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1、Thesis for the Master degree in EngineeringAnalysis of Frictional Resistance of Drilling and Grinding Bridge Plug and Calculation of Hydraulic Parameter forCoiled TubingCandidate: Xiao BingTlitor: Liu JubaoSpecialty: MechanicsDate of oral examination: 21st May. 2016University: Northeast Petroleum Un
2、iversity东北石油大学硕上研宄生学位论文钻磨桥塞的连续油管摩阻力分析及水力学参数计算摘要近年来，随着常规油气藏改造及非常规油气藏开发需求的增加，连续油管水平井分 段压裂技术得到了迅速发展。但连续油管由于直径小、弯曲刚度低、重量轻等因素，在 井下作业时会存在很多不利因素，其一是连续油管的下入深度和施加钻压受到限制，特 别是在水平井段的下入深度和施加钻压明显低于常规油管柱；其二是连续油管运送介质 的排量和压降受到限制，使得对排量要求较大的作业难以实施。为此，本文主要针对连续油管输送桥塞射孔、压裂、钻塞一体化工艺技术中的连续 油管下入、钻磨工况展开研究，考虑连续油管及井下工具结构和空间形态下的
3、管流、环 空流压降计算公式，通过对现有管柱与环空压降计算公式分析，采用数值模拟、现场实 验数据对现有公式进行验证和修正，得到连续油管及工具在不同结构和空间形态下的管 流、环空流压降计算公式，为连续油管井下作业流体压降计算提供了更加完整、可靠的 计算公式。建立了连续油管下入、钻磨桥塞的力学模型，考虑并推导连续油管在井下受 到的流体摩阻力、局部机械阻力、以及在管内和环空变径处的阻力等计算公式。基于连 续油管的受力模型和计算方法，编制了连续油管力学分析软件，通过分析连续油管极限 下入深度影响因素，得到了典型工况下连续油管的极限下入深度。通过3 口井29组实验数据与理论公式计算结果的对比，误差均在5%
4、以内，表明了 所建力学模型和软件的正确性。通过连续油管在不同速度、不同排量及不同井底钻压的 典型工况计算，得到了连续油管在不同工况下的极限下入深度最大可达到5200m，水平 段长度为3700m，最小极限下入深度达到1675m，水平段长度为175m，为现场施工提 供了理论依据。关键词：连续油管，下入深度，力学分析，流体摩阻力，局部机械阻力东北石油大学硕士研究生学位论文Analysis of Frictional Resistance of Drilling and Grinding Bridge Plug andCalculation of Hydraulic Parameter for Coi
5、led TubingABSTRACTIn recent years, with the increase in the transformation of conventional and unconventional reservoirs reservoir development needs, coiled tubing horizontal well fracturing technology has been developing rapidly. However, due to the small particle size of coiled tubing, low bending
6、 stiffness, light weight and other factors, there will be a lot of negative factors in underground operations, one is that the depth and pressure of the coiled tubing are limited, which is especially significantly lower than conventional tubing string in the horizontal section; and the other is that
7、 the displacement and the pressure drop of the coiled tubing conveying medium are limited, which makes it difficult to carry out the operation with large displacement.For this purpose, this paper mainly studies into the running-in, drilling and grinding conditions of coiled tubing for integration pr
