水平井中利用钻柱旋转作用清除岩屑床的数值模拟

岩屑床清除困难是大斜度、大位移定向井和水平井钻井普遍存在的问题。除环空钻井液返速、钻井液密度外,钻柱的旋转作用是清除岩屑床的一个重要因素。采用计算流体动力学(CFD)仿真模拟技术对钻柱旋转作用下的钻井液流动特性进行了研究,从速度场、流线图、压力场方面对模拟结果进行了分析,结果表明:在钻柱旋转的作用下,钻井液在靠近低边小环空处的轴向速度和切向速度都随着钻柱转速的提高而增大;切向速度的增大有利于将沉积在井眼低边的岩屑带入大环空,而大环空处较大的轴向速度则将更多的岩屑带出井眼。同时,存在一个临界速度,当转速超过这一速度时,旋转作用对岩屑床清除的影响程度将降低。     

大斜度井偏心环空钻柱旋转对岩屑运移的影响

在钻井过程中,当液流速度小于岩屑悬浮运移速度时,岩屑容易在大斜度井段沉降并形成岩屑床,导致钻柱卡钻、高摩阻和扭矩、低机械钻速等问题。建立大斜度偏心环空三维物理模型,采用结构网格划分环空流体域,用滑移网格模拟钻柱旋转。基于欧拉固液两相流模型和Realizable k-ε紊流模型,考虑钻井液对岩屑的举升力、岩屑加速产生的虚质量力以及固液间的动量交换,模拟了钻柱旋转条件下井斜角、岩屑注入浓度、钻井液速度和黏度对岩屑运移的影响。研究表明：钻柱旋转使得岩屑床床面沿旋转方向倾斜,沿井眼呈不对称分布状态,并能够显著减小环空岩屑浓度,其变化幅度受钻井液入口流速、井斜角、钻井液黏度和岩屑注入浓度的影响,但当转速达到某一临界值后,旋转作用效果将减弱。研究结果可为采取合理措施提高岩屑运移效率提供参考。     

幂律流体偏心环空螺旋流计算机仿真

偏心环空螺旋流是钻井作业常见的一种流动,怎样方便、快速及高精度地计算其流速场与流量是一个重要问题.根据1987年Luo和Peden提出的方法,利用数值计算高级语言MATHCAD结合现代计算机仿真计算技术,对幂律流体在偏心环空的螺旋流动做了研究,得到了这种流动的重要规律.从算例可以发现:在其它参数不变的情况下,钻柱的偏心对幂律流体螺旋流轴向流量的影响非常大.最大偏心时,轴向流量是同心时轴向流量的2.635倍,是最小偏心时轴向流量的1.668倍;钻柱的旋转速度对幂律流体螺旋流轴向流量的影响较小,但随钻柱旋转速度的增加,轴向流量有所增大,钻柱旋转速度最大时轴向流量是钻柱旋转速度最小时轴向流量的1.013倍.     

空气携岩能力数值模拟分析

井斜、环空偏心率、钻杆转速等对井筒压降与空气携岩能力有着显著影响,但因其变化范围大,变化组次多,将影响程度定量化还比较困难,而这些恰是指导安全钻进的主要依据。文章基于计算流体动力学方法建立了空气钻井环空内气固两相流动的数学模型,通过数值模拟得出了不同井斜角、不同环空偏心距、不同钻杆转速条件下环空内流场与气固相体积浓度分布,分析了井斜、偏心、钻杆转速对空气携岩能力的影响,为空气钻井安全钻进与井眼净化评价提供依据。     

“两速”对大斜度井井眼净化的影响

井眼净化,是大斜度井的关键技术之一。大斜度井中,岩屑床是制约井眼净化的关键性因素。影响井眼净化的因素除井眼几何特性、钻井液流变性、岩屑特征等外,钻柱转动速度和环空钻井液的返速也是影响岩屑床生成和清除的关键因素,同时这两个因素相互关联共同对井眼净化作出贡献。更重要的是这两个因素在钻进过程中可得到快速控制,具有立竿见影的效果,明确这"两速"对井眼净化的机理及合理控制这两个因素,对井眼净化具有重要意义。通过对钻柱转动和环空返速大小对岩屑运移和岩屑床的清除的机理分析,结合实践得出大斜度、大位移井中最佳钻柱转速和环空返速的经验值,便于施工中岩屑的有效携带,达到高效井眼净化的目的。     

欠平衡钻井多相流动理论与计算分析

把欠平衡钻井循环流动分为钻柱内向下流动和环空向上流动，按气、液两相流动问题研究该混合体系流动过程，建立新的理论模型。采用时间有限差分离散，空间有限体积离散的方法求问题的数值解。选取中国欠平衡钻井的常见井眼尺寸和常用的注入气、液速度范围，进行数值计算，分析得出，流动过程的流动型式主要为泡状流和段塞流，环空接近地面的井段有时为搅动流。举例分析在环空和钻柱内的稳定流动过程中，随井深增加，压力、含气率、多相流体密度等的变化规律；在环空流动过程中，随井深增加，斜井段与相应垂直井段的压力值不同。分析了在关小出口节流阀开度的不稳定流动过程中，环空流动压力值沿井深增加的变化过程；用实际井欠平衡钻进的随钻环空压力测量数据与本文理论模型及求解方法计算所得结果比较表明：计算结果能很好地反映钻进过程中环空压力的变化规律。图6表2参12     

