水平井段脉冲携岩数值模拟研究

水平井钻井技术已成为现代油气勘探开发的重要手段,水平井段岩屑运移不畅造成钻井过程中的高摩阻和扭矩、卡钻和憋泵等情况,影响钻具的使用寿命和钻进安全,特别是使用现有的常规携岩方法无法解决,为此,提出脉冲携岩方法。在现有水力脉冲的基础上,根据分流继能机理,建立小井眼水平井岩屑运移的流场模型,采用RNG k-ε模型、幂律模式及二次开发子程序进行数值计算,确定脉冲携岩合理的脉冲周期、占空比等参数,并研究水力脉冲条件下钻井液排量、偏心度、岩屑粒径等参数对偏心环空岩屑运移的影响,得到环空岩屑运移速度和浓度的分布规律。研究表明,在同等条件下,脉冲携岩效率更高,破坏岩屑床效果更好,降低岩屑床浓度约40%。     

页岩气钻水平井段岩屑床破坏及岩屑运移机理研究

针对页岩气开采成本高,以及清水钻井在垂直井段具有成本低和机械钻速快的优点,且页岩气清水钻井岩屑运移规律尚认识不清。基于流体力学基本控制方程和湍流输运方程,建立了三维井眼环空岩屑运移模型。使用全隐式多网格耦合求解技术进行数值计算。利用该模型开展清水钻水平井段岩屑运移可行性研究,以及钻井液排量、岩屑床高度、岩屑粒径、清水黏度和钻柱转速对岩屑运移规律的影响研究。研究表明,在水平井段清水钻井液携岩是可行的,数值计算结果对比,得出钻井液排量、岩屑床高度和岩屑粒径是影响清水携岩能力的敏感参数。建议钻井过程岩屑床厚度不要超过井眼直径的10%,岩屑颗粒直径为5 mm左右,根据钻井需要选用合适的钻井液排量、钻井液黏度和钻柱转速。清水钻井岩屑运移机理研究可为页岩气安全高效开采提供技术支撑,同时将加快页岩气工程的开发进程。     

水平井岩屑床止动模型的建立

在水平井钻井中，洗井区的携岩状况关系到整口井钻探的成败，利用大斜度井及水平井环空携岩的理论研究成果，根据岩屑床在环形空间的受力分析建立了第二洗井区岩屑床止动模型，提出了环空止动返速和环止动排量的概念，并推导了钻井液在环空中处于幂律流型、宾汉流型和修正幂律流型时相应的环空止动返速的计算公式，运用该模型对胜利油田、大庆油田、中原油田和大港油田所钻的群口水平井的部分资料进行了处理，结果表明，目前实钻水平     

水平井岩屑床止动模型的建立

在水平井钻井中，洗井区的携岩状况关系到整口井钻探的成败。利用大斜度井及水平井环空携岩的理论研究成果，根据岩屑床在环形空间的受力分析建立了第二洗井区岩屑床止动模型，提出了环空止动返速和环空止动排量的概念，并推导了钻井液在环空中处于幂律流型、宾汉流型和修正幂律流型时相应的环空止动返速的计算公式，运用该模型对胜利油田、大庆油田、中原油田和大港油田所钻的九口水平井的部分资料进行了处理，结果表明，目前实钻水平井因携岩问题出现的复杂现象，根本原因在于实际环空返速低于环空止动返速。得到了目前我国大斜度井及水平井第二洗井区环空止动返速的统计性数据，并且提出了改善第二和第三洗井区环空携岩状况的一般方法。     

考虑粒径分布的深水环空岩屑浓度研究及应用

深水低温对钻井液性能影响显著,其粘度和切力的改变使深水携岩与常规陆上钻井不同。由于温度降低带来钻井液性能的改变对不同粒径岩屑上返速度的影响程度不同,因此在深水携岩研究中,考虑岩屑粒径分布是必要的。本研究分析了温度变化对钻井液影响,建立了考虑岩屑粒径大小及粒径分布、机械钻速及钻井循环时间等影响因素的深水钻井分岩屑粒径的环空浓度计算新模型,从而获得了深水钻井中全井及井眼各段环空内岩屑浓度大小及其浓度随循环时间变化的分布与变化规律,并在现场深水钻井岩屑浓度的分析计算中,取得了良好的应用效果。     

