基于双曲模型微小井眼连续管环空流阻计算分析

国内对环空流阻的研究大多是针对常规井眼钻井,完全针对?89.0 mm微小井眼CT钻井的环空流阻计算的研究相对较少。鉴于此,以?89.0 mm微小井眼为例,基于不同的连续管管径、连续管井深、环空流速和偏心度等参数,采用数值模拟的方法,运用双曲模型对微小井眼连续管环空流阻进行计算分析,得出微小井眼连续管环空流速随连续管管径、井深、流速、偏心度的变化规律,从而实现对微小井眼连续管环空流阻与各个参数相互关系的定量描述。分析结果表明:连续管钻井过程中采用较小尺寸连续管、保证携岩下的较小流速可有效降低连续管环空流阻;通过现场试验与计算的对比分析,优选了满足地面额定泵压与携岩最小流速条件下的最佳流速范围。研究结果可为解决微小井眼连续管钻井流阻大的问题提供参考。     

基于R-S模型的微小井眼钻井连续油管内钻井液流阻计算分析

微小井眼连续油管（CT）滑动钻井技术是一项易于实现钻井信息化、自动化和智能化的高效、低成本、环保的新型钻井技术，有广泛的应用前景。但微小井眼钻井使用的CT内水眼直径小，钻井液的流阻大。针对该问题，运用数值模拟方法，使用R-S模型计算微小井眼钻井在滚筒上和井筒中CT内钻井液流阻，分析微小井眼钻井CT内钻井液流阻与CT内水眼直径、循环流速、CT长度或井深、滚筒直径、钻井液密度等参数的定量变化规律。结果表明：微小井眼CT钻井技术可使用的CT管柱外径为44.45～73.03mm，可使用的钻井液流速为2～3m/s。该研究结果对于推动微小井眼CT钻井技术在中国的推广使用有一定理论意义。     

基于赫—巴模型的微小井眼钻井连续油管内钻井液流阻计算分析

微小井眼连续油管(CT)钻井技术具有诸多优点,但微小井眼尺寸小,导致钻井液流动空间小、排量较小、返速较高、循环损失较大,限制了该技术的推广使用。为解决微小井眼CT钻井循环钻井液流阻过大的问题,基于赫—巴模型,结合微小井眼CT钻井的特点,计算了CT内钻井液流阻,探讨了CT内钻井液流阻与钻井液平均流速、CT长度或井深、CT内水眼直径、滚筒直径等参数的关系。研究结果表明:①滚筒上CT内流阻随钻井液流速增大而呈线性增加且增加幅度更大,使用小排量进行钻进能降低滚筒上的流阻;②滚筒上和井筒中CT内钻井液流阻均随CT的长度增加呈线性增加,而随着CT内水眼直径增加呈线性减小,钻深井时,可使用大管径进行钻进;③CT内钻井液流阻受滚筒直径的影响很小,但随钻井液的流速增大呈线性增加,因此当滚筒上缠绕的CT较长时,可使用多个滚筒进行缠绕,以降低滚筒上CT内钻井液流阻。结论认为,寻找控制和减小微小井眼钻井CT内钻井液流阻的方法和优选适合CT钻井的相关参数,有助于加快该技术的推广应用。     

钻柱偏心旋转对环空摩阻压降影响的数值模拟研究

准确预测钻柱偏心旋转工况下的环空摩阻压降是复杂结构井控压钻井的重要理论基础,但常规钻井液环空摩阻压降计算方法无法直接计算复杂结构井的环空摩阻压降。为此,应用数值模拟方法,分析了偏心度（0～67.42%）和钻柱转速(0～114.65 r/min)对典型环空（?127.0 mm钻杆和?215.9 mm井眼）中摩阻压降梯度的影响。分析结果表明:偏心度小于45.00%时,转速和偏心度对摩阻压降梯度影响较弱,摩阻压降梯度随转速增大略有降低,随偏心度增大而增大;偏心度大于45.00%时,低转速（<60 r/min）下摩阻压降梯度随偏心度增大而降低,高转速（≥60 r/min）下摩阻压降梯度随偏心度增大而略有增大。基于数值模拟结果,建立了偏心度分类的无因次偏心环空摩阻压降梯度预测模型,计算了南海某水平井?215.9 mm井段的ECD,并与PWD测试结果进行了对比,平均相对误差为0.45%,表明该模型具有较好的准确性。研究结果表明,无因次偏心旋转环空摩阻压降计算模型可以精细描述环空压力场和准确计算ECD,为控压钻井水力参数优化提供指导。      

