A辑第22卷第3期水动力学研究与进展Ser.A,Vol.22,No.32007年5月JOURNALOFHYDRODYNAMICSMay,2007文章编号:100024874(2007)0320317208水泥浆流变性分析及其环空流动的数值模拟3孙宝江1,高永海1,刘东清2(1.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营257061;2.胜利石油管理局海洋钻井公司,山东东营257062)摘要:偏心环空流动的均匀性在固井工程中有重要影响。通过实验对三种不同配方的水泥浆进行流变性分析,得到适合水泥浆的最佳流变模式是赫切尔一巴尔克莱(H2B)模式。应用Fluent软件对外径0.24m(91/2”),内径0.18m(7”)的环空井筒内水泥浆流动进行了数值模拟,得到了偏心度、流速以及流体的流变参数对流动不均匀度的影响规律。模拟结果表明,偏心是引起环空流动不均匀的主要原因。随着偏心度的增加,流动均匀性降低;另外,提高流动速率以及降低流体的屈服应力、稠度系数和流性指数有利于环空流动的均匀性。关键词:水泥浆;流变模式;环空流动;偏心;均匀性;数值模拟中图分类号:TE256文献标识码:AExperimentalstudyonrheologicalpropertyforcementslurryandnumericalsimulationonitsannulusflowSUNBao2jiang1,GAOYong2hai1,LIUDong2qing2(1.CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Dongying257061,China;2.OffshoreDrillingCompany,SinopecShengliPetroleumAdministrationBureau,Dongying257062,China)Abstract:Uniformityofannulusflowisimportantinwellcementation.Threecementslurriesweretestedonrheologicalperformance.Basedontheexperimentaldataofrheologicalproperty,numericalsimulationanalysiswasconducted.Itisdem2onstratedthatthemodelofH2Bistheoptimummodel.AnnulusflowprocessesofcementslurryweresimulatedwithFLUENTsoftware.Theinnerandouterdiametersofthesimulatedannuluswellboreare0.18and0.24metersrespectively,anditslengthis8meters.Theinfluencesofeccentricitiesofcasing,velocity,andrheologicalpropertyofthecementslurryonnon2u2niformityoftheannulusflowwereunderstood.Thesimulatedresultsindicatethateccentricityisthemainfactorcontrollingan2nularflow,theflowisuniformwithanloweccentricity.Velocityandrheologicalparameteralsoaffectflowfield,whileincreas2ingthevelocityanddecreasingtheyieldstress,thepower2lawindexandtheconsistencyindexofthefluidarehelpfultoin2creasetheuniformityoftheannulusflow.3收稿日期:2006212201(2007202208修改稿)作者简介:孙宝江(1963—),男,山东淄博人,教授,博导。Keywords:cementslurry;rheologicalpattern;annulusflow;eccentricity;uniform;numericalsim2ulation1引言目前国内外大多采用宾汉模式和幂律模式描述水泥浆的流变性。这两个模式均不能充分反映水泥浆的流变特性,不能描述既有屈服值又有假塑性的水泥浆体系,特别是高温高压下的水泥浆体系[1～3]。由于黏性作用,属于非牛顿流体的钻井液和水泥浆在偏心环空中的轴向流动规律,与同心环空时有很大不同[4,5]。偏心度等因素对非牛顿流体环空流动不均匀性的影响,国内外学者多从实验及理论方面进行研究,但他们研究的非牛顿流体大都局限于幂律流体及宾汉流体[6～13];对于赫切尔———巴尔克莱(H2B)流体的环空流动研究,侧重于同心环空中的流动规律,或者做一定简化处理后进行研究[14]。由于H2B模式在偏心环空中的流动方程表示复杂,精确的理论求解比较困难;同时水泥浆的环空流动实验研究条件难以达到。数值模拟是解决这一问题的有效手段。本文通过实验对海洋固井用到的水泥浆进行流变性分析,得到了适合高温高压条件下水泥浆流变性的最佳模式,并在流变性分析的基础上对不同的水泥浆流变参数在不同偏心度及流速条件下偏心环空内流速分布的影响,为水泥浆流变参数的优选提供了参考。2水泥浆流变性分析2.1实验仪器实验采用美国Chandler公司生产的7400型高温高压流变仪,该仪器是专门用于在高温高压条件下测量钻井液、水泥浆、压裂液等液体流变性能,能够测量所有牛顿液体和非牛顿液体,如宾汉、幂律及H2B等,包括剪切相关和时间相关的液体。2.2实验内...
