钻井过程中岩屑运移模型研究进展

随着斜井和水平井数量的不断增加，井眼清洁已成为钻井的关键技术和难题之一。在过去的60多年里，人们对钻井过程中的岩屑运移问题进行了大量的实验和理论研究，对这一课题有了较多的认识，建立了一些模型，为实际钻井过程中水力参数设计提供了有效的依据。本文对描述岩屑运移规律的经验模型和分层理论模型进行了系统的总结，并专门对泡沫携岩模型进行了总结，在此基础上对岩屑运移模型的发展进行展望，最后给出了研究建议，为今后深入开展岩屑运移研究提供参考。      

气体钻井岩屑运移机理研究

气体钻井由于其机械钻速快，能有效防止水敏性泥页岩坍塌，杜绝井漏。然而在气体钻井中井筒内岩屑的运移机理还不是十分清楚，为此，从气固两相流基本理论出发，对气体钻井过程中岩屑的重复破碎和细岩屑聚团过程进行了分析，并对接单根后岩屑的运移模式进行了描述，指出由于岩屑聚团的崩裂速度远远超过理论计算的相应初始运移速度，在接完单根后为使井底得到清洁，应增大注气量。另外，还提出了气体钻井过程中岩屑间协同作用的物理模型，指出从含少量细岩屑时的粗岩屑表面改性向大量细岩屑聚团过渡中，存在一个最佳点，该点携岩效率最好。通过研究，对气体钻井过程中岩屑的运移机理有了更进一步的认识。     

倾斜井筒岩屑运移实验研究评述

石油钻井作业中井筒岩屑运移影响钻井花费、时间及成井质量。随着定向井、水平井及大位移井等复杂结构井的广泛应用,倾斜及水平段井筒岩屑运移问题已经成为钻井作业中亟待解决的问题。钻井过程中井眼清洁不充分易引起一系列问题,例如卡管柱、高扭矩和摩阻压耗等。笔者对岩屑运移实验研究进行综述,介绍了岩屑运移实验研究目的、影响因素分类和实验观察流型,总结了实验中主要研究因素对岩屑运移的影响规律。在此 基础上总结目前实验尚未完善之处,提出了下步实验的研究趋势。     

斜井和水平井钻井环空流核区及速梯区中岩屑的运移研究

长期以来，斜井和水平井的环空岩屑运移问题制约着斜井和水平井钻井，国内外学者在这方面做过大量的实验和理论研究，以液/固两相流为基础的理论模型在不断的发展。文章采用了新的研究方法，取岩屑颗粒单元为研究对象，通过分析偏心环空中流核区及速梯区岩屑颗粒的主要受力，来预测岩屑颗粒的运移趋势，通过数值计算，分析了井斜角、岩屑密度、钻井液返速对流核区中岩屑运移的影响、钻井液返速对速梯区中岩屑运移的影响及旋转钻柱能提高岩屑运移行程的机理，得出了一些对解决斜井和水平井钻井的环空岩屑运移问题有重要意义的结论。     

基于CFD-DEM耦合模型的岩屑运移数值模拟分析

为了提高大位移水平井钻井过程中井眼环空的岩屑颗粒运移效率,文中以岩屑颗粒运移速度作为评判运移效率指标,采用CFD-DEM耦合模型进行数值模拟,分析了钻杆偏心度、钻井液入口流速、钻杆转速和岩屑粒径对岩屑颗粒运移速度的影响规律。模拟仿真结果得出：钻杆偏心度的增大将导致悬浮层岩屑颗粒平均运移速度降低,其中偏心度大于0.50时,岩屑颗粒更易形成岩屑床;岩屑粒径的增大将使得沉降速度增大,从而导致岩屑颗粒运移速度降低,岩屑粒径超过1.5mm时,岩屑颗粒运移速度降低较为明显;提高钻杆转速,对岩屑颗粒运移速度的提升效果较小,但会使得岩屑滞留量减少;增大钻井液入口流速,能够使得岩屑颗粒运移速度同比例增大。为了减少岩屑床的形成,增大井眼清洁程度,应增大钻杆转速与钻井液入口流速,减小岩屑粒径。文中所建立的耦合模型也可为岩屑颗粒运移的研究提供一定的理论指导。     

大位移井水力参数设计及计算方法

分析了大位移井钻井中岩屑运移以及钻井液环空流动的特点。通过总结归纳现有的大斜度井钻井中岩屑床厚度计算以及环空压耗计算模型,结合大位移井钻井的特点,建立了一套大位移井钻井中水力参数设计及计算方法,为大位移井钻井水力参数设计提供了一种实用手段。     

