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。     

钻柱旋转对大斜度井岩屑运移的影响研究

大斜度井中岩屑能否有效地运移对安全钻井至关重要.在国内外学者对大斜度井岩屑运移问题研究的基础上,考虑了钻柱旋转对其影响.钻柱旋转产生螺旋流,在螺旋流场中建立空间三维坐标,对岩屑颗粒进行受力分析,建立了力学平衡方程,进而求出临界环空返速,在此基础上可以计算最小携岩排量.通过研究可知,钻柱旋转对岩屑运移起到了有效作用,工程实践中,计算最小携岩排量时应考虑钻柱旋转的影响.     

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。     

水平井中钻柱旋转对岩屑运移影响规律研究

由于水平井井身结构的特殊性,岩屑较易在斜井段及水平段中沉积形成岩屑床,进而导致卡钻等一系列问题。分析了水平井岩屑运移机理,并建立了水平井中岩屑运移临界流速数学模型。研究钻柱偏心度、转速、井斜角、岩屑粒径及流体粘度对于临界流速的影响。研究表明,钻柱转速增大,直井段岩屑运移临界流速增大,水平段岩屑运移流速减小;井斜角较小时,岩屑运移所需的临界流速随偏心度增大;井斜角较大时,在偏心度较小条件下,岩屑运移所需的临界流速略有增大;而在偏心度较大条件下,岩屑受钻柱转动影响进入悬浮运移状态,运移所需的临界流速急剧减小。岩屑粒径越大其运移所需的临界流速越高,钻井液黏度的增大有利于降低岩屑运移临界流速。     

水平钻井环空岩屑床表面颗粒临界启动流速的影响因素

利用环空流速分布规律和边界层绕流理论,探讨水平井大斜度和水平井段钻进时钻井液冲蚀岩屑床的临界流速。水平井大斜度和水平井段钻进时,环空岩屑因停泵而自然沉降形成岩屑床,通过对岩屑床表面颗粒进行受力分析和边界层绕流假设,结合数学推导得到床面岩屑颗粒所受钻井液表面切力解析式,建立床面颗粒临界启动解析模型。模型计算与实验数据结果表明,在不同井斜角和颗粒直径条件下,循环介质为清水时模型预测的临界启动流速与实验数据的绝对平均误差不超过8.80%,循环介质为PAC溶液时绝对平均误差在2.51%～7.06%。边界层绕流和环空流速是岩屑临界启动流速的重要影响因素。     

水平井段岩屑床厚度模式的建立

基于环空固液两相流水动力学理论建立了水平井段岩屑床厚度的理论计算模式.采用正交实验设计来安排实验.在大量实验基础上.分析了环空流体返速、钻具旋转速度、钻具与井眼间偏心度、岩屑注入速度、泥浆密度、泥浆流变性及岩屑尺寸等因素及其交互作用对无因次岩屑床厚度的影响.运用多元统计分析的方法建立了综合上述因素的岩屑床厚度经验模式.并对两个模式进行了验证.结果表明。两模式都可用于预测水平井段岩屑床厚度.使用经验模式求解了环空不淤积临界返速.     

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。     

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。     

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。     

水平井冲砂洗井流体流速研究

由于水平井井身结构的特殊性,开发过程中地层砂更易进入井筒,导致产量下降,水平井中冲砂洗井效果直接影响其产能和开发成本。直井冲砂的水力参数设计不适用于水平井水力冲砂洗井,有必要进行水平井冲砂洗井水力参数研究。在分析水平井不同井段内岩屑运移机理的基础上,建立了相应的水力冲砂流体流速数学模型,可以计算砂粒运移时与流体的相对速度以及冲砂洗井所需的临界流速。水平井冲砂洗井中最困难部分为井斜角60°左右的斜井段,临界流速值最大;洗井液黏度适当增大可以降低冲砂洗井所需的临界流速;岩屑尺寸增大,冲砂洗井所需的临界流速也增大。由于未考虑湍流漩涡对于岩屑运移的影响,临界流速计算值略大于实际冲砂洗井中的流速。     

水平井两层稳定岩屑传输规律研究

根据物质守恒定律和动量定理,建立了考虑岩屑床层中流体流动压降、悬浮层中岩屑颗粒受阻沉降的水平井偏心环空中两层稳定岩屑传输的数学模型,并用此模型进行了实例计算。研究结果表明,颗粒扩散系数方程中的实验回归系数应考虑成流速的函数,取值范围为0.014～0.020;考虑岩屑床中流体流动压降后计算的环空压降与实际情况吻合较好。     

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。     

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%。