洗井頻率,計算表明，排量為60l/s，ROP為30m/h，洗井間隔為300m時，大斜度井段環(huán)空將形成約11%17%的巖屑床，洗井間隔為150m時，大斜度井段環(huán)空巖屑床將控制在9% 13%。,實例分析,77,121/4in井段循環(huán)洗井時間計算,以環(huán)空