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鸟 鸟 、 钱研 一 多相液体流动模型显示有关空气 钻井水力学的重要现象 弱 一 ’ ． 播赛 井眼水力学给钻井工程师设计钻井程序带来一定困难。 这是 由钻屑， 传送流体 泥浆 或空气 、 井眼与钻柱之间复杂的相互影响造成的。对相关物理学了解不足和基础描述能力的 缺乏曾妨碍了删适当的预测模型。这个同题在空气钻井中更为明显。有限的数据也是建立 在{ 叠 验基础上。本文介绍了井眼水力学和种基础的多相液体流动模型。该模型结合基础物 理学， 涉及固相岩屑在钻拄与井眼环空中的气动辖迭。它是预测最优举升速度的工具的基础， 也是设计最优空气钻井程序的重要组成部分。现有的对比大不了是粗劣的近似法。更重要的 是， 它们不能解释有关空气钻井气动输送中观察到的物理现象 如． 阻流和成块状 。该模型能 钻井期间与井眼举升钻屑有关的许多现象。模型预测值与 经验数据相符台。而且， 此模型能够接比例增大。 介 绍 用空气代替泥浆钻井有以下几个好处 机械钻透明显高， 大大地节约成本和设备安装时 间， 消除了泥浆钻井中常见的问题 如 循环漏失 ．这些好处在 n ．个现场实例中差别很大。 已有许多资料证明其好处。 虽然该技术已被有效地采用但它的潜力还近远没达到。空气钻 井不是新概念． 但它的承力学与普通泥浆钻井完全不同， 所以要防止把泥浆钻井积累的经验直 接应用到空气钻井上。 尽管空气钻井技术已广泛用于美国东部钻油气井、 西部钻地热并， 但是关于空气钻井水力 学的基础技术资料却很少。事实上， 有些人‘ 预言 空气钻井如果有效用于美国钻的 3 O ％以上 的井上． 将台极大地节省成本和时间。 其接受和广泛应用的 程序。 凭经验， 经验主义仍是工程师设计空气钻井程宇的主要方法。 用来设计空气钻井程序的 唯一系统的方法是 A n 耐 法 遗憾的是这种方法只能在理论研究中做几种简单的假设， 而不 能预测空气钻井中固有的现象和最优设计参数。 。 我们认为， 这种基础系统方法的缺乏是由于 缺乏了解空气钻井井眼水力学的结果。有几个调研员已经查出了这一同趣。 “新近， 研究者 们一” 叉开始了新的研究． 来解答许多未解答的问题， 了解有关的物理学， 并为基础预测策略 的发展创造理论基础． 空气钻井用来钻比较干的硬地层井。空气作为循环介质起到普通钻井泥浆的作用 特别 是清洗井跟。不能夸大清洗井眼在决定钻井效率中的重要性 但对于空气 或往何钻井液， 为 了有效地清洗井限 ， 就必须以足够的量循环．另方面， 循环液比所需的多又会造成额外的压 力或泵压。 降低戚本的关键在于决定最优的液体容积流速 A I 1 础 法 及其产特 的十主要缺 陷是， 对于所有作业条件， 它部假定个不变的空气速度9 1 5 m ／ ra i n 。 实验测量和现场观察已证 明， 最优岩屑提升速度是不一定的。 它取决于操作和岩性参数。 要知遭， M h a d 。 和I k o k 的 模型 及 p 0 n 和 A d e w 啪 的模型部是凭经验得来的， 因而不能被推广。 还有． s 叩。 n 发现了 3 8 维普资讯 几种 直 眼水力学基本 。这个问题和空气钻井中井眼水力学所需要的基础的物 作的原动力。 多相流动方法被用来描述空气钻井井眼水力学。 井 流 动 方 法 丑 d e w 硼 和田t s 应用多相流动理论来模拟空气钻井井眼水力学。 努力结果是进行全系统分 析。这个分析揭示了某些应该是设计最优空气钻井程序中重要的有意义的现象。对空气钻井 井艰水力学 的流动描述所进行的基础工作主要方面和简短讨论为我俯讨论提供了个焦点 。 流动变量 空气钻井和普通钻井的主要区别是在空气钻井中空气代替泥浆、 藏体混合物和各种固体 添加剂作为循环液。 这种循环液主要用逾是把固相岩屑从井底提升到地面 如 井眼清除 。 