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大斜度井段偏心环空钻井液紊流携岩规律研究

王克林  
【摘要】:水平井、大位移井在海洋油田、老油田和低渗透油田开发中得到了广泛应用。但在钻井过程中,当液流速度小于岩屑悬浮运移速度时,岩屑容易在大斜度井段沉降并形成岩屑床,导致钻柱高摩阻和扭矩、低机械钻速、卡钻等问题。因此,本文重点研究了大斜度井段偏心环空钻井液紊流流动、岩屑起动以及钻井液紊流携岩规律,其预测值与实验数据进行了对比,验证了模型的可靠性。采用结构网格划分环空流体域,用滑移网格模拟钻柱旋转,基于Realizable k-ε紊流模型和SIMPLE求解方法,模拟了水平井段同心、偏心和存在静止岩屑床的偏心环空钻井液紊流特性。引入4种环空当量直径计算方法,通过与实验数据对比发现,选择Slot或Lamb方法更能准确预测环空摩擦压降。考虑岩屑床面颗粒的浮重、上举力、拖拽力、液流压耗、粘着力及附加质量力,结合颗粒的随机分布函数和紊流壁面律理论,建立岩屑滑移、滚动和举升起动的力学模型。模型计算结果显示,岩屑举升起动所需钻井液排量要高于滚动,且都随岩屑床高度增大而减小,并据此估算岩屑床高度。基于欧拉固液两相流模型和钻井液Realizable k-ε紊流模型,模拟了偏心环空钻柱旋转条件下的钻井液紊流携岩规律。模拟发现钻柱旋转使得岩屑床沿旋转方向倾斜,在环空内呈非对称分布状态,并减小环空岩屑浓度和固液压降,其变化幅度受井斜角、岩屑注入浓度、岩屑直径、钻井液流速和粘度的影响,但当转速达到临界值后,其作用效果并不显著。根据数值模拟结果形成了岩屑体积浓度和固液压降经验模型。


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