暋基本模型
氣體鉆水平井時棳井筒環(huán)空流動為典型的氣固兩相管流棳根據(jù)氣固混合相的連續(xù)性暍動量守恒定律和能量守恒定律棳可建立基本的數(shù)學(xué)模型椲
棽棻
椵外棳根據(jù)氣體鉆水平井的特點棳建立了物理模型暎暎此灡棻暋數(shù)學(xué)模型
灡棻灡棻暋混合相連續(xù)性方程
棭棲?暏椊棸棬棻棭式中混棭
旐棷旙
二者的表達式為為合相密度棳椇旊旂
棷旐棾
為混合相速度棳椊
棬棽
棭斢棻棽棽棽棻棻
石油鉆探技術(shù)
年月
椊
椊棻
棬棾
棭式中是相數(shù)為第
相的體積分?jǐn)?shù)棳相的密度棳旊旂
棷旐棾
為第相的速度棳旐棩棷旙
為第
棽灡棻灡棽暋動量守恒方程
根據(jù)牛頓第二定律棳可得混合物動量守恒方程椇棭棲?
暏棭椊棴?棲
棲棲
?暏棬
?棲?
棭椵棲?
暏棻
旘旘
棭
其中
暋
椊旘
式中為壓力棳棷棾
為混合物黏度斝斸為重力加椊
椊
棬棭棬棿棴
棻
棳速暏度旙棳旐棷棽
棬椀棭積力棳的漂移速度斘旐棳旐棷旙椈為第
相的黏度斝斸旙
椂棭棳斝斸暏為第體旘
旙
暎相
棽灡棻灡棾暋能量守恒方程根據(jù)能量守恒定律得混合物運動需滿足的能量
守恒方程為椇
棻
棭棲?
暏椊棻
棲椵椊?暏旀旀?式中為第相的內(nèi)能棳率棳斒棷旊棲棬旀旀為有效熱傳椃導(dǎo)棭斒棷棬旐斪棾
棷暏棬旙
旐棭暏暎斔棭為溫度棳斔為體積熱源相棳
棽灡棽暋物理模型
根據(jù)現(xiàn)場實際氣體鉆水平井組合參數(shù)建立模
型棳模型長椄棾旐棳井眼直徑為棻椀椄灡椄旐旐棳
鉆桿直徑為模擬椄灡椆旐巖旐屑棳井底溫度為粒徑為棾椀棻斔棳巖屑密度為棽灡棾旂棷斻旐
棾
棳椆棸灡椀暙椃灡
棸旐旐棳注氣量為椀棸暙
所建立模型進行網(wǎng)棸旐棾
棷旐旈旑時的巖屑運移特性暎采用六面體單元對格劃分棳圖網(wǎng)格劃分暎
棽為鉆桿不偏心時的
圖棽暋鉆桿不偏心時的水平環(huán)空網(wǎng)格劃分?jǐn)茢閿?/p>
棶棽暋斍旘旈斾旓旀旇旓旘旈旡旓旑旚斸旍斸旑旑旛旍旛旙旝旈旚旇旡斿灢旘旓斿斻斻斿旑旚旘旈斻斾旈旙旚斸旑斻斿
棾暋模擬結(jié)果及分析
棾灡棻暋單顆粒巖屑的運移特性
棾灡棻灡棻暋不同粒徑巖屑顆粒的運移特性
在注氣量為椀棸旐棾
粒徑巖屑顆粒的運移棸灡椀棳棻灡棸棳棻灡棳椀得到不同粒徑巖屑顆粒的運移軌跡棳棽灡棸棷棳棾旐灡旈棸旑的情況下棳
分別模擬研究棳棿灡棸棳椀灡棸棳椂灡棸和椃灡棸旐旐