"两速"对大斜度井井眼净化的影响

井眼净化,是大斜度井的关键技术之一;大斜度井中,岩屑床是制约井眼净化的关键性因素。影响井眼净化的因素除井眼几何特性、钻井液流变性、岩屑特征等外,钻柱转动速度和环空钻井液的返速也是影响岩屑床生成和清除的关键因素,同时这两个因素相互关联共同对井眼净化作出贡献。更重要的是这两个因素在钻进过程中可得到快速控制,具有立竿见影的效果,明确这“两速”对井眼净化的机理及合理控制这两个因素,对井眼净化具有重要意义。文章通过对钻柱转动和环空返速大小对岩屑运移和岩屑床的清除的机理分析,结合实践得出大斜度、大位移井中最佳钻柱转速和环空返速的经验值,便于施工中岩屑的有效携带,达到高效井眼净化的目的。     

计算窄间隙环空循环压耗的新模型

影响窄环空中摩擦压降的关键因素为环空尺寸的变化、钻柱旋转及偏心。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，提出了一种新的计算窄间隙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。     

QHD32-6-A26h大位移井井眼净化实时监测

根据大位移井中岩屑颗粒的受力分析结果，结合环空中固液两相流的流速分布规律，建立了岩屑滚动运移和悬浮运移时最小环空返速的计算模型，编制了井眼净化设计和实时监测软件，并应用于QHD32-6-A26h大位移井Ф311．1mm井段和Ф216．0mm井段井眼净化的设计和实时监测，给出了各井段滑动钻进和旋转钻进时的临界排量。井眼净化软件监测结果表明，Ф311．1mm井眼1550～2200m井段，井眼净化不好，通过调整钻井液性能，及时采取应对措施，避免了粘附卡钻事故的发生，提高了钻井效率。在Ф216．0mm井段施工过程中，由于实际返速一直大于临界返速，井眼净化状况良好。     

欠平衡钻井多相流动模型研究

针对欠平衡钻井多相流动循环系统的难题，把欠平衡钻井循环流动分为钻柱内向下流动和环空向上流动来进行分析，按气、液两相流动问题研究该混合体系流动过程，建立了新的适用于钻柱内和环空的统一理论模型。采用时间有限差分离散，空间有限体积离散的方法求问题的数值解。举例分析了在环空和钻柱内的稳定流动过程中，沿井深增加的压力、含气率、多相流体密度等的变化规律；在环空流动过程中，沿井深增加斜井段与相应垂直井段的压力值不同；并分析了在关小出口节流阀开度的不稳定流动过程中，环空流动压力值沿井深增加的变化过程。该模型可以指导现场欠平衡钻井施工。     

环空流体流动下的钻柱横向振动数学模型分析

对井下环空钻井液流动中的钻柱横向振动数学模型进行了分析。首先,把井下钻柱简化为一完全浸在沿其轴向流动的钻井液流体中的圆柱体;然后,就钻井液流体流动对钻柱所施加的各种力作了分析和推导;最后,在已导出各个量的基础上,建立考虑环空钻井液流体流动下的钻柱横向振动方程。     

液固两相同心环空流动数值模拟

应用液-固两相流理论,利用PHOENICS软件的IPSA解法对环形空间中液-固两相流动的特性进行了数值模拟计算,并用ORIGIN软件对计算数据作了进一步处理,分析了同心环空中液-固两相流紊流的轴向速度分布、固相颗粒沿径向的浓度分布、颗粒直径对滑落速度的影响、固相浓度对滑落速度的影响,得出了一系列关于液-固两相环空流动的规律。     

旋转钻柱内赫巴流体流动模型与流场特性研究

为了揭示钻井液在旋转钻柱内的流动特性,采用数值模拟方法建立了旋转钻柱内赫巴流体的流动模型。研究了钻柱的旋转速度、轴向流速及密度的变化对钻柱内螺旋流场的影响,并给出了合理的解释。通过分析得出旋转钻柱内赫巴流体的流动由于其表观黏度的单峰分布特性,使得螺旋流场减弱了流体质点在各方向上的随机脉动趋势,并增强了流场旋流的整体趋势。该项研究成果对于钻柱内考虑旋转效应流场钻井液流动的深入研究具有指导意义。     

倾斜钻柱轴向力计算及强度校核

根据材料力学和流体静力学的基本方法──截面法和压力面积法，对倾斜井眼内钻柱轴向力计算问题进行了分析。其分析结果与垂直井眼内钻柱轴向力分的结果是一致的。同时，对钻柱浮力问题，对浮力系数法和压力面积法关系问题进行了讨论。结论认为，鲁宾斯基关于中性点的定义只能适用于垂直井眼内的钻柱，对倾斜井眼内的钻柱不适用。     

