赫-巴流体偏心环空紊流的数值模拟
偏心环空幂律流体流动的研究进展
偏心环空幂律流体流动的研究进展摘要：抽油杆偏心现象在采油工程中十分常见，求解偏心环空幂律流体的流速是解决很多采油问题的前提。
从坐标系转换法、PIV实验法、CFD仿真模拟法三个方面概述了国内外对偏心环空幂律流体流动特性的研究进展，分析了三种方法存在问题，认为坐标系转化法和PIV实验法对于特殊类型的井眼不能得到普适性结论。
因此采用CFD模拟和PIV实验相结合的方法，在研究偏心环空内幂律流体的定常和非定常流动才较为更为合理。
0.引言游梁采油和螺杆泵采油两种方式在我国的采油工程中应用广泛，并取得了较好的驱油效果，由于抽油杆细长，受重力和流体作用力的影响，导致抽油杆在环空内产生偏心[1]。
油井采出液的流变规律为符合幂律模式的非牛顿流体，因此可将采出液视为幂律流体。
明确偏心环空内幂律流体体的流动规律是解决很多工程问题的前提，诸如结蜡、热洗和偏磨等问题。
国内外众多学者针对偏心环空幂律流体进行了广泛的探索与研究，其方法主要有三种：坐标系转换法、PIV实验法、CFD仿真模拟法。
本文根据不同的研究方法，针对众多学者对偏心环空幂律流体的定常和非定常流动的研究进行了整理。
1.坐标系转换法：由于笛卡尔坐标系下很难描述偏心环空模型，故可将其转换为双极坐标系或者圆柱坐标系下的四边形区域，之后由Navier-Stokes方程即可推导相应的流动微分方程。
蒋世全[2]以平板流为基础将偏心环空进行分区处理，推导出偏心环空雷诺数方程，为确定幂律流体的流态、层流区域和湍流区域的范围提供了判别方法。
郑俊德等[3]分析了层流状态下幂律流体在抽油杆做轴向往复运动的流场变化，推导了同心和偏心情况时流体速度分布、流量及压力梯度计算模型，认为抽油杆的速度对流场扰动较为显著。
张海桥[4]通过简化偏心环空幂律流场模型并做无限细分，推导了偏心环空螺旋流动的压降方程和环空流量计算公式，建立了流态判别稳定性参数为确定流体的流动状态提供了理论基础。
刘东升[5]引入Hanks流动稳定性理论，在双极坐标系中推导出幂律流体在环空螺旋流动的流态判别公式，文中还分析了稳定性参数H对环空压力梯度的影响以及影响参数H变化的因素。
偏心环空中Robertson-Stiff流体的波动压力计算模型
偏心环空中Robertson-Stiff流体的波动压力计算模型李琪;王再兴;王耀稼;艾二鑫【摘要】用窄槽流动模型模拟流体在偏心环空中的流动,结合流体流动的控制方程和Robertson-Stiff流体的流变方程,建立了稳态层流条件下的波动压力计算模型.利用自适应的辛普森积分法对其进行了数值求解,并对波动压力的影响因素进行了分析.结果表明,建立的Robertson-Stiff流体在偏心环空中的波动压力计算模型预测结果准确,采用的数值求解方法精度高,与已有的偏心环空波动压力计算模型结果对比误差在10％以内;在井眼环空处于完全偏心的情况下,波动压力梯度降低为同心环空的50％左右;当流性指数和管柱井眼尺寸比较大时,要对起下钻的速度严格限制.【期刊名称】《西安石油大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(031)003【总页数】7页(P86-91,121)【关键词】波动压力;Robertson-Stiff流体;偏心环空;窄槽流动模型;辛普森积分法【作者】李琪;王再兴;王耀稼;艾二鑫【作者单位】西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TE21随着小井眼钻井和套管钻井等新技术的出现，井筒压力的精确计算正在受到人们的重视。
多年来，现场使用的波动压力预测模型是针对同心环空建立的。
而在水平井和定向井中，由于重力因素的存在，会导致管柱在环空中处于偏心的位置，即井眼环空处于偏心状态。
忽视偏心因素对波动压力的影响会导致过低估计起下钻速度，增加非生产时间和作业费用[1-3]。
针对牛顿流体、幂律流体、卡森流体和赫-巴流体在偏心环空中的流动，国内外学者们已经建立了相应的波动压力预测模型[4-7]。
1976年Robertson和Stiff等[8-9]人提出了描述钻井液性能的Robertson-Stiff流变模式(R-S流变模式，相应的钻井液称为R-S流体)作为三参数流变模式，在较宽剪切速率范围内能比传统模式更为准确地描述钻井液的流变特性。
幂律流体偏心环空螺旋流流场数值模拟分析
模 拟 ， 拟 范 围 包 括 浓 度 分 别 为 ０ ２ ０， ０ ６ ０ ８ ０ ｇ Ｌ 的 聚 丙 烯 酰 胺 水 溶 液 在 偏 心 度 分 别 为 ４ 模 ， ０ ４ ０， ０ ， ０ ｍ ／ Ｏ
和 ８ 的 偏 心 垂 直 环 空 管 道 内 的 流 动 状 态 。 并 利 用 Ｓ ｉＯｒｇｎ、 ｈ ｔ ａ ｏ Ｏ ｃ 、 ｉ ｉ Ｐ ｏ ｏ ｈ ｐ等 后 处 理 软 件 对 数 据 、 片 图 进 行 处 理 ， 图 片 和 图表 的 方 式 ， 观 的 定 性 分 析 速 度 和 偏 心 度 对 偏 心 环 空 流 场 特 性 的 影 响 。 用 直 关 键 词 ： 律 流 体 ｌ 心 度 Ｉ 流 ， 流 幂 偏 层 紊
情况 ， 别 对 偏心 度 为 ４ 和 ８ 的垂 直 环 空管道 分 Ｏ ｏ 进 行 数 值 模 拟 ， 中 选 ６幅 图 为 代 表 进 行 分 析 。 图 从
３ ４为 偏 心 度 为 ４ 的 偏 心 垂 直 环 空 管 道 内 流 体 径 ， Ｏ
与 文献 ［ ］ ６ 吻合 ， Ｐ 故 ＨＯＮＩ Ｓ可 用于 模 拟 实验 。但 Ｃ
１ 偏 心 环 空 管道 模 型 的 建立 及不 同模 型 流 动规 律 对 比 分 析
１１ ． 模 型 建 立
流 域 的尺 寸 ， 义 所 引 进 物体 的 位 置 、 寸 和性 质 ， 定 尺 设 置 区 域 物 质 ， 、 口 边 界 情 况 ， 流 模 型 并 调 试 进 出 紊 最 佳 计 算 网 格 。 模 型 如 图 １所 示 。