连续油管钻水平井岩屑运移规律数值模拟

连续油管钻水平井过程中,井底岩屑在重力作用下容易沉积在井壁下侧,形成岩屑床;连续油管又受到排量小、钻柱无法旋转等因素限制,造成井眼净化效率较低。针对这一问题,在欧拉坐标系下考虑相间滑移速度和颗粒流的影响,建立了微小井眼水平井岩屑运移的混合物漂移模型,采用Realize κ-ε湍流模式及SIMPLEC算法进行数值计算,研究了钻井液排量、环空偏心度、岩屑直径、井斜角和钻井液黏度等参数对偏心环空岩屑运移的影响,得到了各种条件下环空岩屑速度和浓度的分布规律。研究表明:随着钻井液排量增大、环空偏心度减小、岩屑直径减小、井斜角减小及钻井液黏度提高,连续油管水平井岩屑运移效率提高。      

偏心环空循环压耗的数值模拟与验证

在水平井和复杂结构井中，井斜角和方位角随井深不断变化，套管在井内不易居中，影响流体在环空中的流动状态和循环摩阻。现有的偏心摩阻压耗计算模型是基于特定井眼尺寸和流体性能条件下建立的，不具备普适性。为此，结合某水平井井眼尺寸和流体性能，基于计算流体力学(CFD)的仿真理论与方法，分析了不同套管偏心度和直径比对环空流态与摩阻压耗的影响，对比了套管居中和套管偏心工况下环空摩阻压耗与当量循环密度(ECD)分布特征。结果表明：随着偏心度增大，宽间隙中心流速增大，壁面低流速域增多，增加了流体滞留量；直径比越小，有助于提高窄间隙流速；环空间隙越小，套管偏心对摩阻压耗影响越大。实例井偏心环空摩阻压降比同心环空低2.16 MPa;文章建立的摩阻压降计算模型比现有经典模型误差更小，为偏心环空下摩阻压降的准确计算提供了可靠的计算方法。     

大位移井井眼清洁计算精度提升探索及实践

中海油利用e-Drilling软件进行井眼清洁实时模拟,该软件计算结果误差较大。为提高井眼清洁计算精度,开展井眼清洁计算新方法探索。通过环空岩屑颗粒悬浮所需临界流速、环空钻井液流动速度计算,将临界流速和钻井液流速进行对比,以此确定岩屑床的厚度,进而计算环空岩屑浓度及井筒ECD（当量循环密度）。利用新方法对A区域两口大位移井进行计算,并和e-Drilling软件计算结果以及实测ECD值进行对比,结果显示新方法计算精度提升明显。通过实际应用可以看出,该方法具有较高的技术价值。     

椭圆井眼中偏心度和流量对滤饼冲洗效率的影响

目前固井工程中钻井液滤饼冲洗效率的研究多针对于圆形井眼套管居中条件下的冲洗情况，而针对井眼形状和套管偏心等因素对钻井液滤饼冲洗效率影响的研究较少。使用钻井液滤饼冲洗模拟实验装置测试了椭圆井眼中偏心度和冲洗流量对钻井液滤饼冲洗效率的影响，并基于计算流体力学(CFD)方法分析了冲洗液在环空中的流场，计算了冲洗液的水力剪切力，阐明了滤饼冲洗效率变化的机理。研究结果表明：椭圆井眼环空中的短轴方向偏心时，钻井液滤饼冲洗效率在环空长轴方向最大，宽短轴方向次之，窄短轴方向最小；增加环空短轴偏心度，钻井液滤饼冲洗效率在长轴方向略微减小，宽短轴方向增加，窄短轴方向大幅降低；增加环空冲洗流量，环空中钻井液滤饼总体冲洗效率明显增加，但环空中长轴方向滤饼冲洗效率的增幅最大，宽短轴次之，窄短轴最小。     

