小井眼水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和軟件編制

中國石油大學(xué)〔華東〕碩士學(xué)位論文小井眼水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和軟件編制姓名：于泮龍申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：油氣井工程指導(dǎo)教師：韓來聚；步玉環(huán)202105

由于小井眼的窄間隙幾何特征，小井眼鉆井過程中環(huán)空壓耗較大，并且鉆柱旋轉(zhuǎn)、鉆柱偏心、鉆桿接頭等因素對壓耗的影響較大，使得常規(guī)鉆井水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法不適用于小井眼。本文根據(jù)小井眼幾何特性，從螺旋層流理論入手，對螺旋層流流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，建立了小井眼層流計(jì)算模型，并且通過添加修正系數(shù)的方法得到了紊流計(jì)算模型，經(jīng)過現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗(yàn)證，模型具有較高的精度。在理論研究的根底上，還對小井眼環(huán)空壓耗影響因素進(jìn)行了研究，分析了鉆柱旋轉(zhuǎn)、鉆柱偏心、環(huán)空大小對壓耗的影響。本文根據(jù)前面所建立計(jì)算模型，充分考慮小井眼的特殊性，通過修正得出了小井眼水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法適用于牛頓流體、賓漢流體、冪律流體以及赫巴流體?；谇懊嫱茖?dǎo)計(jì)算模型，根據(jù)小井眼水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，編制出了小井眼水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。關(guān)鍵詞：小井眼，鉆柱旋轉(zhuǎn)，鉆柱偏心，環(huán)空壓耗，水力參數(shù)

?????????????????????????????????????????????????．??????????????????????????．???????????????????瑃???????????????????????????????????????????????珺??????甌?????????．????????，??????????，??，?????????．

第一章前言??研究目的及意義隨著油氣開采的開展井深越來越深，同時(shí)由于節(jié)約本錢的需求和環(huán)境條件的限制，國內(nèi)外小井眼技術(shù)越來越受到重視，也相應(yīng)的做了大量的研究。但國內(nèi)這方面的研究尚有缺乏，與國際水平還有一定差距。小井眼鉆井與常規(guī)井眼有著很大的不同，所以對常規(guī)井鉆井技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)，這其中很重要的一點(diǎn)便是水力學(xué)。依據(jù)現(xiàn)在國內(nèi)外對小井眼鉆井技術(shù)的的研究，小井眼水力學(xué)和常規(guī)井眼水力學(xué)之間主要有以下幾點(diǎn)區(qū)別由于小井眼環(huán)空間隙較小，環(huán)空水力摩阻較大，所以鉆井過程中泵壓都消耗在環(huán)空壓降上。由于常規(guī)鉆井井眼直徑較大，鉆柱旋轉(zhuǎn)對于環(huán)空壓降的影響可以忽略不計(jì)，但小井起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡由直線變成了螺旋形，這樣便影響了環(huán)空壓降的大小。

第一章前言??國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析控系統(tǒng)中，他們利用安裝在井口的電磁流量計(jì)來測量泥漿的流入與流出量，再結(jié)合地面泥漿池泥漿量，這樣便顯示出泥漿損失量，阿莫科公司的小井眼井控系統(tǒng)能很好的應(yīng)用于現(xiàn)場，他們所應(yīng)用的這個(gè)系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確，這樣既可以應(yīng)用于井控技術(shù)，又可以確定泵壓受泥漿性能改變的影響。的技術(shù)，該技術(shù)的依據(jù)是泵壓波通過氣體的速度比通過泥漿的速度慢，如果這種波的運(yùn)?

??年，???碧郊際踔行牡腗???蚆??實(shí)驗(yàn)所采用的環(huán)空直徑以及鉆桿轉(zhuǎn)速與實(shí)際也是相差很大。法國石油研究院從??年開始制定了一項(xiàng)方案開始研究小井眼水力參數(shù)學(xué)，這項(xiàng)方案主要是集中解決小井眼環(huán)空壓力損失準(zhǔn)確計(jì)算問題，并且取得了一定的成果????。?

第一章前言國內(nèi)也做出了相關(guān)的研究，但都比擬淺顯，而且理論研究還不夠完善。?

對其進(jìn)行優(yōu)化：???課題的創(chuàng)新性算軟件。??課題技術(shù)路線和進(jìn)度安排技術(shù)路線見圖??。?

第一章前言?????????