环空注气气举反循环钻井工艺及关键参数设计

利用气举反循环钻井技术解决长宁页岩气表层钻井漏失问题,需要解决常规气举反循环钻井技术井口敞开、井底压力控制不精确等问题。为此,在常规气举反循环钻井技术的基础上,设计了一种环空注气气举反循环钻井新工艺,新工艺加装旋转防喷器、钻杆旋塞等工具,具备井控能力。通过调节注气量、钻井液排量等关键施工参数,控制井底压力,减少钻井漏失。在多相流理论基础上,建立了与新工艺匹配的环空注气气举反循环井底压力计算模型,分析了关键施工参数对井底压力的影响规律,建立了关键参数设计方法,在安全窗口范围内优选关键施工参数,保证安全钻井。结果表明：井底压力随注气量的增大先减小、后增大,存在临界注气量;井底压力随井深增大而增大;井底压力随钻井液排量增大而增大。在长宁某井表层进行了现场试验,与同井段井漏地层相比,较常规钻井工艺技术井漏减少83.6%。研究成果为解决四川长宁页岩气表层井漏问题提供了一种新的技术措施。     

水平井段环空携岩的实验研究

用室内实验的方法对水平井段偏心环空中的岩屑携带问题进行了研究.着重探讨了环空返速、钻井液流变性能及钻柱偏心度等参数对携岩效果的影响.结果表明,在钻进过程中,水平井段形成岩屑床是难以避免的.环空返速及钻井液的流变参数增大,可降低环空内岩屑的总浓度.偏心度增加,会使环空内清洁程度变差.不同流体的携岩效果也不同.聚丙烯酰胺水溶液的携岩效果较好,清水的携岩效果最差.改善钻井液流变性能及加强水力清洗是解决水平井段环空携岩问题的两个重要途径.     

页岩气钻井岩屑运移规律仿真分析

页岩气水平井钻井过程中岩屑在重力作用下极易在斜井段及水平段中沉积形成岩屑床,清洁难度大,进而导致井底高摩阻、高扭矩和阻卡,严重时造成卡钻、钻具断落井下安全事故。基于液固两相流理论,建立了三维井眼环空岩屑运移模型,通过控制变量法分别分析了钻杆转速、排量、岩屑粒径、偏心度、井斜角度等因素变化对环空井筒岩屑体积分数及运移轴向速度的影响规律。研究结果表明：随着转速和钻偏心度增大,岩屑体积分数降低及轴向速度增大;随着岩屑粒径增大,岩屑体积分数增加及轴向速度降低;随着井斜角降低,岩屑体积分数降低及轴向速度增加。可见提高转速、钻井液排量和控制钻头破坏岩屑粒径大小有利于提高井眼清洁,降低井下安全事故。     

水平井段超临界CO_2携岩数值模拟

超临界CO2是一种极具潜力的钻完井介质,研究其携岩机制是超临界CO2钻井技术的重要发展方向。以实测数据设置环空入口岩屑粒径分布,考虑流场中CO2密度和黏度与温度、压力条件的耦合关系及钻杆转动的影响,对温度、压力、排量、转速、岩屑直径、岩屑体积分数及偏心度对携岩效率的影响进行数值模拟分析。结果表明:岩屑床中小颗粒的体积分数下降,大颗粒体积分数的增幅随直径增大而减小;CO2携岩能力随温度的降低和压力的升高而增强,影响规律与室内试验结果相符;增大排量、降低机械钻速可提高CO2携岩效率,而钻杆转速对携岩效率影响甚微;偏心度为0.8时携岩最为困难;水平井钻进时应添加增黏剂以改善CO2携岩效果。     

超临界二氧化碳钻井岩屑速度分布数值模拟研究

超临界二氧化碳钻井技术能有效发现和保护油气藏,提高机械钻速,降低成本,对开发非常规油气资源有着巨大的优势.基于计算流体力学理论,考虑超临界二氧化碳物理特性,分析了超临界二氧化碳钻井液温度、压力、流速和钻杆偏心度、屈曲条件对岩屑速度分布的影响规律.结果表明:温度、压力影响超临界二氧化碳物性进而影响超临界二氧化碳携岩速度,岩屑速度随着温度的升高而降低,随着压力的升高而升高.受偏心环空和重力的综合影响,岩屑在环空流动过程中产生了指进现象,宽间隙岩屑速度明显高于窄间隙岩屑速度;偏心度越大,宽窄间隙内岩屑速度分布差异越明显.在钻杆发生屈曲的窄间隙处岩屑体积分数急剧升高.通过地面设备,精确控制井底温度和压力、调节泵排量,采用钻杆扶正器,建议将偏心度控制在0.6以内,提高超临界二氧化碳钻井岩屑运移效率,为超临界二氧化碳钻井设计提供理论指导.     

