干空气钻井中环空携岩理论研究.pdf

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△千空气钴井中环空携岩理论研究
と,3(2)
胡小房
克拉玛依电视大学
作者简介:19年毕业于西南石油学院再发手钻井工程专业.1995年在西南石油学院获硕士位,现
在克拉玛体电大学任教,讲师
本文从两相流的垚性才程和动量古程入手.研究和计算出了既反畉多相流实际禠猜况,又能
应用于犯场的环空运方程
主题词空气钻後分方程多相流环形空流动
E2f2,
序言
近几年来,美国宾夕法尼亚州立大学( STATE.U.的M,A. ADEWUMIN和S.TIAN在
空气钻井的井眼浄化方面作了大量的工作,取得了令人瞩目的成绩。
他们首先做了如下假设
①钻杆内的气体流动为向下的一维定常单相流
②通过钻头水眼的也是定常单相流
③通过钻和井璧形成的环形空间的流动为气一固两相流:
④假设井内等温,颗粒直径相等
他们从两相流的连续性方程和动量方程入手,计算出了各个时间(或井深)的流体参
数,其中环空中的多相流方程如下
P
连续性方捏
Z
a(,P,7)
Z
动量方程
a-p.8
(3
,-)Fに-
其中
4
as
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胡小房:千空气钻井中环空攜岩理论研究
24
0+0.15RQ687)R<1000
R
0.44
R。1≥1000
P, V-v) dp
式中g一重力加速度
Z一轴向坐标;
r一径向坐标
V、一固相速度
V:一气相速度:
Cr-M⊥力系数
2一空气粘度
u一固相粘度;
p2一气相粘度
P、一固相粘度
c2x~一空气体积百分比
一固相体积百分比;
他们在研究中提出了以下几个新的观点,即最优空气速度,最小压降和扼流,并认
为在空气钻井中存在着一个最优的空气速度,该速度所对应的环空压降为最小压降;当
气速度高于最优速度时,摩擦力増大,造成功率的浪费;当空气速度小于最优的空气
速度时,将发生扼流,造咸固相颗粒的快速堆积,压力急剧上升,并时有堵寨现象出现
所以应在最优空气速度下工作
他们的不足之处是环空的颗粒运动徽分方程求解十分困难,不适于现场使用。本文
的目的就是要探求一种既能反映多相流的实际流动情況,又能应用于现场施工的环空颗
粒运动微分方程.
环空中颗粒的运动微分方程
为了研究环空中的气一固两相流动,我们假设
①并内为稳定流。即井内的流动,无论是钻柱内的气体单相流动,还是环空中的气
固多相流动、均为定常流动,流动是一维的,且与流动相垂直的横截面上的所有流动参
数都是均匀的
②井内温度取地温梯度。根据文献提供的流体热量完全非稳态平衡在各种时间内对
温度进行的准确预测所得的结果,钻杆和环空内的温度约等于其对应深度的地层温度,
所以并内环空和钻杆内的温度采取地温来代替。
①钻杆内为一维定常有摩擦流。即除流道面积发生突变的部位外,其它流段均作为
非光滑管流,而且温度不等,同时也包括地面管汇。
④流道面积突变处为等流。它包括钻杆、钻铤、接头的连接处和钻头喷嘴处等
⑤环空为一维定常有摩擦的气一固两相流。即考虑空气推力、颗粒重力、颗粒对管
壁的碰撞摩擦阻力、颗粒甸的碰撞摩擦阻力、颗粒相及气相惯性力的气一固两相流。
⑥固相的密度和尺寸在系统中保持不变且相等。即固相密度在系统中不变,颗粒直
径取较大颗粒的平均直径,且不随井深变化,它们只随井底深度和地层岩性变化.
の气一個之间没有质量交换,只有能量交换
⑧压力梯度仅存于气相中,而对固相的密度无任何影响
⑨忽略固相颗粒形状不同所产生的影响,假设固相颗粒为球形
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以上偎设、就等手我们建立起了环空中气一固两相流的模型。根据这一模犂我们
就可以研究环空中气一固两相流的流动
,P-如
1.连续性方程
图1、在环空中取一控制体、设无质量通过管壁
引出和引人、期按质量守恒得连续性方程为
8(P4). 6(2.1v)
a
动量方程
图L控制体示意图
作用于控制体的外力等于动量的变化,即
∑
a(mr
o(p
az
b
Z
式中m一控制体的质量、即
作用于控制体的力包括压力、重カ和管壁阻力,则动量方程可表示成
24r).a(pr
て.S+pgA+
中o-单位长度的摩擦力;S一控制体周界长
对于两相流、我们把气一固两相分别按单相流来处理
3.两相流连续方程
气相
a(
?相
z
6m表示在控制体内单位长度的相间质量交换率。若兩相流中无相变,则
6m=0
4.两相流动量方程
气相的动量方程为
at
P, ga, A+
(
δn2y.=0
式中S,一气固间的剪切力;
oS。'一管壁对气体的摩擦力
6mー为两相间的动量交换率
い一气液界面上的流速
同理得固相的动量方程为
o , a. 4+ 0 e 40. :) o(0, 10. 73), p
(g