棬形式為主運移見圖棾棭暎由圖棳運移軌跡呈現(xiàn)螺紋狀棾可知棳巖屑顆粒在水平環(huán)空以躍移暎巖屑顆粒運移軌跡受粒徑影響較大棳對比粒徑顆粒的位移棬如圖粒第一次的跳躍距離為棿所示棭可知棳棻粒徑灡椀和棻灡棽棻旐棳約是粒徑棻灡棾椀旐灡棸旐棾灡旐旐巖屑巖屑顆屑顆粒第一次跳躍距離棬棸灡椄棽旐棭的棻灡椀倍暎棸旐這是因
旐巖為巖屑顆粒粒徑越大棳其重力越大棳在同一注氣量下棳巖屑所受合力方向更偏向于重力方向棳導(dǎo)致巖屑軌跡
線的螺距更短椈而巖屑粒徑越小棳其重力相對較小棳巖屑軌跡線的螺距越長暎因此棳在實際氣體鉆水平井過程中棳可在近鉆頭處安裝具有研磨功能的井眼凈化裝置椲棽棽
椵屑棳形成適合氣體攜帶的小粒徑巖屑棳再次破碎脫離井底氣體難以攜帶的大顆粒巖
棳提高井眼凈化效果暎
圖棾暋不同粒徑巖屑顆粒的運移軌跡
斊旈旂棶棾暋斖旈旂旘斸旚旈旓旑旚旘斸旉斿斻旚旓旘旈斿旙旓旀斻旛旚旚旈
旑旂旙旝旈旚旇斾旈旀旀斿旘斿旑旚旔
斸旘旚旈斻旍斿旙旈旡斿旙圖棿暋粒徑棻灡椀和棾灡棸旐旐巖屑顆粒的位移斊旈旂棶棿暋斈旈旙旔旍斸斻斿旐斿旑旚旓旀斻旛旚旚旈旑旂
旙旝旈旚旇斾旈斸旐斿旚斿旘旙旓旀棻灡椀旐旐斸旑斾棾灡棸旐旐
第卷第期李皋等氣體鉆水平井巖屑運移數(shù)值模擬研究
棾灡棻灡棽暋不同注氣量下巖屑顆粒的運移特性
選取粒徑屑棳
椀棸棳椃棸和椆棸旐棾
棷椀灡旐棸旈旑旐時的運移情況旐巖模擬其在注氣量為棳
結(jié)果見圖圖隨著注氣量增大椂暎由圖椀可以看出棳對于相同粒徑的巖屑顆粒椀和棳
棳巖屑單次跳躍距離增長暎分析圖可知棳次的有效運移距離為椀灡棸旐旐巖屑顆粒在注氣量為棸灡椀椀旐棳在注氣量為椀棸旐
棾
棷椃旐棸旐旈旑時第一椂
棾
時第一次的有效運移距離為椆棾
棷時第一次的有效運移距離為棸灡椆棸旐棳
棷旐旈旑
棻在注氣量為見棸旐棳提高注氣量旐旈旑對于井眼凈化有顯著效果灡椀暎棸旐在氣體
?摄@水平井過程中棳巖屑顆粒的粒徑較難控制棳因此棳可以增大注氣量來改善水平井井眼凈化效果
暎
圖椀暋不同注氣量下巖屑顆粒的運移軌跡斊旈旂棶椀暋斖旈旂旘斸旚旈旓旑旚旘斸旉斿斻旚旓旘旈斿旙旓旀斻旛旚旚旈旑旂
旙旛旑斾斿旘斾旈旀旀斿旘灢斿旑旚旂斸旙旈旑旉
斿斻旚旈旓旑旜旓旍旛旐斿
旙圖椂暋不同注氣量下巖屑顆粒的位移
斊旈旂棶椂暋斈旈旙旔旍斸斻斿旐斿旑旚旓旀斻旛旚旚旈旑旂
旙旛旑斾斿旘斾旈旀旀斿旘斿旑旚旂斸旙旈旑灢旉
斿斻旚旈旓旑旜旓旍旛旐斿旙棾灡棻灡棾暋鉆桿轉(zhuǎn)動時巖屑顆粒的運移特性
選擇注氣量為椃灡棸旐旐巖屑顆粒在椀棸鉆旐棾
