泡沫流體溫度分布規(guī)律的研究

泡沫流體溫度分布規(guī)律的研究

1泡沫洗井能量和恒定方程1.1t、s1—油管內(nèi)的能量守恒方程由于管道中的液體僅通過環(huán)空灰漿交換熱量，因此如下所示。式中:Rti—油管的管內(nèi)半徑,m;T1、T2—油管內(nèi)、環(huán)空泡沫液溫度,℃。本文根據(jù)文獻(xiàn)中的公式進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算的誤差在16%之內(nèi),其使用條件為:泡沫質(zhì)量范圍為0.24~0.66;溫度范圍為25~100℃;壓力范圍為20~40MPa。得到油管內(nèi)泡沫液溫度的微分方程:1.2地層溫度分布模型在油套環(huán)空中,泡沫流體與油管內(nèi)的泡沫流體發(fā)生熱量交換的同時(shí),還與地層發(fā)生著熱量交換,油套環(huán)空中的泡沫流體與地層的熱交換為:式中:Rti—套管的半徑;h2—油套傳熱系數(shù);gT—地層溫度梯度,℃/hm;T0—地面溫度;W2—環(huán)空混合流體流量;ft—時(shí)間函數(shù)。由質(zhì)量守恒定理,泡沫流體在井筒內(nèi)及環(huán)空內(nèi)流動(dòng)的溫度分布模型及邊界條件得:當(dāng):L=0時(shí),T1=T10;L=Zw時(shí),T1=T2。2泡沫洗井脈沖方程2.1流體在安氏原螯蝦上的壓力微元物理模型如圖1所示,泡沫流體在油管內(nèi)由上至下流動(dòng)。由于泡沫流體中只有氣、液兩相,因此,假設(shè)是穩(wěn)態(tài)流動(dòng),泡沫流體在微元段上是不可壓縮的。由動(dòng)量守恒原理得,這些力的代數(shù)和等于控制體動(dòng)量變化值,即:式中:WF—泡沫流體的質(zhì)量流量,kg/s。當(dāng)不可壓縮流體處于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí),通過相等直徑圓管的動(dòng)量損失為0:式中:D—油管的內(nèi)徑,m;ρF—泡沫流體密度,kg/m3;Δp—流動(dòng)單元體的壓力降,Pa;fF—泡沫流體范寧摩擦系數(shù),無因次;VF—泡沫的流速,m/s;L—流動(dòng)單元體長度,m。2.2砂粒的流體特性微元物理模型如圖2所示,泡沫流體在環(huán)空內(nèi)由下至上流動(dòng)。泡沫流體中有三相,在此把泡沫當(dāng)成均勻分布的一相。根據(jù)動(dòng)量守恒原理得,這些力的代數(shù)和等于控制體動(dòng)量的變化值,即:不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí),通過等直徑環(huán)空時(shí)動(dòng)量損失亦為零。當(dāng)砂粒從加速到勻速運(yùn)動(dòng),也處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài),動(dòng)量損失為零(末端效應(yīng)可以忽略):式中:ρm—泡沫流體混合物的密度;fm—泡沫流體混合物的范寧摩擦系數(shù);Vm—泡沫流體混合物的流速;D1、D2—套管內(nèi)、外徑。3井深和壓力對(duì)泡沫排水劑的性能影響油井的基本數(shù)據(jù)見表1。(1)硬膠泡沫流動(dòng)壓降最大、不穩(wěn)定泡沫的流動(dòng)壓降最小。不穩(wěn)定泡沫和硬膠泡沫在井深3000m處的井底壓力分別為18.27、30.19MPa。(2)不穩(wěn)定泡沫密度與井深關(guān)系如圖5所示。硬膠泡沫密度與井深關(guān)系如圖6所示。由于兩種泡沫壓力降的不同,從而導(dǎo)致其井下密度變化不一樣,硬膠泡沫的井下壓力最大。在井深3000m處,硬膠泡沫井底密度為867kg/m3,而不穩(wěn)定泡沫為758kg/m3。(3)不穩(wěn)定泡沫質(zhì)量與井深關(guān)系如圖7所示。硬膠泡沫質(zhì)量與井深關(guān)系如圖8所示。壓力越大,泡沫內(nèi)氣體壓縮越嚴(yán)重,泡沫質(zhì)量越小;井深增大,壓力越大,泡沫質(zhì)量變小,氣相所占比例越小,原因是泡沫中氣相的壓縮性。但是,兩種泡沫流體在溫度變化基本相同的條件下,泡沫質(zhì)量只受壓力影響。井下泡沫質(zhì)量最小,不穩(wěn)定泡沫質(zhì)量最大。(4)不穩(wěn)定泡沫流速與井深關(guān)系如圖9所示。硬膠泡沫流速與井深關(guān)系如圖10所示。隨著井深增大,壓力越大,泡沫速度變小,體積流量變小。在相同深度上,泡沫流體在油管內(nèi)速度總是小于其在環(huán)空內(nèi)的速度。在井深3000m處,不穩(wěn)定泡沫和硬膠泡沫在井底流速分別為0.98m/s和0.92m/s。兩項(xiàng)流速都符合文獻(xiàn)中列出的井底安全攜砂的條件:針對(duì)0.4mm顆粒,安全攜砂流速應(yīng)大于0.9m/s。4泡沫速度和壓力分布的關(guān)系(1)通過應(yīng)用動(dòng)量守恒定律、質(zhì)量守恒及能量守恒定律,完成了泡沫流體沖砂洗井的數(shù)學(xué)模型建立。研究不穩(wěn)定泡沫和硬膠泡沫在流動(dòng)條件下井內(nèi)壓力分布、密度分布、泡沫質(zhì)量分布、泡沫流速分布之間的關(guān)系。(2)在