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...     

大位移井岩屑运移研究综述与展望

随着大位移井的广泛应用,岩屑运移问题已成为大位移井钻井安全、成本、效率的关键问题之一。井筒岩屑堆积会导致高摩阻扭矩、卡套管、固井质量差等一系列问题,影响井筒岩屑运移的因素众多且相互作用复杂。当前研究及应用也有诸多问题亟待解决,有必要对大位移井井筒岩屑运移进一步探讨。系统总结了岩屑运移的机理、研究方法、影响因素、评价标准及现场措施,并在此基础上对当前岩屑运移研究进行了展望,以期为大位移井岩屑运移研究及工程实践提供参考。     

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。     

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。     

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。     

基于CFD-DEM耦合模型的大粒径非常规岩屑颗粒运移规律研究

采用CFD-DEM耦合计算模型,利用DEM软件建立大粒径(2 cm)、非球体岩屑颗粒的离散元模型,与FLUENT实现无缝耦合并行计算,颗粒间相互作用采用Hertz-Mindlin弹性接触模型,对大粒径的、非常规岩屑颗粒在水平井段的运移规律进行了数值模拟计算。基于钻井实测数据,建立水平井段环空内含不同形状(片状,立方体状及球状)相同等效球体粒径颗粒的计算模型,展示了井眼环空内颗粒运移、沉积状态,对环空钻井液流速、不同形状的岩屑颗粒运移速度进行了计算分析,本文还计算得到片状大粒径岩屑含量对钻井液携岩效果的影响规律。结果显示:2 cm等效体积球体粒径的颗粒在井眼环空内的运移状态较差,出现局部堆积;立方体状颗粒的运移效果最差,片状颗粒次之;在所选用计算条件下,片状颗粒含量大于10%时会加剧削弱携岩效果。计算结果可对钻井携岩问题的研究提供一定的参考价值。     

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。     

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。     

斜井岩屑运移临界环空流速力学模型

岩屑在大斜度井眼中主要以翻滚形式向井口方向运移,在低斜度井眼中主要以悬浮形式被钻井液举升至地面.通过岩屑受力分析建立两种运移机理作用下的岩屑运移临界流速计算力学模型,并提出保持倾斜井眼清洁的临界环空返速计算方法.将模型计算结果与现有试验数据进行了对比验证,结果表明:临界环空流速随井斜角变化趋势的模型预测结果与试验结果吻合较好,但由于模型计算和试验中判断形成岩屑床的准则不同,环空临界流速的模型计算值较试验值偏低;对实例井的井筒清洗分析结果与现场作业情况一致,验证了该模型的可靠性.     

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。     

大位移井摆线轨道设计方法

摩阻力和摩阻力矩是影响大位移井位移的主要因素 ,选择合适的轨道剖面可以减小摩阻力和摩阻力矩。基于最速降线原理 ,提出了一种大位移井摆线轨道设计的方法。利用此方法计算了井眼长度、起钻摩阻、滑动摩阻、摩阻力矩和井眼曲率 ,并与其他轨道剖面下的计算结果进行了对比。对比结果表明 ,在相同的设计条件下 ,与圆弧、悬链线、准悬链线轨道相比 ,摆线轨道的井眼长度最短 ,摩阻力和摩阻力矩较小。这种摆线轨道设计方法具有一定的应用价值     

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。     

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。     

大位移井套管柱摩阻模型的建立及其应用

通过对井眼内安装扶正器和未安装扶正器套管柱的受力与变形进行分析 ,推导出大位移井中套管柱的摩阻计算模型 ,并用VB语言编写了相应的计算程序 ,用来预测套管下入过程中的大钩载荷和摩阻。对水平位移超过30 0 0m的大位移井埕北 2 1-平 1井 ,用所编写的程序计算了完井套管柱下入过程中的大钩载荷和摩阻 ,并与实测值进行了对比 ,计算结果与实测结果吻合较好。     

水平井压裂楔形缝内支撑剂输运特征数值模拟

为使研究结果更符合真实储层中支撑剂运移铺置情况,考虑水平井压裂注入特征和压裂裂缝实际形态特征,突破矩形窄缝数值模型的限制,基于计算流体力学方法建立了工程尺度单孔眼楔形裂缝模型。利用支撑剂输运数值模拟分析了支撑剂粒径、支撑剂密度、压裂液黏度、施工排量和砂比对支撑剂在楔形裂缝中沉降运移的影响。根据数值模拟结果,以在楔形缝内形成具有充分高度和长度且不会带来砂堵风险的砂堤为目标,建议现场压裂施工排量在2.5 m³/min以上,携砂液黏度小于20 mPa·s,砂比控制在10%～20%,并采用粒径为70/140目的支撑剂进行支撑剂充填作业。与常规矩形长板裂缝模型的支撑剂输运模拟结果相比,楔形裂缝模拟中砂堤形态存在明显差异,为现场压裂施工参数提供新的参考。     

定向井实钻井眼轨迹三维可视化描述

在石油钻井中,实钻井眼轨迹的计算与描述是井眼轨迹监测的重要环节,也是井眼轨道控制的基础.通过测斜数据的处理结合计算机图形学可以更直观地显示井眼轨迹空间形态.通过研究井眼轨迹上某测点邻近的结构形状及其变化规律,在微分几何理论基础上,利用井斜角、方位角与自然坐标系各单位矢量的几何关系推导出井眼轨迹的曲线结构计算模型,并提出了通过对测斜数据进行三次样条插值及多项式拟合数据平滑处理的方法以减小测量离散数据带来的误差;同时,结合面向对象技术和可视化技术,实现了定向井井眼轨迹的三维可视化描述.     

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。     

大位移井旋转套管固井顶替模拟分析

旋转套管固井可以改变顶替过程中流体的流场,增加周向的旋流和回流作用,更好地保障顶替界面稳定性,提高固井顶替效率。借助计算流体力学软件对大位移井旋转套管固井顶替进行数值模拟,并得到不同井斜角和井径扩大率条件下的最低套管旋转转速。结果表明:同一套管旋转速度,切向速度随着无量纲环空半径的增加而降低,随着井斜角的增加,截面旋流数在不同位置处各异,但总体趋于减小,套管旋转固井顶替效率明显改善,井斜角越大,改善效果越好;偏心度越大,环空同一位置处旋流数越大,窄间隙的旋流数明显高于宽间隙的旋流数,在偏心度大于0.4以后,顶替效率增加效果明显;环空截面同一位置处,井径扩大率越大,其产生的旋流数越大,旋流程度增强,有利于水泥浆固井顶替;采用旋转套管固井能有效改善复杂井眼条件下大位移井固井顶替质量和顶替效率。