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在深井、超深井钻井过程中环空压降预测不准确,可能导致井底压力失衡,引发井漏、井喷等安全事故,所以环空压降的准确预测对于井控、控压钻井和钻井参数优化至关重要。在水平井和定向井的钻井过程中,钻柱因为受到轴向载荷的作用极易发生屈曲,钻柱屈曲不仅会对环空流场产生较大影响,也会对环空压降产生一定的影响。为了实现钻柱旋转条件下屈曲环空压降的准确便捷预测,本文以流体力学理论为基础,建立了屈服幂律流体螺旋层流环空压降简化模型、钻杆接头影响的同心(偏心)环空压降数学模型以及考虑钻柱旋转和屈曲的环空压降简化模型,并基于Fluent软件,开展了考虑钻柱旋转、接头、屈曲影响的环空压降仿真实验,通过计算模型与仿真实验的对比,确定了模型的有效性。取得的主要研究成果有:(1)建立了螺旋层流环空压降简化模型,并利用该模型开展了相关影响因素分析,研究表明:钻柱旋转时环空压降随屈服值和稠度系数呈线性或拟线性关系变化,随流性指数、钻柱旋转速度、环空内外径比和偏心率呈指数关系变化;应用Fluent软件开展了考虑钻柱旋转的环空压降仿真研究,将模型结果与实验结果进行对比,其误差在±5%左右,表明简化模型具有较高的准确性;(2)建立了考虑钻杆接头影响的同心(偏心)环空压降数学模型,并利用该模型开展了影响因素分析;同时应用Fluent软件开展考虑钻杆接头影响的环空压降仿真研究,将仿真模型结果与数学模型结果进行了对比,同心环空时误差范围为±5%,偏心环空时误差范围为±10%,当钻柱旋转与接头同时考虑时其误差为±15%;(3)建立了考虑钻柱屈曲影响的环空压降简化模型,并利用该模型开展了影响因素分析,结果表明:环空压降比随着环空屈曲长度的增加,呈现周期性的变化,在一个正弦屈曲间距内,呈现先增大后减小的趋势,随着屈服值、稠度系数、环空流速的增加,环空压降比基本保持不变,随着流性指数、环空内外径比、偏心度的增加呈减小的趋势;同时应用Fluent软件开展了考虑钻柱屈曲的环空压降仿真研究,将模型结果与仿真结果进行对比,其误差范围为±5%。(4)建立了考虑钻柱旋转和屈曲影响的环空压降简化模型,并开展了相关影响因素的分析,研究结果表明:环空压降随着钻柱转速的增加呈减小的趋势,在钻柱转速不变的条件下,环空压降随着屈服值、稠度系数、流性指数的增大而增大,随最大偏心度的增大而减小;将模型计算结果与仿真结果进行对比,其误差范围在±10%。