深水钻井隔水管段大尺寸环空压耗数值模拟

深水钻井过程中海水段隔水管环空中的水力学特性与常规井有较大差别。运用理论分析的方法对海洋深水钻井隔水管段大尺寸环空中的压力损失进行了研究,分析了环空泥浆返速、钻杆旋转速度、钻井液性能和环空尺寸等对压耗的影响,并与常规井眼环空压耗进行了对比。研究结果表明:在大尺寸环空中,对于幂律流体,在层流状态下环空压耗随钻杆转速的增加而减小;随着环空尺寸的增大,环空压耗急剧降低;随钻井液流变指数和稠度系数的增加,环空压耗呈指数增大和线性增大。本文可为研究隔水管环空螺旋流携岩规律提供帮助。     

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。     

连续油管带筛管双重管柱岩屑运移模型研究

连续油管带筛管喷射侧钻多分支井钻完井一体化是一种新型的多分支井钻井方法,针对本技术连续油管和筛管所形成的双重管柱,开展岩屑运移试验研究,采用Monte Carlo方法预测岩屑颗粒进入割缝筛管与连续油管之间环空的情况,并计算环空中被岩屑颗粒堵塞的临界参数。结果表明:双重管柱岩屑运移存在悬浮层、跃移层、静止岩屑层以及筛管与连续油管之间的砂堵层。由于具有更小的环空过流面积,双重管柱的岩屑运移能力比常规连续油管钻井高。试验条件下,砂堵层不发生堵塞的临界条件是:当缝宽介于岩屑颗粒之间时,泵排量高于0.98 L/s,或机械钻速小于40.09 km/h,缝宽比岩屑粒径越大,临界机械钻速越小;当缝宽大于岩屑颗粒直径时,泵排量高于0.88 L/s或机械钻速小于5.74 km/h。     

小井眼钻井环空压耗计算与分析

环空水力学是小井眼钻井的关键技术,通过对钻井水力参数的分析和研究,结合小井眼钻井的实际情况,采用合适的流变模式来描述小间隙环空中的流动规律．并应用非牛顿流体力学的基本原理建立偏心环空螺旋流模型,对小井眼情况下的环空压耗进行了计算,进一步对小井眼环空中的压力损失进行了研究．所选择的模型层流时为偏心环空螺旋流模型,紊流时为考虑广义雷诺数、范宁摩阻系数、水力直径的模型．分别运用当量直径和水力直径,层流时通过迭代、积分,紊流时通过修正系数进行了求解,并与实验和现场数据相比较,经验证,此模型基本上满足现场需要．结果表明：①在小井眼钻井中,环空中的压力损失远大于常规井;②钻杆偏心及高转速对环空压耗的影响很明显;③在窄的环空间隙,需要建立准确的环空压耗模型来调整泥浆密度及钻井液的流变性能．     

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。     

小井眼钻井环空压耗计算与分析

环空水力学是小井眼钻井的关键技术,通过对钻井水力参数的分析和研究,结合小井眼钻井的实际情况,采用合适的流变模式来描述小间隙环空中的流动规律。并应用非牛顿流体力学的基本原理建立偏心环空螺旋流模型,对小井眼情况下下的环空压耗进行了计算,进一步对小井眼环空中的压力损失进行了研究。所选择的模型层流时为偏心环空螺旋流模型,紊流时为考虑广义雷诺数、范宁摩阻系数、水力直径的模型。分别运用当量直径和水力直径,层流     

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.     

水平井岩屑运移数值模拟研究

随着石油钻采工艺不断发展,水平井钻井在世界范围内全面展开,已成为现代油气勘探开发的重要手段.由于水平井的井斜角大,岩屑在运移过程中容易形成岩屑床,而岩屑床清除比较困难.针对目前存在的问题,采用计算流体力学仿真模拟技术对不同岩屑粒径下岩屑运移进行了研究.结果表明:岩屑粒径的增大,移动岩屑床速度和悬浮岩屑体积分数基本保持不变,悬浮岩屑运移速度及固定岩屑床体积分数呈下降趋势,环空下部岩屑床高度增加,堆满了下环空,单位体积内岩屑所占比重下降,导致了移动岩屑床体积分数先增大后减小.建议在某些井段使用低钻速牙轮钻进,以此控制岩屑粒径在2mm以内,降低岩屑清洗难度.     

超深长位移侧钻井井眼净化及泥浆泵能力分析

为分析超深侧钻井井眼环空净化状况,给现场钻井施工提供指导,结合国内外研究成果,用最小排量分析井眼净化情况,计算出岩屑床高度。同时提出安全排量概念。利用安全排量计算系统压耗,依据系统压耗分析泥浆泵能力,为超深长位移侧钻井的可行性论证提供了一种分析方法。     

深水含浅层流地层无隔水管领眼钻井水力参数计算

综合应用动态压井系统的无隔水管领眼钻井技术是处理深水含浅层流地层地质灾害的有效手段之一。针对无隔水管钻井技术特点,进行了无隔水管领眼钻井技术在深水含浅层流地层的适应性分析。基于油气井流体力学和渗流理论,考虑了浅层流实时钻进过程中地层漏失或侵入井筒动态过程的影响,建立了无隔水管钻进的平衡方程、连续性方程、运动方程和辅助方程,为钻井水力参数的设计与求解提供了依据,并以南中国海W-X01井为例,对计算方法进行验算与对比分析。现场实例计算表明:钻井液排量、钻进速度、钻杆转速是无隔水管海水钻进过程中的主要控制性施工参数,通过施工参数可调整环空压耗大小,进而控制井底压力;环空压耗随钻井液排量的增大而增大,且领眼尺寸越小环空压耗增大的趋势越大;同时,环空压耗随钻杆转速的增大而增大。此方法可以用于指导深水含浅层流地层的无隔水管领眼钻进设计与施工。     

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。     

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。     

基于赫巴模式的页岩气水平井岩屑床清除工具安放间距

岩屑床清除工具可有效地解决页岩气水平井岩屑沉积的问题,安放间距是岩屑床清除工具的重要设计参数,与钻井液性能相关。建立了基于赫巴模式的页岩气水平井岩屑床清除工具安放间距计算模型;对影响安放间距的参数（岩屑颗粒直径、稠度系数、流型指数、屈服值、钻井液密度、钻井液排量）进行了敏感性分析。结论表明：在满足井眼清洁的条件下应尽量增大安放间距;岩屑颗粒直径减小,钻井液稠度系数、流性指数、屈服值、密度和排量增加,有助于增大岩屑床清除工具安放间距。     

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．     

直井洗井分析模型的建立

将微分理论应用于钻井环空水力学，推导井建立了求解岩屑运移问题的差分方程及其算法，分析了钻井参数、泥浆性能及岩屑特性等因素对洗井的影响规律，建立起深直井洗井计算机分析模型，并给出必要的钻井参数，该模型能用于确定岩屑浓度在环空中的分布、计算洗井时间、探索钻井参数对洗井的影响规律及影响程度，用现场数据和模拟实验验证了模拟结果的正确性。     

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。     

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。