钻井液在地层中流动数值模拟研究.pdf

一 ．3 6 一 ■ 技术交流 石 油 与 化 工 设 备 2 0 1 1 年 第 1 4 卷 钻井液在地层中流动数值模拟研究 郭星 民 ，尹兆娟 1 ．胜利油田渤海钻井二公司，山东 东营2 5 7 2 3 7 2 ． 胜利油 田现河采油厂 ， 山东 东营 2 5 7 0 2 6 [ 摘 要]本文建立了地层流体流动特性的数学模型，运用F L U E N T 件对多孔介质内可压缩流体的流动特性进行数值模拟研 究。通过对模拟结果的研究分析，得出了影响钻井液在地层流动过程的主要因素为压力和速度，要降低钻井液对地层的损 害，应 当控制钻井液在地层中流动的压力和速度。 [ 关键词]钻井液；地层；多孔介质；数值模拟 钻井液 是石 油钻井 中最先与油气层接触 的工 作液。其类型和性能直接与对油气层的损害程度 相关，因而提高钻井液的技术含量是保护油气层 的首要环节 。为减轻钻井过程 中钻井液对 油气层 造成 的损害 ，必须搞清 楚钻井液在地层 中的流动 情 况。本文通过建立钻井液在地层 中流动的数值 模 型，通过对数值模拟 结果进行分析，得 出了影 响钻井液在地层 中流动 的主要 因素 ，进 而达到控 制钻井液在地层中的流动，减轻对地层的损害。 l 多子 L 介质的宏观性质 1 ． 1 多孔介质的孔隙率 本文将 多孔介质看作有孔隙 相 固体基质 相 组成，两相被界面分开 。选取包含研究点 表示 位置矢量 在 内的一个很小 的研究区域 比单个孔 隙空间大得多 ，但远小于整个流体流动区域 为控 制单元，称为表征体元 R e p r e s e n t a t i v e e l e me n t a r y v o l u me ，简称R E V。当v 趋 于0 时，若 点在 相， 则孔隙率为l ，否M U l L 隙率为0 。 1 ．2多孑 L 介质的渗透率 多孔介质原则上都是可渗透 的，除非周边被 封死 ，流体可 以从一侧渗透 到另一侧 ，但在相 同 的压力差下，允许渗透 的流体流量将受到多孔介 质特性的制约 ，而 由达西经验定律限定，即 V F L 1 式中，v为牛顿流体 以较低的速率渗流通过多 孔介质的容积流率；F 和L 分别是多孔介质 的横 向 正截面积与流程长 ；VP 为流动压力 降；K为引进 的比例系数，表 征流体 的渗透能力，称为 “ 渗透 系数”。 1 -3多孔介质的流动特性 在流场 中任意取一个控制体 Q，该控制体 内 有多孔介质 ，其孔隙度为 。多孔介质被流体所 饱和 ，流体流动遵守质量守恒定律和动量守恒定 律。 2 数值模拟与结果分析 2 ． 1 物理模型 对一维直管 中可压 缩液体通过多孔介质 的定 常流Da c r y 流动进行流动分析 ，数值模拟 图如图l 所示。压力为P ，密度为 P i ，速度为U 的液体通 过长度为P 的多孔介质后，各参数变化为P o ，p。 ， 一 I ● - ‘ I 一 图1 数值模拟物理模型 2 ．2 数学模型 为了建立合适 的数学模型，对所分析 的流动 进行如下设置 1 流动为二维定常流 ； 2 满足Da r c y ． F o r c h h e i me r 定律的D a r e y 流 动 ． 3 流体的流动为等温流动，即流体的温度 作者简介郭星民 1 9 6 9 一男，山东东营人，胜利油田渤海 钻井二公司5 0 7 7 7 队指导员兼队长，主要从事钻井工艺研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 期 郭星民等钻井液在地层中流动数值模拟研究 一 3 7一 T和粘性系数 u为常数； 4 忽略多孔介质的形变 ，设为刚性多孔介 质 ，即多孔介质 的渗透率K和惯性系 数C 均为常 数。 5 湍流模型为标准k e模型 ，入 口边界 为无穷远边界。 6 离散格式采用一阶精度的迎风格式 ，压 力一速度的耦合采用S I MP L E 算法 。 2 -3 数值模拟 1 流体入 口压力P I ． 0 6 5 1 0 5 P a ，入 口速 度u 0 ． 6 m／ s ，出口压力 p。 1 ． 0 1 3 1 0 P a ；管子的出 口平均温度T 3 3 1 ． 5 K，运动粘度v2 ． 0 1 0 ／ ， 雷诺数 R e 鱼 挈 4 5 9 0 2 3 0 0u u u _ 2 ． 01 0 2 设多孔介质渗透率为x 6 ． 0 8 1 0 墙 时，流体 的 轴 向压力分布如 图2 所示 ，轴 向速度分布 如图3 所 示 图2 多孔介质渗透率x 6 ． 0 8 1 0 时的轴向压力分布 0 ， 6 7 O ． 6 6 O 6 5 O ． 6 4 n e 8 0 ， 6 2 0 ． 6 1 0． 8 0 2 0 0 4 O O 6 加8 0 0 图3 多孔介质渗透率x 6 ． 0 8 1 0 时的轴向速度分布 2 改变渗透率 ，即改变粘性系数。设粘性 系数1 ／ k 1 ．3 2 5 x l 0 m 渗透率 7 ． 5 5 1 0 ， 其他参数保持不变，进行数值模拟，多孔介质的 轴 向压力分布如图4 所示 ，轴 向速度分布如 图5 所 示 4 ∞ 1 5 0 0 崆_置 [丑 图4 多孔介质渗透率 7 ． 5 5 x 1 0 时的轴向压力分布 20 0 4 O O 6 O O 馈 置 图5 多孔介质渗透率 7 ． 5 5 X 1 0 时的轴向速度分布 2 ． 4模拟结 果分析 从 图2 和 图4 的轴线 上 的压力 分 布 图可 以看 出，在纯 流体 区域 1 压力变化幅度 很小 ，基本 不 变；在多孔介质区域2 ，由于多孔介质材料对流体 的阻碍 作用 ，使得流体流经 多孔介质材料后流体 压力急剧 降低 ，降低 的程度和多孔介质的阻力特 性有关；在多孔介质材料后的区域3 中流体压力基 本保持不变 。 从 图3 和 图5 的轴 向速度 分布 图可以看 出，在 纯流体区域流动过程中温度会 呈斜率很小 的线性 增加，所 以流体在纯流体区域 1 有个很 小的加速过 程 ；在 多孔介质 区域2 由于流 动区域 内不存在 热 源 ，在压力降低 的同时流体 的温度变化很小，所 以流体的密度也逐渐 降低 ，根据质量 守恒定律可 知，流体的速度会逐渐上升 。也即是 ，流体经 过 多孔介质材料 的可压缩流动是一个降压加速 的过 程 ；在多孔介质材料后的区域3 中流体基本保持不 变 。 3结论 通过对钻井液在地层 中的流动情况进行模拟 研究，可得出以下结论 1 多孔介质对流体有阻碍作用，渗透率越 小 ，流体流经多孔介质后的压力 降就越大 ；渗透 下转41 页 l昌 瑚l詈Ⅲ m 小 m Ⅲ呲m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m