２０ ／ ０ ｍｇ Ｌ幂律流 体径向和轴向速度 云图
以上为 Ｐ ＨＯＥＮＩ ＣＳ软 件 模 拟 的 幂 律 流 体 偏 心 环 空 螺 旋 流 紊 流 的 径 向 和 轴 向速 度 分 布 云 图 。 根 据 层流 和紊 流特 点 ， 流 时速 度分 布符 合 抛物 线 规律 ， 层 紊 流 时 速 度 分 布 不 符 合 抛 物 线 规 律 ， 比 以 上 云 图 对 可 知 ， 律 流 体 偏 心 垂 直 环 空 螺 旋 流 在 不 同 工 况 下 幂
赫_巴模式水力参数设计与计算
pr= pc+ pb
( 2)
所以, 求出系统的循环压耗 p c 是关键。它由地
面管汇、管内和环空压耗共同组成, 见下式
p c = psp + p ci + p co
( 3)
根据水力 学原理, 决 定流 态 的因 素是 雷诺 数
R e。一般认为, 当 R e< 2100 时为层流; 当 Re > 2100
p
cop
t
=
2pm m+
ax
2
( 4)
当钻头水功率最大时, 循环压耗为
p
cop
t
=
p m
m ax
+1
( 5)
m 为在双对数坐标图上 p - q 直线的斜率, 理论
值为 1. 75~ 2, 无因次。要想使循环系统总的压耗 确定既满足最大水功率或最大射流冲击力的要求,
又能计算准确, 那么 m 的实际大小应该根据钻井现 场 2组一定排量值下计算出的循环系统压耗 ( p c1, q1 )、( pc2, q2 ) 来确定。
宾汉模式 幂律模式 赫 巴模式
5. 10 1. 75
4. 90 1. 30
5. 18 1. 84
6. 85 5. 62
6. 20 6. 48
7. 02 5. 20
32. 11 14. 70 157. 12 5616. 02 465. 32 13. 34
33. 20 14. 11 145. 64 5802. 97 468. 60 12. 70
在鄂尔多斯盆地北部工区, 已知某井的井深为 2800 m, 上部井段的平均井径为 217 mm, 钻头直径 为 216 mm, 钻杆外径为 127 mm, 内径为 108. 6 mm, 钻铤 外径 为 156 mm, 内径 为 60 mm, 泵 型为 F 1300, 额定功率为 956 kW, 额定泵压 21M P a, 缸套直 径 170 mm, 按钻头最大水功率设计, 其它参数见表 1, 计算结果见表 2。
水泥浆流变性分析及其环空流动的数值模拟
1 # 常规密度配方 : G 级油井水泥 + 1. 2 %降失水剂 + 0. 8 %分散剂 + 2. 0 %膨胀剂 + 1. 0 %缓凝剂 + 44 %水固比 ; 2 # 低密度配方 :
G 级油井水泥 + 25 %漂珠 + 8 %微硅 + 1. 2 %降 失水剂 + 1. 0 %早强剂 + 1. 0 %膨胀剂 + 1. 0 %分散剂 + 1. 0 %缓凝剂 + 55 %水固比 ;
网格划分如图 3 所示 ,周向网格平均划分 ,节点 数为 30 ;径向节点数为 15 ,从两壁面到中心网格间距 以等比率 1. 3 逐渐增大 ,以较好的模拟边界处的流动 状态 ;轴向节点总数为 400 ;单元选用六面体结构化 网格来模拟流体单元 ,整个计算区域网格总数为 18 万 。流体为 H2B 流体 。
3 收稿日期 : 2006212201 (2007202208 修改稿) 作者简介 : 孙宝江 (1963 —) ,男 ,山东淄博人 ,教授 ,博导 。
318
水 动 力 学 研 究 与 进 展 2007 年第 3 期
Key words : cement slurry ; rheological pat tern ; annulus flow ; eccent ricit y ; uniform ; numerical sim2 ulatio n
文章编号 :100024874 (2007) 0320317208
水泥浆流变性分析及其环空 流动的数值模拟 3
孙宝江1 , 高永海1 , 刘东清2
(1. 中国石油大学 (华东) 石油工程学院 ,山东东营 257061 ; 2. 胜利石油管理局海洋钻井公司 ,山东东营 257062)
基于赫巴流体的偏心环空波动压力数值模拟
摘 要 ：基 于牛 顿流体 、幂律流 体 以及卡 森 流体建 立 的偏 心 环 空稳 态 波 动压 力 预测 模 型 计 算过
程 对计 算机 的硬 件 要 求较 高 ，在 现 场 条 件 下 并 不 适 用 。 为 此 ，基 于 钻 井 液 赫 巴流 变模 式
，
利用
Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 软 件对 起下 钻波 动压 力进 行 了计 算 ，并 将 计 算结 果 与 现场 广 泛 应用 的压 力模 型及 室 内试 验
．
ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ，ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｅ ｘ ｔ ｅ ｎｓ ｉ ｖ ｅ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｔ ｅ ｓ ｔ ｄａ ｔ ａ ｗａ ｓ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔＩ ｎ ｏｏ ｒ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ， ｔ ｈ ｅ
Ｇ ｕ ｏ Ｙ ｕ ｊ ｉ ａ ｎ Ｌ ｉ Ｇ ｅ ｎ ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ Ｓ ｏ ｎ ｇ Ｘ ｉ ａ ｎ ｚ ｈ ｉ Ｔ ｉ ａ ｎ Ｓ ｈ ｏ ｕ ｃ ｅ ｎ ｇ Ｗａ ｎ ｇ Ｍｅ ｎ ｇ ｓ ｈ ｕ
（ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｐ ｒ ｏ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｆ ｏ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ， Ｂ ｅ ｊ ｉ ｉ ｎ ｇ ）
，
ｗａ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕｃ ｔ ａ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌｕ ｆ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐｒ ｅ ｓ ｓ ｕｒ ｅ ｉ ｎ ｔ ｉｐ ｒ ｐ ｉ ｎ ｇ Ａ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｖ ｅ ｒ ｉ ｉｃ ｆ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
《偏心环空幂律流体流动规律的数值模拟研究》
《偏心环空幂律流体流动规律的数值模拟研究》一、引言随着工业技术的不断进步，偏心环空幂律流体在许多工程领域中得到了广泛的应用。
然而，由于这种流体在流动过程中表现出的复杂特性，对其流动规律的研究一直是流体力学领域的重要课题。
本文将针对偏心环空幂律流体的流动规律进行数值模拟研究，以期为相关工程应用提供理论依据。
二、研究背景及意义偏心环空幂律流体在石油、化工、制药等行业中具有广泛的应用。
其流动特性受多种因素影响，如流体的物理性质、管道的几何形状、流动条件等。
因此，对偏心环空幂律流体流动规律的研究具有重要意义。
通过对该类流体的数值模拟研究，可以更准确地预测流体在管道中的流动状态，优化工艺参数，提高生产效率，降低能耗。
三、研究方法及模型建立本研究采用数值模拟的方法，通过建立偏心环空幂律流体的流动模型，对流体的流动规律进行研究。
首先，根据流体的物理性质和管道的几何形状，建立偏心环空幂律流体的数学模型。
其次，利用计算流体动力学（CFD）软件，对模型进行数值求解，得到流体在管道中的流动状态。
最后，通过分析数值模拟结果，探讨流体的流动规律。
四、数值模拟结果及分析1. 流动状态描述通过数值模拟，我们得到了偏心环空幂律流体在管道中的流动状态。
在一定的流速和管道几何形状下，流体呈现出稳定的层流状态。
在偏心环空区域，流体呈现出明显的速度梯度，靠近管道壁面的流速较低，而中心区域的流速较高。
2. 影响因素分析流体的物理性质、管道的几何形状以及流动条件等因素对偏心环空幂律流体的流动规律具有重要影响。
随着流体粘度的增加，流体的流动性降低，流动状态逐渐由层流向湍流转变。
此外，管道的直径、长度、壁面粗糙度等因素也会影响流体的流动状态。
在偏心环空区域，环空高度和偏心距的增加会导致流体速度梯度的增大。
3. 数值模拟结果与实际应用的结合通过对数值模拟结果的分析，我们可以得出以下结论：在实际应用中，为保证偏心环空幂律流体的稳定流动，需要合理选择流体的物理性质、管道的几何形状以及流动条件。
赫-巴流体同心环空流动的数值模拟
赫-巴流体同心环空流动的数值模拟王常斌;陈海波;徐洋;赵艳红【摘要】运用fluent软件在三维笛卡尔直角坐标系下建立同心环空流动的物理模型.分别对同心环空圆管中赫-巴流体层流和紊流流动进行数值模拟.得到流体在出口处以及流场内部的速度等值图.通过改变流变指数和动切力,进而分析各流场中速度的变化规律,速度大小以及速度分布情况,并将其进行比较分析.计算结果很好的反映出了赫-巴流体同心环空流动的基本特征.%Fluent software as applied to establish physics model of concentric annulus flow under 3D rectangular cartesian coordinate system, numerical simulation on Herschel-Bulkley Fluid of laminar flow and turbulent flow separately in concentric annulus tube, got velocity equivalence diagram of fluid at outlet and flow field interior, through alter rheological index and yield value, come to analysis velocity change low, velocity size and velocity distribution situation of each fluid field, and do comparative analysis on them. The calculation result better reflecte basic feature of Herschel-Bulkley fluid for concentric annulus flow.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2011(011)028【总页数】4页(P6798-6801)【关键词】fluent;同心环空;赫-巴流体;流变指数;动切力【作者】王常斌;陈海波;徐洋;赵艳红【作者单位】东北石油大学石油工程学院,大庆163318;东北石油大学石油工程学院,大庆163318;东北石油大学石油工程学院,大庆163318;东北石油大学石油工程学院,大庆163318【正文语种】中文【中图分类】O351.1赫谢尔-巴尔克莱流变模式在国内俗称带动切力的幂律模式，是一个三参数模式。
空气钻井偏心环空气固两相流动数值模拟
ｐ
