《油气井流体力学》思考题答案

《油气井流体力学》复习思考题Chap1:（1）钻井液俗称钻井的血液，写出几个钻井液在钻井过程中的主要功用。1.从井底清除岩屑并经环空携带至地面2.平衡地层压力和地应力，阻止地层流体流入井内和维持井眼稳定3.停止循环时悬浮钻屑和加重材料4.清洗、冷却和润滑钻头及钻柱；形成泥饼，保护井壁和储层5.向钻头传递水力功率，辅助破岩6.与地层黏土和流体配伍，保护油气层7.反映井下信息，有助于录井监测和地层评价（2）钻井循环系统的组成部分。1.地面管汇：包括地面调节控制管汇、立管、水龙带、水龙头等钻井泵出口至钻柱顶端的流动通道2.钻柱：包括方钻杆、钻杆和井下钻具中的圆管形流动通道及各段管柱之间的接头，还包括井下动力钻具、各种测量及控制工具等3.钻头：主要是钻头流道、水眼及喷嘴4.环空：分为钻柱与套管或尾管柱之间的环空、钻柱与裸眼之间的环空Chap2:（1）非牛顿流体的分类，常见的非牛顿流体有哪些，各有何特点？1.与时间无关的非牛顿流体：剪切应力仅与剪切速率有关，与剪切持续时间无明显关系一般又可分为以下两种类型1）纯黏性流体：只要施加很小的力即可流动。根据其表观黏度随剪切速率的变化情况，通常将这种流体分为假塑性流体和膨胀性流体。假塑性流体的表观黏度随剪切速率的增加而减小。膨胀性流体的表观黏度随剪切速率的增大而增大。2）黏塑性流体：剪切应力超过一定数值后才开始流动的流体，即具有一定的屈服应力2.与时间有关的非牛顿流体：这类非牛顿流体的黏度函数不仅与剪切速率有关，而且与剪切持续时间有关，大致可分为触变性流体和震凝性流体两类。在一定剪切速率下，触变性流体的表观黏度随剪切时间的增大而减小，而震凝性流体则相反，在一定剪切速率下表观黏度随剪切时间的增大而增大。3.黏弹性非牛顿流体：就是具有黏性同时具有弹性的流体。在定常剪切流场中，这种流体在外力作用下发生形变或流动，外力消除后，它的形变会随时间的顺延而恢复或部分恢复。（2）实际钻井液的流变曲线有哪些？有何特点？屈服应力？静切力？。宾汉模式、幂律模式、卡森模式、赫-巴模式、罗-斯模式、Sisko模式（3）钻井上常用的流变方程及其流变参数的名称、意义？（4）漏斗粘度计的单位？秒（5）旋转粘度计按转速档位可以分为几类？有2速(300，600rpm)旋转粘度计；6速(3，6，100，200，300，600rpm)旋转粘度计,ZNN-D6,Fann35A；无级变速旋转粘度计(RV20,Fann50C)；高温高压流变仪（旋转粘度计）(RV20,Fann50C)（6）旋转粘度计的基本方程？该方程对于测量流体的流变参数有何意义？切应力与扭矩的关系：hrrrhM222内筒表面上的剪切应力：外筒表面上的剪切应力：将切应力方程变形得：对上式左右两边同时求导，得：设距旋转轴r处，流体质点的角速度为，线速度为，求导得：1212MRh2222MRh22Mrh2ddrrdudrdrdr（r)ur将应力方程代入剪切速率方程，得：积分，得：（7）严格讲，用通常的旋转粘度计测量确定已知流变方程地的非牛顿液体流变参数时需要改进修正，为什么？作为测量测量非牛顿流体流变特性通用仪器的圆筒旋转黏度计，实际上是依据牛顿流体剪切应力和剪切速率关系式设计的。因此，用通常的旋转粘度计测量确定已知流变方程地的非牛顿液体流变参数时需要改进修正。（8）API表观粘度的定义μa=0.5θ600（9）未知流变方程液体的测量与已经流变方程的测量有何异同之处？（10）如何进行钻井液流变模式优选，有哪些标准是什么？流变曲线对比法这种方法是分别绘制钻井液的实测流变曲线和理论流变曲线，通过考察两条曲线的吻合情况来选择流变模式。这是一种直观的判断方法，缺点在于当几条曲线彼此比较接近时，肉眼判断较难。剪切应力误差对比法该方法是将各流变模式的剪切应力值与实测剪切应力值进行相对误差和平均相对误差计算，取平均相对误差最小者为优选流变模式。