旋转钻柱内赫巴流体流动模型与流场特性研究
直井内旋转钻柱动力学有限元分析及实验研究
仪表 技 术
直井 内旋 转钻柱 动 力学 有 限元 分析 及实验 研 究
罗 敏 栾一秀 郭 帅 宋文 鹏
（ 庆石 油 学 院 ， 庆 １３ １ 渤 海 钻 探测 井 公 司 天津 ３０ ７ ） 大 大 ６ ３８； ， ０ ２０
摘
要 为了研究钻柱在井下的运动状 态， 采用结构动力学 中的 Ｎ ｗ ｒ ｅ ｍａ ｋ积分 法， 建立 了直 井 内旋 转钻柱 动力学 三维 有限元
分析模型。研 究 了在直井 内钻柱不 同转速的动力学特性。为 了验证 数值模 拟 的正确 性， 建立 了直井 内旋转钻柱 实验装置 ， 进 行 了不 同转速下的钻柱实验研究。结果表 明： 随着钻柱转速 的增加 ， 向位移逐渐增 大； 横 在不 同转速 情况下 ， 数值计算结果 和
实验 结果 吻合 较 好 ， 时也验 证 了数 值模 拟 的 正确 性 。 同
从 图 中可 以看出 ， 随着钻 柱转速 的增加 ， 钻柱 波动 的 横 向位移也 在逐渐 的增 加 。
都 为 ２ ０ｍ。井 筒全约束 ， 柱上 端节 点三 个线 位移 钻 约束， 两个 弯 曲角位 移 约束 ； 下端 节 点横 向位 移 约 束， 两个弯 曲角位 移 约束 。在 钻柱 的上端 根 据 转速 施 加扭转角位 移 ， 端施 加 ２０ Ｎ的轴 向力 。在钻 下 ０ 柱距离 井底 ８ ６ 处加实验测得 的横 向干扰 位移 ， ．０ｍ 以模 拟钻柱 的初始偏心情 况 。
态 向量 的递推 关系 ， ｔ 若 时刻 的位 移 、 速度 和加 速度 已知 ， 可根据 式 （ ）～式 （ ） 出 ｔ ｔ 刻 的位 则 ２ ４求 ＋Ａ 时
移 、 度和加 速度 。 速
２０ ０ ９年 １ 月 １ 日收 到 １ ８
在役钻柱的纵向振动模型的分析与研究
[收稿日期]20060412[基金项目]中国海洋石油总公司重点项目(02Z066);湖北省国际合作项目(G200512001)。
[作者简介]周勇(1974),男,1995年大学毕业,硕士,工程师,现主要从事石油机械的国际贸易与管理工作。
在役钻柱的纵向振动模型的分析与研究周 勇 (中国石油物资装备(集团)总公司外贸二部,北京104409)尹 松,马卫国,冯 定 (长江大学机械工程学院,湖北荆州434023)[摘要]钻柱振动分析是一个非常复杂的动力学问题,也是国内外钻井界正在深入研究的问题。
实际钻井中的钻柱振动可能是纵向振动、横向振动或扭转振动以及它们相互祸合的振动,钻柱的疲劳破坏、粘扣现象和大部分刺扣泄漏事故也都与钻柱振动有直接关系,特别是与钻柱的纵向振动有关,为减少纵向振动在钻井过程中的危害,优化钻具组合避免纵向共振,建立了钻柱的纵向振动模型并给出了相应的边界条件、初始条件和振动方程,为进一步研究钻柱的振动问题打下基础。
[关键词]钻柱;纵向振动;振动模型;边界条件[中图分类号]T E921 2[文献标识码]A[文章编号]10009752(2006)040146021 模型的简化与建立钻柱的振动问题与整体钻柱的长度和结构形状密切相关,因此在建模过程中,以下部钻具为研究对象来分析钻柱振动是不合理的。
不仅是因为截取的边界条件不清楚,无法准确的给出边界条件,而且局部力学模型只截取下部钻具为研究对象,其刚度比整体钻柱刚度大得多,这会造成整体钻柱的低阶固有频率和固有振型的丢失,导致钻柱动力响应分析结果的失真和错误。
因此振动分析必须以整体钻柱为力学模型,本文以从井口到井底的整体钻柱作为研究对象,它可以是钻铤、钻杆、接头、扶正器和减振器等各种不同钻具配件的任意组合。
同时考虑地面结构对钻柱振动的影响,将井架、钢丝绳、水龙头和游动滑车等地面结构简化为一个等效的轴向可自由移动,但横向不可动的结构。