8、ocess technology of perforating, fracturing and drilling plug for coiled tubing. The calculation formula of pipe flow and annular flow pressure drop under the structure and space shape of coiled tubing and downhole tools are considered. The calculation formula of the pressure drop between the tube a
9、nd the annular space is analyzed, and the existing formulas are verified and modified by numerical simulation and field experimental data, the calculation formula of pipe flow and annular flow pressure drop under different structure and space form is obtained, which provides a more complete and reli
10、able calculation formula for the calculation of pressure drop in the downhole operation of coiled tubing. Based on the mechanical model of coiled tubing, the mechanical model of drilling and grinding bridge is established, and the calculation formulas of frictional resistance, fluid frictional resis
11、tance, local mechanical resistance and force in the tube and annulus adjustable are considered. Based on the force model and calculation method of coiled tubing, the mechanical analysis software of coiled tubing is developed. By analyzing the influencing factors of the depth of the limit of the coil
12、ed tubing, the limit depth of the coiled tubing under typical operating conditions is obtained.Through the comparison of 3 groups of experimental data and theoretical formula calculation, the error of 29 sets of experimental data is less than 5%, which shows the correctness of the model and the soft
13、ware. By calculating the typical working conditions of the coiled tubing at different velocities, different discharge and different WOB, the maximum depth of the coiled tubing under different conditions can reach 5200m, with the horizontal segment length being 3700m, and the minimum is 1675m, with t