（ ）湍 流脉动 动 能方程 （ 方 程 ） １ Ｋ 。
Ｏ ｋ＋
．
ｕ，
第 ３ 卷 第 ５ （０ １ ５ 试 验 研 究） ０ 期 ２ １ ． ）（ ０
空气钻井偏心环空气固两相流动数值模拟
赫 娟 张 清兵 刘康 任 强 燕 青 海油田 三 采油 厂
摘 要 ：基 于欧拉 多相 流模 型 ，建 立 空气钻 井偏 心环 空 气 固 两相 流动 数 学模 型 。借 助 Ｆ Ｕ— Ｌ
求解。
１ 模型的建立
１ １ 物 理模 型 ．
式中 Ｇ Ｋ为平均速度梯度引起 的湍动能 尼 的产
生 项 ； Ｇｂ 浮 力 引 起 的 湍 动 能 志的产 生 项 ； ｙＭ 为
＝ ．４ 取 １ ２ ｍ环空井段进行模拟分 析 ，环空外径 为 为可 压缩 湍 流 中脉动 扩张 贡献 ；模 型 中 Ｃ １４ ， ３ ， ＝ ． ，为经验常数。 ＝ ０９ ０ ３６ ｍ，环空 内径为 １７ｍ １． ｍ ５ ２ ｍ，套管与钻杆 的绝 Ｃ １
对粗糙 度均为 ０ ４ ８ ｍ ． ６７ 。进 口为速度人 口边 界 ０ ｍ 条件 ，出口为 自由出口边界条件 。采用结构化六 面体网格对模 型进行单元划分 。图 １ 为偏 心度 ＝ ０ 的环空偏心流场计算网格示意图。 ． ５
加
（ ）连续性 方 程 。 ３
茜 １ Ｖｑ ｑ∑ （ （ｑ＝ ） ａｖ Ｉ ０ ｐ）Ｊ ＋
差茜 ＋鸶 ㈩ ＝ｌ 『＋ （ ＋
Ｇｂ ￡ ｙLeabharlann —ｐ 一 Ｍ＋Ｓ Ｋ（ ）湍流动能耗散方程 （ 方程 ） ２ ｓ 。
赫谢尔—巴尔克莱流体同心环空轴向流流核及压降计算
赫谢尔—巴尔克莱流体同心环空轴向流流核及压降计算
樊洪海;刘希圣
【期刊名称】《石油大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】1993(017)006
【摘要】从理论上对赫谢尔－巴尔克莱（Ｈｅｒｓｃｈｅｌ－Ｂｕｌｋｌｅｙ）流体在同心环空内稳定轴向层流流动时流核尺寸及流动压降的计算进行了精确的分析。
从现场应用的角度出发，建立了圆柱坐标系中流核尺寸及流动压降的理论计算公式，绘出了利用弦截法和Ｒｏｍｂｅｒｇ法计算出的流核数据。
为钻井过程中更好地利用赫射尔－巴尔克莱流变模式描述钻井液流变性能、计算环空层流流动压降及分析岩屑运移规律提供了理论依据。
【总页数】7页(P28-34)
【作者】樊洪海;刘希圣
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TE21
【相关文献】
1.幂律钻井液同心环空轴向层流压降的计算 [J], 鲁港;王立波;王冠军;张宇
2.偏心环空幂律流体层流螺旋流流量及压降计算 [J], 李邦达;刘通建
3.赫歇耳—巴尔克利流体通过同心环空的层流流动 [J], 高二虎;张西成
4.宾汉流体在钻井同心环空内轴向层流核及压降计算 [J], 樊洪海;刘希圣
5.椭圆井眼同心环空赫巴流体流动规律研究及压降计算简化模型 [J], 张洁;汤明;蒋振新;甘一风;曾德智
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《偏心环空幂律流体流动规律的数值模拟研究》
《偏心环空幂律流体流动规律的数值模拟研究》一、引言随着工业和科技的发展，流体动力学的研究越来越受到重视。
其中，偏心环空幂律流体流动规律的研究具有广泛的应用背景和重要的科学价值。
偏心环空幂律流体流动涉及到许多工程领域，如石油工程、化工工程、环境工程等。
因此，对偏心环空幂律流体流动规律进行深入研究，不仅有助于理解流体动力学的基本原理，还能为相关工程领域提供理论支持和技术指导。
二、偏心环空幂律流体的基本特性偏心环空幂律流体是一种特殊的流体，其流动特性受到多种因素的影响。
这种流体的粘度、密度等物理性质在流动过程中会发生变化，导致其流动规律具有非线性和复杂性。
此外，偏心环空结构的特点也会对流体的流动产生影响。
因此，研究偏心环空幂律流体的流动规律，需要综合考虑流体的物理性质、环空结构以及流动条件等因素。
三、数值模拟方法为了研究偏心环空幂律流体的流动规律，需要采用合适的数值模拟方法。
目前，常用的数值模拟方法包括有限元法、有限差分法、边界元法等。
在这些方法中，有限元法具有较高的精度和灵活性，适用于复杂几何形状和边界条件的流体流动问题。
因此，本研究采用有限元法进行数值模拟。
在数值模拟过程中，需要建立合理的数学模型。
根据偏心环空幂律流体的特性，可以选择适当的本构方程和边界条件，建立流体流动的数学模型。
然后，利用有限元法对数学模型进行求解，得到流体在环空内的速度分布、压力分布等流动参数。
四、偏心环空幂律流体流动规律的数值模拟结果通过对偏心环空幂律流体流动规律的数值模拟，可以得到流体在环空内的速度分布、压力分布等流动参数。
这些参数可以反映流体的流动规律和特性。
根据数值模拟结果，可以得出以下结论：1. 偏心环空幂律流体的速度分布受到环空结构的影响，不同位置的流速存在差异。
2. 偏心环空幂律流体的压力分布也受到多种因素的影响，包括流体的物理性质、环空结构以及流动条件等。
3. 在一定条件下，偏心环空幂律流体会出现湍流现象，需要采取相应的措施进行控制和优化。
偏心效应对赫巴流体环空流动特性的影响
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｈｙｄｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｔｈｅｏｒｙ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ ｅｑｕａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｎ⁃Ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ， ａ ｓｙｓｔｅｍａｔ⁃
