螺旋槽道结构对岩屑清除器性能的影响

为全面准确了解螺旋槽道结构对岩屑床清除器性能的影响,基于计算流体动力学软件对不同螺旋槽道结构形式的岩屑床清除器进行了数值模拟,并对比分析了流场速度、环空流场结构两个方面。结果表明:螺旋槽道结构的存在可以显著提高入口流体的速度,增加环空流场的紊流度,提升岩屑清除器的性能。不同螺旋槽道结构外形对流体的引导和阻碍作用不同,进一步导致环空流场的速度以及涡流结构不同。双段螺旋和V型螺旋结构的岩屑床清除器的性能优于普通螺旋和直型螺旋。通过分析槽道结构对岩屑床清除器性能的影响可以为以后的优化设计提供一定的参考。     

岩屑床清除器井眼净化研究

在大位移井、深井、定向井钻井中,产生的岩屑床清除困难,使用常规增大排量、倒划眼等常规的方法很难清除岩屑床。因此利用岩屑床清除器对岩床进行破坏,为了更好的了解岩屑床清除器在井底的工作情况,利用Fluent对岩屑床清除器进行仿真模拟,分别对5.5 A、5.5 B两种型号的清除器进行模拟对比,研究最优的型号,分别对5.5 A型进行不同转速进行模拟,对比出转速对岩屑床清除的影响。从而,确定钻井过程中最优的岩屑床清除方法,从而对现场的操作具有一定指导作用。     

叶片形状对岩屑床清除工具作用效果的影响规律

近年来出现的多种不同结构形状的岩屑床清除工具,能有效提高复杂井的岩屑清除效率,弥补传统岩屑清除方法的不足。现有研究对不同类型岩屑床清除工具作用机理的认识并不完全,制约了其进一步的开发与应用。为了分析不同叶片形状对岩屑床清除工具作用效果的影响规律,采用CFD(计算流体动力学)软件,对3种形状(螺旋形叶片、V形叶片、直棱形叶片)的岩屑床清除工具环空流场的流动特性进行了仿真模拟。结果表明:3种工具都有助于岩屑床的破坏和岩屑在环空中的运移,但不同岩屑床清除工具在井筒流场的压力、速度、涡流特征、岩屑分布方面具有各自的作用特点;在岩屑床清除效果方面,螺旋形和V形岩屑床清除工具强于直棱形。这些都为工具的使用选型和研制优化提供了重要的参考价值。     

岩屑床清除器设计及其流场仿真研究

为了全面、准确地了解岩屑床清除器对钻井液流场的影响,应用CFD软件对其流场的速度、压力及液流运动迹线进行数值模拟研究。研究结果表明,V形槽可使流场速度矢量呈旋流分布,进口速度在很短的轴向行程内增加了1倍左右,尤其是工具靠近岩屑床的底边速度增加得最快,这大大增加了岩屑床清除器周围流场的湍流强度,使流体携岩和清岩能力迅速增强;工具靠近岩屑床的底边压力损失最大,工具的高边压降较小,计算结果符合已知的井下管流压力分布情况;V形槽中的流体在沿V形槽运动的同时还产生一定的旋流,且外围流体在V形槽的影响下也都产生不同程度的旋流,这对岩屑的携带、清除极为有利。     

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。     

水平井岩屑床清除的室内模拟试验

水平井水平段环空易形成岩屑床。模拟水平井水平段岩屑床形成、发展及清除过程进行了室内试验研究。结果发现,调整钻井液特性及水力条件可以使岩屑运移并清除岩屑床,当环空返速高于临界返速时,转动钻具,延长洗井时间,也可以改善环空净化。     

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。     

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。     

大斜度井两层稳定模型岩屑传输规律研究

根据质量守恒定律和动量定理,建立了考虑悬浮层颗粒扩散、岩屑床中流体压力降的大斜度井中两层稳定岩屑传输数学模型。从环空返速、井斜角、岩屑床分数以及岩屑床中流体流动的附加压力降等方面进行了模拟研究,研究结果表明:岩屑床分数的增加、环空返速的提高有利于岩屑颗粒悬浮;随井斜角增加,悬浮层颗粒浓度减小;岩屑床面积较大时,进行大斜度井水力学设计时应考虑岩屑床中的流体压力降。     