中國石油大學(xué)?6?碩士學(xué)位論文第二章小井眼水力參數(shù)計(jì)算模型的建立??小井眼偏心環(huán)空螺旋流流動(dòng)規(guī)律研究在習(xí)慣上，不管是深井還是淺井，井眼直徑小于或等于???????的井稱為小?

加，成為制約小井眼循環(huán)系統(tǒng)壓力損失的主要因素，這也是小井眼區(qū)別于常規(guī)井眼的主?％，有個(gè)別學(xué)者認(rèn)為甚至高達(dá)?％，認(rèn)為小井眼流體力學(xué)研究中必須首先研究解決的核心問題【?】。鉆柱旋轉(zhuǎn)影響較大。因此在進(jìn)行小井眼流體力學(xué)計(jì)算時(shí)必須考慮鉆柱旋轉(zhuǎn)和偏心兩個(gè)因在小井眼鉆井中，由于井眼尺寸小，環(huán)空間隙小，所以相同排量下小井眼內(nèi)鉆井液的流速較大。在小井眼鉆井過程中，鉆井液的流動(dòng)速度可以分解為兩局部，一是井眼軸向的分速度，而是與井眼直徑垂直的分速度，所以需要用偏心螺旋流流動(dòng)對小井眼鉆井流動(dòng)。如果出現(xiàn)螺旋流動(dòng)，那么鉆井液質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡便是環(huán)繞鉆柱中軸線的一條螺旋線。一種特殊情況是鉆井液質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度是零但環(huán)空中壓力梯度卻不為零，這種情況下螺旋流動(dòng)便成為了?????流動(dòng)。如果發(fā)生?????流動(dòng)，鉆井液質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)在與鉆柱軸線相平行的直線上。相反另一種情況是角速度不為零但是環(huán)空中壓力梯度為零，運(yùn)動(dòng)。由此可見，非牛頓流體在偏心環(huán)空中的螺旋流動(dòng)其實(shí)就是上面兩種流動(dòng)的迭加。其中，非牛頓流體在環(huán)空中的流動(dòng)也會分為紊流流動(dòng)和層流流動(dòng)。如果出現(xiàn)層流，那么?

?瓸流體偏心環(huán)空螺旋流層流流動(dòng)???鉆井液為純粘無彈性不可壓縮的非牛頓流體，其流變特性用?瓸模式描述；限長偏心環(huán)空中作等溫，定常層流螺旋流動(dòng)；?作用在流體上的壓力梯度為?恢?；?分析時(shí)取柱坐標(biāo)系?，．，良?，如圖??；?不考慮二次流，忽略徑向速度分量；?????????

占?呃糹為偏心度。那么如圖??所示。利用幾何方法求得任一周向角鄉(xiāng)處的環(huán)空間距??篛?一?簊?：鄉(xiāng)聲一???????環(huán)空外邊界方程可表示為：????????豢???目?????．?圖??偏心環(huán)空過濾斷面?????????????煌夤鼙詰階?曛岬木嗬耄琺；口一周向角，度；?Ｒ換房脹獍刖?，m；根據(jù)流體力學(xué)原理，任一種流體做層流流動(dòng)時(shí)，連續(xù)方程可寫成：??

在柱坐標(biāo)?隊(duì)：?校?榪??，．，?瑉???，?瑉??啊?，p，?】，那么圓柱坐標(biāo)系下不可壓縮流體的連續(xù)性方程為：由假設(shè)條件，偏心環(huán)空螺旋流流場中流體質(zhì)點(diǎn)的速度分量可以表達(dá)為：?“?????廠緲?????????渙魈逯實(shí)愕鬧芟蚪撬俁齲?#?和占的函數(shù)，弧度／秒。等?；蚵?。由流變學(xué)知，?瓸模式本構(gòu)方程的一般形式為【?】：Ⅱ??％一叫??式中

第二章小井眼水力參數(shù)計(jì)算模型的建立即一流性指數(shù)；叩??砷卜商?·????玉’，．?那么按一階????????帕?的第二不變量的定義，可以得到：??由假設(shè)和式???知，葉?＃?鯽?????日?????拿一三％??????????／?日?

由式?—??????，那么?的第二不變量可以寫為：，．?一????????進(jìn)一步描述成分量形式：％??礦娑???根據(jù)流體力學(xué)原理知，任一種流體做層流流動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)方程可寫為：?Ｃ妗??、。量。戶一流體密度，?／?；礦一流體速度張量；乃一偏應(yīng)力張量尹的張量；?

質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)微分方程的分量形式為：??。?戶造???一望??薕??等弓?盈?一昭?求各方程的解比擬困難。為此采用半解析數(shù)值分析方法，在?較蚯蠼馕黿猓??方向心環(huán)空組成。?

