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.     

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。     

充气欠平衡钻井水平段环空岩屑运移规律实验研究

基于气-液-固三相流理论以及相似理论和量纲分析原理,自主设计并研制了一套水平环空多相复杂流动物理模拟实验装置。该装置可实现对常规或低密度钻井液携岩环空复杂流动的可视化物理模拟。利用该装置开展了充气欠平衡钻井水平段环空岩屑运移物理模拟实验;并针对气液体积流量比、钻杆旋转与偏心等因素对岩屑运移的影响规律进行了深入的研究。结果表明,对岩屑运移起主导作用的是液相流量,气液体积流量比对岩屑运移的影响相对较小,钻杆偏心或旋转对岩屑运移的影响具有不确定性;但在钻杆处于偏心位置时旋转钻杆,最有利于岩屑的运移。     

冲砂洗井泡沫携砂规律数值模拟研究*

利用计算流体动力学（CFD）软件对水平井冲砂洗井过程中泡沫流体携砂能力进行了数值模拟。结果表明在油管居中情况下泡沫流体在环空中心部位体积分量最大,砂粒颗粒体积分量最小。砂粒在泡沫携带下,中心区域的砂粒速度随着运移路程不断变化,砂粒平均速度比入口速度略有增加。随着砂粒直径增加,发生冲蚀区域增加,其对泡沫携砂能力将产生更大影响,但总体而言,砂粒对管壁的冲蚀速率非常小。泡沫流速为0.30 m/s时,直径在0.1～2.0 mm的砂粒基本上可以悬浮在泡沫流体中随泡沫一起运动,没有沉降现象;泡沫流速为0.90 m/s和1.50 m/s时,0.1～2.0 mm直径砂粒可以顺利通过水平井段环空流道,砂粒直径越大,泡沫携砂能力越低。     

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。     

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%。     

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。     

钻杆内加厚过渡区岩屑颗粒冲蚀的模拟与试验验证

针对目前钻井工程中钻杆内加厚过渡区岩屑颗粒冲蚀严重的现状,采用数值模拟方法对钻杆内加厚过渡区内钻井液流动和岩屑颗粒冲蚀问题开展研究,并采用全尺寸铝制试件进行冲蚀试验来验证模拟计算结果.结果表明:钻井液进入公接头内加厚区域后,流体静压经历了先增大后减小而后再增大3个阶段;钻井液从钻杆本体进入公接头内加厚区域后,流速迅速增...     

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。     

欠尺寸稳定器环空流场特性模拟

欠尺寸稳定器在页岩气导向钻井中具有控制井眼轨迹、降低摩阻/扭矩、减少钻具阻卡的风险和改善井眼清洁
状况等多重作用,但欠尺寸螺旋稳定器作用下的环空流场特性和作用机理并不完善。为此,采用时均紊流黏性模型法和
Realizable k–ε 湍流模型,对欠尺寸螺旋稳定器环空流体流动特性进行了数值仿真模拟。模拟结果表明,在稳定器环空
入口段的环空流动较稳定,靠近稳定器位置开始出现扰动;在稳定器环空中下游（稳定器外侧和出口段）环空流速、总压
力和动压力的分布均出现了3 个轴对称的流动区域,该流动区域的形成、发展和分布规律基本呈螺旋状,这种螺旋流动
状态有利清除井壁岩屑床;而且该段流场涡量较大,流动迹线的发展也极不规律,即稳定器的螺旋结构导致流体发生绕
流,绕流时形成了大量的漩涡流动,伴随产生了较大的动压力,而动压力诱发的激振力会加剧钻柱的振动。     

排砂管线弯接头的冲蚀机理研究

排砂管线是气体钻井中不可缺少的地面设备之一,在高压高产气井的钻井中存在安全隐患,常规情况下通常
被人们忽略。排砂管线失效主要由高速气流中的固体颗粒冲蚀破坏,通常发生在弯接头部分。针对排砂管线弯接头
的冲蚀失效情况,开展冲蚀破坏机理的理论研究和数学模型研究,对弯接头的冲蚀攻角、冲蚀函数、冲蚀颗粒形状系数
以及固体颗粒的受力状况进行探讨。建立排砂管线弯接头的CFD 有限元模型,可以任意改变弯接头的角度,定量地
模拟不同工况下含有固相颗粒的多相流对弯接头的冲蚀速率和冲蚀机理,对排砂管线在气体极限流量100×104 m3/d
和50×104 m3/d 的工况下,对不同含砂量进行一系列的CFD 仿真模拟,得出冲蚀速率随弯接头角度变化定量的关系曲
线,为弯接头的结构优化设计提供理论依据。     

基于水侵预警的边水气藏动态预测模型

对于水驱气藏,水侵可以起到维持地层压力、保持气井产量的正面作用。但当水锥突破至井底后,受气水两
相渗流的影响,气相渗透率急剧降低,严重影响气井生产。如何准确预测边水推进距离,做到水侵的提早预警,对于气
藏开发技术对策调整具有重要的意义。基于体积平衡原理、以边水气藏水侵圆环为研究对象,建立的边水气藏水侵预
警方程能预测气藏的可能见水井及其见水时间,可实现水侵气藏的早预警、早调整;并结合产量预测、压力预测和水侵
量预测模型,建立了一种新的基于水侵预警的边水气藏动态预测模型,应用于PG 气田水侵气藏的见水井、见水时间和
相关开发指标的动态预测,与实际生产对比表明,该模型预测结果基本吻合,能够指导气藏的水侵预警与及时调整。     

滑坡带埋地管道力学强度分析

针对西部某滑坡段埋地管道的实际工况环境,开展了滑坡段埋地管道受力的理论分析,由于滑坡带的埋地管
道受力非常复杂,因此,用有限元法建立了滑坡段埋地管道与土壤互作用的有限元力学模型,该模型可以方便和准确
地模拟埋地管道与土壤的相互作用以及管道不同工况和不同边界条件下的应力和变形。根据该模型,详细地分析和
研究了不同斜坡角度和不同滑坡长度下管道内的最大应力、应变的变化,重点分析了西部某段埋地管道的斜坡角度为
20℃时,管道内的最大应力随滑坡段长度的变化关系,为安全滑坡段长度的设计提供了理论依据,该方法可以在类似的
斜坡地段埋地管道中推广应用。     

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。     

连续流量法中钻屑与瓦斯动态分离技术

针对钻孔瓦斯涌出初速度法存在的问题,提出了钻屑与瓦斯动态分离技术,采用了理论分析、正交实验与单指标极差分析的方法对瓦斯泄漏量的运移规律与影响因素、泄漏率曲线进行了研究.研究结果表明:钻屑与瓦斯动态分离技术在工程实践中具有可行性;影响瓦斯泄漏量的因素包括钻屑封堵段的长度、钻屑封堵段的直径、煤屑粒径、钻孔涌出瓦斯的总流量和煤电钻的转速,其中煤屑粒径的重要性大于煤电钻转速,远大于封闭段长度.研究结论对于钻孔瓦斯涌出初速度法的改进有一定的参考价值和指导意义.