钻杆旋转影响大斜度井段岩屑分布的数值模拟

为了研究钻杆旋转对复杂结构井大斜度井段环空岩屑分布状态的影响规律和钻井液-岩屑两相流动压降的变化规律,应用三维建模软件建立了复杂结构井大斜度井段物理模型,应用CFD动网格运动模型模拟钻杆在环空的旋转效果,流动域内采用Realizable涡黏模型近似求解钻井液-岩屑两相纳维-斯托克斯方程。模拟结果显示,钻杆旋转作用使岩屑沿井眼周向呈非对称状分布,钻杆旋转能够提高钻井液对岩屑沿切向的拖曳程度,显著提高了井眼清洁效果。根据CFD数值模拟结果,应用最小二乘法,结合Buckingham-π定理,建立了岩屑床比面积模型和环空压降计算模型。     

气侵期间环空气液两相流模拟研究

钻井过程中地层气体一旦侵入井眼,环空中会形成气液两相流,如果控制不及时或不当,极有可能产生井喷。为研究气侵期间环空中气液两相流的流动规律,以及时控制气侵及防止井喷的发生,以空气—钻井液为介质,分析了垂直井眼环空中气液两相流流型,建立了环空流场的物理流动模型,采用标准k-ε模型对紊流场进行模拟计算,在模拟条件下,得出了气侵发生前后环空气液两相流的流动规律与气侵期间井眼流体实际流动情况相符,并给出了气侵发生后,流体流型转变、气体运移速度及气体在环空空间上的分布规律。计算结果对井控计算机模拟研究具有一定的指导意义。     

气体钻井全井段环空流场改善方法

气体钻井以可压缩气基流体作为循环介质,环空流速沿井深分布不均,容易导致下部井段井眼净化不良、上部井段冲蚀严重等问题。因此,有必要对气体钻井全井段环空流场进行优化改善。借助现代计算流体力学,考虑钻具偏心、旋转、截面突变等复杂情况,建立了气体钻井的环空流体动力学数值分析模型,计算得到了任意井深处环空多相流动规律,并对其影响因素进行了分析,总结出了一套全井段环空流场改善方法,并采用有限体积法对该方法的可行性进行了数值评价。结果表明:井口加载回压配合井下气体分流技术能有效地限制上部井段环空流速,减少冲蚀,降低井底压力和地面注气压力,提高下部井段井眼净化能力和水力能量利用效率,实现改善全井段环空流场的目的。     

充气钻井二维传热模型及井筒温度场分布规律

近年来,充气欠平衡钻井已成为美国、加拿大和其他地区的主要欠平衡钻井方式,是解决裂缝或孔隙岩层严重漏失、避免储层伤害问题的重要技术手段。目前在进行充气钻井设计时,大多把地层温度近似于井筒内充气液温度,必然会导致设计误差,因此有必要考虑地层与井筒之间的热传递,研究井筒温度场分布。通过进行地层-环空、环空-钻柱内充气液的径向换热规律和井筒轴向换热规律研究,结合井筒内气液两相流特性,推导充气钻井二维传热模型,最后通过实例计算考察注液流量和注气流量对井筒温度场分布的影响,研究表明井筒中充气液温度随着井深呈非线性分布,环空充气液温度与地层温度间最大偏差的位置在井底处。     

空气钻井井眼净化与冲蚀效应模拟分析

空气钻井环空气固两相流场分布、工艺参数设计方面的研究较少。笔者基于流体动力学与空气动力学理论,采用有限体积法对气固两相流动控制方程进行了离散求解,模拟分析了不同注入参数条件下环空内的压强和流速分布,着重分析了＂关键点＂处的流场分布,并结合井眼净化和冲蚀效应评价方法,选取了合适的注入参数。模拟所得压强、流速分布均与实际情况吻合较好,并为实际工程参数设计（比如注入压力及井口回压确定）提供了依据,研究成果已用于指导川庆钻探公司空气钻井施工。     

椭圆井眼同心环空赫巴流体流动规律研究及压降计算简化模型

因岩石和地应力的非均匀性易形成椭圆井眼,导致现有规则圆形井眼环空流动模型存在较大误差。为明确椭圆井眼同心环空赫巴流体流动规律,建立了解析模型和Fluent仿真模型,分析椭圆井眼对环空流速和压降梯度的影响规律;通过修正水力直径和引入有效黏度的方法建立了椭圆井眼同心环空压降计算简化模型,实现流动压降的准确快速预测,并利用解析模型、仿真模型和实测结果对简化模型有效性进行验证。结果表明:当流量一定时,轴向平均流速和最大流速随椭圆长短轴轴长比值的增大呈线性和指数型增加;无量纲压降梯度随椭圆长短轴轴长比值增大呈线性增加;简化模型与仿真模型、解析模型和实测结果均吻合较好,误差分别为±8%、±5%和±5%。研究成果为椭圆井眼同心环空流动压降准确快速预测提供了理论支撑。