设 计空气钻井程序基本的实用变量包括最小的空气容积流速和动力要求。要懂得空气钻井井眼 水力 中的气动输送情况。 必须考虑几个表示岩屑在并眼中的输送特点的独立变量 1 钻屑的物理性质一 包括大小 和尺寸分布、 形状及密霞j 2 输送维体的热物理学性质． 如密度和粘度 3 钻速一 因为它决定 固相岩屑的转送速度或固相台量 { 4 井限与钻柱环空的 几何形状和各个部分的尺寸 ； 5 液体 转送速度．基本的设计 参数由这些包括最附 自 选速鏖和相关的压力损失等独立参数 映 定。 另外， 必需能够预测阻流现象， 因为这在本系统中很重要． ‰” d 和田史丰发明了一 种流动方法． 把所有这些变量都考虑了进去。为了把这个问题简化一 他们假定颗粒尺寸是均匀 的， 其允许种颗粒状态被算入 该公式。s “ 的发现引起了这个理论性研究。 问题的确定 我们的基本方法依据早期发表的文章。 。 我们认为如果用垂直定向来回答颗粒在同心管 中的输送村题， 空气钻井井眼柱力 学可能更好理解． 初期， 我们认为颗粒是均匀的， 因为我们想 用一些平均尺寸代表本系统就足够。 在此项研究中， 我们调研了二进制计尺寸的颗粒体系。 这 个区别从实验室数据来看特别明显。数据表明． 粗颗粒在基车细颗粒体系中的性能完全不同， 尤其是最优气体速度。 同心管．实际钻井作业． 由某些特定的钻速表示， 是以规定固 点的。周相含量由颗粒相在入口处的容积系数决定。对 于二进制计尺寸体系． 由于各种尺寸的颗粒与均匀密度的颗粒组成流动意义上的颗粒相一 因 此洛 盼尺啪 g 容积系致电 ． 龃 嚏 严格地说， 应浚模拟穿过内管和射孔的澎动来确定它在出 口处 g 流动参数。对于在环形空间向上移动的气体／ 周体混合物 用 这个附加的困舸以通过适当测量气流在管底的流动参数并把这些参数作为气相进八环 形空间的个人口条件来排除。 用这个简化方法， 问题就变成进制计尺寸颗粒在垂直环空间 气舒输送的种模拟了。 模拟论述 广义多相流动模型的方程由双流体法即假定每相能够作为连续流来决定．一旦这个假设 成立， 款可以用连续力学的基本定律。 这些觯得出局部守恒方程． 这个方程可以通过一种平 均技术被平均来产生组控制守恒方程。这些技术 g 详细介绍见文献。 ” 诹 斑傩模型方程作 为恃门系统需推导合适的本构方程。 币艰 好地了解物理学的特殊阿隧和经验| 数据| 常会遇 到困难．A d 和 1 ‘ I 已筮表了垂鳟中气动输选的广义游动方程。 为这个井眼水力学模型做了以下五种假设； 3 9 维普资讯 1 均匀尺寸、 密度的固体颗粒组成个相． 使我们能够为每十颗粒假定套流动参数 如 圃相速度分布 。 2 系统是等温的， 不存在界面 传质。 3 颗粒相是不可压缩的。气相性能可根据理想气态方程 S O S 来描述。 4 压力梯度只存在于气相。 5 速度矢量的径向分量很小。由于这个原困。 压力只在轴向上变化， 在径向上则是均匀 的 。 第一条假设使我们能够把我们的系统分成两种不同的颗粒相和一种气相 。 使之成为三相 体系 。 每相都有套流动参数， 如柜速度和容积系数。 第二条假设使我们能够取消能量方程 ， 减步解释我们问题的部分不同方程的数量。 第三条假设没什么特殊理由 - 固相流不可压缩和用 理摄 体E C 6来描述气相是为简便起见。困为第四条假设规定气相具有全压力梯度一 所以这 个系统只有个压力。 第五条假设忽略速度矢量的径向气量， 因为这条假设涉及到这些速度 被降低。 所以进步简化了我们的方程体系。