ｉｃ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ Ｈｅｒｓｃｈｅｌ⁃Ｂｕｌｋｅｌｙ ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｉｅｓ ｉｎ ａｎｎｕｌｕｓ ｔｏ ｉｄｅｎ⁃
ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｓｓ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｒｅｇｒｅｓｓｅｄ ｗｉｔｈ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ， ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｆｌｕｉｄ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｓ ａｒｇｕｍｅｎｔｓ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ； ａｎｎｕｌｕｓ； Ｈｅｒｓｃｈｅｌ⁃Ｂｕｌｋｌｅｙ ｆｌｕｉｄ； ｆｒｉｃｔｉｏｎ； ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
ｍｕｍ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｐｒｏｆｉｌｅ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ Ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｒｕｌｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｅｘｉｓｔｉｎｇ
ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ Ｍｏｒｅｏｖｅｒ， ｅｄｄｙ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ⁃ｓｔｒａｉｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｆｏｒ ｗｅｌｌ ｗａｌｌ， ｄｒｉｌｌ
Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ Ｈｅｒｓｃｈｅｌ⁃ｂｕｌｋｌｅｙ Ｆｌｕｉｄ Ｆｌｏｗ ｉｎ Ａｎｎｕｌｕｓ
Ｚｈａｎｇ Ｊｉｎｋａｉ １，２ Ｚｈｏｕ Ｓｈｉｍｉｎｇ ｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； ２ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ （ Ｂｅｉｊｉｎｇ） ）
椭圆井眼偏心环空赫巴流体平板层流模型
石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY2020年第48卷第12期— 27 —V 钻井技术与装备A椭圆井眼偏心环空赫巴流体平板层流模型*徐生江1刘可成1姚旭洋1周 俊1王贵2汤 明2(1.中国石油新疆油田分公司工程技术研究院 2.西南石油大学石油与天然气工程学院)*基金项目：中国石油天然气股份有限公司项目“复杂地质目标降低成本钻井关键技术研究与应用”(2017E-0413)。
徐生江，刘可成，姚旭洋，等.椭圆井眼偏心环空赫巴流体平板层流模型.石油机械，2020, 48 (12) : 27-34.摘要：在定向井和水平井钻井过程中，由于岩石和地应力的各向异性，易形成非规则圆形井 眼，导致井底压力难以准确预测。
鉴于此，建立了基于平板层流假设的椭圆井眼偏心环空赫巴流体层流流动压降模型，开展了椭圆井眼偏心环空赫巴流体层流流动CFD 仿真模拟，并利用仿真结果对平板模型进行验证，同时系统分析了环空几何参数、流体流变参数和流量等对压降梯度的影响规律。
分析结果表明：压降梯度随流量、屈服值和稠度系数的增大呈拟线性或线性增加，随环空内外径之比和流性指数呈指数性增大，随井眼长短轴之比和偏心率的增大而降低；椭圆井眼对压降影响大于圆形井眼；平板模型预测结果与CFD 模拟结果符合较好，误差仅为±5%。
建立的椭圆井眼偏心环空平板层流模型为准确便捷预测椭圆井眼中的井底压力提供了理论依据。
关键词：椭圆井眼；偏心环空；赫巴流体；平板模型；层流流动中图分类号：TE21文献标识码：A DOI ： 10. 16082/j. cnki. issn. 1001-4578. 2020. 12. 005Plate Laminar Flow Model of Herbert Fluid in EccentricAnnulus of Elliptical WellboreXu Shengjiang 1 Liu Kecheng 1 Yao Xuyang 1 Zhou Jun 1 Wang Gui 2 Tang Ming 2(1. Engineering Technology Research Institute qf PetroChina Xinjiang Oilfield Company ； 2. School of Petroleum and Natural GasEngineering ，Southwest Petroleum University )Abstract : During the process of drilling directional and horizontal wells , due to the anisotropy of rock and in situ stress ， it is easy to form irregular circular borehole ， which makes