超临界二氧化碳钻井流体井筒温度传递特性

循环钻井流体温度计算一直是钻井工作者希望解决的难题。建立了井眼温度传递数学模型,并通过对模型求解,给出了钻具内和环空流体温度计算解析式;利用该解析式结合超临界二氧化碳钻井流体的物理特性,对使用φ89mm钻头、φ31.8mm钻杆钻进的井眼中二氧化碳流体温度进行了计算,绘制了钻具内和环空二氧化碳流体温度剖面图;对比了在不同井深时和不同井眼尺寸条件下井眼内二氧化碳流体温度剖面图,发现随着井深的增加,钻具内二氧化碳流体更易进入超临界状态,且超临界二氧化碳钻井液更适合小井眼钻井。     

钻柱旋转对大位移井井眼净化影响规律的研究

为了研究钻柱旋转对井眼净化效果的影响规律,选择215.9mm井眼及127.0mm钻柱作为环空尺寸,取钻柱的偏心度为0.5,选择20m作为轴向长度构造物理模型。采用欧拉多相流数学模型对问题进行分析处理,内边界条件设定为旋转,外边界条件为井壁(不考虑其摩擦效应)。数值模拟结果认为,钻柱旋转带动液、固相做周向旋转运动,其与轴向流动耦合使得环空内固相运动方式与钻柱无旋转时有很大的不同,类螺旋流动是液、固相的主要运动方式,钻柱旋转不仅能降低环空内固相含量,而且还会使固相移动速度增加,从而促进水平井段的井眼净化。     

塔河油田小井眼侧钻水平井钻井液技术

小井眼钻井特定的井眼结构与钻井工艺条件决定了其环空水力学与常规井眼有较大区别,因此其钻井液技术也具有一定的特殊性。在选择小井眼钻井液的合适流变模式的基础上,分析了小井眼窄环空间隙对钻井液技术的特殊要求,提出了实现小井眼钻井的钻井液技术参数和措施;并且通过对塔河油田侧钻小井眼TK209CH水平井的钻井实践,进一步论证了小井眼钻井中钻井液参数合理选择的必要性。     

微小井眼CT钻井牵引器系统结构设计

针对微小井眼连续油管（CT）滑动钻井技术在井眼中不旋转、井下遇阻严重、送进困难、钻压无法施加等难题,设计了一种微小井眼CT滑动钻井井下电控液压驱动牵引器。该牵引器主要包括上卡瓦支撑与牵引系统、中心滑管总成、控制系统、下卡瓦支撑系统,采用电控液压回路实现钻井液压能牵引驱动,适用于小井眼,灵活性和稳定性好,牵引过程能保证正常的钻井液循环,柔性弯曲适应能力强,能实现双向牵引和断电保护,能顺利下入和取出CT管柱,解决了因井下CT摩阻较大,下入和取出困难、钻压难施加等技术难题。     

考虑钻具屈曲的环空流动仿真研究

在小井眼定向井和水平井钻井过程中,钻具屈曲会对环空流场、压力场产生较大影响。文中借助流体动力学计算软件ANSYS FLUENT开展了考虑钻具正弦、螺旋屈曲的环空流动仿真模拟,系统地研究了不同环空偏心距、不同转速等因素对环空流场和流动压降的影响规律。研究发现:同心环空中,流体流速沿径向对称分布,偏心、屈曲环空中偏离对称分布;环空间隙越大,环空流速就越大;当考虑钻柱旋转时,钻柱旋转对环空窄间隙处流速的影响比对环空宽间隙处的影响要大,可明显提高环空窄间隙处的流速;同心环空、偏心环空压降值沿井深呈线性增加,偏心度越大,压降越小;屈曲环空压降值沿井深呈非线性增加,转速越大,压降越小。仿真结果与实验结果相比,具有较高的准确性,对真实钻井条件下环空压降的计算具有一定的指导意义。     

小井眼环空循环压耗计算

小井眼钻井的技术关键是环空水力学。小井眼钻具外径与内径之比较大,环空间隙较小,引起环空压耗、钻井液流变性发生较大变化,许多常规钻井中可忽略的因素在小井眼中却显得尤为重要。用Her-schel-Bulkley模式描述钻井液的流变性,考虑钻柱偏心和旋转对钻井液在环空和钻柱内流动的影响,导出了计算小井眼环空循环压耗的模型,将所建立模型和传统方法的计算结果与实测数据比较表明,该模型具有较高的精度,可以满足现场作业的要求。     

