RDM技术中双壁钻杆环空钻井液流动模拟研究

RDM钻井技术以同心双壁钻杆为基础,钻井液从双壁钻杆环空泵入井内,并从内部钻杆携带岩屑返回地面,从而实现钻井液闭环循环。该钻井技术中双壁钻杆环空流道中有支撑双壁钻杆内管的定位块,定位块对钻井液流动产生巨大影响。通过Fluent软件模拟钻井液在双壁钻杆环空内的流动规律,发现定位块处压力降低后逐渐增大,流速增加后迅速降低,定位块处出现4个轴对称最低流速区、最高流速区、最低压力区和最高压力区,固相颗粒浓度在壁面处最高。分析表明,双壁钻杆流道的过流面积小,而且由于定位块的存在,循环压耗较常规钻井大很多,故不宜采用大排量进行钻进。这为建立井底压力计算模型、优化定位块结构和优选钻井水力参数等提供了科学依据,对RDM钻井技术的发展具有积极作用。     

在水平井模拟条件下泡沫钻井液的携岩机理实验研究

本文在模拟井底条件下研究了泡沫在水平环空中的携岩能力.就聚合物处理剂、泡沫质量、流动速度、温度和压力等因素对泡沫携岩能力的影响进行了详细深入研究.实验是在全尺寸的流动环空中进行,其实验管长为73 ft(5.76 in×3.5 in的同心环空),改变温度(80～170 ℉)和压力(100～400 psi),考察其携岩能力的变化.使用了较为成熟的现场用泡沫体系,其中含有表面活性剂和羟乙基纤维素聚合物(HEC).同时,还测试了三种不同聚合物浓度(0、0.25%和0.5%)下的携岩能力.泡沫质量在70%～90%之间变化.在测试中,不断地在流动环中注入岩屑,直至达到稳态.使用核密度计原位测定了岩屑的体积浓度.当然,也可以通过称量加入和流出流动环中的岩屑含量来计算环中岩屑浓度.实验中的测试参数为:气体和液体的注入速率、注入的岩屑质量和清除塔中的岩屑质量、混合密度、摩擦压力损耗,以及环空中的压力和温度等.在携岩测试过程中可以观测到同时存在静态岩屑床和全悬浮流体.流体流动参数主要受聚合物浓度、泡沫质量和环空流速的影响.环空流动速率、泡沫质量和聚合物浓度等因素都会影响携岩效率和摩擦压力损耗.本文将有助于更好地设计钻井和洗井作业方案.     

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。     

清除岩屑床钻杆接头设计与数值模拟研究

大位移定向井、水平井钻井过程中,随井斜角增加,钻井液携带岩屑效率降低,形成岩屑床,影响钻井效率,易引发井眼安全事故。对市场在用的A型和B型两种带有螺旋槽结构的岩屑床清除钻杆,分别建立有限元模型,基于计算流体动力学(CFD)对相同工作条件下两种螺旋槽部位的环空流场进行数值模拟,从轴向速度场、切向速度场、动压力场三个方面分别对比两种螺旋槽流道结构对环空流体流动特性的影响。研究结果表明,A型清除钻杆相比于B型清除钻杆,在螺旋槽流域产生了更大的涡流和轴向速度,形成的低压区有利于岩屑卷入螺旋槽流道,使岩屑随钻具旋转甩向高压区,能有效冲刷、携带井眼环空流域的沉积岩屑。     

高效岩屑床清除钻杆作用机理

岩屑携带困难是大斜度、大位移定向井和水平井钻井普遍存在的问题,严重影响钻井安全和钻进效果。设计了高效岩屑床清除钻杆（EHCDP）,并利用计算流体动力学(CFD)仿真模拟技术对EHCDP作用下环空流场的流动特性展开研究,从流线图、速度场、压力场等方面对数值模拟结果进行了分析,研究了EHCDP的作用机理,分析了螺旋槽道结构对环空流体流动特性的影响。研究结果表明,在EHCDP作用下,流体在槽道附近形成了涡流结构,改变了偏心环空中流体的流动特性,使流体从小环空往大环空运动,将岩屑输送到大环空,而槽道附近的涡则将岩屑卷入槽道中,并利用钻杆转动所产生的离心力将岩屑“甩入”大环空,达到有效清除井眼低边岩屑床的目的。     

