倾斜井眼内岩屑运移的数值计算与清岩工具设计流场计算

论文摘要

岩屑运移问题是斜井、水平井和大位移井钻井的关键技术之一,如何保持良好的井眼清洗状况对钻井过程具有十分重要的意义。论文通过对岩屑运移机理的研究,将0o~90o的井段根据井斜角的不同分成了三个不同的井段,分别是0o~30o的直井段,30o~60o的中斜度井段和60o~90o的大斜度井段,并根据不同井段的岩屑运移特征建立了不同的岩屑运移模型。该数学模型利用了流体力学中的固液两相流理论、岩屑床力学平衡条件和岩屑颗粒起动分析,并针对不同井段的岩屑运移特点,引入了岩屑颗粒扩散方程,在中斜度井段建立了两层水力模型,在大斜度井段建立了三层水力模型。在所建立的数学模型的基础上,论文利用VisualBasic6.0开发了岩屑运移软件。通过该软件,可以根据不同的钻井工况输入钻井参数,经计算可得岩屑床的无因次厚度、井眼环空的岩屑浓度以及最小携岩返速和排量等结果。所得结果与文献中的结果做比较,论证了计算结果的可靠性。论文通过计算分析单因素对无因次岩屑床厚度的影响,得出了与实验和工程实践较为一致的规律。将所建立的数学模型加以修改,论文中得到了在规定许用岩屑床厚度或岩屑浓度条件下的最小环空携岩返速和最小环空携岩排量的计算方法,并对单因素对返速和排量的影响进行了计算分析说明。根据对岩屑床清除与井眼清洗的理论与工程实践方法的分析,论文提出了一种岩屑床清除工具。该工具可以加接于钻杆中间,利用其水力清除和机械破坏的双重作用来达到清除岩屑床的目的。论文对工具的设计提出了三种不同的方案,用SOLIDWORKS2006和GAMBIT2.0建模划分网格后,经过FLUENT6.0进行水动力学流场分析,得到了工具周围的流场速度分布矢量图,较好的论证了该工具的水力清岩效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 问题的提出及目的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 存在的问题与攻关方向
• 第2章 斜井岩屑运移机理的研究
• 2.1 钻井液的流变性能
• 2.1.1 塑性流体
• 2.1.2 假塑性流型和膨胀流型
• 2.1.3 流变参数的确定
• 2.2 斜井偏心环空压降公式的推导
• 2.2.1 管流与环空流水力计算
• 2.2.2 斜井偏心环空压降公式的推导
• 2.3 斜井岩屑运移机理
• 2.3.1 沉降速度和扩散方程
• 2.3.2 推移质的运移
• 2.3.3 悬移质的运移
• 2.4 岩屑床内的颗粒堆积浓度
• 第3章 岩屑运移模型的建立
• 3.1 小斜度井段运移模型
• 3.1.1 小斜度井段携岩机理
• 3.1.2 小斜度井段运移模型的建立
• 3.1.3 小斜度井段模型求解
• 3.2 中斜度井段岩屑运移模型
• 3.2.1 中斜度井段岩屑运移机理
• 3.2.2 中斜度井段岩屑运移两层模型的建立
• 3.2.3 中斜度井段模型的求解
• 3.3 大斜度水平井段岩屑运移模型
• 3.3.1 大斜度水平井段岩屑运移机理
• 3.3.2 大斜度井岩屑运移三层模型的建立
• 3.3.3 模型的求解
• 3.4 模型求解流程图
• 3.5 模型结果验证
• 3.6 模型结果分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 最小携岩环空返速的计算
• 4.1 直井段最小携岩环空返速
• 4.2 斜井段最小携岩返速
• 4.3 模拟结果分析
• 4.4 计算软件的编制
• 4.5 本章小结
• 第5章 岩屑清除工具设计的流场计算
• 5.1 岩屑床的常用清除方式
• 5.2 岩屑床清除工具的设计原则及方案
• 5.3 岩屑清除工具的设计
• 5.4 岩屑床清除工具的流场模拟
• 5.4.1 MRF坐标系的选择
• 5.4.2 计算模型的选择
• 5.4.3 网格划分
• 5.4.4 边界条件及模拟参数设置
• 5.5 工具流场模拟结果
• 5.6 本章小结
• 结论和建议
• 参考文献
• 附件A 两层水力模型几何参数计算
• 致谢