得出的基本方程列出如下 连续方程 动量方程 和 a q ／ 一 0 ，⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯ 1 a ／ o ， ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯ 2 a v m ／ 0 ， ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ 3 一一 盘 a z 鲁 挈 一 兄 哪 一 凡 睨 一 ， ⋯ ⋯ 4 式中 a r n 警 一 ％ 舯 g ， ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 5 善 r 警 ‰一 脾 ， ⋯⋯ ⋯ 6 P Mg ／ R T， ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ‘ 7 维普资讯 系数 u 1 ， 2 ， 并且 下列表达式表示阻力” ，⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 8 a ∑瞻 i 1 ， ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯ 9 i J 一 号 { ‰ 2 4 ／ Nk B 1 ． 0 o _ l 5 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 l a 对于粘滞陡 态， N | 一 l ， 0 0 0 并且 ‰一 0 ． 4 4 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ n 6 对于牛顿状态， N 且 一 ≥l ， 0 0 0 并且 Ⅳ． 一 一 ⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯ ” ⋯ ⋯ ’ 1 2 i 1． 2 初始状态和临界状态 是用来总结这些方程的线性数值法 MO L 所必徭的．这个线性数值法一般为初始值I 司题 I v P 如； 当时间持续时， 空间变量被离散而提出。 通过在离散横坐标r 的同时汁电纵坐标z ， 把 这样， 人 口 状态 在井底 就 E 成初始状态。参 考文献 l 5 详 细介绍了这千方法 。然后临界l状态被用在擞坐标上． 性界状态从方程 1 到方程6 构成描述研究中丰系统部分微方程组的守恒式。通过代数 计算， 这些方程可以把主要的独立变量 、 ， 和 p输入非守恒式。 这个保 留变量是 从方程 9 得到的。 当缠入非守恒式时， 如果求u 和 的方程是第指令， 那么第二方程结果用 ， 和 m表示。采用十 聊 荔 捉初螂陡态。 当t ， t ． 时， 我们对气相和颗粒相采用无漏失或少量恒定漏失状态。这些可得出所 需十次临界状态中的六次。 另外四抛 临 界状态靠暇设气相占居紧靠井壁的很薄的第一层得到。 从而使气体空鼠比在井壁接近于 1 ， 田相比接近 O 。i l ， 2时， 一 一O 或小数字 ≈0 或恒定漏失 。并且i l ， 2 时， 、 ≈O 。 韧 始 人口 状 态 规定 ． i l ， 2 ， V s i i l ， 2 一一因此 v g o 和 P D 在管入 口处的 _ 1 维普资讯 值 。 空气钻井中． 通常要调整的参数是钻速、 空气输入窖积和压力降 间接地 。因为知道体系 入 口处的气体、 固体速度、 压力、 空隙比 如． 在井底 对旌加所要求的入口条件很有必要- 这些 从钻速可以估计每单位时间产生的岩屑 固相 量。这个数据及 岩石平均密度可用来计算它的质量流量。井底压力 B H P 可以根据钻压和估计钻桂及钻头喷 嘴上的压力降进行计算 。 类似地 ， 井底 的气体速度可以根据容积流速计算。 这个方法提供了我 们所采用的解决该问题方程组必要的八 口状态 。所 以， 和 P可以被推导出来 ； 必须为根据 Ws o 计算的其它值估计 或V s o 。因为这些参数不能在钻井作业中测量， 又缺乏数据， 所以需 要这步骤。但是． 用各种 值进行的参教研究 在合理范围内调整V 自 。 以满足规定的 Ws o 表明对压力降和速度曲线没有明显影响。