固-液两相流及其在井眼清洁中的应用

本书系统阐述钻井过程中井眼清洁及其背后的固-液两相流机理。全书内容分为两大部分。第一部分为固-液两相流基础，第1章讨论固相颗粒在流体中的受力分析；第2章介绍固相颗粒在液体中的运动；第3章讨论固-液两相流流型。第二部分讨论钻井过程中的井眼清洁问题，第4章介绍实验研究方法及不同因素对井眼清洁效果的影响；第5章介绍稳态井眼清洁力学模型以及求解方法；第6章介绍井眼清洁与环空压耗之间的关系；第7章介绍动态井眼清洁模型；第8章介绍使用计算流体力学方法模拟井眼清洁问题的机理。

第1章颗粒在流体中的受力1
1.1固相颗粒在流体中受到的阻力1
1.1.1球体表面的蠕动流1
1.1.2牛顿流体中蠕动流下的阻力2
1.1.3牛顿流体中高雷诺数下的阻力4
1.1.4颗粒在非牛顿流体中受到的阻力5
1.1.5不规则颗粒在流体中受到的阻力9
1.2固相颗粒在流体中受到的举升力10
1.2.1马格纳斯力11
1.2.2巴塞特力和虚质量力12
1.3颗粒间的相互作用力14
第2章固相颗粒在流体中的运动16
2.1悬浮颗粒的微观运动16
2.1.1布朗运动16
2.1.2布朗扩散16
2.2颗粒运动的根本方程17
2.3单个颗粒的沉降18
2.4多个颗粒之间的相互作用21
2.4.1硬球模型22
2.4.2软球模型25
2.4.3软球模型的硬球模拟29
2.4.4流场力对颗粒作用29
2.5边界效应31
第3章固-液两相流流型38
3.1颗粒分布状态及固-液两相流流型分类38
3.1.1颗粒在流体中的状态分类38
3.1.2固-液两相流流型分类39
3.2流型转换判断方法43
3.2.1流型图43
3.2.2基于力学模型的流型判断方法46
第4章井眼清洁实验及影响因素50
4.1实验设备50
4.1.1全球井眼清洁实验设备简介50
4.1.2实验设备的结构51
4.2实验方法与步骤53
4.3钻井液体的流变特征53
4.3.1塑性流体54
4.3.2幂律流体55
4.3.3屈服假塑性液体55
4.3.4四参数流体56
4.3.5常规的流性参数确定方法56
4.3.6钻井液流变模式的优选57
4.4固相岩屑颗粒的特征58
4.4.1颗粒粒径58
4.4.2颗粒形状59
4.5井眼清洁影响因素分析61
4.5.1钻井液流速和机械钻速61
4.5.2井斜角63
4.5.3钻杆旋转和偏心度64
4.5.4钻井液参数67
4.5.5岩屑粒径及形状68
4.5.6动态井眼清洁时间70
第5章稳态井眼清洁模型73
5.1竖直和微倾斜井段的井眼清洁73
5.1.1岩屑颗粒的稳定沉降、滑移速度和运移效率73
5.1.2竖直及微倾斜井段的岩屑浓度74
5.2中度倾斜井段的井眼清洁76
5.2.1中度倾斜井段的岩屑运动特征76
5.2.2两层模型77
5.2.3区块模型86
5.3大斜度和水平井段的井眼清洁90
5.3.1大斜度井眼清洁经验模型91
5.3.2临界运动速度模型94
5.3.3三层模型98
5.4井眼清洁图示计算法106
5.4.1基准图106
5.4.2影响因素系数108
5.4.3图示使用方法109
第6章井眼清洁与环空压耗111
6.1不同工况下岩屑颗粒对环空压耗的影响111
6.1.1井斜角的影响111
6.1.2机械钻速的影响112
6.1.3钻杆转速的影响113
6.1.4流量的影响114
6.2井眼清洁与环空压耗的耦合计算115
6.3井眼清洁与环空压耗耦合优化方法116
6.3.1井眼倾角117
6.3.2钻井液117
6.3.3环空尺寸118
6.3.4机械钻速118
第7章动态井眼清洁模型120
7.1动态岩屑运移计算120
7.2动态滑脱-流动模型123
7.3动态通用井眼清洁模型126
7.3.1动态流型分类和转换条件126
7.3.2模型假设和根本方程130
7.3.3模型求解方法133
第8章井眼清洁的计算流体力学模型141
8.1液相的计算流体力学模型141
8.2欧拉-欧拉模型142
8.2.1质量守恒方程143
8.2.2动量守恒方程144
8.3欧拉-拉格朗日模型146
8.3.1岩屑颗粒运动控制方程146
8.3.2液相-颗粒间的耦合148
8.4计算流体力学模型对比分析及总结148
8.4.1模型对比148
8.4.2计算流体力学总结149
参考文献150