中國石油大學(xué)?6?碩士學(xué)位論文????????芻?冬??毀糲咖???????籣?—???．???．????式?．??獎(jiǎng)咄?倍詚求偏導(dǎo)可得因?yàn)閬G???。，所以曇???＃?村瀾鑫獄的函數(shù)，得????上?件考?，考?，咋?，可知壓力梯度為魯，另外同樣根據(jù)前面假設(shè)條件，重力梯度為???，即可得壓力梯度為：式中

?鶴?量?乙??詈???，萬?痩—???鄊¨?警?鈒????????????由式???，???可以得到任意周向角處鉆井液流動(dòng)的軸向速度“???和周向角速度〞

?丘號降??辦???～???躌。乍≤，．≤‰?

?ⅲ夯房漳詒讜遙????房脹獗赾????????—????張??????獬?，．鉀???由式?．?可知?瓸流體視粘度可以描述為：?．???瓣例???刪抄鉀?斛，令??一??珿即為鉆井液產(chǎn)生的重力梯度。?????猍?酖口，．?????輳??手???

式???便是環(huán)空中??魈迓菪?髑榭魷碌氖誘扯裙??。诊勶r得取值范圍譬高???辦??高??筍戶由式???和?．??可得?。，量為：???于是在整個(gè)過流斷面上積分，其中不同?ν獗囈纈蒖。變?yōu)槌?。同時(shí)考慮流核

?聿晃U佟蜫、?蜫。，?#??⑽?從乃?蟣聿壞哆刀剩?『??憧贘以侍出況重：??????壚瞄他們南??掣戶卜?????式?．??注行分部積分和積分上限函數(shù)求導(dǎo)可以得到：?????掣件?畃∥廁?竿?富б弧尾農(nóng)?竿?富????????叩?В??????

鏟酬，一∥廁??掣廿????由式???、?—??????、???可知考慮圖???鞫廈婀賾誆吠蚪嵌猿疲?蚴????變?yōu)????渭薟??掣卜式?．???是偏心環(huán)空?瓸流體層流螺旋流的流量公式。由式???和前面的分析，可得不同周向角臼和徑向坐標(biāo)，．處的視粘度為?

由式?．??????，可得不同周向角??賾諢?窒凳?賞?琧?的方程分別為陸?，?彤，值代入?．??梢緣玫紿?流體在過流斷面任意點(diǎn)處?骱舜Τ??的視粘度，?廠，?。陋?，。?海簉??如???〞∥嶄睜掣戶???也?搿?、繆?????

式?．???為偏心環(huán)空中?狟流體層流螺旋流的壓力梯度計(jì)算模型。??環(huán)空螺旋流流核計(jì)算模型三．??????????又因?yàn)?的第二不變量?定義為：仁?，?式?．???：????得：??????仁?，?舽?一?由式?．???????可得

中國石油大學(xué)?6?碩士學(xué)位論文?籷，．?????輳??等?????㈣??圓管中?瓸流體螺旋流層流流動(dòng)??????????????補(bǔ)芤緣冉撬貿(mào)繞管中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，作用在管中流體上的壓力梯度為一￡；??治鑫侍饈比≡倉??晗祊??踷?琠?坐標(biāo)軸與管中心軸重合；

??????。?沽Τ?猓?鸒?????由假設(shè)條件，可得簡化的連續(xù)性方程為“，——速度矢量在，坐標(biāo)方向的分量，?痵。由于鉆井液在圓管中為螺旋流，那么有???螺旋流三個(gè)速度分量為：〞，??其中，曲??皃?!7直鷂>嘣補(bǔ)苤行鬧嵯?即???為，處的流體質(zhì)點(diǎn)的角利用假設(shè)條件，可得圓柱坐標(biāo)系下，圓管中鉆井液螺旋流運(yùn)動(dòng)方程為：

???望：口因?yàn)闀???。，所以曇???＃?純冀鑫獄的函數(shù)。所以：㈣警???選?割觀察式?．??群拋蟊囈鑫3Ш????冶囈鑫猌的函數(shù)。和環(huán)空中類似，由前面的假設(shè)條件可知，圓管中的壓力梯度為：???乙??輳????????珺?。至此，可得圓管中鉆井液螺旋流動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程的簡化式為：

第二章小井眼水力參數(shù)計(jì)算模型的建立????體表達(dá)式為：厶?，彳卯?，包?，．墮墮????·一?扣??㈣?，．鉀???。????????