因此， 根据估计的这些值预测结果没什么差错。 数值解线性数值法被用来解以 t 部分微分方程 。这 一 个应变致来将纽偏徼分方程转换成普通双微分方程。然后得出的普通双微分用适 当的方 法椒分。 参考文献 1 5 讨论了这个方法详细的基本原理和技巧。 在 F q ．S L-M v 1 中补充线性数 国 l 一～空气钻井中钻杆与井眼环空示意国 维普资讯 差推测而来的。 和表 l 列出的样 。 里得到的。 除了指明的， 所有有关的参数都 表 1 现场钻井系统参数 钻杆半径 8 ． 9 锄 钻杆 ． c m 4 ． 4 4 5 井眼半径 2 7 m井 ， ∞ l 3 ． 5 模粗半径， t r J 5 ． O 钻屑密度 ， k g ／ m 2 6 5 0 钻席 直径 ． m 粗 O ． 9l l 细 0 ． 2 2 8 粘度 ， P a ． S 圆休 0 ． 0 0 1 空 气 0 ． 0 O o o l 8 固休 团流 速 ． k g ／ s 1 ． 5 4 钻速 ， m／ h 3 6 ． 5 8 井成压力． ● h 5 0 0 入 口盈体 速度 ， m／ s 0 ． 2 8 5 入 口空隙率 仉9 6 环空系境几何学由颗粒相沿井深在各个 曲线基本 t 是平缓的 如， 恒定穿过环空 ． 在圈l 中 流动曲线。独立变量的无量纲形式由下式决定t ．加在入 口的同相速度 ； O 一 村 ／ 一 村P 这里 和r w 分 q 表示钻杆和井眼半径． r 是钻杆中心到张中任何一点的距离 见图 1 。 所以有意义的范围在 o t o ≤ l _ 0 z z ／ D 这里D是井深， z 是到井底的轴向。所以有意义的范围在 ≤l _ 0 。 固体颗粒和传送介质 空气 以髓的速度加到该模型的底部．模型显示的基本因变量是 压力分布、 速度分布 固体和气体 、 同相含量百分比分布和沿井眼上升的分离性能．所有这些 参数都必须调整， 以便更好地了解井眼水力学．在实际情况下。 对操作者来说有意义的两个参 数是同相传输连成的压力损失和传输同相的量。这两个都容易根据模型显示的基率水力学 4 3 维普资讯 数推算。基本前提是人们可以用简单的公式 如D a r c y 一一w出 摩阻压力降方程 、 井口空 气压嫡机管线的压力和系统几何学计算井底压力 把这种模型与上述描述的模型结台起来就 可以研制更切台实际的工具 。 大小分布对颗粒速度的曲线的影响 因为空气在空气钻井中是举升钻屑的流体 ， 所以必须试验空气流动速度对颗粒相运动的 影响和钻杆与井眼环空中引起的压力损失 司钻可以控制的一十变量是空气容积流速 。事实 上， 把这个速度定在最优值的理论方法已经有了。 例如， A g e t 法推荐的一个恒定的空气速度为 9 ． 5 m ／ r n 但是实验室综台调研“ 。 已表明这个数字是错误的。 本文叙述的这个模型说明了这 个错误的原因。 圈 2 表示的是沿轴方 向的固相速度曲线图 。 认为有两种气体流速 ／ s 和 1 5 m ／ s 象所预 料的 ， 较高的气体速度带来较高的固相速度。 两条曲线都表明固相速度从低初始值开始迅速增 大 这个增大包括颗粒初始的快速和加速 。 颗粒很快达到平衡擅 ， 然后基本保持稳定 井眼 中 加速的部分般叫做加速范围 这个范围与提高流动的范围相对应 流动完全提高之前 。细 颗粒加速比粗颗 粒加速快 ， 在较短时间内就达到平衡速度。固此 ， 细颗粒加速过程较短 。较高 的气体流速带来较高的颗粒榴平衡速度和较长的加速过程 轴向距离 无因趺 四 2 -一沿 井艰 耐 固相进度 曲线 图 颗粒容积分布、 分离和气体速度 图3 表明总压力阵随气体流速变化而变化。 这个形状比较典型 益线经过晟小渣， 而一条 吐 【 1 线平均斜率大于另一曲线斜率。曲线的两腿代表气／ 固性能的两种状况。在高流速下， 该体 系非常稀薄井且流动快。 因此， 它是由井壁摩擦力或者粘滞消蚀影响来决定的。 