环空井筒泡沫携砂规律研究

摘要

目前，我国多数油田开采进入中后期，油层压力降低，出砂严重，需要对井底积砂进行清理。泡沫流体由于其携砂能力强、粘度大、漏失量小等良好的性能，逐渐取代清水作为常规冲砂液，用于油田冲砂洗井作用中。然而，泡沫流体是复杂的分散体系，温度、压力等外界因素对其性质影响严重，所以需要对泡沫流体开展研究。 本文利用FLUENT软件中的离散相模型以及自行设计与建造的泡沫流体综合实验系统，对泡沫流体在环空管道内的携砂规律进行研究。通过分析环空倾角、泡沫流速、砂粒直径等因素对井筒内携砂规律的影响，以及对泡沫流体流变性和砂粒在井筒内运动轨的分析，得到泡沫流体在环空井筒内的携砂规律，以此为现场泡沫流体冲砂洗井作业提供基础数据及理论参考。 研究表明，泡沫质量在50%~80%之间，泡沫属于假塑性幂律流体，具有剪切稀释的特性。通过拟合得到了泡沫流体的流变方程，并发现在实验范围内随着泡沫质量增大，泡沫流体粘度越高，携砂能力越强，流体的非牛顿流体特征越明显。同时，具有较高泡沫质量的流体，对井底积砂的扰动越剧烈，砂粒越容易被携带出井筒。随着环空倾角增大，泡沫流体携砂能力呈现出先减弱后增强的趋势，在45°左右时砂粒最难被携带。砂粒直径大小也会对泡沫的携砂能力产生影响，砂粒直径越大，越难被携带出井筒。增大流体流速有助于提高泡沫的携砂能力，但由于运动方式不同，直径较小的砂粒处于悬浮状态，受流速影响很小。提高泡沫的发泡剂浓度或加入增稠剂，同样可以提高泡沫流体的携砂性能。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 泡沫流体简介

1.2.2 泡沫流体流变性研究现状

1.2.3 泡沫流体携砂性研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 泡沫流体流变性与携砂能力实验系统设计

2.1 实验原理

2.1.1 流变性实验原理

2.1.2 携砂能力实验原理

2.2 实验系统设计

2.2.1 实验流程

2.2.2 实验系统构成

2.3 实验系统可靠性验证

2.3.1 实验数据不确定度分析

2.3.2 管内摩阻系数

2.3.3 实验系统可靠性验证过程

2.4 本章小结

第三章 泡沫流体流变性实验研究

3.1 泡沫流体流变模式及参数确定方法

3.1.1 泡沫流体流变模式

3.1.2 泡沫流体流变性实验方法和步骤

3.2 实验结果与分析

3.2.1 泡沫流体流变模式计算过程

3.2.2 结果与分析

3.3 本章小结

第四章 泡沫流体携砂能力数值模拟

4.1 砂粒受力分析

（1）悬浮砂粒受力

（2）沉积砂粒受力

4.2 冲砂洗井模型

4.2.1 冲砂洗井物理模型及边界条件

4.2.2 网格独立性考核

4.2.3 冲砂洗井数学模型及计算方法

4.3 数值模拟计算结果与分析

4.3.1 泡沫流体和水携砂能力对比

4.3.2 砂粒在泡沫流体中运动轨迹

4.3.3 泡沫流体在环空中的速度分布

4.3.4 流速对泡沫流体携砂能力的影响

4.3.5 砂粒直径对泡沫携砂能力的影响

4.3.6 环空倾角对泡沫携砂能力的影响

4.3.7 泡沫质量对泡沫流体携砂能力的影响

4.4 本章小结

第五章 泡沫流体携砂能力的实验研究

5.1 砂粒运移规律

5.2 环空携砂实验方法和步骤

5.3 实验结果与分析

5.3.1 泡沫流体和水携砂能力对比

5.3.2 流量对泡沫携砂能力的影响

5.3.3 泡沫质量对泡沫携砂能力的影响

5.3.4 环空倾角对泡沫携砂能力的影响

5.3.5 发泡剂浓度对携砂能力的影响

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录

附录A 泡沫流体流变性实验数据

附表B 泡沫流体携砂实验数据

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