论文题目: 井底涡旋器设计的理论与试验研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 油气井工程
作者: 杜君
导师: 陈平,熊友全
关键词: 井底涡旋器,降低井底压力,井底压差,紊流流场,研究
文献来源: 西南石油学院
发表年度: 2005
论文摘要: 国内外研究表明,井底压差是影响机械钻速的主要因素,随着压差的增大,机械钻速几乎呈指数规律下降。为降低井底压差对机械钻速的影响,钻井技术工作者提出了近平衡钻井技术;为完全消除井底压差对机械钻速的影响,又提出了欠平衡钻井技术,近平衡、欠平衡钻井技术的应用不仅有效地提高了机械钻速,而且有利于发现和保护油气层。就提高机械钻速而言,欠平衡钻井技术在复杂地区的应用仍存在一定的安全隐患,本文的研究工作是开发出一种新技术,其应用能实现井底附近局部压力的降低,而井筒的绝大部压力处于近平衡状态,这样既保证了井下安全,又可有效地降低井底压差、提高机械钻速、及时发现油气藏。 借助于现代流体力学的涡旋理论,本文提出了降低井底附近局部压力的涡旋器设计思路。这种涡旋器安装在钻头上,在钻柱旋转带动下,通过其上喷嘴喷出的射流在环空中产生涡旋流,使涡旋器上方环空中的钻井液柱压力不能完全传递到井底,导致井底压力的局部降低。在提出了涡旋器设计的物理模型后,本文建立了描述涡旋器工作状况的流体力学模型,模型包含了钻头喷嘴射流产生的流场对涡旋器流场的影响。采用标准的k—ε紊流模型,运用时均法推导并建立相应的紊流模式,求解方法具有以下特点: 1.可对在井底产生的淹没射流流场进行三维数值模拟,直观地看到井底附近井壁压力的变化情况。 2.可考虑钻柱、钻头旋转对井底附近流场的影响,通过调整涡旋器的结构参数和水力参数,随时掌握井底附近流场、压力场的变化情况。 理论计算研究表明: 1.流量在0.024m~3/s、0.026m~3/s、0.028m~3/s、0.030m~3/s、0.032m~3/s的情况下,流量 越大,钻头的压力损失也越大,并呈线性递增的关系;流量增大,井底与井底涡旋器顶部的压力差呈现线性递增的趋势;流量增大,导致高速射流引起的环空旋流的旋转速度增加,同时井底部分流场也参与旋转,最终导致井底压力降低。 2.侧喷嘴倾斜角度在0度、30度、45度和60度情况下,由于井底涡旋器的旋流作用,导致井底产生旋转,对钻头喷嘴射流产生了影响,以致在45度时出现压力损失最小的情况;在0度时,出现了明显的正压状况,而在30～60度都出现了明显的负压,其中45度左右时,负压力差最大。说明在设计井底涡旋器时,最好不要采用0度喷嘴,优选45度喷嘴。 3.在5mm、6mm、7mm和8mm四种不同直径下的侧喷嘴情况下,侧喷嘴直径越小,压力损失越大;直径越小,喷嘴射出的钻井液速度越大,旋转力也相应增大,从而导致井底的液杜压力降低。 为证实井底涡旋器能有效地降低井底附近的压力,提高钻井速度,根据涡旋器设计理论设计制造了两种规格的井底涡旋器,开展了实验测试和现场试验的研究工作,实验研究表明井底涡旋器可有效地降低井底附近的压力。在中原油田新文72-189井和文269-6井进行的现场试验,机械钻速平均提高20%以上。
论文目录:
1 绪论
1．1 井底压差对钻速的影响
1．1．1 井底压差影响钻速的基本原理
1．1．2 井底压差对机械钻速的影响
1．2 降低压差提高钻速的欠平衡技术
1．2．1 欠平衡钻井的发展历程及现状
1．2．2 欠平衡钻井技术的适用范围
1．2．3 欠平衡钻井提高钻速的实例
1．3 一种降低压差提高钻速的新型钻井装置
1．4 井底涡旋器的工作原理
1．5 本文研究的整体思路及主要研究内容
1．5．1 本文研究的整体思路
1．5．2 本文主要研究内容
2 井底涡旋器湍流流动力学模型
2．1 井底涡旋器的物理模型
2．2 井底涡旋器的力学模型
2．2．1 流体力学的基本方程
2．2．2 井底涡旋器的力学模型的建立
2．3 井底涡旋器湍流模型的求解
2．3．1 有限体积法
2．3．2 通用微分方程
2．3．3 方程的离散
2．3．4 方程求解
2．4 本章小结
3 井底涡旋器水动力学特性研究
3．1 井底涡旋器流场的三维数值模拟
3．1．1 物理模型
3．1．2 基本假设
3．1．3 网格划分
3．1．4 基本参数
3．1．5 流场分析
3．2 参数敏感性分析
3．2．1 喷嘴流量的改变对压差的影响
3．2．2 喷嘴位置变化对压差的影响
3．2．3 喷嘴直径变化对压差的影响
3．2．4 转速的变化对压差的影响
3．3 本章小结
4 带钻头的井底涡旋器水动力特性研究
4．1 无井底涡旋器时井底的水动力特性研究
4．1．1 井底无涡旋器时井底流场的三维数值模拟
4．1．2 参数敏感性分析
4．2 带钻头的井底涡旋器的井底流场变化规律
4．2．1 力学模型
4．2．2 基本参数
4．2．3 流场分析
4．2．4 参数敏感性分析
4．3 本章小结
5 井底涡旋器室内及现场试验研究
5．1 室内实验
5．1．1 实验设备
5．1．2 实验测试过程及实验结果
5．1．3 室内实验研究结论
5．2 现场试验
5．2．1 试验概况
5．2．2 现场试验结果
5．2．3 现场试验与邻井的对比
5．2．4 井底涡旋器提高钻速的理论分析
5．2．5 经济效益分析
5．2．6 现场试验研究结论
5．3 本章小结
6 结论与建议
6．1 结论
6．2 建议
致谢
参考文献
发布时间: 2006-01-11
参考文献
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