但当气体流速 降低时， 单干颗粒在井眼环空滞留时间较长． 造成颗粒浓度增大。其结果造成较大的固耜重力 效果， 使重力超过摩阻力 气体速度继续降低， 就使颗粒含量百分比急剧增大、 总压力损失急剧 高 。这个事实在图 3 中通过总的固相含量百分效随举升速度变化而变化的曲线图得到清楚 d { 维普资讯 ● 地阐明。当举升速度从相对比较高的水平跌时， 出口的固相含量百分数逐渐增大。但是 ， 空气 举升速度所达到的那 个值不足以有效地清除井眼、 结果固相迅速聚集 ， 导致出口固相含量增加 很快 、 空气速度降低。因此 ， 总压力损失值为最小。这一点非常重要 。 困为 ， 如果存在或事先知 道这样个值， 人们就可以围绕它来操作， 以优化压缩机筛选和节约钻井成本。在固相气动输 送中， 固体颗粒在气体流速的低端迅速聚集和压力损失急剧升高的现象一般称作扼流。 模型表 明， 在空气钻井中扼流一定存在。这在实验室试验中“ 和通过流动模拟已经被证实 。 空气的速度 I ， 3 图 3 一一压力降和固相休积分布随空气速度变化而变化 曲线图 图4 对均匀尺寸体系 细的和粗的 和 5 0 粗粒／ 5 O ％细粒混合物的固相体积分数分布进 行比较。 粗粒和细粒的直径分别是 0 ． 9 1 1 n n 和 0 ． 2 2 8 r r 。 即． 粗粒比细粒大四倍。 不出所料， 在同举升速度下， 粗粒体系比细粒体系固相多， 主要是因为较大的颗粒在井眼中滞留时间较 长 。 在高举速度下， 粗粒和细粒体系在含量方面实际上没有fl - tz _ , 同． 这主要是因为高阻力作 用在固体颗粒上 ， 通过循环空气使井眼得到有效清除。可是当空气速度降低时， 颗粒由于阻力 开始聚集在井眼 中． 在这个空气速度还可以满足举升细粒的同时 ， 它已不能满足粗粒． 所 以粗 粒的含量在空气低速时急剧增加， 如图 4 所示。 十分明显的是 5 o ／ 5 0 混台物的结果。 在这个倒 子 中该模型表明， 整个颗粒分布形式与粗粒分布形式非常接近。 这是台乎逻辑的 。 因为细粗可 以被根良清除， 甚至在较低的气体流速下． 随粗粒一起离开模型， 但是在较高速度下， 粗粒细粒 都能被有效清除， 困而在井眼中两者的含量都低。图 5 表示的是用稍弱不同的方法得到 的结 果． 它表明了在 5 0 粗／ 5 O 细混合物体系中粗粒和细粒对总固相成分的有关影响。 在低速范 围内， 粗粒的影响居支配地位。但当气体速度增大时． 粗粒和细粒的影响就相当了．虽然粗粒 影响还是稍微大些。这又支持了低气庠速度在清除粗颗粒的井眼时效率低的解释。 维普资讯 涨度 “ 圈 ‘ 一一空 气龟度斗总固粗体积点分的彰响曲线圈 醒 5 一一 细杠瓤 拄对 恶 固相 倬积 的相对 影响 曲线 瞳 这 个逻辑在图 6 中描绘得_襁清楚 它表哦沿井眼的相对周相体积分布 这里． 每十颗钍的 埘 体积是它播井眼往何一点的含量与它在井底的含量 进入点 之 比。Y - t f i T 5 o ／ , o混台物 的试验。 两种颗粒尺寸中每种西相含量百分数部急层 耋 下降郅基奉稳定的值 ． 这个值相当低． 这 个结果证实了通常在现场最察到的情况一 该体系总是报稀薄． 在 ， s 的输送速度下． 租粒的 平衡含量事实上比纲粒的高．但在 1 l， s 空气建暖下． 两者授什么差别．原因是． 对细粒来说 最优输送速度约为 9 m／ s ． 而翘粒的最饨输送速度比 ， s 大得多 度低于 1 5 m／ 。 维普资讯 轴 向距离 无因次 图 6 一一圊相体积分敷分布与入口值相关的曲线图 颗粒大小分布和最优速度 圈7和圈 8 表示的是对混合物中不同的粗细比， 井眼中总压力损失随空气速度变化而变 化。 两个图说的是十橇念， 分开是为防止太拥挤． 1 o 。 粗粒的曲线和 l o o ％细粒的曲线为细 勘昆 合物提供了方框图边线。圈7 和圈 8 还为些流动模型显示的重要现象提供了参考数 据。