連續管鉆井系統摩阻研究

李世昌

(東北石油大學 黑龍江 大慶 163318)

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連續管鉆井系統摩阻研究

李世昌

(東北石油大學 黑龍江 大慶 163318)

連續油管簡稱又稱撓性油管、盤管，自年代開始應用于石油工業，連續管鉆井技術是九十年代以后研究和開發的一項新技術。連續管鉆井主要適用于老井加深、鉆新井、定向井、老井側鉆水平井以及欠平衡連續油管鉆井等。由于連續管管徑小、流阻大等特點，系統性地研究連續管鉆井系統摩阻壓降已迫在眉睫[1]。本文通過相似準則建立模型，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行比較分析[2]。根據所得公式，對其進行案例分析，最終得到壓耗損失分布。

連續管；泡沫；相似準則；摩阻壓降；計算公式；壓耗損失

引言

連續管鉆井技術是一項安全、先進、有效的新技術，具有占地面積小、作業成本低、安裝搬遷方便且能保護油氣層增加油氣產量等顯著優點，在常規油氣資源和非常規油氣資源開發中均產生了顯著的經濟效益，受到廣泛關注。然而連續管鉆井循環壓耗計算是連續管鉆井水力學設計關鍵，對于連續管的直管段常規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，產生二次渦流，稱為DeanVortices效應，它對流體的阻力很大，其壓降遠大于流經直管中的壓降，常規流體壓降計算方法已經不能適用于連續管鉆井中。因此本文通過對模型的研究，建立了連續管循環壓耗計算方法并對其規律進行了分析，為連續管鉆井水力參數設計和施工提供了理論指導[3]。

一、模擬所得壓耗計算公式

根據所設計的幾何模型，根據流體力學的理論研究，選擇在不同管段，不同流態下的流體公式模型。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的流動。

(一)牛頓流體模型[5]

當牛頓流體在直管段流動時，其雷諾數的計算表達式為:

Re=ρvdt/μ

(1)

式中，ρ為流體密度，kg/m3；ν為流體流速，m/s；dt為連續管內徑，m；μ為流體粘度，Pa·s。

牛頓流體在直連續管內做層流流動時的摩阻系數為：fST=64/Re

(2)

牛頓流體在直連續管內做紊流流動時的摩阻系數為：

fST=0.3164/Re0.25(管內壁光滑)

(3)

(4)

式中，ξ為連續管絕對粗糙，m；ξ/dT為相對粗糙度。

(5)

式中，L為連續管長度，m。

(6)

式中，L為連續管長度，m。

(7)

當Re

(8)

當Re>Reer時，流動為紊流，其流動摩阻系數為：

(9)

(10)

(二)冪律流體模型

冪律流體在直連續管內流動時，其雷諾數為：

(11)

式中，K為稠度系數，Pa·sn；n為流變指數，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。

冪律流體在直連續管內做層流流動時的摩阻系數為：fST=64/ReC

(12)

(13)

(14)

二、螺旋管段摩阻系數的比較

為了驗證本文中提出的這套摩阻系數公式，精選適用性較強的公式(表1)與本文中提出的公式進行對比，表1中列出了與其各摩阻系數公式的偏差數值。可以看出：在所有選取的計算點上，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螺旋段摩阻系數對比偏差

注：表中R，r單位為毫米

三、結論

本文利用相似原則通過對連續管進行模擬，設定連續管構造，并對相關參數進行合理設計，建立流體在連續管的直管段和螺旋管段不同的流動狀態的公式，再對螺旋段不同的摩阻系數的公式進行對比，并且二次流能夠強化紊動趨勢，迪恩渦旋不會因為紊流內部的脈動增強而受到耗散和削弱。螺旋段的摩阻壓耗較相同狀況下直管段的大。通過所得公式進行算例分析，最終得到摩阻分布。

[1]劉清友,瞿丹,黎偉.連續管鉆井技術在國內非常規氣開發中的應用.石油機械2011(9):94-95

[2]練波,練章華,程文，等.連續管流體特性參數分析軟件開發及應用.石油機械2015(7):80-85

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

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

[5]蔡子龍；連續油管鉆井內部流動分析

李世昌(1992-)，男，碩士研究生,東北石油大學,方向：油氣井方向。