超临界二氧化碳新型钻井液特性的数值模拟研究

论文摘要

近年来,随着气体钻井技术以及小井眼连续管钻井技术的不断进步,对钻井液体系和性能提出了新要求。超临界二氧化碳钻井液具有气体的低粘度和高扩散系数,又具有液体的高密度和好的溶解性等特点,可满足连续管小井眼钻井要求,超临界二氧化碳钻井液作为一种前瞻性技术,最近受到国内外关注。本文利用数值模拟方法,结合模拟试验,探索性研究了超临界二氧化碳钻井液在钻井循环过程中的特性随压力和温度的变化基本规律。利用FLUENT软件系统,对钻井液在钻柱内和环空中流体特性的模拟研究表明,超临界二氧化碳钻井液的压力和温度随着井深的增加而逐渐增加,而密度和粘度随着井深的增加而逐渐降低,与理论分析结果基本相符。利用新研制的超临界二氧化碳钻井液循环模拟装置,实验研究了二氧化碳流体在不同状态和井斜角下的携岩特性。模拟实验表明,在一定条件下,有效最低携岩返速随着压力的增加逐渐降低,有效最低携岩返速随着温度增加逐渐增加。另外,模拟实验研究了二氧化碳水合物在室温条件下的稳定性以及溶解特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源、选题的依据及研究意义
• 1.1.1 连续油管钻井技术
• 1.1.2 超临界流体技术
• 1.2 超临界二氧化碳钻井液研究现状
• 1.3 国内外CFD与FLUENT软件发展状况
• 1.4 本文的研究目标及研究内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 钻柱内超临界二氧化碳钻井液特性数值模拟
• 2.1 FLUNET软件功能介绍
• 2.1.1 FLUENT程序结构与解决问题的基本步骤
• 2.1.2 FLUENT中的网格
• 2.1.3 FLUENT求解器
• 2.1.4 FLUENT中边界条件的的设定
• 2.1.5 FLUENT中的UDF功能
• 2.2 基本物理模型
• 2.3 数学控制方程与计算方法
• 2.4 边界条件与材料属性
• 2.5 模拟结果与分析
• 2.5.1 超临界二氧化碳钻井液在钻柱中的压力变化
• 2.5.2 超临界二氧化碳钻井液在钻柱中的温度变化
• 2.5.3 超临界二氧化碳钻井液在钻柱中的密度变化
• 2.5.4 超临界二氧化碳钻井液在钻柱中的粘度变化
• 2.6 本章小结
• 第三章 环空中超临界二氧化碳钻井液特性数值模拟
• 3.1 基本物理模型
• 3.2 数学控制方程与计算方法
• 3.2.1 数学控制方程
• 3.2.2 计算方法
• 3.3 边界条件与材料属性
• 3.4 模拟计算结果与分析
• 3.4.1 超临界二氧化碳钻井液在环空中的压力变化
• 3.4.2 超临界二氧化碳钻井液在环空中的温度变化
• 3.4.3 超临界二氧化碳钻井液在环空中的密度变化
• 3.4.4 超临界二氧化碳钻井液在环空中的速度变化
• 3.5 本章小结
• 第四章 超临界二氧化碳钻井液携岩能力模拟实验研究
• 4.1 超临界二氧化碳携岩钻井液的实验设备
• 4.1.1 实验设备
• 4.1.2 仪器的调试与操作注意事项
• 4.2 实验步骤
• 4.2.1 实验前的准备工作
• 4.2.2 超临界二氧化碳钻井液携岩能力实验步骤
• 4.3 实验数据及分析
• 4.3.1 携岩能力随井斜角变化情况
• 4.3.2 携岩随压力变化
• 4.3.3 携岩随温度变化情况
• 4.4 本章小结
• 第五章 二氧化碳水合物模拟实验研究
• 5.1 二氧化碳水合物基本特性
• 5.2 二氧化碳水合物抑制剂类型
• 5.3 二氧化碳水合物稳定性实验
• 5.3.1 二氧化碳水合物制备
• 5.3.2 二氧化碳水合物稳定性实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