这些曲线的形状特点早期已有讨论。应注意的是， x - -每种颗牡划 、 ， 压力降经历的那个 速度是最小的， 这对钻井工程师很有意义。 因为以这个速度循环空气可眦最大限度地压缩费 用． 所以与最小压力降相关的速度叫做最优空气速度。 如图7 圉 8 中所示． 最优速度极大程度 地取决于颗粒尺寸。 粗细颗粒体系的压力降／ 气体速度曲线经过气体速度的恒定值。 交点比两 十最优速度高， 但筛l近粗颗粒的最优速度．还要注意的是． 不同百分比粗粒的曲线几乎交叉在 同一点 E 。俺要儆进步的调研看这一点是否具有什么物理意义． 空气速度 m ／ s 图 7 一一对于各种粗／ 细混台枷 ， 空气速度对压力降和置优举升速度的影响曲线图 维普资讯 避 空气速度 融 8 一 一与图 7 相 比较 匿 凭这个“ 关键点” 我们可以把曲线划为两个 区域一 即。 关键点右面部分和左 面部分 因为 气体速度小于关键速度， 所以与粗粒体系相关的压力降比细颗粒体系的高得多。在这个区域． 由于举升速度低， 估计固体颗粒聚集相对多些 颗粒这样堆积将造成较高的重力压力掼失， 由 于粗颗粒足寸大。 因而对粗颗粒影响较大 对于关键速度大 速度， 曲线正好相反． 即． 细粒造 成较大的压力降 。原因是摩擦和阻力压碌占优势。因为细颗粒作为十整体其表面积比粗粒 大 ， 所以它们也会造成较大的压力损失 ． 图7和图 8中所示这个体系最明显的特点之是相粒的存在对该体系性能的影畹， 特别 是在低于关键点的区域内。 在这十区域， 2 5 祖粒体系的压力降曲线出人意升螬靠近 1 0 0 扭 粒体系的曲线， 而不是 1 0 0 纽颗粒体系的曲线． 甚至1 O 粗粒体系的曲线也更接近 1 0 0 粗 粒体系曲线而不是1 O 0 细粒体系曲线． 唯台理的解释是， 在低于关键点的区域固体颗粒聚 集在井眼里 如图 4 图 5 所示 。 即井跟清除常常是不充分的． 象前面讨论的 ， 粗粒对压力降的 影响不相称． 所以， 肆使粗粒仅以少量存在时也似乎占优势 。关键点以上的区域性能与估计的 结果相同 如冒 4 和图5 。 5 o ／ 5 o 混合物曲线几乎位于 1 0 0 ％细粒曲线和 1 0 0 ， 粗粒曲线之问的 中途上。其它曲线也按类似 比倒。 图9总结了图 7 和图 8 中所示结果． 图中， 预测的最优速度随存在于混合物中的相牲体积 百分数变化而变化。混合物中粗颗粒的成分在O 大小均匀的细颗粒体系 1 0 0 大小均 匀的粗颗粒体系 之间变化。 这些曲线表踞， 当粗颗粒的成分从 O 开始增加时， 滚体系的最优速 爱急剐加快 当粗柱成分在这个初始范国内增加时． 增长率迅速下降。 往后就有一点或不再有 什么变化。 这个性能表明 ． 粗垃的量即使非常步也能决定体系最优举升速度。 我们做的另一 试 验是保持细粒大小不变的同时改变粗颗粒大小。图9表示的是粗粒直径增大 1 寺倍时的试验 结 果 这些曲线向上浮动． 几乎与粗柱直径按其增大的系数成正比． 而且还保持 曲线的大概形 状 维普资讯 图 9 一一颗粒尺寸分布对最优空气速度的影响 曲线图 图 1 O 补充了粗粒看起来似乎控制谈体系性能的说法 为证明这点做了三例试验。 全都是 5 O 粗／ 5 O 细的混台物。倒 1 和例 2 调研了细粒大小对最优速度的影响． 例 2 和例研究了粗 粒大小的影响 在例 1 倒2中， 粗收大小保持不变； 在例2 倒 3 中细粒大小不变。图1 0 表明 这个结果。例 1 中的细粒t t 例 2 中的细粒大 2 ． 5 倍。如图 1 0 所示， 两例的最优速度基本上不 易觉察 ， 而且两倒的压力降， 流速曲线在速度比最优遣度小的区域相重合 这些观察结果表明， 粗颗粒基本决定最优速度和速度低于最优区域的体系性能。粗颗粒因颗粒重量控制压力损失 而在这个区域占支配地位。可是。 