冀中坳陷潜山内幕油气藏钻井井壁稳定分析

冀中坳陷潜山内幕油气藏钻井过程常面临恶性井漏、井塌和卡钻等复杂情况。通过对华北油田冀中坳陷20余口井的地质工程等资料进行分析,总结了潜山内幕油气藏影响井壁稳定因素:下第三系地层稳定性差(硬脆性泥页岩易垮塌,微米级微裂缝极为发育,岩性复杂多变和地层存在多套压力系统),潜山内幕碳酸盐岩储层孔洞裂缝极为发育,断层和潜山风化壳形成破碎带以及深层井底高温影响。针对井壁稳定影响因素提出相应技术措施:增强钻井液对下第三系硬脆性泥页岩的抑制和封堵性,其中对微裂缝的封堵是关键,异常压力和复杂岩性段要合理设计井身结构,优化钻具组合;碳酸盐地层重点是强化裂缝封堵,且密度是防漏控制因素,与地层压力近平衡的低密度水包油乳化钻井液防漏效果好;利用软化点适当及粒度分布合适的可变形封堵材料对破碎地层形成快速封堵并适当提高钻井液密度有利于井壁稳定;对井底高温情况要选用合适的抗高温钻井液体系,关键要维护好高温高压条件下钻井液的性能,提高其抗温能力,维持高温高压下胶体稳定,稳定流变性能和滤失量。     

Kingfisher区块过断层地应力变化规律及井壁稳定性

 Kingfisher区块断层发育,钻穿断层时井壁坍塌、钻井液漏失等复杂情况频发。根据孔隙弹性理论及Mohr-Coulomb强度准则,分析了正断层对地应力的影响规律,结合断层对地层力学性质的影响建立过断层时井壁稳定预测模型。结果表明,过正断层后垂直断层迹线水平应力明显增加;断层附近发育断层破碎带,使地层强度降低、坍塌压力升高;过断层时的安全泥浆密度窗口大大减小,为防止断层破碎带发生漏失,应以最小水平主应力作为安全泥浆密度窗口的上限;合理的钻井液密度及优良的封堵性是保证安全钻井的关键。研究结果与Kingfisher区块实钻情况吻合,对Kingfisher区块过断层时的钻井安全具有指导意义。     

超深井长裸眼段岩屑运移规律及特征分析

大位移井在深部地层的油气藏开采中得到了广泛应用,但同时面临着井眼清洁不充分、托压、卡钻等一系列问题,为了更好地指导超深大位移井的井眼清洁工作,需要进一步对超深大位移井的长裸眼段的岩屑动态运移特性进行研究。建立了考虑实际井眼轨迹、流体压降及悬浮层颗粒扩散的大位移井两层岩屑运移动态模型。该模型利用有限差分法进行求解,并利用已有文献的实验结果进行验证。对钻井和冲洗两种工况进行模拟研究,认识钻井液排量、钻井液密度、机械钻速、井眼半径等方面对岩屑运移的影响。研究结果表明：在钻井工况下,井斜角越小的井段,岩屑越难以沉积,且钻井液排量越高、钻井液密度越高、井眼尺寸越小、钻速越低,岩屑运移的效率越高;在冲洗工况下,井斜角越小,冲蚀效果越差,且钻井液排量越高、钻井液密度越高、井眼尺寸越小,岩屑运移的效率越高。研究结果对保障超深大位移井良好的井眼清洁具有指导意义。     

三向应力状态下层理性泥页岩地层井壁稳定性研究

层理性泥页岩地层钻进过程中,极易发生井壁失稳问题,严重影响了钻井作业效率,增加了勘探开发的成本。探索了层理性泥页岩地层的井壁失稳机理,开展了考虑钻井液作用下层理性泥页岩地层在真实三向应力状态下的井壁稳定性预测模型研究。研究表明:忽略中间主应力的影响不能准确预测层理性泥页岩地层坍塌的风险;钻井液滤液沿层理面的渗流会降低层理面的黏聚力和内摩擦角;并随时间的变化显现出快速降低和平缓降低两个阶段;改进的层理性泥页岩地层井壁稳定性分析模型能够真实反映地应力状态和井壁岩石的力学特性,现场应用表明其能够比较准确的预测层理性泥页岩地层的井壁稳定性。     

塞平一井钻井液技术研究

为探索用水平井技术提高安塞油田低压低渗薄油藏的单并产量，长戾油田与西安石油学院合作钻成了一口井深１６５８．２７ｍ、水平并段长度２３６．１７ｍ的水平井—塞平一井．该井采用新研制的ＡＭＬ低固相钻井液在现场应用中较好地解决了井眼净化、井壁稳定、润滑防卡水平井钻井液的三大难题，配合工程措施顺利地钻成了这口井．在应用中探索了水平井使用层流携屑的措施，实现了聚合物钻井液滤失性与泥饼质量的统一，解决了两性离子聚合物钻井液抑制能力不足的缺陷，探索出钻井液复合技术，对钻井液工艺有新发展．     