it difficult to accurately predict the bottom hole pressure. In order to accurately predict the flow pressure drop in elliptical wellbore , a laminar flow pressure drop model of Herbert fluid in eccentric annulus of elliptical wellbore is established based on the assumption of platelaminar flow. The CFD simulation of laminar flow of Herbert fluid in eccentric annulus of elliptical well is carried out. The simulation results are used to verify the flat plate model. Meanwhile , the geometric parameters of annulus , fluid rheological parameters and flow rate are analyzed systematically to find out the influence law of pressure drop gradient. The results show that : the pressure drop gradient increases exponentially with the increase of flow rate ,yield value and consistency coefficient ， exponentially increases with the ratio of inner and outer diameter of annulus and fluidity index , and decreases with the increase of ratio of long and short axes and eccentricity ; the influence of elliptical hole on pressure drop is greater than that of circular hole ; the prediction results of flat plate model are ingood agreement with CFD simulation results , and the error is only ± 5%. The established plate laminar flow model of eccentric annulus in elliptical wellbore provides a theoretical basis for accurate and convenient prediction of bot tom hole pressure in elliptical wellbore.Keywords : elliptical wellbore ； eccentric annulus ； Herbert fluid ； plate model ； laminar flow—28—石油机械2020年第48卷第12期0引言在定向井和水平井钻井中，钻柱所受重力方向与井眼轨迹不一致，将不可避免地导致钻柱贴靠在下井壁，形成偏心环空［1-3］o地层岩石是具有各向异性的弹塑性介质，再加上地应力的非均匀性，使井眼由圆形变为椭圆形⑷。
第5小组 小井眼井循环压力损失特殊性和计算方法
一、小井眼井循环压力损失特殊性
2、小井眼井与常规井的区别
（5）小井眼钻井中，由于环空压耗的增大，裸眼井段 高粗糙度对小井眼环空压耗的影响很大，不可忽略。
1.1.1 赫-巴流体偏心环空螺旋流压力梯度计算方法 因为平均流速定义为 从而有可知赫-巴流体偏心螺旋流的压力梯度方程为
二、小井眼井循环压力损失的计算方法
1.1.2宾汉流体和幂律流体压力梯度计算方法
上面的方法得到了赫-巴流体偏心环空螺旋流压力梯度 计算方法，而宾汉流体和幂律流体作为赫-巴流体的特殊情 况，可以利用赫-巴流体的计算方法计算其环空压耗。
对于小井眼钻井，需要考虑钻柱的旋转效应、偏心效应 和钻柱接头的影响，可以用下面的公式表示小井眼紊流数学 模型：
二、小井眼井循环压力损失的计算方法
1.2 紊流流态时小井眼环空压耗计算方法
（1）旋转对循环压耗 的影响因子Ft的计算公 式为：
雷诺数为其它值时，线性插值计算 Ft，适用范围： 41 ≤ Ta ≤800， Ta ≤41时，Ft=1。 Ta 的计算公式为：
则考虑了钻柱偏心、旋转、钻具接头影响的层流流态的环 空压耗计算公式为
二、小井眼井循环压力损失的计算方法
1.2 紊流流态时小井眼环空压耗计算方法
由于紊流流动的复杂性与无序性，用解析的方法来研究其流 动既不可能，同时实际作用也不大，所以对于紊流流动的压耗 选择在常规压耗计算公式的基础上加入修正系数来进行计算。
小井眼井循环压力损失特殊性 和计算方法
基于计算流体动力学的偏心环空流场数值模拟
基于计算流体动力学的偏心环空流场数值模拟
魏淑惠;张长海;陈皖;支树洁
【期刊名称】《东北石油大学学报》
【年(卷),期】2007(031)006
【摘要】在流体计算软件PHOENICS的VR编辑环境中,建立了偏心环空流场几何模型.采用三维均匀正交网格,应用湍流模型和壁面函数法处理固壁边界,在不同偏心度的情况下对流场进行计算,分析了偏心度对偏心流场速度分布和压力损失的影响.将量纲为1的压降模拟结果,与文献[11]给出的不同偏心度时偏心环空流的量纲为1压力PR计算表达式结果进行对比,其结果吻合较好.