这在超过关键点以上的区域就不正确了 在那个区域， 颗粒 的表面积影响体 系性能 所以纽粒和粗粒的影响是差不多的 凰 l O 一一粗 枉砷体 系挂能 的影 响 曲线 图 维普资讯 倒 3 体系 同倒 1 的细粒大小样 中的相强_直径比倒 1 的相粒直径大 1 ． 5 倍。结果表明 了最髓度引人注目的浮动和具有更大值的大颗粒尺寸体系。还有， 对于速度低于最优的区 域， 倒 3比例 1 经历的压力损失高些 ， 这是因为例 3 与S u p o n 试验数据比较 S u p o n 研制 了一种实验室规模的模型用来研究空气钻井作业中的井眼水力学 。表 2 列出 的是该体 系系数。作为这个综台性研究的一部分 ， S u l x n 测量了当粗颗粒百分 比从 O 变化 l o D ％过程中的最优速度 。 图 1 1 把我们模型预测的结果与 s u 1 的试验数据作丁比较。 就这些 数据扩散而论 ， 我们的模型预测情况相 当好。特别明显的是在粗粒百分含量较低时预劐的能 力。这时候颗粒成分最优速度变化最快。这是流动模型作为空气钻井中井眼水力学的设计工 具具有可描绘可预测能力的一个更进步的倒证。 圈 1 1 一一预 测结 果与 s u p 叽 试验数 据 的比 较 圈 结 论 一 种新型的多相流动模拟方法 已被用来研究带非均质钻屑的空气钻井井眼水力学 。这项 研究最重要的一十发现是． 用平均颗粒尺寸来表示非均质体系的特性是错误的a 因为颗粒尺寸 既使非均质程度很小对该体系性能影响也极大。通过这千模型蹰察到的几个现象是颗粒在设 计空气钻 臣J 芋 中的作用。结果和试验数据比较证明了流动方} 去 的可描绘性静 } Ⅱ 可预测性。 1 ． 最优气体速度存在， 钻屑从井底到井1 1 1 的输送过程中产生的压力损失最小。 这种最优速 度用本文介绍的模型以可测到， 甚至钻屑 由两种尺寸组成也行。 2 ． 在空气钻井作业中， 钻屑的大小对 最优空气速度值非常重 要 。 3 ． 如果钻屑是进制计尺寸的． 最优举升速度的值基本上由粗颗粒的大小来决定。 即使只 存在少量也如此。事实上 ， 当体系 内粗粒量增加时- 最 谴 度随粗粒成分变化而减弱。 4 ． 采用低于最优的举升速度进行作业是不当的。因为当举升速度降到最优速度以下时压 力下降很快。 在这个区域举升能力急尉降低， 使租颗粒堆积在井眼中并造成高的重力影响压力 5 0 维普资讯 降。 5 ． 在二进制计尺寸体系中， 改变细粒大小对最忧举升速度的影响不大。 但改变粗粒的大小 就使最优速度明显发生变化。 6 ． 当预测的最优速度随二进制尺寸变化而变化时很容易与现有的试验数据比较。 筒而言之 。 本文介绍的模型能够为设计、 预测、 描述空气钻井的井眼水力学． 甚至两种颗粒 尺寸服务 。 表 2 S u p o n 试验体系参数 拈杆半径 5 ． O ∞ 钻杆 。 ∞ 2 ． 5 4 井眼半径 8 ． 9 ∞ 井眼 ， ∞1 4 ． 4 5 模粗半径 。 m 7 ． 3 2 钻屑密度 。 k B ／ 2 6 5 0 钻屑直径。 r r u o 粗 0 ． 98 3 知 0 ． 2 5 4 粘度 ， P a ． s 盈蚀 0 ． O 0 2 空 气 0 ． 0 0 0 0 1 8 平均固体 团块流速 ， I c g ／ 8 6 ． 2 4 1 0 0 井 鹿压 力 ， k P a 2 5 0 入 口固体 速度 ， m／ 0 ． 2 8 5 入 口空隙率 0 ． 9 9 8 符号孵释 C D 阻力系数 d 鄹． 粒直径 D 一井深 F o 阻力 g 一重力加速度 M气体分子量 一 气体／ 固体雷诺数 p 压力 r 径向坐标 维普资讯 r d 口 一钻杆半径 r 。 一无因次径向距离 一 井眼半径 R一气体常数 T 一绝对温度 u 一速度 V 体积分数 w一固相团块流速 z 一轴向坐标 z D 一无因次轴向距离 一 粘度 p 一密度 1 ． 下标 b 一边界 g 气相 i 一第 i 个颗粒相 。 一人 口 s 固相 维普资讯