大斜度井砾石充填数值模拟研究

摘要

大斜度井砾石充填受井斜角的影响，其充填机理与垂直井和水平井完全不同，充填过程更为复杂。目前关于砾石充填的研究依然集中在水平井砾石充填，而大斜度井砾石充填的研究基本上以小型物理模拟为主，数模研究相对比较薄弱，并且仅有的一些研究也主要集中在局部的分析模型上。由于目前尚缺乏深入的机理研究和完善的数学模型，难以建立有效的参数优化方法，其充填作业中易发生砂堵现象，使作业失败。因此，针对上述问题有必要开展对大斜度井砾石充填系统深入的研究工作。 本论文首先研究了大斜度井砾石充填机理和特征。在此基础上，将砂床表面砾石颗粒的运动分为静止、推移和悬移三种形式，考虑井斜角的影响，引入颗粒无因次沉没度随机变量，通过颗粒的力矩平衡分析，研究了颗粒运动形式之间相互转换的临界条件，建立了考虑颗粒起动随机性的临界流速公式，包括临界起动条件、止动条件以及基于颗粒群体沉速的悬浮条件。利用临界起动流速公式，首次推导了给定参数下能够形成稳定α波平衡砂床的临界井斜角计算模型，该模型可用于判断已知井斜角和各施工参数下充填过程中能否形成稳定砂床。 应用随机分析理论研究了砂床表面颗粒的状态概率及其数字特征。根据颗粒状态概率代表其运动趋势的原理，将平衡砂床高度的变化归结为颗粒运动状态变化的结果，建立了特定水流条件和给定井筒倾角下平衡砂床高度的计算模型。利用实验结果对上述模型进行验证，结果吻合较好。 考虑携砂液向地层的滤失，推导了斜井砾石充填筛套环空、冲筛环空两个流动系统中流体与砾石的质量和动量守恒方程。研究携砂液向地层的滤失特征，结合砂床平衡高度计算方法，建立了时间相关的描述斜井砾石充填α充填过程的数学模型。该模型描述了斜井砾石充填的各个特征，可用于顺利充填和提前堵塞等各种情况，从而为大斜度井砾石充填工艺设计提供理论依据，为砾石充填在大斜度井中的广泛应用奠定良好的基础，对提高大斜度井开采水平具有实际意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1本论文研究的背景和目的

1.2国内外研究现状

1.3研究内容及预期结果

第二章大斜度井砾石充填机理研究

2.1大斜度井砾石充填机理及特征

2.2大斜度井砾石充填过程的主要影响因素

第三章砂床表面颗粒沉降速度及运动状态研究

3.1动水中群体颗粒沉降速度

3.1.1静止液体中单颗粒沉降末速

3.1.2静水中的非均匀群体颗粒沉降速度

3.1.3静水中的非均匀颗粒的分组沉速

3.1.4动水中的颗粒沉降速度

3.2砂床表面静止颗粒的起动条件

3.2.1床层表面位置随机性分析

3.2.2床层表面颗粒的受力分析

3.2.3床层表面均匀颗粒起动的临界流速

3.2.4非均匀颗粒的起动临界流速

3.3推移运动颗粒的止动条件

3.4颗粒的悬浮条件

第四章形成稳定砂床的临界井斜角计算模型

4.1研究起动临界倾角的意义

4.2静止流体中能够形成砂床的临界倾角

4.3流动流体中能够形成砂床的临界倾角

第五章平衡砂床高度概率统计计算模型

5.1颗粒运动状态转移的独立随机事件

5.2颗粒基本运动状态转移概率

5.2.1静止颗粒的起动概率

5.2.2推移颗粒的止动概率

5.2.3颗粒悬浮概率

5.2.4静止颗粒的起悬概率

5.2.5平均流速及摩阻流速的确定

5.2.6四种独立转移事件概率的特性及分析

5.3九种状态转移概率及极限状态概率

5.3.1九种状态转移概率

5.3.2极限状态概率

5.3.3极限状态概率的数字结果及特征

5.4砂床平衡高度计算模型

5.5斜井砾石充填实验和结果分析

5.5.1斜井砾石充填实验装置

5.5.2砾石筛析实验

5.5.3不同倾角下的砾石充填模拟实验

第六章大斜度井砾石充填过程数学模型

6.1质量守恒方程

6.1.1砂床上部环空砾石砂浆的质量守恒方程

6.1.2筛套环空中沉积砂床质量守恒方程

6.1.3冲筛环空中携砂液质量守恒方程

6.2动量守恒方程

6.2.1冲筛环空中携砂液动量守恒方程

6.2.2砂床顶部筛套环空砂浆动量守恒方程

6.2.3充填前沿前方筛套环空动量守恒方程

6.3各流动系统间的耦合方法

6.3.1冲筛与筛套环空的流动耦合

6.3.2地层与筛套环空的流动耦合

6.4充填沉积井段数学模型

6.5充填前沿前方井段数学模型

第七章结论

参考文献

附 录

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致 谢