图1 钻柱简化模型 图2 钻柱的纵向振动模型钻柱的简化模型及纵向振动模型分别建立如图1、图2所示。
旋转流体流动的动力学特性
旋转流体流动的动力学特性引言流体流动是自然界和工程中的普遍现象，在很多领域中都有重要的应用。
旋转流体流动是一种特殊的流动形式，它在天气系统、航空航天、石油勘探等领域发挥着重要作用。
了解旋转流体流动的动力学特性对于优化设计和预测流体行为具有重要意义。
本文将系统地介绍旋转流体流动的动力学特性。
首先，我们将概述旋转流体流动的基本原理和方程。
然后，我们将探讨旋转流体流动的稳态和非稳态特性。
最后，我们将讨论旋转流体流动中的一些重要问题和应用。
旋转流体流动的基本原理与方程旋转流体流动是指流体围绕一个旋转中心进行流动的现象。
在旋转流体流动中，旋转中心可以是实体物体，也可以是流体本身的某个局部区域。
旋转流体流动的基本原理可以通过Navier-Stokes方程来描述。
Navier-Stokes方程是描述流体运动的基本方程，它基于质量守恒和动量守恒的原理。
在旋转流体流动中，Navier-Stokes方程还需要考虑旋转力。
旋转流体流动的基本方程如下：质量守恒方程：$$\\frac{{\\partial \\rho}}{{\\partial t}} + \ abla \\cdot (\\rho \\mathbf{v}) = 0$$其中，$\\rho$是流体密度，$\\mathbf{v}$是流体速度。
动量守恒方程：$$\\frac{{\\partial \\mathbf{v}}}{{\\partial t}} + \\mathbf{v} \\cdot \ abla\\mathbf{v} = - \\frac{1}{\\rho} \ abla p + \\mathbf{g} +\\mathbf{f}_{\\text{rot}}$$其中，p是压强，$\\mathbf{g}$是重力加速度，$\\mathbf{f}_{\\text{rot}}$是旋转力。
旋转力的表达式可以通过向量叉乘得到：$$\\mathbf{f}_{\\text{rot}} = 2m \\rho \\boldsymbol{\\omega} \\times\\mathbf{v}$$其中，m是涡动量修正因子，$\\boldsymbol{\\omega}$是旋转速度。
旋转曲线管道内湍流流动结构和传热特性研究的开题报告
旋转曲线管道内湍流流动结构和传热特性研究的开题报告开题报告：旋转曲线管道内湍流流动结构和传热特性研究一、研究背景作为一种常用的工业管道，旋转曲线管道已被广泛应用于流体输送、换热等领域。
然而，在高速旋转曲线管道中，湍流流动结构产生的不稳定因素会增强，在设计和优化过程中需要进一步研究湍流流动结构和传热特性。
二、研究内容1. 旋转曲线管道内流动结构的数值模拟：采用计算流体动力学（CFD）方法，对旋转曲线管道内湍流流动行为进行数值模拟，研究旋转曲线管道内的二次流、弯曲压力等湍流特性。
2. 实验验证：通过设计制造实验装置，在实验室中进行试验，对数值模拟得到的结果进行验证。
3. 传热特性的研究：在考虑旋转曲线管道内湍流流动结构的前提下，研究旋转曲线管道内的传热特性，分析旋转曲线管道内传热系数的影响因素。
三、研究意义1. 对于提高工业生产效率和优化设计具有重要价值。
2. 对于理解旋转曲线管道内湍流流动结构和传热特性具有重要意义。
3. 对于旋转曲线管道工程应用提供理论基础和技术指导。
四、研究方法1. 数值模拟数值模拟是研究旋转曲线管道内湍流流动行为的基本方法。
采用CFD方法对旋转曲线管道内流动的不稳定性、二次流等湍流特性进行分析。