气体钻井钻杆冲蚀规律研究

针对气体钻井岩屑造成钻柱严重冲蚀的问题,基于气固两相流和冲蚀理论,建立了环空岩屑运移模型。利用该模型研究了气体钻井中钻杆居中以及不同钻杆偏心率、井径扩大率、注气量和机械钻速下环空岩屑粒子运移规律和钻杆冲蚀特性。     

不同振型振动筛的岩屑运移和堵筛规律研究

为降低钻井振动筛堵筛率并提高岩屑处理量,对不同振型下振动筛堵筛率和椭圆振动筛不同运动轨迹下岩屑运移规律开展研究非常必要。鉴于此,基于离散元法与振动筛运动理论,建立了不同轨迹振动筛运动模型,对岩屑在筛网上运移过程进行仿真。分析了振动筛不同振型时的岩屑堵筛规律,研究了椭圆振动筛不同长轴方向角与椭圆度时岩屑的运移速度和透筛率的变化规律。研究结果表明:椭圆振动筛的脱筛能力最强,圆振动筛其次,直线振动筛最弱;椭圆振动筛振幅大小一定,轨迹椭圆长轴方向角为45°时,岩屑运移速度最大;椭圆振动筛X方向振幅一定时,岩屑运移速度随轨迹椭圆度的减小而增大,透筛率随轨迹椭圆度的减小而减小。研究结果对提高振动筛筛分性能具有一定意义。     

用流态化理论分析气体钻井携岩问题

气体钻井工程设计和施工中最小注气量的计算是非常关键的,通常采用修正的Angel模型进行计算,此模型弱化了岩屑颗粒在井筒中运移的本质规律,而应用颗粒运动流态化理论可以对模型更好地补充,通过分析气体钻井井筒内岩屑颗粒受力情况及岩屑运移过程中颗粒所受曳力和气体流速之间的关系,得出了单个颗粒能够顺利向上运动的临界气体流速计算方法。在考虑球形度和边壁效应对流化床影响的情况下,修正了曳力和临界气体流速计算公式,得出了在满足井眼净化条件下气体流速和体积流量的计算方法。结合SNL-7井空气钻井实钻资料进行实例计算,得到的结果更加接近实钻情况,证明颗粒运动流态化理论更能真实地反映气体钻井岩屑运移的本质规律,更有利于对气体钻井携岩问题的研究。     

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。     

欠平衡钻水平井岩屑运移可视化实验

随着我国薄层低压油气藏的开发需求,充气欠平衡钻水平井技术成为国内外钻井界关注的热点,井眼净化不畅造成钻具摩阻扭矩的增大严重制约着水平井眼的延伸能力,气液固复杂多相流动,特别是认识固相运移规律是欠平衡条件下岩屑运移的核心内容。为此,在分析水平井与直井多相流条件下的岩屑受力与运移规律异同的基础上,根据气液固流动机理以及大平面沙丘颗粒运移理论,利用大型多相流实验台架开展了水平井段岩屑运移可视化实验,研究岩屑受力、运移形式及动态运移规律,获得了井眼净化注液量、注气量、液体流速、岩屑浓度等数据,进而对比找到了模拟携岩临界速度与实测携岩临界速度的误差,用实测速度修正了水平井井筒携岩临界速度预测数学模型,研究出了能够满足现场施工设计需要的钻进和循环工况的携岩速度模型和岩屑动态运移规律,对于优化钻井施工参数以及降低钻井安全风险均有重要意义。     

岩屑床破坏器清岩效果评价与结构优化设计

在大位移井、长水平井钻进过程中,破碎的岩屑容易在井筒环空低边堆积形成岩屑床,易导致钻杆屈曲、钻具摩阻和扭矩增大、当量循环密度异常甚至出现卡钻事故。岩屑床破坏器可有效搅动沉积的岩屑床,提高井眼清洁效果。以岩屑床破坏器为研究对象,开展了清岩效果定量评价与结构优化设计研究。通过计算流体动力学揭示了岩屑床破坏器的清岩机理,建立了一套岩屑床破坏器清岩效果评估方法,并利用该方法对3种典型岩屑床破坏器的清岩效果进行了量化评估,确定了清岩效果最优的叶片结构,分析了该叶片结构参数对清岩效果的影响规律,进而优化了结构参数。研究表明:在3种类型叶片结构中,反螺旋形叶片岩屑床破坏器清岩效果最佳,通过增加螺旋角度和优选叶片数目可明显提高其清岩效果。该研究为岩屑床破坏器的结构优化设计提供了理论基础。     