式成立：礦?．?魈宓氖誘扯齲琍??；嘭一重力梯度，???????。因此對于圓管中鉆井液螺旋流，有：?工：孵?—???·??怫盯角?·??

第二章小井眼水力參數(shù)計(jì)算模型的建立小衢所以可得：?????軁?又因?yàn)椋筱?刪叫，．懈餅卜

?·??其中，‰——流核處的旋轉(zhuǎn)角速度。?只，．?塑：—?—?喝??堅(jiān)二?蔓：墨墮：魚蔓?屯?遠(yuǎn)?工整理得：咖：掣咖∞一％??‘??∥一?，．?郟?

?可得：?開工由式?．??積分可得：‰?弧1八芼一％蘆，??埽????式????????便是圓管中?瓸流體螺旋流的軸向速度分布公式。合速度公式為：?【??—???【．?皿??其中，矽和?分別為圓管中?狟流體螺旋流速度梯度區(qū)及流核區(qū)的合速度。

中國石油大學(xué)?6?碩士學(xué)位論文在圖??所示的流量過流斷面上，取微元扇面，根據(jù)流量的定義，那么通過微元的流量為：于是在整個(gè)過流斷面上積分，便可以得出流量：其中：?—??????猲??猺意????還??—??帆一％?薾?咖??唬?等辦?????

，坦廠所以咖：三，?一?毋積分上下限變成?羥??一％磚，所以??????????????????，即可得：?

工?橐籪；??一??一???趇????繪?皿一高南時(shí)轷孚卜其中，?，???????。由式?．??解得壓力梯度￡為：爵哥，???????。??賓漢流體和冪律流體的壓耗計(jì)算方法?

第二章小井眼水力參數(shù)計(jì)算模型的建立???／??篿?????仁螂，弘琊，島?渭薟?齔窹其中賓漢流體不同周向角目和徑向坐標(biāo)，．處的視粘度為：賓漢流體圓管中壓耗計(jì)算模型：冪律流體的流變方程為：?．??

其環(huán)空中計(jì)算模型為：?—????鼼口，??·三?海???；?冪律流體圓管中壓耗計(jì)算模型：??紊流時(shí)小井眼循環(huán)壓耗計(jì)算方法在鉆井施工過程中，鉆柱旋轉(zhuǎn)對于循環(huán)壓耗的影響較大，特別是在鉆柱偏心的情況下。?????“勉死聃地地毗㈣?上式中?的計(jì)算公式為‘?】：????患??????!皁??／?，根據(jù)上述公式可通過?

流體，那么忽略其屈服值，將其視為牛頓流體，即令???豶／??．??渲械秔為塑性粘度：對于赫巴流體，那么用甩’代替流性指數(shù)忍進(jìn)行計(jì)算。??為有幾??韂，均，所以為了便于計(jì)算，引入平均偏心度的概念，平均偏心度為：旯??。?、???／??????／???????撲鉘???撲鉘?????軷?撲鉘?

?—????計(jì)算模型的現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗(yàn)證?

?????????????????????????，①???，?

???昃咦楹希孩??．??????????附油貳?．??

???穌?鱔???????????????????刪??螪??柱????嘟?閱埽好芏?．??????????昃咦楹希孩??唧???．??中???．?單彎螺桿×???????扶正?????????蒀×???????〥????匱狗?×?????×?????????柱???①?????。???嘟?閱埽好芏?．??痗?，吐??????????????琽???，器×?????×??回壓閥?????×?????，????，????，①???，×????????????。?

??／????????????????????????????????????根據(jù)以上現(xiàn)場數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，所得樊????井的水力參數(shù)如??表所示：??觢??????????????????????．?圖??理論泵壓與實(shí)際泵壓比照????????

首先通過模型優(yōu)選得出一個(gè)較為精確的模型，然后通過理論推導(dǎo)進(jìn)行優(yōu)化得出一個(gè)?

第三章小井眼壓降影響因素分析??鉆柱偏心的影響采用表??、表??的數(shù)據(jù)利用所建立模型計(jì)算了不同的偏心度各環(huán)空間隙相應(yīng)的?旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)讀數(shù)?痗??痵???????????????

．．一±墮至塑查蘭．．?每?堡主蘭垡笙奎????????????????畝熱綣??升高到?!6雜諛誥段"??衄的環(huán)空來說，壓降梯度從壓降梯度從?????痬降低到?????痬?檔土?．???／?；對于內(nèi)半徑為中?．?衄的環(huán)空，壓降梯度從?????痬降低到?????痬?檔土薕·??【??；響都很大且影響的程度根本相同。??鉆柱旋轉(zhuǎn)的影響?