偏心环空紊流场的发展规律及岩屑沉降特性

实验结果表明环空紊流泥浆能有效地改善水平井的净化质量,然而对偏心环空紊流场的发展现律及岩屑颗粒的沉降特性的研究却很少.本文由确定偏心环空轴向流的当量直径出发,讨论了流态的转换条件;并以环空压降为自变量,流体稳定性参数为准则,描述了种空断面紊流的发展过程.用随机理论分析了局部紊流的强度及统一速度方程.其次,考虑紊动流场加速度的影响,以ε₁=1/g|duf/dt|参数摄动小量,利用摄动法求解岩屑颗粒在紊动流场中的沉降运动,讨论流场性质对颗粒运动的影响.结果表明,脉动频率及紊动强度的增大,增大了颗粒的沉降阻力,降低了沉降速度.     

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井眼净化,是大位移钻井的关键技术之一;大位移井中,岩屑床是制约井肯净化的关键蝇水力、钻井液流变参数外,钻柱的旋转作用是清除岩屑床的一个重要因素。通过对钻柱旋转作用下的人流场的研究和分析,揭示了钻柱旋转对清除岩屑床力学机理,即旋转作用使呈现波动形式,产生了有利于清除岩屑的循环力和陀螺力。波动的压力使岩屑床趋于非稳定,而循环力和陀螺力则对岩屑床产生搅动和支承作用,便于环空上返流速对岩屑的携带。并以国内     

复杂结构井岩屑床清除技术

导致复杂结构井固井质量差的重要原因之一是在倾斜和水平井段存在岩屑床.分析了复杂结构井岩屑床形成的原因和目前现场主要采取的清除方法,研制了可以实现主动清除岩屑床的特殊井下工具--岩屑床清除工具,介绍了其结构及工作原理,并通过流体力学仿真模拟验证了该工具主动清除岩屑床的机理,阐述了在胜利油田CB26A-7井的试验情况.该研究对提高复杂结构井固井质量有较好的指导意义.     

PDC钻头旋转流场与非旋转流场的模拟对比研究

在钻井过程中,当地层较软且含有大量黏度较高的物质时,如果不能及时排出岩屑,容易产生泥包,从而降低钻头钻速。对PDC钻头的旋转流场与非旋转流场进行数值模拟仿真,并通过DPM模型模拟岩屑在井底的运移。研究表明:岩屑的运移轨迹在旋转流场与非旋转流场的环空部位存在明显差异; 旋转流场岩屑侵蚀刀翼背部较多,非旋转流场岩屑侵蚀齿面较多; 刀翼冠部区旋转流场的速度相比非旋转流场的速度较小,刀翼内锥区旋转流场的速度相比非旋转流场的速度较大。     

A Derivation of the Averaging Model for Cuttings Transport: Multi-Region Model

Abstract

The aim of this paper is to derive a mathematical model for cuttings transport in horizontal wellbores using the volume averaging method, which is a technique used to derive transport equations for multiphase systems and one of the main approaches in two-phase flow modeling.

The theoretical derivation of the cuttings transport problem is for a two-region system composed of a fluid bed and a stationary bed of drill cuttings, which is considered as a porous medium. A one-equation model for fluid bed was derived and was used to obtain the multi-region model. This model can be used to study the hydraulic transport of solid particles in horizontal wellbores.     