2. 实验验证设计制造实验装置，在试验中对数值模拟得到的结果进行验证。
3. 实验测量通过实验测量，获得旋转曲线管道内的传热系数等物理参数，从而研究旋转曲线管道内的传热特性。
五、研究计划1. 文献调研及研究背景分析（1月）2. 旋转曲线管道内湍流流动结构的数值模拟（4-6月）3. 实验装置的设计制造（7-9月）4. 实验验证及测量（10-12月）5. 结果分析及撰写论文（1-2月）六、预期成果1. 旋转曲线管道内湍流流动结构的数值模拟结果.2. 旋转曲线管道内传热特性的实验测量结果.3. 一篇毕业论文及相应的科研成果报告。
七、参考文献1.陈伟强, 杨立珍, 钟宏伟,等. 旋转曲管道内二次流结构数值研究[J]. 流体力学, 2008, 14(2):24-28.2.闫思宇, 李稳, 周镭. 旋转曲管道内层流和湍流传热[J]. 热力学学报,2010,31(1):112-116.3.田慧, 单传辉. 基于CFD的旋转曲管道内流场数值模拟与分析[J]. 洛阳师范学院学报(自然科学版), 2015, 29(1):94-97.。
圆管中赫巴流体层流流动规律的研究
文章编号:100125620(2008)0120027202圆管中赫巴流体层流流动规律的研究汪友平 郑秀华 夏柏如 李春宝 李永东(中国地质大学(北京)工程技术学院,北京)摘要 根据流体力学原理,研究了圆管中赫巴流体结构流流动规律,建立了速度分布、流量、平均速度、压降及其雷诺数的计算公式,对于钻井液水力参数及流动特性的研究有一定的指导意义。
关键词 赫巴流体 速度分布 流量 压降中图分类号:TE254.1文献标识码:A 目前,所研究的流变模式主要有牛顿模型、宾汉塑性模型、幂律模型、卡森模型和赫巴模型。
其中赫巴模型既能反映流体的塑性特征,又能反映流体的假塑性特征,所以它的精确度比其他模型更高。
根据流体力学原理,推导出了赫巴模型的层流流动规律和钻井液在圆管中轴向层流的速度分布、流量、平均流速、压降。
赫巴流体的本构方程如下式表示:f (τ)=(τ-τ0K)1/n 当τ>τ0f (τ)=0当τ≤τ0(1)式中,τ为剪切应力,Pa ;τ0为动切力,Pa ;K 为稠度系数,Pa ・s n ;n 为流性指数,无因次。
公式推导中还用到了如下公式。
τw =△p 2LR (2)u =Rτw∫τw τf (τ)d τ(3)Q =πR 3τ3w∫τwτ2f (τ)d τ(4)式中,τw 为管壁处剪切应力,Pa ;△p 为压差,Pa ;R为管子半径,m ;L 为管子长度,m 。
注意到f (τ)是1个分段定义的函数,所以,应根据τ0同τ的关系,区分τ0<τw 及τ0>τw 2种情况进行研究。
1 速度分布1.1 τ0<τw当τ0<τw ,即τ0<△p2LR ,定义:τ0=△p2LR 0(5)式中,R 0的意义为距管轴r =R 0处,τ=τ0。
当径向坐标r <R 0时,由于τ<τ0,所以流体层间无相对运动。
同时也可以看出R 0<R 。
1)τ0<τ。
此时τ0、τ和τw 的大小关系见图1。
水平井旋转钻柱流固耦合动力学分析
水平井旋转钻柱流固耦合动力学分析1)罗敏*2)，赵厦，姜富洋，张强（东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江，大庆163318）摘要：在石油钻井工程中，旋转钻柱不仅与井壁产生随机多向碰撞，还与钻柱内外环空流体耦合，构成一个复杂的非线性流固耦合系统。
本文考虑旋转钻柱的结构和工作状态，将结构动力学方程、流体连续方程和动量方程耦合，建立了旋转钻柱流固耦合动力学分析的三维数值模型和计算方法。
取水平井旋转钻柱和内外流体为研究对象，流体为钻井液，考虑流固耦合特性，对旋转钻柱进行动力学分析，并与研究介质为空气情况进行对比，结果表明了流固耦合的作用效果。