第三章小井眼壓降影響因素分析?、、、～／／／???????．?—．??????圖??鉆柱旋轉(zhuǎn)對環(huán)空壓降的影響?????梯度從?????痬升高到?????痬??吡?．???／???弒壤??．??；對于空間隙時(shí)，轉(zhuǎn)速影響不明顯。??鉆井液流變性的影響生微小的變化，也會對環(huán)空中流動(dòng)阻力產(chǎn)生很大的影響，但管內(nèi)流動(dòng)阻力變化很輕微，

???????????????????．????屈服應(yīng)力的影響??????覲?餼秓?

第三章小井眼壓降影響因素分析—?卜???—。一???【?????????????????圖???畝任?時(shí)不同鉆柱轉(zhuǎn)速時(shí)屈服應(yīng)力對環(huán)空壓降的影響????????????曛?K儻??醋曛?恍??，偏心度在??之間變化時(shí)，其壓降梯度都?

????，壓降梯度從?????痬增加到?????痬，增加了?????痬??．??；通過本章的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及理論分析，可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：而且偏心度的影響比轉(zhuǎn)速影響大；響很顯著，但對于較大環(huán)空間隙，轉(zhuǎn)速影響不明顯；

第四章小井眼水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)對于常規(guī)井來說，進(jìn)行水力參數(shù)優(yōu)選時(shí)，最常用的是最大鉆頭水功率標(biāo)準(zhǔn)和最大射流沖擊力標(biāo)準(zhǔn)。但是無論對于哪種方式，都要先計(jì)算循環(huán)壓耗，在常規(guī)鉆井過程中，進(jìn)行循環(huán)壓耗的實(shí)際工程計(jì)算時(shí)，需要進(jìn)行以下假設(shè)：??昃?何1齪毫魈澹??鉆井??循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計(jì)算?—?其中?：????匕?．?

所以，壓耗與排量之間的關(guān)系可近似表示為：?—??．?其中??．?一?????，?為常數(shù)，只與井眼的特征以及鉆井液的流變性能有關(guān)?．?那么公式演化為：?．?計(jì)算模型比擬復(fù)雜，所以采取對模型進(jìn)行簡化的方法，當(dāng)其它參數(shù)確定后，模型可簡化為：?????而??恐????猀％對于賓漢流體上述公式可轉(zhuǎn)化為：?

第四章小井眼水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)???同理可得冪律流體壓耗與排量的關(guān)系為：嵋????¨弘???????％．???産：‰一???凰ο襜?一?一一Ⅻ一?一??????????而?。?ǎ簅寫孑?胍?．???．?一?一??，?。??一?????而????鼉?鍬慷??籮??．??????露??．菰．．?????。㈣與常規(guī)鉆井相同，在進(jìn)行水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，需要考慮排量的上下限制。?

???葑昃?米畬蟊醚購?fù)泵功率来确定Q一：環(huán)壓耗，從而進(jìn)一步計(jì)算出上面壓耗與排量直接近似關(guān)系式中的?、?、???，然???最優(yōu)鉆頭水功率‰??，Q掣最優(yōu)射流沖擊力?叫??????叫???最優(yōu)噴嘴面積?—?，???菹殖∏榭黽撲慍鱟钚∨帕縌??約白畬笈帕縌一；?、???；

第四章小井眼水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)?

??軟件簡介?

第五章小井眼水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件?????軟件應(yīng)用?井身結(jié)構(gòu)輸入井身結(jié)構(gòu)輸入窗口如圖??所示。

序號井船徑套惹翁徑霄套芎了深?鉆具組合參數(shù)輸入鉆柱結(jié)構(gòu)輸入窗口如圖??所示。???????井眼軌跡剖面參數(shù)井眼軌跡剖面參數(shù)輸入見圖?。?

第五章小井眼水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件退出由于超深井鉆井液性能隨著溫度、壓力的變化會有所變化，本軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)鉆井液性能輸入模塊，可以讓用戶自行輸入全井段的鉆井液性能。假設(shè)鉆井液為賓漢流體，那么?退芐哉扯萵??綣?昃?何C萋閃魈澹?枰J淙隟和?，如果流黼騫

圖??計(jì)算參數(shù)輸入窗口在輸入水力參數(shù)所需要的根本參數(shù)后，即可開始設(shè)計(jì)水力參數(shù)。首