14、he horizontal segment lengthm东北石油大学硕士研究生学位论文being 175m, which provides a theoretical basis and guidance for the field construction.Keywords: coiled tubing, depth, mechanics analysis, fluid frictional resistance, local mechanical resistanceIV东北石油大学硕士研宄生学位论文创新点摘要1. 依据现有的卷筒、直井段、局部变截面管流以及直井段环空流压降计算公式， 验
15、证和完善了数值模拟计算模型，并基于数值模拟结果对不符合实际工况的压降计算公 式进行修正，得到了弯曲井段管流与环空流、局部变截面环空流的压降计算公式。2. 建立了连续油管在井筒内的受力模型，考虑了连续油管在井筒内受到的流体摩 阻力、流体举升力及由于凹陷或凸起产生的局部机械阻力对油管受力影响，并推导了计 算公式。3. 基于连续油管的受力模型和计算方法，编制了连续油管力学分析软件，通过分 析连续油管极限下入深度影响因素，得到了典型工况下连续油管的极限下入深度。v东北石油大学硕上研宄生学位论文目录学位论文独创性声明I学位论文使用授权声明I!商 IIABSTRACTIll创新点摘要V胃雜11.1研究目的
16、及意义11.2管柱与环空压降研究现状11.2.1管柱与环空压降国外研究现状11.2.2管柱与环空压降国内研究现状21.3管柱力学及连续油管国内外研究现状31.3.1管柱力学国外研究现状31.3.2管柱力学国内研究现状41.3.3连续油管技术国内外研究现状51.4本论文研究主要内容6第二章连续油管及井下工具内外流体沿程摩阻分析72.1直井段管内流体压降分析72.1.1直井段流体压降理论计算公式72.1.2直井段流体压降的数值模拟分析82.1.3算例与分析102.2弯曲井段管内流体压降分析112.2.1卷筒管流压降理论计算公式112.2.2卷筒管流压降数值模拟分析122.2.3算例与分析142.2
17、.4修正公式压降计算结果分析172.3局部变截面管内流体压降分析192.3.1局部变截面流体压降理论计算公式192.3.2局部变截面流体压降数值模拟分析202.3.3算例与分析232.3.4局部变截面压降叠加计算条件242.4直井段环空流体压降分析252.4.1直井段环空流压降理论计算公式252.4.2直井段环空流压降数值模拟分析272.4.3算例与分析282.5弯曲井段环空流体压降分析292.5.1弯曲井段环空流压降理论计算公式292.5.2弯曲井段环空流压降数值模拟分析302.5.3算例与分析312.5.4修正公式压降计算结果分析332.6局部变截面环空流体压降分析352.6.1局部变截面
18、环空流压降理论计算公式352.6.2局部变截面环空流压降数值模拟分析36东北石油大学硕上研宄生学位论文2.6.3算例与分析392.6.4局部变截面环空压降叠加计算条件402.7现场实验与理论分析对比422.8 42第三章钻磨桥塞的连续油管力学分析理论443.1连续油管柱接触非线性有限元分析方法443丄1梁单元的有限元分析理论443.1.2井筒内连续油管接触非线性分析的间隙元法463_2连续油管应力分析50第四章钻磨桥塞连续油管力学模型及算例524_1连续油管力学模型524.2外载荷计算方法534.2.1连续油管内外流体作用载荷计算534.2.2井筒局部障碍阻力计算594.3连续油管力学分析软件
19、介绍624.3.1计算框图624.3.2界面介绍634.4现场数据对比分析654.4.1龙26-平28井数据对比分析654.4.2龙26-平30井数据对比分析664.4.3敖平5井数据对比分析674.5 67第五章钻磨桥塞连续油管极限下入深度影响因素分析695.1极限下入深度判别条件及影响因素705丄1连续油管循环流体泵压分析705.1.2连续油管屈曲分析705.1.3连续油管强度判定条件705.1.4连续油管施加极限钻压分析705.2泵压对极限下入深度的影响715.3下入速度对极限下入深度的影响715.3.1螺旋屈曲载荷确定715.3.2下入速度对极限下入深度影响715.4流体排量对极限下入
20、深度的影响745.5井底钻压对极限下入深度的影响775.6 79 it80#敎南犬82发表文章目录86参与完成的科研项目86至夂i射87东北石油大学硕士研究生学位论文第一章绪论1.1研究目的及意义连续油管(Coiled Tubing，简称CT)又称挠性油管、盘管或柔管。指可缠绕在大直径 卷筒上，由若干段钢带斜接在一起，经乳制成型焊接而成的无接头连续油管。这种具有 高强度、高初性特点的连续性油管，外形犹如两米多高卷起来的电缆一样，与传统油管 作业相比，连续油管技术作业周期短、工作效率高、运输方便，特别是在特殊井下工况 作业时优点明显，如不压井带压作业，能够有效保护油气储层；过油管作业，能够不用