【总页数】4页(P62-64,80)
【作者】魏淑惠;张长海;陈皖;支树洁
【作者单位】大庆石油学院,数学科学与技术学院,黑龙江,大庆,163318;大庆石油学院,数学科学与技术学院,黑龙江,大庆,163318;大庆石油学院,石油工程学院,黑龙江,大庆,163318;大庆石油学院,石油工程学院,黑龙江,大庆,163318
【正文语种】中文
【中图分类】TE873;O357.1
【相关文献】
1.幂律流体偏心环空螺旋流流场数值模拟分析 [J], 韩洪升;王春光;付金辉;姚洪英
2.基于拟谱法的偏心环空流动模拟 [J], 李宾飞;王冠华;李兆敏;贺占国;魏颂东;张洪强
3.基于赫巴流体的偏心环空波动压力数值模拟 [J], 郭宇健;李根生;宋先知;田守嶒;王梦抒
4.基于相场法的偏心环空注水泥顶替过程数值模拟 [J], 魏凯;褚冰川;包莉军;楚恒智;栾家翠;易思琦
5.基于fluent紊流幂律流体偏心环空数值模拟研究 [J], 姜瑞海;张晨;肖炜
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偏心环空螺旋流动数值模拟研究
偏心环空螺旋流动数值模拟研究发布时间：2021-12-22T06:48:30.325Z 来源：《科学与技术》2021年第29卷20期作者：张佳亮马思达康也郝敏[导读] 螺杆泵采油过程中，抽油杆常因流体的剪切作用力而产生张佳亮马思达康也郝敏(沈阳化工大学辽宁省沈阳市 110000)摘要：螺杆泵采油过程中，抽油杆常因流体的剪切作用力而产生除自转以外的公转运动即行星运动。
环空幂律流体的螺旋流动导致环空采出液输运受阻、抽油杆偏磨等问题。
本文基于FLUENT模拟了偏心环空幂律流体在抽油杆做行星运动对环空流场的扰动，结果表明：随着偏心距的增加，环空宽侧间隙轴向流速，环空内产生二次流现象，且现象加剧，环空压降呈曲线下降。
1.绪论螺杆泵采油过程中，环空内抽油杆的自转导致抽油杆和油管壁面产生压强差，致使环空内产生二次流现象[1]，对环空压降损耗、流体输运有显著影响。
庞博学[2]针对环空内螺旋流动进行模拟，结果表明抽油杆自转和公转同向与反向对环空二次流的影响并不相同。
李朋银[3]针对偏心环空螺旋流动进行模拟，认为内杆与外管同时自转时，二次流的涡心不仅只有一个。
鉴于抽油杆做行星运动对环空流场扰动部分影响因素尚不明确，本文采用FLUENT动网格和UDF相结合的方法，系统分析了偏心距对环空流场的扰动。
2.环空模型与数值模拟模拟螺杆泵采油时，幂律流体的n=0.6，k=0.4Pa·s，密度865kg/m3。
环空模型总长度3000mm，环空外径80.52mm，内径36mm。
为保证抽油杆高速转动时内壁面的网格精度不降低，对抽油杆的外壁面划分出一层厚度为2mm的网格。
使用UDF指定抽油杆壁面的网格做行星运动，其它区域采用重构法更新网格。
所有壁面均设置为无滑移壁面条件，进口流速为0.6m/s，出口为大气压条件。
模拟偏心环空幂律流体的流动时，做出如下假设:幂律流体的温度保持不变；幂律流体为单一物相不可压缩流体；抽油杆、油管壁面均无滑移。
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件下进行数值模拟计算和分析 ， 得到 了不同参数下 的赫一 巴流体 偏心环 空流场特 性。给 出了偏心度、 稠度 系数、 动切 力等主 要 因素对速度和压力分布 影响的规律性。结果表明， 偏心度对偏心环 空流场 的速度分布 影响很 大， 而稠度 系数和动切力对流速 影响不是 很大， 对轴 向压力的影响较大。数值模 拟对钻 井工程 以及其他领域 中此类问题具有现实意义。
（ （ ）＝ ｐ ）＋ ｏ
１３ 动量方 程 ．
（） ２
具有 借鉴 作用 。
（ ） （ ＝（Ｏ＋［Ｏ一 （ ｐ ＋ ＯＦｕ ＦＵ Ｏ３ ｔ ｔ ２ ０ ￣ ） ）ｙ ｘ 、 ）
１ 基本方程
１ １ 本 构 方 程 ．
击 删十（ ＝（ ）０ 一 （ （ ） ） ＋［ａ ４ ｐ Ｆ ）ｐ ） ｙＯ ８ ＼歹 Ｖ
关键词
赫－ 巴流体 Ｔ ２ Ｅ４
偏心环空
数值模拟 Ａ
ＦＵ Ｎ ＬＥ Ｔ
中图法分类号
文献标志码
偏 心 环空 中的流体 流动 问题 非常 复 杂 ， 究偏 研 心环 空 中 的流 体 流 动 规律 主要 依 靠 实 验归 纳 法 和 半解 析 半 数 值 模 拟 的 方 法 ¨ ， ｎｄ ｒ ］ Ｔ ｓｎ３、 ］ Ｓ ｙｅ 【 、 ｏｕ ［ ２ ］ Ｊｎｓｎ 等通 过 理 论 和 实 验 研 究 了偏 心 环 空 流 场 ｏ ｓｏ 中层 流和湍 流的摩 阻 问题 ； ａ ａ ａ 给 出 了一个 适 Ｙ ｍ ｄ 用 于小 间隙环 空并 在忽 略环形 管 曲率 、 雷诺 数 大 于 １ ０ ００ ０时计算 摩擦 压 降的 半经 验半 理 论关 系 式 ； 陈