该方法计算较为简单，缺点在于易受异常点干扰而影响判断的准确性。相关系数法运用线性回归计算流变参数时得到相关系数，越接近0，表明回归效果越差，越接近于1，表明回归效果越好。该方法计算较为简便，但应注意各模式的相关系数值通常在小数点三、四位上才表现出差别。（11）影响钻井液流变性的因素有哪些，这些因素是如何影响的？温度、压力、添加剂以及现场施工条件等水基钻井液：压力影响很小；在地剪切速率下，温度升高，钻井液的剪切应力上升，表观黏度变大，在高剪切速率下，剪切应力和表观黏度随着温度的升高而降低2ddrr12fdrdfdr1212fd油基钻井液：在同一剪切速率下，当压力一定时，钻井液的剪切应力随着温度的升高而降低，温度一定时，钻井液的剪切应力随着压力的升高而增大。温度降低和压力增大都会使油基钻井液的表观黏度增大。在低温条件下，压力对表观黏度的影响很大，随着温度的升高，表观黏度迅速下降，压力所起的作用也越来越小。Chap3:（1）管流控制方程l2Pr是怎么得来的？这一方程是否对任何液体圆管层流都适用？另外，建立该方程时是否作过简化？假设圆管钻柱静止不动，且不考虑端部效应，圆管内半径为，取半径为、长度为的与圆管同心的流体微元为研究对象。断面S1处的压强为，断面S2处的压强为p。该流体微元受力平衡可得。适用于所有流体类型和不同的流动状态（2）简述传统的圆管层流的分析方法的主要步骤。（3）何谓结构流？塑性液体在圆管内层流流动时为何会产生结构流？牛顿液体、幂律液体圆管层流流动是否会出现结构流？由塞流直到形成紊流前的整个区域都称为结构流。塑性液体在圆管内层流流动时会产生结构流的原因是塑性流体具有屈服值不会（4）何为核隙比？粘塑性液体屈服应力和核隙比有何比例关系？流核半径与圆管半径之比α=r0R=τ0τw（5）幂律液体的流性指数与其在圆管内的速度分布有何关系？（6）利用传统的圆管层流的分析方法的核心是建立流量表达式，哪个流变模式没有做任何简化而获得工程上常用的压耗计算公式？宾汉模式及赫-巴模式（7）写出以范宁阻力系数表达的达西公式。∆p=2fLDρv2（8）范宁（Fanning）阻力系数和莫氏(Moody)阻力系数的关系?pp222prrprLLλ=4f;其中λ为莫式摩阻系数，f为范宁摩阻系数（9）什么是通用圆管流量方程，是否对牛顿流体和非牛顿流体都适用？并简述该方程求解圆管层流压耗的基本思路。不同流变模型的流量与管壁切应力之间的关系方程可以表示为一种统一的形式，这种统一形式的方程称为通用圆管流量方程。都适用在已知流变方程的条件下，利用通过圆管流量方程建立起流量和管壁切应力或管壁剪切速率的精确关系式，通过该关系式由给定的流量求解管壁切应力，从而获得圆管层流压耗精确值（10）什么是管流特性参数，何为广义流性指数，广义流性指数的物理意义是什么？如何确定广义流性指数？管流特性参数：牛顿流体的管壁剪切速率广义流性指数：管壁切应力与管流特征参数在对数坐标系中的关系曲线上任一点处的斜率（11）何为有效管径？物理意义？何为管壁表观粘度？以有效管径和管壁表观粘度表达的广义雷诺数的定义？有效管径物理意义：非牛顿流体在直径为D的圆管内做层流运动，压耗等于黏度与其管壁表观黏度相同的牛顿流体以同样的平均速度在直径为Deff的圆管层流压耗。管壁表观黏度：非牛顿流体在圆管内的层流流动，其流动压耗等于动力粘度为有效粘度的牛顿流体在相同条件下层流流动时的压耗。（12）简述基于广义流性指数计算圆管压耗的主要步骤。1.计算管壁切应力τw和剪切速率γw。2.计算广义流性指数3.计算有效管径Deff4.计算广义雷诺数Reg5.计算压耗Chap4:（1）研究同心环空轴向层流的流动模型有那两种？分析利用传统的分析方法分析非牛顿流体同心环空轴向层流用的是哪种模型？一种是不作简化处理的方法，称为实际流动模型；对于非牛顿流体同心环空轴向层流，一般采用简化方法，即将环空流动假设为窄槽（两无限大平行板间）流动，这种处理方法称为窄槽流动模型（2）窄槽流模型的核心思想是什么，由此推导的同心环空均匀流控制方程与圆管层流控制方程有何异同之处？