21、起出油管等。相比传统钻井，连续油管钻井(Coiled Tubing Drilling,简称CTD)可改善钻 井工艺或降低成本(可节约25%40%的费用)，在定向钻井和欠平衡钻井方面处于技术 优势地位。图1.1连续油管钻井示意图连续油管由于直径小、弯曲刚度低、重量轻等因素，在井下作业时会存在很多不利 因素，其一是连续油管的下入深度和施加钻压受到限制，特别是在水平井段的下入深度 和施加钻压明显低于常规油管柱；其二是连续油管运送介质的排量和压降受到限制，使 得对排量要求较大的作业难以实施。为此，本文针对这些问题的部分内容开展研宄，力 图通过连续油管摩阻力、输送介质压力分析，为连续油管下入深度、施加钻
22、压、输送介 质排量分析和评价提供理论依据，确保连续油管各种井下作业安全可靠。1.2管柱与环空压降研究现状1.2.1管柱与环空压降国外研究现状在20世纪50年代Chenoweth J M和Martin M W1给出了计算气泡流、伸长的气泡流、环状流及环雾流状态下的管道压降规律公式。1958年Baker2认为在不同的流动型 态下，摩擦压降的规律是不同的，应该首先确定流动型态，然后按不同的压降公式计算， 此方法具有较广泛的适应性。在1964年Dukler3等根据相似分析，提出了“无滑动均匀 流动”形式的波状流压降规律，将流动型态等影响因素包含在阻力系数中，在计算上这 种方法比较简单。1977年Man
23、dhane4等人根据流动型态的分布特点，抓住了气、液表第一章绪论观流速这个主要因素，并且计算简单，使用方便，但缺点是没有包括流体的物理参数， 需加以校正，比较复杂。在1987年Dikken5首次提出在水平内不可忽略压降，并且根 据质量守恒，考虑了流体与管壁摩擦产生的压降，联系起油藏渗流和井筒内流量变化， 得出了关于变质量单相流压降的一个简单代数模型。Stone等人于1989年模拟沥青质油 藏渗流时，不仅运用了达西定律来描述流体流动，同时还考虑井筒内油-水和气的动量、 质量和能量平衡。Ihara等人在1993年对流体在井筒内流动进行了试验和理论研究，考 虑了油藏之间的相互作用并且考虑了加速度压降
24、，计算每段的摩擦压降和速度损失，计 算总压降。在1994年，Landman对Dikken的计算模型进行了改进，对有限井筒长度紊流情况 进行超几何函数求解得到解析解。在1995年Novy通过结合油藏渗流和井筒流动质量守 恒，提出对层流的解析法，对其他形式的紊流使用MSLFortran常规算法计算。1998年 TurhanYildiZ6等人利用质量守恒定律，给出了不可压缩流体在水平井中稳定了的压降计 算公式。MU.Yaliniz7经过研究得到了一个综合摩擦系数，是一个考虑了雷诺数、射孔 流入量与井筒总流量的比的函数。进入21世纪后，Jansen JD等人8在2003年研究得 到一个关于多变流动特点
25、的尾管完井流动模型，此模型可用数值积分或雅克比椭圆函数 迭代分析计算流量和压力的两点边界值问题。Anklam E G9在2005年通过假设井筒内流体为单相不可压缩流体稳定流动且不可 逆，均质油藏，得到了包括摩擦、加速度、重力及流体流入影响的模型。2007年，Boyun Guo等人1通过对储层流动和井筒动态的严格耦合，第一次推导出油井和气井井筒压力 分布方程。：11八011在2008年给出了关于井筒压降和储层伤害相对关系的简单函数， 并有简单的函数对井筒内的相对重要压降进行了描述。1.2.2管柱与环空压降国内研究现状国内对于管道压降计算同样进行了大量的研究。大庆油田科学研究设计院12在1975
26、年将油、气、水混合物看成均匀混掺的，可根据能量平衡方程式，推导并得到管线的压 降计算公式。在1983年陈家琅1314对油田混输管线的气液多相流动的水力特点和7种 常见的流动型态进行了阐述，对国内外常用的6种管线压降计算方法进行了综述。1997 年周生田等人1516利用气相和液相的连续性方程及动量方程，对加速度不考虑，建立了 变质量气、液两相流动的压力梯度模型。李汝勇17在1998年提出了关于压力、流量的二阶微分方程，通过求解无限长井筒 数学模型，得到水平段无因次压力分布。1999年刘想平18等人依据质量守恒定律及动 量定理考虑流体对井筒的压降影响，并把油层渗流和井筒内流体流动耦合，给出了压降
27、的数学模型。吴淑红等人19在同年引入“微元段”对井筒进行划分，得出了“管流等效 渗流模型”的井筒管流简化模型。在2000年刘想平221等人分析了渗流耦合井筒内单相变质量特性，依据质量守恒 定律和动量定理推导出裸眼完井和射孔完井压降计算公式。2003年汪志明22等人运用2东北石油大学硕士研宄生学位论文拟三维原理，提出了可以计算地层刚性渗流，弹性不稳定渗流与井筒变质量湍流耦合的 新方法。孙福街等人23在2004年对井筒内分层流型压降计算模型进行了研宄，推导出 了新的气液两相分层流型压降计算模型。在2005年董长银24通过考虑不同位置的采液 指数变化，井筒内流动与油藏渗流耦合、建立了一套水平井水平段
