气体钻水平井钻杆偏心对环空岩屑运移规律的影响

气体钻水平井段,由于自身重力,钻杆倾向于下井壁,形成偏心环空,使得下环空岩屑运移困难,通过研究偏心环空正常携岩和岩屑床岩屑的运移规律对气体钻水平井井眼净化具有重要意义。针对钻杆偏心对气体钻水平井环空岩屑运移规律的影响问题,基于气固两相流理论,利用可视化实验并结合计算流体动力学(CFD)数值模拟方法对其进行了研究。从环空气体速度分布、岩屑速度分布和岩屑相对体积分数分布等方面分析了正常循环和下井壁沉积20 mm岩屑床两种工况,钻杆偏心对环空岩屑运移规律的影响。实验现象和数值模拟结果表明:正常循环时,随着偏心度不断增大,下环空气体和岩屑速度逐渐减小,气体携带岩屑的能力降低;当下井壁沉积20 mm岩屑床时,随着偏心度的增大,气流对岩屑床的扰动能力降低,使得下环空岩屑相对体积分数明显增大,岩屑床的最高剩余厚度逐渐增大。     

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。     

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.     

水平井岩屑运移实验教学系统的研制

为研究不同钻井参数对水平井环空岩屑运移的影响规律,该文设计研制了一种水平井岩屑运移实验教学系统。该系统包括钻井液循环系统、岩屑注入系统、钻杆旋转及偏心系统、实验井筒系统、井筒起升系统、数据采集及分析系统,能够满足对不同钻井液排量、钻杆转速、钻杆偏心度、岩屑生成速度、井斜角、钻井液密度及流变参数的携岩实验研究。实践表明,该实验系统操作简单、运行可靠,为本科实验教学和大学生科技创新及科学研究提供了一个良好的平台。     

大位移钻井全井段岩屑动态运移规律

根据固液两相流理论,综合考虑岩屑的悬浮、滚动和滑动运移方式以及悬浮层固液相速度差和钻杆旋转的影响,建立大位移井全井段三层岩屑动态运移模型,用于模拟计算实际钻井中正常钻进和停钻循环的全部过程;基于有限体积法原理,引入SETS方法对模型进行数值求解,并进行模拟分析.结果表明:对于具有长斜井段的大位移井,环空岩屑床分布达到稳...     

斜直井段和水平井段中环空岩屑运移机理的研究

以岩屑颗粒单元为研究对象,通过分析偏心环空各区域中岩屑颗粒的主要受力,预测岩屑颗粒的运移趋势。通过数值计算,分析了在流核区和速梯区中井斜角、岩屑直径、钻井液返速等对岩屑运移的影响,以及静岩屑床面岩屑运移的基本条件及主要影响因素,对钻进中旋转钻柱能提高岩屑运移行程的机理给出了合理的解释。研究结果表明,增大钻井液返速和保持钻井中钻柱旋转是避免岩屑下滑的主要措施;在斜井段及水平井段中钻柱不旋转,环空岩屑的运移主要靠动岩屑床的作用;增大静岩屑床面液流边界层的速度梯度有助于减小静岩屑床厚度。     

气体携岩对钻杆接头冲蚀规律研究

针对气体钻井钻杆接头冲蚀严重易导致钻杆快速失效的问题,基于两相流计算流体动力学有限元法建立了气
体携岩冲蚀18° 斜坡钻杆的CFD 仿真模型。根据此模型,系统地研究了钻杆居中、钻杆不同偏心程度、不同注气量以
及不同钻速对岩屑颗粒冲蚀钻杆接头、岩屑颗粒运动轨迹和浓度分布以及环空气流速的影响。结果表明：（1）钻杆居
中时,冲蚀速度对称分布,接头冲蚀比钻杆本体冲蚀严重,迎风坡面顶部附近出现最大冲蚀速度。同时,得到了接头最
大冲蚀速度随岩屑质量流量及携岩速度的定量关系;（2）钻杆偏心时的最大冲蚀速度和接头宽流道环空一侧的冲蚀速
度比钻杆居中时大,且偏心程度越高,接头环空窄流道一侧冲蚀区域越密集。钻杆偏心程度在30%～70% 时,最大冲
蚀速度由钻杆接头转移至钻杆本体。接头最大冲蚀速度分别在钻杆偏心0～30%、50%～70% 和80%～90% 时随携岩速
度增加而增加,但在钻杆偏心30%～50% 和70%～80% 时最大冲蚀速度随接头环空宽流道岩屑浓度减小而减小。研究
结果为预防钻杆接头冲蚀失效提供了理论依据,并在现场得到了应用。     