气体钻井中气体携岩对钻杆的冲蚀机理研究

气体钻井中气体携岩冲蚀钻杆是引起钻杆快速失效的主要原因之一。基于此,文中采用计算流体动力学(CFD)方法建立了圆形规则井眼、钻杆居中情况下的高速气体携岩冲蚀钻杆的两相流模型。通过对环空气体流场、钻杆表面冲蚀速度和岩屑颗粒对钻杆的冲蚀过程及其运动轨迹的分析后发现,与钻杆接头斜坡碰撞的岩屑颗粒对钻杆有冲蚀作用,最大冲蚀速度发生在钻杆接头斜坡面上,其次在公接头以上0.2～1.8m长度范围内的钻杆本体表面上。这些区域可能形成严重的冲蚀坑,也可能出现微裂纹,在受到钻井过程中的弯、扭、拉等动载荷联合作用下可能发生裂纹扩展、失效现象。     

大位移井岩屑床危害及处理措施研究

在钻井过程中钻头破碎岩石所产生的大小、形状各异的岩屑颗粒堆积在井底,如不及时清理将会使钻头重复破碎,影响钻井速度,增加钻井成本。在大斜度、大位移井中,钻头破碎的岩屑易在井中形成岩屑床,导致钻井过程蹩泵、蹩钻甚至卡钻,因此,井眼净化是钻大斜度井的关键技术。在分析岩屑床的成因及危害的基础上,分析了井斜角、环空返速、钻井液性能、钻井液流态、钻具旋转等因素对携带岩屑效果的影响,提出了一些有效预防和解决高难度定向井携岩问题的办法和措施,指出最有效的方法应是适当地利用大排量、改善钻井液性能和借助岩屑床清除工具等相结合的综合措施除岩。     

复杂结构井井眼清洁技术研究进展

复杂结构井在海洋油气田、老油田和低渗透油气田开发中应用广泛,但该井型的大斜度井段和水平井段易出现井眼清洁问题,造成卡钻等事故,从而影响机械钻速和井下安全,制约了复杂结构井技术的发展。文中分别从井眼清洁的主要影响因素、数学模型及岩屑床清洁工具等方面,对井眼清洁技术进行了系统综述。通过分析井眼清洁的主要影响因素,结果表明,井斜角在30~60°时岩屑床最难清除,增加环空流速、钻杆转速和调整钻井液性能,可在一定程度上提高井眼清洁效果。此外,分析了描述岩屑运移规律的经验模型、分层理论模型及岩屑床清除工具,并对未来井眼清洁数学模型和井眼清洁技术发展趋势进行展望,为今后深入研究井眼清洁问题提供了参考。     

再论大斜度定向井的井眼净化问题

从天62-4井井斜角41°～43°井段井眼净化不好引发起钻遇卡、憋泵及消除这一井下复杂情况的实例出发,引申论述定向井及水平井的大井斜角井段井眼不清洁的危害、岩屑床形成的原因及其影响因素,介绍清除岩屑床、提高井眼净化程度的途径,并警示井斜角30°～60°的斜井段是井眼净化危险区;岩屑床形成容易清除较难,预防形成岩屑床需从多方设法,清除岩屑床则需积极主动对待。建议重新定义大斜度定向井,推荐大井斜角井段井眼达净化程度的指标,推荐“融钻进与清除岩屑床为一体”的作业工艺。     

岩屑床清除工具携岩效率仿真分析

在水平井的造斜段,尤其是钻斜度大于65°的定向井过程中,岩屑容易沉降、堆积,形成岩屑床。在停泵期间,钻井液停止循环,加速了岩屑在井眼低边沉积。岩屑床会造成蹩泵,还会使钻具下部的扶正器产生相当大的摩阻转矩,或造成扶正器泥包,甚至导致卡钻。介绍了非线性螺旋型岩屑床清除工具的结构和工作原理。建立螺旋槽型、直棱槽型、光杆型3种岩屑床清除工具的CFD模型,进行液固耦合的携岩流场仿真分析。结果证明非线性螺旋型岩屑床清除工具具有更高的岩屑清除效率。     

岩屑床破坏工具流场的数值模拟

岩屑床破坏器是一种有效的斜井岩屑床破坏工具，具有水力和机械双作用破坏、清除岩屑床的特点。为了对岩屑床破坏器产生的钻井液流场有一个全面、准确的了解，应用计算机流体动力学（CFD）分析软件对其流动进行了数值模拟研究，给出了湍流模型、模型数值解法、模型的网格划分及边界条件，并从速度场、压力场、流线图三方面对数值模拟结果进行了分析，这为岩屑床破坏器的结构优化设计、制造及现场应用提供了必要的理论技术支持。