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.     

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。     

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。     

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。     

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     

侧钻水平井套管段铣铣屑运移实验研究

对钻井液的环空返速、流变性能、密度及井眼倾角、铣屑尺寸等参数对侧钻水平井套管段铣铣屑环空运移的影响进行了实验研究.结果表明,钻井液的环空返速、流变参数及密度增大时,井眼净化效果较好;铣屑的环空返出率随着井眼倾角、铣屑尺寸的增大呈下降趋势.给出了对铣屑进行定量描述和分类的可行方法.运用实验观察方法对比分析了铣屑和岩屑的环空运移机理,运用多元统计分析的方法建立了考虑上述诸影响因素时井眼净化的经验模式.     

水平井水平井段环空压耗模式的建立

在考虑了环空中岩屑颗粒同时存在推移质和悬移质运动的情况下，利用能量平衡方程，建立了水平井段环空压降的理论模式，在大量实验基础上，得到了环空压耗的经验模式．利用现场两口水平井资料对经验模式进行了验证．结果表明，该模式可用于大斜度井段和水平井段环空压耗的预测，并为水平井水力参数设计提供了理论基础．     

水平井段偏心环空中非牛顿流体层流流场的研究

对水平井段偏心环空中幂律流体和宾汉流体轴向流层流流场作了理论分析.把偏心环空视作变外径的同心环空.根据同心环空中流场分布规律.导出了水平井段偏心环空中轴向流速、剪切应力和剪切速率分布的数学表达式.并结合实验用非牛顿流体钻井液.绘制了各参数在偏心环空不同部位的分布规律曲线.解释了水平井段钻具的正偏心不利于岩屑携带的原因.并用实验结果验证了这一结论.初步建立了水平井段同心环空中层流螺旋流的微分方程.     

水平井水平井段环空压耗模式的建立

在考虑了环空中岩屑颗粒同时存在推移质和悬移质运动的情况下，利用能量平衡方程，建立了水平井段环空压降的理论模式。在大量实验基础上，得到了环空压耗的经验模式。利用现场两口水平井资料对经验模式进行了验证。结果表明，该模式可用于大斜度井段和水平井段环空压耗的预测，井为水平井水力参数设计提供了理论基础。     

大位移井岩屑床厚度预测模型与现场应用： 以CH1-1-XX井钻井为例

大位移井钻井过程中,岩屑极易在斜井段及水平段环空底部积聚成床,导致憋泵、卡钻等事故,严重影响钻井施工安全和钻井时效。现有的岩屑运移及岩屑床清除模型均针对标准圆球状岩屑,与实钻中返出的岩屑形状差异较大,导致模型应用范围受限,无法提供更准确的现场指导。为探究大位移井非标准圆球状岩屑运移规律,本文通过可视化岩屑运移实验与CFD数值模拟结合的方法,建立了一套大位移井岩屑床厚度预测经验模型,并在CH1-1-XX井开展了现场应用,对不同开次下的钻进参数进行了优化,取得了良好效果。结果表明：利用模型预测岩屑床厚度并进行钻进工艺参数优化后,一开与二开钻井时最高岩屑床厚度分别为40.6 mm、33.9 mm,均低于同井深处的岩屑床厚度安全线,表明井眼清洁程度高,无憋卡风险。本文建立的岩屑床厚度预测经验模型对提高大位移井井眼净化效率,保障大位移井安全高效钻进具有重要意义。     

水平井钻井合理环空返速的确定方法

根据我国水平井钻井水力参数设计与施工中存在的问题，提出了以有效携岩为目的来确定水平井三个洗井区合理环空返速的方法．在第一洗井区，利用垂直二相流控制方程式作为依据来确定用于安全携岩的环空返速；在第二洗井区，采用环空止动返速作为合理的环空返速，并对影响环空止动返速的诸因素进行了分析，在第三洗井区，运用理论研究成果提出了确定合理环空返速的一般步骤，最后利用本文所述方法列举了一口水平井水力参数的设计实例．     

侧钻水平井套管段铣铣屑运移实验研究

对钻井液的环空返速、流变性能、密度及井眼倾角、铣屑尺寸等参数对侧钻水平井套管段铣铣屑环空运移的影响进行了实验研究。结果表明,钻井液的环空返速、流变参数及密度增大时,井眼净化效果较好;铣屑的环空返出率随着井眼倾角、铣屑尺寸的增大呈下降趋势。给出了对铣屑进行定量描述和分类的可行方法。运用实验观察方法对比分析了铣屑和岩屑的环空运移机理,运用多元统计分析的方法建立了考虑上述诸影响因素时井眼净化的经验模式     

大斜度井中岩屑床厚度模式的研究

岩屑床是大斜度钻井中的重要影响因素,为了控制岩屑床的形成厚度,保证安全钻进,建立了岩屑床厚度的理论计算模式和半经验模式,分析了影响岩屑床形成的各种因素。运用所建立的计算模式对油田丛式井斜度较大的6口井进行了计算。计算结果表明,半经验模式计算结果与理论模式计算结果基本相符。由计算结果推出了安全钻进时岩屑床的厚度极值为1.9cm.     

水平井岩屑床层移运动的规律分析

在环空紊流场作用下岩屑床呈具有特定本构关系的浓缩流动介质．本文由岩屑床层移（剪切）运动的内在机理与物理模型出发,研究层移颗粒微观运动的能量平衡与交换,得到了层移床的本构关系和流动速度场方程,以及层移床转静止床的临界水力条件,层移岩屑床的最大厚度,岩屑床的流动能力与流动阻力．阻力方程中考虑了层移床的承压特点及其与环室内外壁的不同摩擦特性．结果表明层移床的结构应力导致其运动失去关于环空几何中心的对称性,流动中心向钻具侧偏移及层移岩屑床的显著增阻效应。