28、压降计算模型及方法。 在2008年赵广慧25等人对连续油管内的牛顿流体及非牛顿流体通过管内流体摩擦压力 损失进行了分析，得到减阻方法。2011年张俊等人26分析了流体在传输时的流体阻力 种类，介绍了层流或紊流状态下流速和压降损失表达式，给出了局部阻力系数及压降损 失的计算方法。综上所述，在管柱与环空压降计算方面国内外己经进行了大量的研宄分析，运用函 数关系给出了油管的直井段、弯曲井段、水平管及变径管流体压降公式，并且对直井段 环空、水平管流体压降也做了大量研究，但是在弯曲井段管流、环空及环空变径管等复 杂流体条件下的压降计算较少，因此本文主要对以上问题进行分析计算。1.3管柱力学及连续油管国内
29、外研究现状 1.3.1管柱力学国外研究现状随着油气田开发的迫切需要，自20世纪50年代以来针对油气井杆管柱的某些特殊 问题已进行了较广泛、较深入的研究，发表了数以百计的学术论文。管柱力学问题最早 的研究开始于20世纪20年代。1950年，Lubinskia27钻柱力学的创始人，从定量分析 直井中钻柱的屈曲问题入手，开创了公认的钻柱力学研究的新方法，奠定了管柱力学研 究的理论基础。Paslay和Bogy利用能量法分析了管柱在斜直圆孔中的稳定性2829，导 出了管柱在斜直井眼中发生正弦屈曲的临界载荷计算公式。Walker和？1(11111331在 20世纪70年代应用经典力学中的弯曲扭转杆件理论，
30、通过下部钻具和扭转变形后的平 衡条件，建立了下部钻具三维静态力学分析模型，并通过逆解法进行求解。1978年 MmheimM&用有限元法首先建立了定向井下部钻具三维静态力学分析模型，用空间直 梁单元来离散钻具结构，间隙元来模拟钻具与井壁的接触摩擦状态，但在模型中没有考 虑稳定器与井壁的间隙和接触状态，也没有对钻具上的切点边界条件进行合理简化，这 使得计算结果有时与实际情况不符。在1989年Brakel等人33通过研究得到可用底层与 钻头之间的作用力来预测下部钻具的走向，并给出了下部钻具的瞬态动力学有限元法。 之后在1996年Fu等人34对井下动力钻具进行了瞬态动力学分析，推导出弯曲角对钻头 侧向
31、力随时间变化趋势，为井眼轨道控制提供依据。Ruddy 135在1992年建立了悬浮 下套管技术的力学模型并进行了分析，得到悬浮下套管技术可大大降低摩阻且增加了套 管的极限下入深度。但Alireza S36P Mitchell37都认为在此模型中未考虑套管内径，并 且认为套管内流体速度为零，因此此模型具有一定的局限性。在2008年AadnoyBS38 综合考虑了泥浆黏滞阻力、压差阻力、动载荷以及套管与井眼尺寸等因素，对水平井下 入摩擦阻力及轴向力进行了计算。在2010年Mirhaj八39通过研究发现井眼轨迹对摩阻3第一章绪论有很大影响，甚至直接影响管柱是否能够下入到井底。因此在钻井过程中应尽量减
32、小井 眼轨迹的影响，以减少钻井时下管柱的摩阻。1.3.2管柱力学国内研究现状国内许多学者对管柱力学进行了大量的理论研究及工程应用。蔡康强、吕英民4 在1988年应用有限单元法的二维及三维静力模型对钻具组合的工作特性进行了全面分 析。在之后1991年刘延强41等人运用有限元理论，对影响钻头侧向力的主要因素进行 了研究，将钻具对井壁的相互作用、井壁变形和摩阻等因素考虑进了力学模型，计算表 明，井壁的变形影响不可忽略。在1992年高德利42提出了油气井杆管柱力学方程的设 想，李子丰在19944344年之后逐步完善此项研究。1996年刘巨保45采用有限元法对钻 柱受力变形时，平面圆弧曲梁单元及刚度矩阵
33、进行了研究，优化了计算效率与精度。在 1999年睦满仓等人46把管柱当做二维平面软杆，对不同井段的管柱摩阻模型进行了推 导，得到了钩载和扭矩的计算公式。在2001年祖峰47等人基于弯曲圆管的摩阻力学模型，分析并绘制了摩阻分布曲线 图。2002年廖华林等人48对扶正器对管柱在井眼内受力影响进行了分析，并建立了大 位移井的摩阻计算模型。同年刘巨保、丁皓江、张学鸿49以水平井为研宄对象，采用有 限元法建立了整体钻柱的瞬态动力学分析模型，并提出间隙元法分析钻柱和井壁的随机 接触问题，而结果与实验所得数据较为吻合。在2006年练章华等人5()通过对井眼轨迹数据及封隔器位置分析，建立了管柱下入 轴向力及摩