ReelWell钻井反向射流抽吸技术及工具研究

ReelWell钻井技术以双壁钻杆为基础,钻井液从双壁钻杆环空进入钻头,携带岩屑的钻井液通过内钻杆返回地面,实现钻井液循环。在整个循环中,需要利用流动转换装置,此装置对岩屑能否顺利进入内钻杆产生巨大影响。鉴于此,根据射流泵理论提出一种利用高速反向射流抽吸岩屑的流动转换装置。建立了流动转换装置的水力模型,并对其进行优化设计。研究结果表明:摩擦因数越大,工具的水力效率越低,抽吸效果越差,建议水力流道在设计时应尽量光滑;密度比越大,工具的水力效率越低,抽吸效果越差,建议降低钻井液的密度比;该工具最优水力效率、最优压力比、最优流量比和最优面积比分别为16. 783%、0. 168 0、0. 974 1和0. 110 3。结论认为,反向射流抽吸技术的开发为提高ReelWell钻井携岩效率提供了一种新的方法。     

带旋转管柱连续管钻井岩屑运移研究

针对连续管钻井过程中水平段岩屑运移困难、管柱摩阻大影响连续管钻井水平延伸能力的问题,提出了连续管水平段旋转管柱钻井系统,该系统由不旋转连续管和部分旋转管柱组成。建立了连续管水平段环空三维流体域模型,并进行数值计算,研究了管柱旋转速度、旋转管柱直径及管柱偏心度等参数对水平段环空流动及岩屑运移的影响。研究结果表明:水平段设置旋转管柱可使连续管钻井水平段环空流体产生旋转流动,岩屑分布均匀,环空压降减小;转速越大,岩屑切向速度也越大,旋转管柱直径增大能提高环空岩屑切向速度;在偏心状态下岩屑更容易在环空底部堆积,但管柱旋转不仅提高了旋转部分岩屑的切向速度,也提高了非旋转部分环空岩屑的切向运动能力;随着管柱旋转速度的增加,水平环空非旋转部分岩屑体积分数逐渐减小,提高了水平环空的清洁程度。研究结果可为合理设计连续管水平井段部分旋转管柱钻井系统提供理论依据。     

水平井段偏心环空中岩屑运移机理的研究

运用概率统计和实验的方法,对水平井段偏心环空中的岩屑运移进行了研究和分析,建立了岩屑运移的物理模型与力学分析模型。从微观上分析,岩屑颗粒承受重力、浮力、拖曳力与上举力,以及颗粒间离散力的作用。根据环空流体返速的不同,分别以接触质、跃移质、层移质和悬移质的形式运动。从宏观上分析,岩屑运移存在4种不同的流动物理模型:均称悬浮、非均称悬浮、移动床和固定床流动。研究表明,环空流体返速对岩屑运移影响最大,随返速增加,岩屑运移速度呈线性增大;旋转钻具有利于岩屑运移;随钻杆与井眼偏心度增大,岩屑运移困难。     

超临界二氧化碳钻井流体关键技术研究

超临界二氧化碳钻井技术是利用超临界二氧化碳作为钻井流体的一种新型钻井方法,具有能有效驱动深井井下马达,控制井底压力容易,破岩门限压力低、破岩速度快,能防止储层损害等优点,但成功利用超临界二氧化碳钻井技术的关键是充分了解超临界二氧化碳钻井过程中井筒中二氧化碳流体的温度和压力分布。为此,建立了考虑井筒流体与地层换热对井筒流体温度影响的井筒传热模型,根据能量守恒原理,推导出了井筒流体温度计算模型,并考虑到钻井过程中可能钻遇水层的情况,对该计算模型进行了修正;利用有限元方法,推导出了井筒内二氧化碳钻井流体的压力计算公式。实例计算表明:钻杆内二氧化碳流体的温度和压力随井深增深而增大,但与井深的关系是非线性关系;钻杆内二氧化碳流体的密度随井深的增加而减小,但到近钻头处开始增大。环空中的压力随井深的增加而增大,但两者的关系也是非线性关系;环空中的温度随井深增加先升高后降低;环空中的二氧化碳密度随井深增加而增大,但两者为非线性关系。      

钻具旋转对泡沫钻井岩屑运移规律影响的研究

考虑了气体溶解度对泡沫状态方程的影响,建立了钻具旋转作用下的水平环空岩屑床厚度预测模型,用于预测不同钻具旋转速度、偏心度、泡沫质量和流速下的岩屑床厚度、岩屑浓度和摩擦压降;并利用数值模拟的方法,研究了钻具旋转作用下的岩屑运移规律。研究结果表明,钻具旋转使泡沫流体速度重新分布,有利于岩屑床的破坏,显著降低环空中岩屑浓度,大大改善井眼清洁状况。