桿棷轉(zhuǎn)旐旈旑動棳時模擬棬
設(shè)粒定徑轉(zhuǎn)椀灡速棸和
為椂圖棸旘棷棭和不轉(zhuǎn)動時的運移情況棳結(jié)果見圖椃和轉(zhuǎn)時椄暎旐旈棳巖屑跳由圖旑
椃可以看出棳與鉆桿不轉(zhuǎn)動相比棳鉆桿旋躍距離較長棳巖屑的單次跳躍距離增
長棳運移效率較高暎從圖椄可以看出棳在鉆桿不動時棳桿轉(zhuǎn)動時為椃灡棸旐旐巖屑第三次的跳躍距離為場具有一定的擾動作用棸灡椂棽旐暎這是因為棳增大了環(huán)空氣棳
鉆桿轉(zhuǎn)動對環(huán)空流棸灡棿棾旐棳在鉆體的切向速度棳從而改變了巖屑的受力情況棳使巖屑顆粒易于被
運移暎由圖棿暍圖椂和圖椄可以看出棳與粒徑和注氣量相比棳鉆桿轉(zhuǎn)速對巖屑顆粒運移的影響較弱暎同時棳考慮現(xiàn)場鉆井作業(yè)時為保證鉆井安全棳鉆桿轉(zhuǎn)速需控制在一定范圍內(nèi)暎因此棳不能通過大幅提高鉆桿轉(zhuǎn)速來提高井眼凈化效果暎目前棳國內(nèi)外已發(fā)明了多種水平井巖屑清除裝置棳大多是通過裝置的特殊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對環(huán)空流場的擾動棳從而達到清除巖屑的目的暎因此棳可在鉆桿一定位置安裝井眼凈化工具棳提高水平井眼凈化效果
暎
圖椃暋鉆桿轉(zhuǎn)動與不轉(zhuǎn)動時巖屑顆粒的運移軌跡斊旈旂棶椃暋斖旈旂旘斸旚旈旓旑旚旘斸旉斿斻旚旓旘旈斿旙旓旀斻旛旚旚旈旑旂旙斾旛旘旈旑旂旚旇斿斾旘旈旍旍旈旑旂
旔旈旔斿旘旓旚斸旚旈旑旂斸旑斾旈斾旍旈旑
旂
圖椄暋鉆桿轉(zhuǎn)動與不轉(zhuǎn)動時粒徑椃灡棸旐旐巖屑顆粒的位移斊旈旂棶椄暋斈旈旙旔旍斸斻斿旐斿旑旚旙旓旀斻旛旚旚旈旑旂
旙旝旈旚旇斾旈斸旐斿旚斿旘旓旀椃灡棸旐旐斾旛旘旈旑旂旚旇斿斾旘旈旍旍旈旑旂旔旈旔斿旘旓旚斸旚旈旑旂斸旑斾旈斾旍旈旑旂
灡棻灡棿暋偏心環(huán)空內(nèi)巖屑顆粒運移特性
選擇注氣量為屑顆粒分別在偏心距為椀棸旐棾
移情況棳結(jié)果如圖棸棷棳棻旐棸旈旑和棳模擬粒徑灡棸旐旐巖
所示棻暎椀旐在氣體鉆水平井
旐情況下的運
椂過程中棳由于鉆桿受重力所造成的偏心環(huán)空椆和圖棻棸棳會使環(huán)空內(nèi)的氣體流速產(chǎn)生差異棳致使巖屑顆粒受力情況更為復(fù)雜暎由圖顆粒起跳高度和距離都明顯減小椆和圖棻棸可知棳
