环空宾汉流体流量对顶替效率的影响规律研究.pdf

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1、第13卷第26期2013年9月科学技术与工程Vo1．13No．26Sep．20131671—1815(2013)26—7785—03ScienceTechnologyandEngineering⑥2013Sci．Tech．Engrg．环空宾汉流体流量对顶替效率的影响规律研究尹虎赵建国李黔(西南石油大学石油工程学院，成都610500)摘要固井时水泥浆常常采用宾汉流体模型，因此许多学者对宾汉流体性质及流态做了大量的数值模拟研究，然而排量对顶替效率的影响规律的数学解析方程推导还未见报道。本文根据宾汉流体在环空中的层流流动特性推导出

2、了顶替效率与注水泥的排量关系式，并且计算了不同流量情况下的顶替效率大小，计算结果表明：流量越大顶替效率越高，并且呈现线性关系，适当提高水泥浆的流量能够有效提高顶替效率，推出的流量与顶替效率的关系式对固井工程设计具有较大的指导意义。关键词顶替效率宾汉流体环空水泥浆泥浆中图法分类号TE257．6；文献标志码A流体流量的大小决定着流体的速度分布，流速环空水泥顶替剖面图。其中R为环空内径，R为环决定流体的剪切应力分布J，最终影响着流体的顶空外径。替效率，而顶替效率影响着油气井的固井质量，在固井工程中对流体流动状态唯一可控的施工因素便

3、为水泥浆的流量，因此研究流体流量的大小对顶替效率的影响规律意义重大。许多学者对宾汉流体本身性质及不同流态对顶替效率的影响规律进行了研究j，目前还未见流体流量对环空的顶替效率影响的具体规律和数学解析解研究，本文在宾汉流体的基础上，推导出了流体流量与环空顶替效率的关系式，计算了不同流量情况下环空顶替效图1环空水泥浆顶替剖面图率的大小。1流体流动模型的建立2环空顶替效率与流量的关系式推导由参考文献[9]可知，顶替效率首先假设：①直井、水泥浆与泥浆直接接触；②泥浆和水泥浆均属宾汉流体，层流顶替，且顶替过程中壁面无滑移；③忽略界面处的

4、混搀、扩散及水泥浆、钻井液接触后的化学作用等因素对顶替流动c+，[kPg—P+一R】Jdlg的影响；④流体不可压缩、无热交换。图1为f(一R)02013年5月7日收到，5月17日修改国家重大科技专项项目(1)(2011ZX05021--006)资助式(1)中：R为环空内径，m；为环空外径，m；叼第一作者简介：尹虎(1978一)，男，四川南充人，讲师，博士，研究为顶替效率，％；Ap／AL为压力梯度，Pa／m；oi为动方向：油气井工程。E—mail：yinhu@swpu．edu．cn。7786科学技术与工程13卷切力，Pa；为水

5、泥浆密度，kg／m；为泥浆密度，kg／m；g为重力加速度，N／kg；为剖面周向角，rad。田s=(R2-由式(1)可知，在环空外径、环空内径、密度、泥3gcp—P浆动切力在井底为常数，因此压力梯度直接影响着R~)2]一顶替效率的大小。根据参考文献[10]所述：由于钻完井工程中的流量很小，因其压力梯度公式比较精3+(5)g(R一R)(P一P)。、确，其中式(3—108)可知对比式(3)、式(4)可知，式(4)中仅有流量为Ap=变量，其余的参数均为常数。因此在其他参数为常[2+尺)JJ数的情况下，环空顶替效率仅受到流量的影响。3

6、流量对顶替效率的影响实例分析3]设初始数据：环空外径R：=0．10795m，环空外径1=0．06985m，塑性黏度叼B=0．03Pa．S，丁o：6Pa，0i=30Pa，盯=3．14，g=9．8N／Kg，P=I300式(2)中：r／。为塑性黏度，Pa·s；Q为流量，111／s。kg／m，P=1200kg／m。将数据代人式(5)整理得式(2)可推出压力梯度ap／aL与流量Q的的关'7s=11．8714Q∞+0∞．0跚769∞如∞加0(6)对不同流量情况下的顶替效率进行了计算，计算结果如图2所示。24棚[2一(R。+R)1JI／一

7、／△}3霄～／褥]l／{j缸匿(3)由式(1)、式(3)可以得出顶替效率／叼S00020040O6O0824脚『．水泥浆流量／(m3·-)一8lI埘∞]图2流量与顶替效率关系图¨一R1)一2r0i由图2可知，环空顶替效率随着水泥浆的流量增加而提高，理想情况下，当流量增加到一定时泥+R2一R浆的顶替效率可超过100％，由于本公式适用于与一hg宾汉流体层流状态，因此流体速度有限制，而流体JJ0-R)速度又决定了水泥浆的流量，由参考文献[10]可知(4)Re叼B一—．．r1、一pDF()对式(4)积分整理可得式(7)中：l，为流体

8、速度，m／s；Re为雷诺数，1；D为环空间隙，in；F()为常量，1。26期尹虎，等：环空宾汉流体流量对顶替效率的影响规律研究7787众所周知，层流分界线雷诺数尺e≤2320，并且规律．石油学报，2005；23(2)：87—912彭明旺，夏宏南，陶谦，等．利用壁面剪应力提高固井水泥浆顶环空