34、阻计算模型。同年，秦永和、高德利51考虑底部钻具组合(BHA)中稳定器的 影响，把底部钻具组合看作纵横弯曲梁，然后采用加权余量法进行力学分析；该模型考 虑钻柱的刚度、井斜角以及方位角的变化，对于底部钻具组合以外的钻柱部分，采用计 算机软件根据井眼轨迹曲率以及钻柱刚度的大小，自动选用刚杆分析模型或者软杆分析 模型，提高了模型的计算精度。黄志强52在2009年通过分析管柱刚度及井斜角、方位角的变化，在对实测井斜数 据分析的基础上，建立套管微元段三维力学模型，并编制了套管摩阻计算软件。2011 年_铁53提出一种适合不同井段的水平井管柱摩阻三维分段计算方法，此方法考虑了管 柱与井壁的接触特点和管柱的
35、受力特点。刘巨保等54,55在2011年提出了一种不压井管 柱进行力学分析方法.该方法考虑油管与套管内壁的初始间隙和随机接触摩擦力，利用 有限元法建立不压井管柱非线性力学分析模型，并运用梁单元和间隙元进行求解，最终 得出管柱内力、应力以及接触状态结果。2013年范光第56等使用分段计算法，考虑管柱与井壁接触和受力特点，并考虑管 柱的屈曲作用，建立了可计算摩阻扭矩三维分段模型。2014年岳欠杯57等为了分析套 管柱的受力，建立水泥浆候凝期间相变热传导的数学模型及套管柱的力学模型，利用己 知力和位移混合边界来模拟候凝期间水泥浆与套管的作用状态，推导出水泥浆候凝期间 对套管柱作用力的计算公式，构造间
36、隙元来模拟套管与井壁随机接触状态，建立水泥浆4东北石油大学硕士研宄生学位论文候凝期间套管柱力学分析方法。周博等人58在215年充分考虑到油管管柱管径小、流阻大等特点，得到了符合连 续油管钻井实际摩阻计算模型。同年，王伟等人59从工程设计、地层因素和工程技术方 面分析了影响水平井延伸能力的因素，并通过优化钻井参数，提高栗压等措施达到了有 效提高水平井延伸能力的目的。石平太6()在2015年通过对管柱在井筒内下入过程中摩 擦综合阻力的求解，并考虑管柱的抗拉强度及屈曲变形，采用迭代法求解下入的最大深 度及轴向力问题。综上所述，管柱在下入过程中主要受到摩阻力的影响，以往学者主要将摩阻力考虑 成管柱与井
37、壁的接触摩阻力，对流体只考虑了流体的阻力(黏滞力)，对流体产生的举升 力、管柱或环空产生变径时的流体摩阻力以及由于井筒内凹凸物引起的局部机械阻力研 宄较少，因此，本文将对以上问题开展研宄。1.3.3连续油管技术国内外研究现状20世纪60年代初连续油管技术开始应用于国外的石油工业，在90年代连续油管技 术成熟并迅速发展起来。1991年，连续油管钻井技术在美国、加拿大、法国等国家相继 成功地试验并开始了应用61。1991年用连续油管钻了 3 口井，1992年为11 口，1993 年达到了约25 口，而到1997年连续油管钻井的井数猛增至600余口。截至2007年年 底，全球使用连续油管钻井的井数己
38、经超过了 1万口。有专家预计今后应用连续油管钻 新井的数量每年将达到1500 口左右。我国对连续油管的研究工作起步较晚，1977年四川油田引进了我国第一台由Bowen OilTools公司生产的连续油管作业机，到1999年我国共引进了连续油管作业机18套62。 中国石油集团科学技术研宄院汉江机械研宄所承担连续油管技术与装备的研宄工作。另 外，中国石油大学、东北石油大学等对连续油管的受力、疲劳测试及可靠性进行了研宄。 大庆油田使用连续油管设备共在100多口井中进行了修井等作业，也在洗井、冲砂解卡、 解除蜡堵蜡卡、钻水泥塞和注氮排液等方面进行了积极地探索，特别是解决了我国油田 中存在多年的深层压裂
39、后排液周期长、效率低的难题。图1.2连续管作业机及相关设备示意图5第一章绪论1.4本论文研究主要内容本文主要针对连续油管输送桥塞射孔、压裂、钻塞一体化工艺技术中的连续油管下 入、钻磨桥塞工况展开研宄，考虑连续油管受到的摩阻力、流体阻力及局部机械阻力， 建立连续油管在井下受力分析模型和计算方法；考虑连续油管及井下工具结构和空间形 态下的管流、环空流压降计算公式。依据现场实验，通过连续油管下入深度的影响因素 分析，得到了连续油管在井筒内下入速度、流体排量及井底钻压对极限深度的影响。主 要研宄内容如下：1. 对现有管柱与环空流体压降计算公式进行分析，采用数值模拟、现场实验数据 对现有公式进行验证和修
40、正，得到连续油管及工具在不同结构和空间形态下的管流、环 空流压降计算公式。2. 建立连续油管下入、钻磨桥塞的力学模型，推导连续油管在井下受到的摩阻力、 流体摩阻力及局部机械阻力等计算公式，对连续油管在管内和环空变径处受力进行计 算，通过连续油管摩阻力现场测试与理论结果对比分析，验证力学模型及计算方法的正 确性。3. 基于连续油管的受力模型和计算方法，编制了连续油管力学分析软件，分析连 续油管下入极限深度的影响因素，对不同下入速度、流体排量及井底钻压计算与分析， 得到极限下入深度的变化规律。6东北石油大学硕士研究生学位论文第二章连续油管及井下工具内外流体沿程摩阻分析连续油管在大位移水平井进行下入
