确定屈服假塑性钻井液流态的公式.pdf

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后油钻并工程
第4卷第31997年9
确定屈服假塑性钴井液流态的公式
王闼芬译
摘要
よ、文出了両立屁望井液(ら水配宇」在各神动范的;さ及圧損计算新公式,经意人刘
油井试验对比、衣明新公式的计算值与現母安別结哭一致。
主题词讪牛液汊性流体流病流动拱性汁算方法
本文确定出了屈眼假塑性钻井液或水泥浆在各种流动范田的流态和压カ损失的新的计
算方法、该方法不考以流体密度作为决定性参数条件来确定流体的流动状态
此法采用的参数与流体的流変性、平均流速及常规钻井和固井条件下的液压回路的九
何尺寸有关.在意大利南部一口油井上所得到的衙环测试结果与新计算的结果非常吻合
众所周知,在正确研究钴井和同井工作中液压回路起着重要作用,因此,正确地设计
液回路能大大降低生产成本
沟丁徙确预測钻井液的性能、应考虑下列因素
④控制井底压力
②由于流体在共中循环、因此要正确计算压力梯度;
①环空钻屑的清除
④减少钻井液对井壁的冲蚀
③高钻速
⑥钻逃和起钻时要控制压力
③采用合理的流态设计改善泥浆排量,避免固井过程中水泥浆窜流;
③充分设计泥浆泵和注水泥泵,
要计算沿井壁的压カ分布就必须求解质量与动量守恒方程式、一般将流体假设为单向
流、稳态流、不可压缩流体及恒温流动。
流体在环空中的流动则假定与两个平行板间的流动相间,这种近似法对钻井中的儿何
尺寸所产生的误差很小
选择合适的流变模型对模拟钻井液的好坏起着决定性作用,由于钴井液和水泥浆呈现
非牛顿流体特性,所以牛顿流变模型不适用于它们
过去,通常使用带两个常数的流变方程( Bingham流变模型和 Ostwald& de Waele流
变模型),近年提出的 Herschel &e Bulkley模型已成为目前钻井液和水泥浆最普采用的流
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第4卷第3期1997年9月
后油钻并工租
变模型
Herschel& Bulkley模型分析表达式有3个恒定参数,在方程式()中给出.在特殊情况
下,这个模型还包括牛顿流变模型(=0,n-1)、 Bingham流変模型(n=1)和 Ostwald
是 de Waele流変模型(-0).对不同组份的水基泥浆、油基泥浆和水泥浆研究结果发现
粘度计读数与用 Herschel& Bulkley流変模型计算的结果非常一致
式中で一剪切应力
ro一屈服值;
k稠度指数;
ア剪切速率;
n流动特性指数,
屈假塑性流体
下面是屈服假塑性流体在团形管内流动的分析方法.假定流体在内径为R的圆形管道
内流动,圆截面上某一点的管道长为L,应用层流运动方程就可推导出方程式(2
式中半径r处的剪切应力;ムP一压力降;
一圆載面上某点的半径;Dー环空长度
将半径「处的剪切应力(?)显项代入 Herschel Bulkley流变模型表达式,就可推导
出方程式(3);代入剪切速率可得出方程式(4,在半径R和Rm处剪切速率不为零,为此从
R到Rmax对剪切速率表达式积分可得到局部流速表达式(5
Apr=2t + ky
Apr-2l ro)o
dr 2k
(+)(2
位于段塞流动区的流速最大,可用方程式(0)表示,方程式(7)为总流量表达式
式中
最大流速
式中
平均流速
假设介于半径R和Rmg的层流区流量为Q,介于0和Rm的段塞流量为?2,总流量
为二者之和、则可得到方程式(8)和方程式(9),代入显项即可得到平均流速积分表达式(0
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玊国芬:确定屈服假塑性钻井液流态的公式
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dr
式中Q介于半径R和Rmx之间的流量;
y-一局部流速
式中r介于半径0和Rmg之间的段塞流动区的流量;
Rna-与vma相对应的國截而半径
(10)
R
求解积分得到平均流速表达式(1),它适用于囻形管面的平均流速计算.摩阻系数用式
(12)表示
(11)
式中y、一一井壁剪切速率
一摩阻系数
=f(D、k,o,vm,R)
(12
摩阻系数￠取决于3个流变参数,即流体、平均流速和管道半径,而与流体密度无关
圆截面管道内的流动状态
针对圆箐流和环形流的流动,用实验数据推导出了适合所有流动范围(从段塞流到湍
流)的摩阻系数
研究过程中发现每种流态的曲线形状和斜率都随流态变化而变化,因此,流态完全可
以只考虑摩阻系数的特性
为便于使用,将决定摩阻系数的5个不同参数减少为3个,应变量减少后采用摩阻系
数更易于确定流态。根据这一基本原理,采用G、k和n这三组参数就可确定流态.因
此,函数可写成下面形式
=(G
%
3n+
式中Gc为无量数;
di钻杆外径(2R)
在这个假设下,届服假塑性流体的流态可用Gc、n和ko3个坐标进行三维表示
对于ka=常数和に常数(确切地说k=0.13S、n=0.7)的情況,我们在以前发表的论
文(OGJ1995.9.4P94~101)中对圓管流和环空流两种情祝都进行了详细的探讨,也推导
了屈服假塑性流体在圆管流和环形空间的流动压降表达式
本文讨论的情祝适用于圆管流,n≠常数(在0.5-10范围),而k=常数