大斜度井钻井液侵入储层电测井模拟算法研究

大斜度井的钻井液侵入机理及电阻率特征是当今测井理论研究的一个重要课题。通过查阅近年来国内外有关这方面的文献,系统总结了该领域的研究现状及进展情况,并对大斜度井电阻率测井响应理论模型和大斜度井电阻率测井响应算法进行了分析与对比,认为目前大斜度井的电测井资料解释仍然以直井理论为基础,由此也限制了以电测井为主的储层评价及相关的地质研究。根据大斜度井电阻率测井响应模拟存在的问题,提出了改进的算法。     

泡沫钻井流体环空携岩能力的影响因素

阐述了泡沫钻井流体环空流型的判别方法，给出了不同流型下的求解岩屑滑脱速度和携岩率的数学模型，并结合现场钻井实例，计算和分析了各主要相关钻井参数对泡沫携岩能力的影响，给出了能维持较高携岩率的各钻井参数的适宜范围，对现场施工具有一定的指导意义。     

Sensitivity Analysis of Major Drilling Parameters on Cuttings Transport during Drilling Highly-inclined Wells

Abstract

In this study, a layered cuttings transport model is developed for high-angle and horizontal wells, which can be used for incompressible non-Newtonian fluids as well as compressible non-Newtonian fluids (i.e., foams). The effects of major drilling parameters, such as flow rate, rate of penetration, fluid density, viscosity, gas ratio, cuttings size, cuttings density, wellbore inclination and eccentricity of the drillsting on cuttings transport efficiency are analyzed. The major findings from this study are, the dominating parameter on wellbore cleaning is the flow rate, and, as the viscosity of the fluid is increased, the thickness of the cuttings bed developed in the wellbore is significantly increasing. Also, cuttings properties, fluid density, wellbore inclination and eccentricity have some influence on cuttings transport.     

X射线荧光元素录井在南堡油田潜山卡层中的应用研究

随着PDC钻头、大位移井和欠平衡井等钻井工艺的广泛应用,随钻录井中的岩屑变得细小、混杂,难以识别,给卡准潜山界面带来很大困难。针对这一现状,以X射线荧光元素录井技术为基础,对南堡油田岩石元素特征进行了分析研究,结合实钻岩屑元素资料,制作了岩性解释图板,划分了两种钻遇潜山类型,揭示了风化壳残积层元素发育规律,介绍了元素曲线随钻应用实例,总结出一套适用于南堡油田的潜山卡层新方法。现场试用表明,该方法是可行的,是常规潜山卡层方法的补充,为安全、快速钻井提供了重要技术支撑。     

射流磨钻头流场特性及其外排屑槽影响的数值模拟

在油气田开发中,水平井钻进时携岩困难、托压严重、机械钻速慢等问题严重影响生产效益。射流磨钻头既能降低井底压差实现欠平衡提速,又能粉碎岩屑实现岩屑悬浮运移,为水平井安全高效钻井作业提供技术支撑。研究基于计算流体力学方法,建立了射流磨钻头流场的数值仿真,并采用标准k-ε双方程模型对其流场特性及其外排屑槽尺寸的影响进行了模拟研究。结果表明,无外排屑槽时射流磨钻头的降压效果最好,井底低压区和中压区呈现一降一升的趋势;井底压力沿钻头直径方向分布极不均匀,高压与低压交错出现;在开外部排屑槽的情况下,内排屑孔的总体积流量占比达100%以上,随单个外排屑槽宽度的增大,内排屑孔的总体积流量占比增加,且外排屑槽存在钻井液回流的现象,回流体积流量占比4%以内。研究结果为射流磨钻头的优化设计与应用提供理论依据。     

Using foam in horizontal well drilling: A cuttings transport modeling approach

Foam is a frequently used compressible fluid in drilling applications. Cuttings transport with foam has been a focus of interest for years. Few studies have been conducted on vertical well configuration and successfully applied. However, less is known about the performance of foam in highly inclined and horizontal wells. In this study, a layered model is developed for describing cuttings transport in horizontal wells. Due to the presence of a cuttings bed, generalized rheological model parameters for foam are modified analytically as a function of fluid properties and complex conduit geometry. Using these parameters, friction between the fluid and the wellbore, between the layers and slip between the cuttings and the fluid are determined. Model performance is examined using experimental data established at The University of Tulsa's low pressure-ambient temperature flow loop. Results showed that, developed model can predict developed cuttings bed thickness and pressure loss in the wellbore with an error of less than 20%. It has been observed that very high foam flow velocities are required in order to prevent a thick bed development in the wellbore. Also, low-viscosity fluids show better performance on preventing bed development inside the wellbore than high-viscosity fluids at the same flow rates.     

钻屑随钻处理技术研究

介绍了国内外钻屑处理技术现状,提出一种新型钻屑随钻处理实施方案,研制出了关键技术设备。现场试验结果表明:具有钻屑随钻处理功能的新型钻井液固控系统能够满足我国实际钻井工况要求,推广应用前景广阔。