41、和钻磨桥塞作业时，会依据工艺条件循环各类流 体，流体主要起两个作用：一是在钻磨桥塞时驱动螺杆钻具为钻头提供动力；二是可将 钻磨后的碎屑通过循环返排回地面，以降低井筒内摩阻清除安全隐患。但过大的流体排 量由连续油管循环会产生较高的栗压，严重时会憋栗或导致油管和相关工具破坏。本章 将以连续油管及井下工具为研宄对象，主要采用解析解对卷筒、井筒内的连续油管及工 具的管流和环空流沿程摩阻进行了计算，验证了数值分析模型和计算方法，并对相关计 算公式进行了修正，拓宽了理论计算公式的应用范围。图2.1连续油管一体化作业工艺2.1直井段管内流体压降分析2.1.1直井段流体压降理论计算公式(1) 依据文献63，可
42、得直井段内清水压降计算公式为：式中：粘度，Pa7式中：APsw直井段内清水压降，MPa;为直井段长度，m; pw为清水密度，kg/m3;v,为油管内流体速度，m/s; v。为油管下入速度，m/s; 0为油管内径；/sw清水摩阻系数。Rew为清水雷诺数，计算式为：第二章连续油管及井下工具内外流体沿程摩阻分析2.1.2直井段流体压降的数值模拟分析8(1)数值模型建立为了消除直井段进出口边界对计算精度的影响，直井段计算域长度取管径200倍。东北石油大学硕士研宄生学位论文流体在油管内流动过程中，受流体黏度和壁面粗糙度影响，流体在近壁面处的速度为0, 速度梯度较大。为了更准确的描述近壁面流场分布，近壁面
43、网格加密，共划分1425880 个单元，直井段流体网格模型如图2.2所示。(2)边界条件模型边界如图2.3所示，左端截面为入口边界，右端截面为出口边界，与轴线平行 的圆周面为壁面。图2.3直井段流体模型边界(3) 连续油管流场计算结果分析直井段清水速度流线见图2.4所示，直井段清水压力云图见图2.5所示。图2.4直井段清水速度流线由直井段清水速度流线图2.4可见，不同排量下，直井段流速分布规律相同。由局 部放大图可见，受到管道内壁摩擦阻力影响，在管道中央速度流线呈红色，在管道内壁 流体速度流线呈淡蓝色，说明管道中央速度比管壁速度大。9第二章连续油管及井下工具内外流体沿程摩阻分析(a)排量 0.
44、5m3/min(b)排量 2.0m3/min图2.5直井段清水压力云图由直井段清水压力云图2.5可见，不同排量下，直井段压力分布规律相同。直井段 左端为入口边界，右端为出口边界，液体压力沿入口至出口由红逐渐变蓝，说明压力由 大变小，产生了压降。由图2.6和图2.7可知，钻磨液流速和压力分布与清水的相同。(a)排量 0.5m3/min(b)排量 2.0m3/min图2.6直井段钻磨液速度流线(a)排量 0.5m3/min(b)排量 2.0m3/min图2.7直井段钻磨液压力云图2.1.3算例与分析(1) 清水介质清水为流体介质时，连续油管直井段流压降计算取2和2%两种管柱结构。根据井下作业常用工
45、艺参数，取4种排量，分别为0.5m3/min、1.0m3/min、1.5m3/min、2.0m3/min，共8种工况，工程流体属性见表2-1。直井段不同排量下的压降计算结果见表2-2。表2-1工程流体属性流体介质粘度/(mPa-s)砂比/%清水10钻磨液35710东北石油大学硕上研宄生学位论文表2-2直井段清水压降理论公式与数值模拟计算结果(1000m压降)排量/(m3/min)2”油管/MPa2% 油管/MPa数值模拟 /MPa解析解/MPa相对误差 /%数值模拟 /MPa解析解/MPa相对误差 /%0.57.017.3853.413.5951.027.7329.50513.7814.354
46、1.563.7266.38430.6832.2952.0110.92118.00653.9657.405由表2-2中数据可知，直井段清水压降随排量的增大和管径的减小而增大。压降理 论计算结果与数值模拟有较好的吻合，误差均小于5%，说明数值模型完全可用于清水 压降计算。(2) 钻磨液介质钻磨液为流体介质时，连续油管型号和排量选取同清水介质，钻磨液流体属性见表 2-1。8种工况下的直井段钻磨液压降计算结果见表2-3。表2-3直井段钻磨液压降理论公式与数值模拟计算结果(1000m压降)排量/(m3/min)2”油管/MPa2%” 油管/MPa数值模拟 /MPa解析解/MPa相对误差 /%数值模拟 /MPa解析解/MPa相对误差 /%0.52.412.2951.301.2631.06.716.5523.763.6041.512.5112.1036.886.6532.019.1618.71210.5210.282由表2-3中数据可知，直井段钻磨液压降随排量的增大和管径的减小而增大。压降 理论计算结果与数值模拟有较好的吻合，误差均小于5%，说明数值模型完全可用于钻 磨液压降计算。2.2弯曲井段管内流体压降分析在连续油管钻磨桥塞时，部分连续油管缠绕在卷筒上，部分连续油管位于弯曲井段， 因此弯曲井段连续油管内流体压降分析应考虑这两部分。2.2.1卷筒管流压降理论计算公式