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.     

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。     

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。     

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。     

充气欠平衡钻水平井井眼净化规律研究

欠平衡钻井技术由于在提高勘探开发水平、降低钻井成本、避免储层损害等方面的优势,已被广泛应用。然而,采用充气欠平衡钻进的方式,使得水平井段的气液两相流型变化规律复杂化。通过分析水平井段岩屑颗粒受力情况,明确水平井段与直井段岩屑运移规律存在本质的区别,并建立岩屑运移数学模型。通过研究充气欠平衡钻水平井携岩问题,建立水平环空多相流流型判别模型及压降计算数学模型。最后编写计算程序,以实际钻井参数为例,验证模型,并为现场的优化钻井参数提供建议。     

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。     

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。     

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     

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。     

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。     

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。     

页岩气双二维水平井极限延伸能力研究

页岩气藏的开发多采用水平井,水平段的延伸能力直接影响到页岩气藏的综合开发效益。双二维水平井具有施工难度小、邻井碰撞风险低、作业费用低等优点。根据长宁页岩气的钻井实际情况,分析了钻机承载能力、钻柱安全系数、地层承压能力及额定泵压等因素对水平井延伸能力的影响,推导了相应计算模型。以长宁已钻页岩气井为基础,计算了不同影响因素随水平段长度的变化。研究表明,双二维水平井的延伸能力主要受地层承压能力和额定泵压影响,钻井施工中应选择合理的钻井液密度和排量,降低水平段岩屑床高度,采取适当的堵漏措施,选择高额定泵压的钻井泵。     

海底泵举升系统回流管道内钻井液举升效率

海底泵举升系统是无隔水管钻井液回收(riserless mud recovery,RMR)钻井技术的核心设备,该系统将钻井液和钻屑通过回流管道泵送至钻井平台,能够有效解决深水钻井作业所遇到的泥浆密度窗口过窄的难题,同时能够降低对海洋钻井平台的要求。回流管道作为钻井液和钻屑返出海面的通道,其设计的合理性关系到整个举升系统能否有效运行。结合由钻井液和钻屑组成的混合流体在回流管道内的流动特性,建立回流管道内混合流体流动的控制方程,探究混合流体的流态判别方式,分析回流管道内钻井液举升效率的影响因素。研究成果有望为海底泵举升系统回流管道的设计提供理论依据。