对于钻井工程环空情况，按牛顿流体分析，窄槽流模型的工程误差大概小于多少？核心思想：假设同心环空内的流速关于环空内心线对称分布，即最大流速在中心线上，且环空内外壁面切应力相等。当环空内外径之比ζ0.3时，窄槽流动模型环空压耗最大误差不超过2.5％（13）写出同心环空轴向层流以范宁阻力系数表达的达西公式。Δp=2(24ρDhyvμ)LDhyρv2=2faLDhyρv2（3）什么是通用环空流量方程，基于该方程求解环空压耗的主要步骤是什么？（4）简述通用环空流量方程与传统算法求解环空压耗的主要步骤，并分析传统算法的误差来源。（5）什么是同心环空广义流性指数，并简述基于广义流性指数求解广义雷诺数的主要步骤。广义流性指数:环空管壁切应力与特性参数12v/Dhy在对数坐标系中的关系曲线上任一点处的斜率（6）有效管径与等效管径有何异同？等效管径是将牛顿流体环空流动等效为牛顿流体圆管流动。有效管径则是将非牛顿流体同心环空流动等效为牛顿流体圆管流动（7）如何描述偏心环空的偏心程度？偏心度表示不同半径的内外管偏心程度的大小（8）偏心度如何影响偏心环空的速度分布、流量和压降？Chap5:(1).列举几种常用的钻井液流态判别方法。临界雷诺数法、局部稳定性参数Z值法、整体稳定性参数法(2).用临界雷诺数方法判别非牛顿流体流态存在什么局限性？（3）非牛顿流体的临界雷诺数不为定值，大小与液体的性质有关。用临界雷诺数方法判别非牛顿流体流动状态与实际情况有出入。刘崇建等对七组不同性能的幂律流体进行的圆管流实验结果表明，采用临界雷诺数的方法来判别流态存在较大的误差，有的甚至高达30%。(3).目前对非牛顿流体稳定性（流态判别）主要有哪两种理论？简述各理论要点。局部稳定性理论：该理论认为流场中存在这样的一些点，其流动稳定性最弱，最易于产生紊动涡。若这些点开始产生紊动涡，便认为流动已由层流向紊流转变。但最易产生紊动涡的点发生紊流，并不能说明整个流动能够完全紊流，只能认为整个流动的部分区域产生局部紊流。整体稳定性理论：(4).简述分层雷诺数的概念，如何利用分层雷诺数求稳定性参数Z值？任意一层流体惯性切应力与黏性切应力之比(5).稳定性参数K与稳定性参数Z之间有何关系？Z=2K(6).用临界雷诺数cRe和临界cZ值判别流体流态进行水力计算时，当cReRe（或cZZ）时，可判断流体为紊流，这种做法对吗？不对Chap6:(1).牛顿流体紊流压耗计算通式在圆管内与同心环空中有何不同？范宁摩阻系数fa和雷诺数Re的关系式以及雷诺数Re的计算式不同(2).何谓光滑管，何谓粗糙管，两者有何不同之处？在近管壁处存在着两种流动情况。雷诺数较小时，近壁层流层的厚度大于绝对粗糙度，粗糙突起对紊流的流动影响不大，这种情况的管内流动称为“水力光滑”的，把这种管道称为“光滑管”；随着雷诺数开始变大，层流开始向紊流转变，层流边层的宽度变小，到达一定的程度时，近壁层流层的厚度小于绝对粗糙度，粗糙突起就会对紊流造成影响，这种管内流动称为“水力粗糙”的，把这种管道称为“粗糙管”。(3).根据尼古拉兹实验，圆管紊流沿程阻力可以分为哪几个区域，各区域内如何计算范宁阻力系数？(4).常见的光滑管阻力系数计算方法有哪些，常见的粗糙管阻力系数计算方法有哪些？光滑管阻力系数计算方法：1.多吉-梅茨纳公式；2.伯拉休斯型经验公式；3.克拉佩公式；4.托兰斯公式粗糙管阻力系数计算方法：1.Reed-Pilehvari公式；2.Bailey-Peden公式(5).如何计算过渡流压降？流体流动过程中由层流发展到紊流状态存在过渡区，对于过渡区流动压耗求解方法有学者建议在层流临界雷诺数与紊流临界雷诺数之间采用线性插值方法求解得出过渡区范宁阻力系数。因此，对于层流临界雷诺数处范宁阻力系数由下式计算得到：紊流临界雷诺数下的范宁阻力系数，采用如前所述范