研究亮点
许争鸣:一种新的黏弹性流体中岩屑曳力系数及沉降末速的计算模型【SPE Journal,2020】

黏弹性流体经常被用作钻井液或者压裂液,以提高岩屑或支撑剂的输送效率。固相输运性能在很大程度上取决于悬浮颗粒的沉降特性。与黏性流体不同,黏弹性流体的弹性和黏性特性都影响颗粒沉降特性。以往的研究大多是研究黏弹性流体的总曳力系数或沉降末速与黏性流体的偏差。但是这些只能了解流体弹性对黏弹性流体总曳力系数的影响,即仅知道黏弹性流体与粘性流体总曳力系数的偏差,但并不能量化剪切黏度和流体弹性对总拖曳力的贡献程度,也无法评估剪切黏度和流体弹性的相对重要程度。然而,在使用黏弹性流体后,确定不同沉降条件下剪切黏度或流体弹性对总拖曳力的贡献程度也很重要,以便现场工程师优化黏弹性流体、提高钻井/压裂效果。

针对这一关键问题,我校能源学院青年教师许争鸣,提出了将总拖曳力分解为黏性阻力和弹性阻力两部分,进而分别量化剪切黏度和流体弹性对沉降末速的贡献程度,在受力分析的基础上,确定了弹性拖曳力的计算公式,建立了弹性曳力系数与颗粒雷诺数的关系。通过将无量纲粒径与颗粒雷诺数相关联,确定了直接预测黏弹性流体中固相沉降末速的显式方程。基于本研究,得到了以下结论:

1、流体弹性阻碍颗粒沉降,使颗粒在低、中颗粒雷诺数条件下(Re<500)沉降末速显著降低。但随着流体松弛时间的增加,弹性贡献度的增加幅度减小。

2、总曳力可分解为黏性曳力和弹性曳力(图1)。弹性曳力与流体弹性、颗粒直径、颗粒沉降末速以及颗粒与流体的密度差有关,并建立了弹性曳力的计算公式。

3、通过无量纲粒径与颗粒雷诺数的关联,建立了一种新的直接预测黏弹性流体中固相沉降末速的显式方程,预测精度约为85%(图2)。

该研究可以帮助现场工程师选择合适流变性的钻井液/压裂液,增强岩屑/支撑剂的输送,以提高钻井/压裂效果。

 

图1-2020

图1 黏性流体和黏弹性流体中固相受力分析(a、黏性流体;b、黏弹性流体)

 

图2-2020

图2 模型预测与实验测量的黏弹性流体中沉降末速的对比

 

上述成果发表于国际石油工程研究权威期刊《SPE Journal》上,Xu Z.M*, Song X.Z, Zhu Z.P. (2020). Development of elastic drag coefficient model and explicit terminal settling velocity equation for particles in viscoelastic fluids. SPE Journal, 25(6):2962-2983. DOI: 10.2118/201194-PA. [IF2020=3.478]

全文链接:https://doi.org/10.2118/201194-PA