为石油钻采管柱的研究提供了可行的研究方法，对水平井钻柱动力学发展具有一定的指导意义。
关键词：流固耦合；旋转钻柱；动力学；数值计算引言在石油钻井工程中，钻柱是一根直径只有几百毫米、长度为数千米的细长梁，靠自重和旋转运动为钻头施加钻压和扭矩进行破岩；同时，钻柱内孔和环空（钻柱与井壁间隙）有流动钻井液进行携砂和冷却，钻柱与钻井液构成了一个复杂的非线性流固耦合系统，理论研究具有一定的难度。
目前，人们在钻柱动力学研究方面[1-4]和钻井液流动特性[5-6]研究方面已取得了一定的成绩，在工程中得到了较好的应用。
在流固耦合[7-8]方面也开展了一些研究，有些学者[9]对环形间隙内振动圆柱流固耦合动力特性进行了研究，文中建立的是二维模型，且做了一些假设。
有些学者[10]考虑钻井液与钻柱的泊松耦合，对其纵向振动特征进行了研究，它研究的流体为同心流体。
但由于钻柱受力状态复杂，影响因素考虑不全面，开展钻柱流固耦合的研究还不成熟，还有很多问题有待于进一步研究。
因此，本文考虑了接触非线性特性和动力学特性，研究了旋转钻柱流固耦合的效果，该研究使钻柱的受力状态得到合理描述，为钻柱优化设计和井眼轨迹控制提供可行的方法。
1旋转钻柱流固耦合动力学分析模型根据工程实际结构，选取旋转钻柱、管内外流体和井壁为研究对象，整个模型包括直井段、任意曲率井段和水平井段三部分。
近壁旋转圆柱流场特性数值模拟分析
本文网址：/cn/article/doi/10.19693/j.issn.1673-3185.03194期刊网址：引用格式：王宗鹏, 刘炳文, 包燕旭, 等. 近壁旋转圆柱流场特性数值模拟分析[J]. 中国舰船研究, 2024, 19(2): 21–30.WANG Z P, LIU B W, BAO Y X, et al. Numerical simulation analysis of flow around near-wall rotating cylinder[J].Chinese Journal of Ship Research, 2024, 19(2): 21–30 (in both Chinese and English).近壁旋转圆柱流场特性数值模拟分析扫码阅读全文王宗鹏1，刘炳文1，包燕旭1，陈威*2，唐国强3，李晓彬21 武汉理工大学 理学院，湖北 武汉 4300632 武汉理工大学 船海与能源动力工程学院，湖北 武汉 4300633 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024Re =200G /D =0.2G /D =0.8摘 要:［目的］为探讨近壁旋转圆柱尾流及流体力特性，对典型间隙比下旋转圆柱绕流进行研究。
［方法］对雷诺数下3种典型间隙比（G /D = 0.2，0.8，1.4）的旋转圆柱绕流展开数值模拟，对比不同间隙比和转速比下的圆柱尾流及流体力特性。
［结果］结果显示：当时，圆柱表面脱涡会受到显著抑制，圆柱表面升阻力无波动；当和1.4且转速比较低时，会发生“尾流涡”脱落现象，其结构与2S 模式相似，升阻力系数呈正弦周期性波动，振幅较小；当正旋转速较大时，圆柱表面无漩涡脱落，形成稳定的D 模式尾流（随转速比增大由D +模式变为D −模式），“尾流涡层”与“壁面涡层”发生分离，“壁面涡”呈现多周期性脱落现象，升阻力系数呈多周期波动，振幅显著增大；当反旋转速较大时，圆柱表面被一层正涡量的涡层包裹，漩涡脱落受到显著抑制，升阻力无波动。
水平井钻柱涡动特性数值分析与试验
运动状态,仅小幅增加其运动范围.研究成果对水平井钻井工艺参数的选定有一定的借鉴作用.
