连续管钻井系统摩阻研究

李世昌

(东北石油大学 黑龙江 大庆 163318)



连续管钻井系统摩阻研究

李世昌

(东北石油大学 黑龙江 大庆 163318)

连续油管简称又称挠性油管、盘管，自年代开始应用于石油工业，连续管钻井技术是九十年代以后研究和开发的一项新技术。连续管钻井主要适用于老井加深、钻新井、定向井、老井侧钻水平井以及欠平衡连续油管钻井等。由于连续管管径小、流阻大等特点，系统性地研究连续管钻井系统摩阻压降已迫在眉睫[1]。本文通过相似准则建立模型，并分别在直管段、螺旋管段，牛顿、非牛顿流体，层流、紊流情况下，基于理论研究给出计算摩阻压降的计算公式，并与其他适合螺旋管段公式进行比较分析[2]。根据所得公式，对其进行案例分析，最终得到压耗损失分布。

连续管；泡沫；相似准则；摩阻压降；计算公式；压耗损失

引言

连续管钻井技术是一项安全、先进、有效的新技术，具有占地面积小、作业成本低、安装搬迁方便且能保护油气层增加油气产量等显著优点，在常规油气资源和非常规油气资源开发中均产生了显著的经济效益，受到广泛关注。然而连续管钻井循环压耗计算是连续管钻井水力学设计关键，对于连续管的直管段常规压降计算公式可以满足其基本计算要求，而对于螺旋管段，由于径向作用力之间的不平衡，产生二次涡流，称为DeanVortices效应，它对流体的阻力很大，其压降远大于流经直管中的压降，常规流体压降计算方法已经不能适用于连续管钻井中。因此本文通过对模型的研究，建立了连续管循环压耗计算方法并对其规律进行了分析，为连续管钻井水力参数设计和施工提供了理论指导[3]。

一、模拟所得压耗计算公式

根据所设计的几何模型，根据流体力学的理论研究，选择在不同管段，不同流态下的流体公式模型。主要分对直管段和螺旋管段的研究，牛顿和幂律流体两种流体模型，并且分流体在层流和紊流两种状态的流动。

(一)牛顿流体模型[5]

当牛顿流体在直管段流动时，其雷诺数的计算表达式为:

Re=ρvdt/μ

(1)

式中，ρ为流体密度，kg/m3；ν为流体流速，m/s；dt为连续管内径，m；μ为流体粘度，Pa·s。

牛顿流体在直连续管内做层流流动时的摩阻系数为：fST=64/Re

(2)

牛顿流体在直连续管内做紊流流动时的摩阻系数为：

fST=0.3164/Re0.25(管内壁光滑)

(3)

(4)

式中，ξ为连续管绝对粗糙，m；ξ/dT为相对粗糙度。

(5)

式中，L为连续管长度，m。

(6)

式中，L为连续管长度，m。

(7)

当Re

(8)

当Re>Reer时，流动为紊流，其流动摩阻系数为：

(9)

(10)

(二)幂律流体模型

幂律流体在直连续管内流动时，其雷诺数为：

(11)

式中，K为稠度系数，Pa·sn；n为流变指数，无因次。

如果ReG≤3470-1370n，则流动为层流；如果3470-1370n4270-1370n,则流动为紊流。

幂律流体在直连续管内做层流流动时的摩阻系数为：fST=64/ReC

(12)

(13)

(14)

二、螺旋管段摩阻系数的比较

为了验证本文中提出的这套摩阻系数公式，精选适用性较强的公式(表1)与本文中提出的公式进行对比，表1中列出了与其各摩阻系数公式的偏差数值。可以看出：在所有选取的计算点上，层流时与Srinivasan公式偏差最小(最小偏差0.06%)，与Mishra&Gupta公式偏差次之；紊流时同样与Srinivasan公式偏差最小(最小偏差0.03%)，与White公式偏差次之，与Guo公式偏差稍大。

表1 CT螺旋段摩阻系数对比偏差

注：表中R，r单位为毫米

三、结论

本文利用相似原则通过对连续管进行模拟，设定连续管构造，并对相关参数进行合理设计，建立流体在连续管的直管段和螺旋管段不同的流动状态的公式，再对螺旋段不同的摩阻系数的公式进行对比，并且二次流能够强化紊动趋势，迪恩涡旋不会因为紊流内部的脉动增强而受到耗散和削弱。螺旋段的摩阻压耗较相同状况下直管段的大。通过所得公式进行算例分析，最终得到摩阻分布。

[1]刘清友,瞿丹,黎伟.连续管钻井技术在国内非常规气开发中的应用.石油机械2011(9):94-95

[2]练波,练章华,程文，等.连续管流体特性参数分析软件开发及应用.石油机械2015(7):80-85

[3]张晋凯,李根生,黄中伟,等.连续油管螺旋段摩阻压耗数值模拟.中国石油大学学报.2012,36(2):115-118

[4]窦以松，何希泰；管路摩擦阻力系数的计算方法水利学报，1995-7(7);

[5]蔡子龙；连续油管钻井内部流动分析

李世昌(1992-)，男，硕士研究生,东北石油大学,方向：油气井方向。