隨著偏心距增大棳巖屑暎對比不同偏心距下巖屑顆粒第二次的跳躍距離可知棳偏心距為和棻椀旐旐時巖屑的第二次跳躍距離分別為棸灡椀椀棳棸棸灡棳棿棻棿
棸和困難棸灡棽棳椄旐容易在偏心環(huán)空處沉積暎因此棳隨著偏心距增大棳根據(jù)文獻棳巖屑的運移愈發(fā)椲這是因為鉆柱偏心造成了偏心環(huán)空的氣體流速上高
棻棿椵的研究棳下低暎因此棳偏心環(huán)空不利于水平井的巖屑運移棳要提高井眼凈化效果棳可采用減磨接頭暍穩(wěn)定器和變徑
棾
石油鉆探技術(shù)年月
短節(jié)等提高鉆桿居中度
暎
圖椆暋不同偏心距下巖屑顆粒運移軌跡
斊旈旂棶椆暋斖旈旂旘斸旚旈旓旑旚旘斸旉斿斻旚旓旘旈斿旙旓旀斻旛旚旚旈旑旂
旙斸旚斾旈旀旀斿旘斿旑旚斿斻灢斻斿旑旚旘旈斻斾旈旙旚斸旑斻斿
旙
圖棻棸暋不同偏心距下巖屑顆粒的位移
斊旈旂棶棻棸暋斈旈旙旔旍斸斻斿旐斿旑旚旙旓旀斻旛旚旚旈旑旂
旙斸旚斾旈旀旀斿旘斿旑旚斿斻斻斿旑旚旘旈斻斾旈旙旚斸旑斻斿旙
灡棽暋巖屑顆粒群運移特性分析灡棽灡棻暋粒徑對巖屑顆粒群運移的影響
選擇注氣量為椀棸旐棾
灡棸和棷旐旈旑棳模擬包含粒徑棻灡棸棳
棳結(jié)果見圖椃灡棸旐旐巖屑的顆粒群在水平環(huán)空中的運移
情況棻棻暎由圖棻棻可以看出棳巖屑粒徑的大小對顆粒群的運移與對單顆粒的運移影響基本一致暎在整個顆粒群中棳巖屑粒徑越小棳越靠近整個顆
粒群的前段暎在整個顆粒群運移的過程中棳部分巖屑以躍移形式運移棳部分巖屑則在下環(huán)空井壁以蠕移形式向前運移暎這是因為巖屑顆粒群在運移時存在顆粒與顆粒暍顆粒與管壁和井壁的相互碰撞棳使部分顆粒失去了再次起跳的能力棳只能在下環(huán)空壁面蠕移
暎
圖棻棻暋不同時刻巖屑顆粒群位移
斊旈旂棶棻棻暋斈旈旙旔旍斸斻斿旐斿旑旚旓旀旐旛旍旚旈灢旔斸旘旚旈斻旍斿斻旛旚旚旈旑旂
旙斸旚斾旈旀旀斿旘斿旑旚旚旈旐斿旙
棾灡棽灡棽暋注氣量對巖屑顆粒群運移的影響
模擬包含顆粒群在注氣量為棻灡棸棳椀棿灡棸棸和棳椃棸和椃灡椆棸旐棸旐旐棾種粒徑巖屑的
棾
況暎圖的位移棻暎棽為在不同注氣量下巖屑棷顆旐旈旑時的運移情
粒群由圖棻棽可知棳
注氣量對巖屑顆粒群的運移棸灡棿旙時
有顯著影響棳注氣量越大棳整個顆粒群運移的距離越遠棳而且?guī)r屑顆粒越容易起跳
暎
圖棻棽暋棸灡棿旙時不同注氣量下巖屑顆粒群的位移
斊旈旂棶棻棽暋斈旈旙旔旍斸斻斿旐斿旑旚旙旓旀旐旛旍旚旈灢旔斸旘旚旈斻旍斿斻旛旚旚旈旑旂
旙斸旚斾旈旀灢旀斿旘斿旑旚旂斸旙旈旑旉