连续管钻井水力加压器结构设计

连续管钻井过程中,底部钻具组合无钻铤,钻压施加困难。为此,设计了一种适用于88.9 mm微小井眼连续管钻井的73 mm三级水力加压器,建立了水力加压器串联在涡轮钻具上方时产生的轴向推力计算模型。为了延长水力加压器的工作寿命,设计了密封性能优良的车氏密封结构;主活塞杆与主缸体之间采用矩形花键连接方式,并进行了矩形花键连接副的接触应力分析。计算与分析结果表明,在钻井液排量5.0～6.0 L/s、密度1.05～1.20 g/cm3条件下可产生50～90 kN的轴向推力,完全满足88.9 mm微小井眼连续管钻井需要。     

不同偏心度的环空涡动流场特性

为了深入研究环空涡动时的流场特性,根据流体力学理论,以连续性方程和N-S 方程为控制方程,利用计算流体力学技术对钻柱涡动时环空赫巴流体的流动进行了系统的数值模拟,研究了不同公转方向下钻柱偏心度的变化对环空切向速度剖面与合速度剖面的影响。通过对模拟数据的对比分析,发现不同公转方向下环空流场分布截然不同,正向公转时切向速度在环空宽间隙处随着公转速度、自转速度和偏心度增大正向增大;反向公转时会出现二次流,切向速度在环空宽间隙处随偏心度的减小整体反向减小,同时二次流趋势越明显,摩阻压耗越大。合理应用这些规律有助于完善现有钻井水力学理论,更好地揭示井下环空流场特性,并为钻井水力参数优化设计提供有效的理论指导。     

大斜度井段岩屑运移规律的微观研究

定向井井眼净化是钻井过程中的一大难题,与垂直井井眼净化有着本质的区别.井眼净化直接影响着钻井效率、钻井成本、井身质量及钻井安全等重要问题,因此一直为钻井工作者所重视.文章从微观的角度出发,首先建立了斜井段岩屑微粒运移的物理模型,对其受力情况进行简化,忽略次要影响因素,只考虑重力、钻井液的冲击力、上举力和悬浮力的影响,推导得出了斜井段岩屑微粒受力的计算公式.最后,以井斜角和钻井液的环空返速为例,应用文中所得的计算方法,研究了不同因素对岩屑微粒运移规律的影响.文章的计算分析结果满足Boycott效应规律,也从理论上探讨了增加钻井液排量对改善井眼净化的有效性.     

小井眼环空循环压耗计算

小井眼钻井的技术关键是环空水力学。小井眼钻具外径与内径之比较大，环空间隙较小，引起环空压耗、钻井液流变性发生较大变化，许多常规钻井中可忽略的因素在小井眼中却显得尤为重要。用Herschel—Bulkley模式描述钻井液的流变性，考虑钻柱偏心和旋转对钻井液在环空和钻柱内流动的影响，导出了计算小井眼环空循环压耗的模型，将所建立模型和传统方法的计算结果与实测数据比较表明，该模型具有较高的精度，可以满足现场作业的要求。     

钻柱旋转对水平井和斜井使用水基钻井液时井眼清洗的影响

钻水平井和定向井的的主要问题是合理的井眼清洗问题。对于一个环形空间里的稳定钻屑床,通常增加钻井液流速会很明显地冲蚀钻屑床。然而,依据钻井条件,要输送钻屑床需要很高的钻井液流速,而因为液压和物理因素的限制,这个速度可能达不到。在这种情况下,钻柱的旋转可以加强钻屑的机械运移,甚至在钻井液流速低于防止稳定钻屑床形成所需要的临界环空液体流速时,也能有效完成井眼清洗。     

考虑岩石尺寸效应的井壁稳定性分析

从岩石强度的尺寸效应出发,初步探讨了小井眼和微小井眼的井壁稳定性特点.一般情况下,当井眼尺寸减小时,坍塌压力随之降低,破裂压力随之增加.实例分析表明,小井眼钻井的地层坍塌压力所对应的钻井液密度比常规井眼钻井低1%～9%;破裂压力所对应的钻井液密度比常规井眼钻井高1%～7%.微小井眼钻井的上述两个密度比常规井眼钻井分别低9%和高7%以上.换言之,小井眼和微小井眼钻井的安全密度窗口范围增大.