Ｏ ｘｋ 。
１ ５ 能量 耗 散方程 ． （ｕ ｐ ）＋ ０（ ）＝ ３
（Ｏ＋ｙ ＋ Ｆ ） ｏｒ￣ ＼ａ Ｓ （ ） ＿
＼
ＴＢ＝ ａ 在 Ｒ ８０ ０的条 件 下对 不 同偏 心 度 的 Ｈ ５Ｐ ， ｅ＝ ０ 环 空流场 进行 了计 算 ， 速度 分布 云 图如 图 ２所示 ， 速
÷（ ｌ Ｃｐ ） ＣＧ— ２
（） ６
度沿 径 向变化 情况 见 图 ３ 轴 向压力 分布情 况 如 图 ４ ，
所示
式 （） ； ｋ／ 为单 位质 量湍 动 能 ， ｓ； 、 别 为轴 向 ｇｍ ； Ｉ ／ Ｍ 分 ｎ
和径 向速 度 ， ／ ； 流体 的分 子 黏性 系数 ； 为 单 ｍｓ 为 位质 量 能 量 耗 散 率 ， ｓ ； ｍ ／ 、 分 别 为 有效
家 琅 、 永建 、 湘安 等 对 偏 心 环 空 中钻 井 液 螺 刘 岳
旋流 以及 钻 井 液 携 带 岩 屑 时 的 两相 流 问题 进 行 了
偏 心环 空 流 动 的 数 值 计 算 中假 设 计 算 流 场 为
定常、 等温 流 场 ， 数 值 计 算 时紊 流 计 算 模 型 仍 采 在
ｊ ０ ，
＝
当 ｒ ÷ｒ 厶 ＜ ｔ
（） １
［１ Ｉ ＋ （） 一
ｌ为 Ａ 的第二 不变量 。 Ｉ ，
当 ＜ 争 ｒ 。 ２
式 （ ） ７ 为屈 服应力 ； １ 中，。 ＿ Ｋ为稠度 系数 ； 为流 性指 ｒ ｔ 数； Ｔ为偏 应力 张量 ； ， Ａ 为一 阶夫 林 一 埃里 克 森张 量 ；
用 ｋ６ 方 程 ， 三 维 直 角 坐 标 中 ， 应 的 控 制 方 － 在 相
程 为 ， 。
１ ２ 连续 性方 程 ．
半解 析半数 值模拟 的研 究 ， 钻井 液 和 水 泥浆 等 流体
大都 属于 赫． 巴流体 ， 目前 对 赫 ． 而 巴流 体 的研 究 非 常少见 ， 现针 对赫一 巴流体 在偏 心环 空 中 的流动 问题 应用 Ｆ Ｕ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ数值模 拟 的方 法对其 流 动规律进 行研 究， 对今 后钻 井工程 中遇 到 的液 体 流 动 问题 的研 究
第 １卷 １
第２期 １
２ １ 年 ７月 ０１
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ， １ Ｎｏ２ Ｊ ｌ ０ １ ｌ １ ． １ ｕｙ２ １
１７ — １１ （ ０ １ ２ — １２ ０ ６ １ ８ ５ ２ １ ） １５７ —５
Ｓ ｉ ｎ ｅ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｇｎ ｅ ｉ ｇ ｃｅ ｃ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｒ ｎ
１４ 动 能方程 ． ’
赫 巴流体 本构 方程如 式 （ ） Ｉ １。
２１ ０ １年 ４月 ６ 日收到
击 ＋（ ＝、拟＋＼谚＋一 （ ） ）Ｏ Ｏ ｒｋ Ｇ Ｐ ｋ ｏ Ｏ ｔ）ｉ） Ｆ
（） ５ 式（） ５ 中
第 一 作 者 简 介 ： 淑 惠 （９ ８ ）， ， 魏 １６ 一 女 副教 授 ， 士 ， 北 保 定 人 ， 硕 河 研 究 方 向 为计 算 数 学 、 算 流 体 力 学 。 Ｅｍａ ： ｅ ｈ ｈ ｉｄ ＠ ｓ ａ 计 — ｉ ｗ ｉ ｕ ｕ— ｑ ｉ ． ｌ ｓ ｎ
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Ｇ （（，（ ‘（＋） ＝ ２Ｏ ＋ ）＋ 【Ｕ 考 】嚣 ） １ ２
魏淑惠 ， ： 一 等 赫 巴流 体 偏 心 环 空 紊 流 的数 值 模 拟
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压力 ， 以此 来修 正压 力场 和速 度场 。
３ １ 偏 心 度对流 场 的影 响 ． 设 出 口压 力 为 ０， 凡：０ ６ Ｋ ＝ ． ５Ｐ ｓ ． 取 ． ， ０ ４ ａ・
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２ １ ＳｉＴ ｃ． ｎｎ． ０ ｃ ｅｈ Ｅ ｇｇ １ ．
赫 一 流 体 偏 心 环 空 紊 流 的 数 值 模 拟 巴
魏淑 惠 朱 云伟 赵 艳 红
（ 北 石 油 大学 ， 庆 １３ １ ） 东 大 ６３ ８
摘
要
针对钻井工程 中经常遇见 的钻井液、 水泥浆等赫－ 巴流体在偏心环 空中的复杂流动问题， 应用 Ｆ Ｕ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ软件在紊流条