連續(xù)管鉆井系統(tǒng)摩阻研究

李世昌

(東北石油大學(xué) 黑龍江 大慶 163318)

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連續(xù)管鉆井系統(tǒng)摩阻研究

李世昌

(東北石油大學(xué) 黑龍江 大慶 163318)

連續(xù)油管簡稱又稱撓性油管、盤管，自年代開始應(yīng)用于石油工業(yè)，連續(xù)管鉆井技術(shù)是九十年代以后研究和開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。連續(xù)管鉆井主要適用于老井加深、鉆新井、定向井、老井側(cè)鉆水平井以及欠平衡連續(xù)油管鉆井等。由于連續(xù)管管徑小、流阻大等特點(diǎn)，系統(tǒng)性地研究連續(xù)管鉆井系統(tǒng)摩阻壓降已迫在眉睫[1]。本文通過相似準(zhǔn)則建立模型，并分別在直管段、螺旋管段，牛頓、非牛頓流體，層流、紊流情況下，基于理論研究給出計算摩阻壓降的計算公式，并與其他適合螺旋管段公式進(jìn)行比較分析[2]。根據(jù)所得公式，對其進(jìn)行案例分析，最終得到壓耗損失分布。

連續(xù)管；泡沫；相似準(zhǔn)則；摩阻壓降；計算公式；壓耗損失

引言

連續(xù)管鉆井技術(shù)是一項(xiàng)安全、先進(jìn)、有效的新技術(shù)，具有占地面積小、作業(yè)成本低、安裝搬遷方便且能保護(hù)油氣層增加油氣產(chǎn)量等顯著優(yōu)點(diǎn)，在常規(guī)油氣資源和非常規(guī)油氣資源開發(fā)中均產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，受到廣泛關(guān)注。然而連續(xù)管鉆井循環(huán)壓耗計算是連續(xù)管鉆井水力學(xué)設(shè)計關(guān)鍵，對于連續(xù)管的直管段常規(guī)壓降計算公式可以滿足其基本計算要求，而對于螺旋管段，由于徑向作用力之間的不平衡，產(chǎn)生二次渦流，稱為DeanVortices效應(yīng)，它對流體的阻力很大，其壓降遠(yuǎn)大于流經(jīng)直管中的壓降，常規(guī)流體壓降計算方法已經(jīng)不能適用于連續(xù)管鉆井中。因此本文通過對模型的研究，建立了連續(xù)管循環(huán)壓耗計算方法并對其規(guī)律進(jìn)行了分析，為連續(xù)管鉆井水力參數(shù)設(shè)計和施工提供了理論指導(dǎo)[3]。

一、模擬所得壓耗計算公式

根據(jù)所設(shè)計的幾何模型，根據(jù)流體力學(xué)的理論研究，選擇在不同管段，不同流態(tài)下的流體公式模型。主要分對直管段和螺旋管段的研究，牛頓和冪律流體兩種流體模型，并且分流體在層流和紊流兩種狀態(tài)的流動。

(一)牛頓流體模型[5]

當(dāng)牛頓流體在直管段流動時，其雷諾數(shù)的計算表達(dá)式為:

Re=ρvdt/μ

(1)

式中，ρ為流體密度，kg/m3；ν為流體流速，m/s；dt為連續(xù)管內(nèi)徑，m；μ為流體粘度，Pa·s。

牛頓流體在直連續(xù)管內(nèi)做層流流動時的摩阻系數(shù)為：fST=64/Re

(2)

牛頓流體在直連續(xù)管內(nèi)做紊流流動時的摩阻系數(shù)為：

fST=0.3164/Re0.25(管內(nèi)壁光滑)

(3)

(4)

式中，ξ為連續(xù)管絕對粗糙，m；ξ/dT為相對粗糙度。

(5)

式中，L為連續(xù)管長度，m。

(6)

式中，L為連續(xù)管長度，m。

(7)

當(dāng)Re

(8)

當(dāng)Re>Reer時，流動為紊流，其流動摩阻系數(shù)為：

(9)

(10)

(二)冪律流體模型

冪律流體在直連續(xù)管內(nèi)流動時，其雷諾數(shù)為：

(11)

式中，K為稠度系數(shù)，Pa·sn；n為流變指數(shù)，無因次。

如果ReG≤3470-1370n，則流動為層流；如果3470-1370n4270-1370n,則流動為紊流。

冪律流體在直連續(xù)管內(nèi)做層流流動時的摩阻系數(shù)為：fST=64/ReC

(12)

(13)

(14)

二、螺旋管段摩阻系數(shù)的比較

為了驗(yàn)證本文中提出的這套摩阻系數(shù)公式，精選適用性較強(qiáng)的公式(表1)與本文中提出的公式進(jìn)行對比，表1中列出了與其各摩阻系數(shù)公式的偏差數(shù)值?？梢钥闯觯涸谒羞x取的計算點(diǎn)上，層流時與Srinivasan公式偏差最小(最小偏差0.06%)，與Mishra&Gupta公式偏差次之；紊流時同樣與Srinivasan公式偏差最小(最小偏差0.03%)，與White公式偏差次之，與Guo公式偏差稍大。

表1 CT螺旋段摩阻系數(shù)對比偏差

注：表中R，r單位為毫米

三、結(jié)論

本文利用相似原則通過對連續(xù)管進(jìn)行模擬，設(shè)定連續(xù)管構(gòu)造，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計，建立流體在連續(xù)管的直管段和螺旋管段不同的流動狀態(tài)的公式，再對螺旋段不同的摩阻系數(shù)的公式進(jìn)行對比，并且二次流能夠強(qiáng)化紊動趨勢，迪恩渦旋不會因?yàn)槲闪鲀?nèi)部的脈動增強(qiáng)而受到耗散和削弱。螺旋段的摩阻壓耗較相同狀況下直管段的大。通過所得公式進(jìn)行算例分析，最終得到摩阻分布。

[1]劉清友,瞿丹,黎偉.連續(xù)管鉆井技術(shù)在國內(nèi)非常規(guī)氣開發(fā)中的應(yīng)用.石油機(jī)械2011(9):94-95

[2]練波,練章華,程文，等.連續(xù)管流體特性參數(shù)分析軟件開發(fā)及應(yīng)用.石油機(jī)械2015(7):80-85

[3]張晉凱,李根生,黃中偉,等.連續(xù)油管螺旋段摩阻壓耗數(shù)值模擬.中國石油大學(xué)學(xué)報.2012,36(2):115-118

[4]竇以松，何希泰；管路摩擦阻力系數(shù)的計算方法水利學(xué)報，1995-7(7);

[5]蔡子龍；連續(xù)油管鉆井內(nèi)部流動分析

李世昌(1992-)，男，碩士研究生,東北石油大學(xué),方向：油氣井方向。