关键词:水平井;动力学;涡动;钻柱
中图分类号:
O３１３９
DOI:
１０．
３９６９/
．
s
sn．
１００４
有报道,甚至水平 井 钻 井 过 程 中 是 否 会 存 在 涡 动
现象还存在着一定的争议.本文针对水平井钻柱
的动力学特征,建立了水平井钻柱的运动方程,并
基于自主研制的 水 平 井 钻 柱 动 力 学 试 验 装 置,采
用数值模拟和试 验 研 究 相 互 结 合 的 方 法,开 展 了
水平井钻柱涡动动力学行为机理的研究.
底部 钻 柱 动 力 学 特 性 进 行 了 研 究.JANSEN
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水平井钻柱涡动特性数值分析与试验———王宝金 任福深 朱安贺等
等 [１Ｇ２]和 NAGANAWA 等 [３]根 据 非 线 性 转 子 动
力学理论,建立了量纲一钻柱涡动方程,并进行了
ecos
φ
(
７)
在新坐标系下钻柱的运动微分方程为
mÿG ＋kyG ＝ k
要作用.钻柱在旋转钻井过程中,受井眼的限制,
事实已被接受.这种钻柱的涡动对钻井作业十分
不利,尤其是底部钻柱的反向涡动,会加快钻柱的
收稿日期:
２０１７ ０８ ２２
基金项目:国家自然科学基金资助项目(
１１３７２０７１);东北石油大
学研究生创新科研项目(
YJSCX２０１６－０２２NEPU)
赫谢尔—巴尔克莱流体同心环空轴向流流核及压降计算
赫谢尔—巴尔克莱流体同心环空轴向流流核及压降计算
樊洪海;刘希圣
【期刊名称】《石油大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】1993(017)006
【摘要】从理论上对赫谢尔－巴尔克莱（Ｈｅｒｓｃｈｅｌ－Ｂｕｌｋｌｅｙ）流体在同心环空内稳定轴向层流流动时流核尺寸及流动压降的计算进行了精确的分析。
从现场应用的角度出发，建立了圆柱坐标系中流核尺寸及流动压降的理论计算公式，绘出了利用弦截法和Ｒｏｍｂｅｒｇ法计算出的流核数据。
为钻井过程中更好地利用赫射尔－巴尔克莱流变模式描述钻井液流变性能、计算环空层流流动压降及分析岩屑运移规律提供了理论依据。
【总页数】7页(P28-34)
【作者】樊洪海;刘希圣
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TE21
【相关文献】
1.幂律钻井液同心环空轴向层流压降的计算 [J], 鲁港;王立波;王冠军;张宇
2.偏心环空幂律流体层流螺旋流流量及压降计算 [J], 李邦达;刘通建
3.赫歇耳—巴尔克利流体通过同心环空的层流流动 [J], 高二虎;张西成
4.宾汉流体在钻井同心环空内轴向层流核及压降计算 [J], 樊洪海;刘希圣
5.椭圆井眼同心环空赫巴流体流动规律研究及压降计算简化模型 [J], 张洁;汤明;蒋振新;甘一风;曾德智
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考虑非牛顿流体螺旋流动的钻井井筒温度场研究
考虑非牛顿流体螺旋流动的钻井井筒温度场研究李梦博;柳贡慧;李军;魏晓强;高海军【摘要】Understanding wellbore temperature and its changing regularity is very critical for drilling safely and efficiently .According to the first law of thermodynamics and heat transfer theory ,a complete temperature field mathematical model for drilling circulation was established .The heat transfer mechanism in spiral flow of non-New tonian fluid in wellbore and the effect of hydraulic energy and mechanical energy on wellbore temperature field were analyzed .A preliminary