斜直井段和水平井段中环空岩屑运移机理的研究

以岩屑颗粒单元为研究对象，通过分析偏心环空各区域中岩屑颗粒的主要受力，预测岩屑颗粒的运移趋势。通过数值计算，分析了在流核区和速梯区中井斜角、岩屑直径、钻井液返速等对岩屑运移的影响，以及静岩屑床面岩屑运移的基本条件及主要影响因素，对钻进中旋转钻柱能提高岩屑运移行程的机理给出了合理的解释。研究结果表明，增大钻井液返速和保持钻井中钻柱旋转是避免岩屑下滑的主要措施；在斜井段及水平井段中钻柱不旋转，环空岩屑的运移主要靠动岩屑床的作用；增大静岩屑床面液流边界层的速度梯度有助于减小静岩屑床厚度。     

定向井环空内岩屑运移机理的研究

运用实验观察方法,对定向井环空内岩屑的运移情况进行了研究和分析。从宏观上看,斜井环空内岩屑的运移状况有四种不同的流动物理模型,即:均称悬浮流动、非均称悬浮流动、移动床流动和固定床流动。在不同斜度的井眼中分别存在一个对应的临界流速.从微观上分析,岩屑床床面的岩屑颗粒承受液流的拖曳力和上举力、粒间离散力、重力和浮力的作用。对于极细的岩屑颗粒,还承受粒间粘结力。研究结果表明,环空倾角对岩屑运移有一定的影响。倾角越大,越不利于岩屑的运移。液流流速越大,岩屑的运移越快。     

气侵期间岩屑运移规律研究

基于井筒多相流、传热学原理,综合考虑高温高压下天然气和钻井液物性参数变化,建立了环空气液固多相流数学模型,并采用多相流流动和井筒-地层传热耦合方法进行数值求解,着重进行气侵期间岩屑运移规律和敏感性参数分析。计算结果表明:相比泡状流,段塞流携岩能力较差,不利于维持井眼清洁;随着井口回压/循环排量的增加,气相体积分数逐渐减小,岩屑体积分数逐渐增加,而当流型发展为段塞流时,岩屑体积分数随井口回压/循环排量的增加而减小,而气侵量对其的影响正好相反;钻井液塑性黏度、机械钻速、岩屑粒径以及岩屑颗粒球形系数对气相体积分数基本没有影响,而对岩屑体积分数影响较大。     

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。     

欠平衡钻井直井段岩屑运移规律研究

欠平衡钻井技术由于具有提高钻速、及时发现和保护储层等优点,已被广泛应用。然而,地层气体进入井筒后,气液两相流型变化规律复杂。由于不同气液流型具有不同的携岩效果,因此井筒岩屑运移规律多变。首先分析单个岩屑的受力情况,建立岩屑运移数学模型。然后建立环空多相流流型判别模型及环空压力计算数学模型。最后以某井为例编制计算程序,分析相应的钻井参数及进行钻井参数优化。数值模拟结果与现场施工参数吻合。     

气体钻水平井井筒两层流动机理研究

目前关于气体钻水平井的理论研究大都集中在最小注气量的选择上;而对气体钻水平井水平段井筒内的多相流动的机理缺乏深入的理论研究。在研究水平井段多相流动机理的基础上,应用气固两相流动力学理论,结合扩散理论,建立了适合气体钻水平井水平井段两层流动的理论模型,即上层悬浮层、下层为滑动床流动。根据现场某井数据进行了实例计算结果表明:气体钻水平井井筒携岩的最优速度应大于岩屑的沉降速度;岩屑稳定输送的条件为水平井井筒环空内为分层稳定流动;沿程阻力在低速主要来自于底层滑动床中岩屑颗粒与井壁之间的摩擦阻力,高速区来自于悬浮层内岩屑与井壁之间的摩擦阻力。最后结合计算结果,对比前人在水平气固流动中的实验结果,对气体钻水平井的最优注气量、井筒压降计算等给出了合理的建议。     

基于机械系统动力学自动分析水平井钻柱一井壁接触仿真分析水平井钻柱一井壁接触仿真分析

钻柱在高曲率、长水平段的水平井中与井壁接触状态十分复杂,接触状态又直接影响钻进过程中钻柱的摩阻扭矩,进而影响井的延伸极限。因而,较准确、全面描述全井钻柱系统与井壁的接触状态是保证钻柱摩阻扭矩分析结果可靠的前提。基于ADAMS软件,结合力平衡理论、Hertz接触理论和相似原理,建立了与真实测试试验装置具有一致钻井参数的水平井全井钻柱-井壁动态非线性接触模型,分析了全井钻柱接触力分布情况,研究了起钻速度、下钻速度、钻压和转速对接触的影响规律。结果表明：接触力峰值出现在弯曲段;起、下钻速度均对弯曲段钻柱接触状态影响明显,速度相同时起钻比下钻时接触力大;增加钻压可减小全井钻柱的平均接触力;钻柱旋转会在水平段中前部出现小幅密集接触。仿真结果为钻柱摩阻扭矩测试试验装置提供了合适的钻柱与井壁的接触力测量位置,便于利用该装置开展钻柱摩阻扭矩等相关研究。     

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%。