环空水泥浆顶替界面稳定性数值模拟研究.pdf

第26卷第5期石油学报Vol.26No.5

2005年9月ACTAPETROLEISINICASept.2005

文章编号:02532697(2005)05011904

环空水泥浆顶替界面稳定性数值模拟研究

高永海1孙宝江1刘东清2赵欣欣1李小波1于世娜1

(1.中国石油大学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:借助计算流体力学(CFD)软件FLUENT6.0,利用流体体积法(VOF)对环空内水泥浆顶替进行了数值模拟,模拟环空井筒长
为10m,外径为0.112m,内径为0.089m。在不同流态、不同流动雷诺数和不同环空无量纲偏心度的条件下进行了计算,得到了顶
替速度及偏心度对顶替效率以及界面稳定性的影响规律。与实验数据对比表明,数值模拟得到的结果与实验结果相吻合。模拟结
果表明,降低套管偏心度及进行湍流顶替或低速下的层流顶替有助于界面稳定和提高顶替效率。
关键词:环空井筒;钻井液;顶替速度;油水界面;稳定性;套管;偏心度;数值模拟
中图分类号:TE256文献标识码:A

Numericalsimulationonstabilityofcementdisplacementinterfaceinannulus

GAOYonghai1SUNBaojiang1LIUDongqing2ZHAOXinxin1LIXiaobo1YUShina1

(1.CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Dongying257061,China;2.OffshoreDrilling
Company,SinopecShengliPetroleumAdministrationBureau,Dongying257062,China)

Abstract:Thedisplacementprocessofcementinannuluswassimulatedbyvolumeoffluid(VOF)methodandFluent6.0software.
Theinnerandouterdiametersofthesimulatedwellboreare0.089metersand0.112metersrespectively,anditslengthis10meters.
Theinfluencesofeccentricitiesofcasinganddisplacementvelocityofcementonthestabilityofdisplacementinterfaceanddisplace
mentefficiencyunderdifferentconditionsofflowstates,Reynoldsnumbersandeccentricitieswereobtained.Theresultsofnumerical
simulationsareingoodagreementwiththoseofexperiment.Thesimulatedresultsindicatethatlowereccentricityofcasinganddis
placementsofturbulentorlaminaratalowspeedarehelpfulforimprovingthedisplacementefficiency.
Keywords:annuluswellbore;drillingmud;displacementvelocity;oilwaterinterface;stability;casing;eccentricity;numericalsim
ulation

在油气井固井工程中,顶替效率及界面稳定性对果进行对比,计算区域内模拟的顶替流体为水泥浆,其
固井质量起着重要的作用[1~3],而偏心度及顶替速率密度为1120kg/m3,动力粘度为22mPas;被顶替流体
[4~6]
对界面稳定性以及顶替效率有着重要的影响。由为泥浆,其密度为850kg/m3,粘度为4mPas。采用六
于顶替效率的数学模型是三阶非线性偏微分方程,理面体结构化网格,网格总数为12105。
论求解难度较大;而实验研究也受实验条件及资金的
限制,无法对顶替过程进行各种不同条件的精确模拟。2控制方程及其离散
随着计算机技术的发展运用数值模拟方法研究固井
,采用三维非定常NS方程作为控制方程,即
效率的影响因素成为一种有效手段。笔者利用计算流
(v)+(vv)=-p+
体力学软件FLUENT6.0对顶替过程进行模拟,分析t
了偏心度及顶替速率