川东北元坝地区元坝11井地应力建模和井壁稳定性分析

 川东北元坝地区由于地质条件复杂,多次发生井漏、坍塌、溢流等复杂井况与事故,严重影响施工周期.本文利用GMI井壁稳定性软件,依据元坝11井钻井、测井及地质资料,计算了元坝11井的岩石力学参数,并依据岩石力学实验数据,实现了杨氏模量及泊松比的动静态转化.进一步,利用压裂资料及井眼崩落法则约束最小、最大主应力,计算了最大、最小主应力.建立了元坝11井的孔隙压力、坍塌压力及破裂压力三压力剖面,预测了泥浆密度窗口,分析了元坝11井的井壁稳定性.结果表明,元坝地区陆相地层自下沙溪庙组至须家河组坍塌压力变化较大,导致泥浆密度窗口缩小,并且钻井过程中选取泥浆密度不合适,地层多为砂泥岩薄互层,导致层段多次发生复杂情况,井眼扩径明显;海相地层变化相对较小,泥浆密度窗口较大,井壁相对稳定.     

加蓬G 区块破碎地层井壁失稳机制与钻井液技术对策

 加蓬G区块是中石化海外重点勘探开发区块,LPC和ANG复杂地层钻井施工中出现了严重的井壁失稳问题。通过破碎地层的泥页岩岩心表观特征分析、泥页岩钻屑清水浸泡试验、泥页岩黏土矿物分析和泥页岩滚动回收试验得出,以伊/蒙混层和伊利石为主的黏土矿物组分和微裂隙发育特征是加蓬G区块破碎地层井壁失稳的外在物质条件;钻井液滤液沿裂隙和微裂隙进入地层深部,使黏土矿物水化膨胀,使井壁失去平衡,是导致坍塌掉块的内在原因。制定了钻井液密度应力防塌、屏蔽封堵防塌、优质钻井液体系配方等综合防塌技术措施,在加蓬G区块进行了现场试验,G-9井和G-10井2口井LPC和ANG地层的平均井径扩大率分别降低到11.6%和12.1%,井身质量较邻井有显著的提高,取得了良好的井壁稳定效果。     

准噶尔南缘膏泥岩地层井壁失稳机理研究*

准噶尔盆地南缘山前安集海河组和紫泥泉子组地层含有大量膏泥岩和泥岩,且存在复杂的破碎带,是该地区钻井过程中发生遇阻、卡钻、井漏等井下复杂事故的主要层段。从岩心粘土矿物组分、微观结构、岩石力学性能、岩屑分散膨胀性能等方面分析该层段的失稳机理。研究认为：安集海河组和紫泥泉子组地层均具有粘土含量(30%)、伊/蒙混层(57%)、混层比高(55%)是地层发生非均匀水化膨胀失稳的主要原因;岩屑清水热滚回收率和线性膨胀率可见地层具有高分散高膨胀的特点,极易造成井壁坍塌及钻井液性能恶化;岩心抗压强度较低,经水基钻井液浸泡后破碎或者产生裂纹,油基钻井液浸泡抗压强度下降,说明岩心本身的抗压强度低也是地层不稳定原因;另外,地层孔隙压力高,钻井液安全密度窗口窄,钻井液密度控制不当也是导致地层失稳(漏失和坍塌)的重要原因。     

页岩气层钻井压力穿透效应研究

页岩段井壁稳定问题是钻井工程中的难点之一,国内外许多学者在研究钻井液与页岩之间的化学势差和水化膨胀作用方面作了大量工作,但对于压力穿透方面的研究工作则相对较少。为此,通过在压力容器中充满钻井液,模拟近井壁过平衡钻井所导致的压力穿透环境,测量压力对垂直于页岩层理和平行于页岩层理方向应变的影响。结果表明,垂直于层理方向的应变随压力增大呈现出显著的阶梯式变化,同一压力作用时页岩压力穿透效应具有时间延迟效应和各向异性。通过理论分析发现,在页岩有效孔隙度一定的条件下,页岩压力穿透效应主要受滤饼渗透率、钻井液液柱压力与地层孔隙流体压力之间的压差、页岩与钻井液接触时间以及钻井液黏度的综合作用。页岩压力穿透效应对研究页岩段钻井过程中井壁稳定与控制具有重要意义。