discussion was conducted regarding calculation of ECD under high temperature and high pressure and control over wellbore temperature .The model re-sults matched well with field experimental data .Numerical simulation indicated bottomhole temperature in-creased by 4.5 ℃ at the depth of 2 000 m ,and 7.8 ℃ at 5 000 m respectively w hen the rotary speed of drillstring rose from 0 r/min to 200 r/min .The bottomhole temperature increased exponentially with the increase of rotary speed ,the drill string rotary speed had much higher effects on bottomhole temperature with the increase of well depth .This model can provide a theoretical reference for hydraulic design of drill-ing in HT HP formation and temperature control during field operations .%准确了解钻井过程中井筒温度及其变化规律对于安全、高效钻井具有重要的意义。
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摘 要 ：为 了揭 示钻 井液在 旋 转钻柱 内的流 动特 性 ，采 用 数值 模 拟 方 法建 立 了旋 转钻 柱 内赫 巴
流体 的流 动模 型 。研 究 了钻 柱 的旋转速 度 、轴 向流 速 及 密度 的变 化对 钻 柱 内螺 旋 流场 的 影 响 ，并 给 出了合 理 的解释 。通 过分 析 得 出旋 转钻 柱 内赫 巴流 体 的流 动 由于其 表 观 黏 度 的单 峰 分 布特 性 ，
使得螺旋流场减 弱了流体质点在各方 向上的随机脉 动趋势，并增强 了流场旋流 的整体趋势。该项
研 究成果 对 于钻柱 内考 虑旋 转效 应流 场钻 井液 流动 的深入 研 究具有 指导 意义 。 关键 词 ：旋 转钻柱 ；螺 旋流 ；流 动模 型 ；流场特 性 ；赫 巴流体 ；数值 模拟
中图分 类 号 ：Ｔ Ｅ ２ ５ ４ 文献标 识码 ：Ａ ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １— ４ ５ ７ ８ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ５ ． ０ ０ ４
Ｐ ｉ ｐ ｅ ｌ ｉ ｎ ｅ Ｂ ｕ ｒ ｅ ａ ｕ ）
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经过分析比较realizablek一模1旋转钻柱内的流动模型型更符合湍流的物理规律将湍动黏度模型中的系数与应变率联系起来更好地表示了包括旋转均匀旋转钻柱内的钻井液具有2种运动形式一种剪切流包含有射流和混合流的自由流管道内流是以一定角速度绕钻柱中轴线的旋转运动称为动边界层流动以及带有分离的流动
石 油
机
械
一 １ ５ 一
２ ０ １ ３年
第４ １ 卷
第 ５期
ＣＨＩ ＮＡ Ｐ ＥＴ ＲＯＬ ＥＵＭ ＭＡＣＨＩ ＮＥ ＲＹ
． ． 钻 井技 术 与 装 备
旋 转 钻 柱 内赫 巴流体 流 动模 型 与流 场 特 性研 究
张晋凯 李根 生 刘广 军 宋先知 王海柱
（ １ ．中国石 油大学 （ 北京 ）油气资源与探测 国家重点 实验 室 ２ ．中国石油 管道局）
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