岩屑沉降速度的理论计算及其在钻井中的应用

在钻井过程中,岩屑的沉降速度与钻井水力参数、泥浆流变性能密切相关,它直接影响固相含量和钻速。因此,研究岩屑沉降规律,并应用于钻井过程,是钻井技术的基本内容之一。本文参考国外钻井水力学,泥浆流变学等有关文献,试图进行岩屑沉降的理论计算,阐明其推导过程,明确其应用条件。结合钻井过程中的实际问题,进行定量计算,并提出岩屑输送比,岩屑当量直径和岩屑当量沉降速度的实用计算法。     

幂律流体中岩屑颗粒沉降速度实验

钻井过程中,任何井型都需要钻井液有效携带岩屑上返,以保持井眼清洁;但由于岩屑颗粒与钻井液存在密度差,遇到接单根、停钻等工况,岩屑颗粒就会在钻井液中沉降。对于大斜度井和水平井,岩屑沉降后会堆积在造斜和水平井段,形成岩屑床,造成恶性井下安全事故,因此,深入研究岩屑颗粒在钻井液中的沉降规律十分重要。文中首先综述了不同形状、不同粒径的固体颗粒在牛顿流体中的阻力系数和沉降速度计算模型,分析了牛顿流体中固体颗粒雷诺数和阻力系数之间的关系;应用与研究固体颗粒在牛顿流体中沉降的相同方法,并通过室内实验,得到了不同粒径岩屑颗粒在幂律流体中的沉降速度模型、颗粒雷诺数与阻力系数之间的关系模型。     

钻斜井中防止岩屑沉积的研究

钻大斜度井、水平井中阻止岩屑形成沉积层,保持井眼清洁,是目前钻井中棘手的问题。通过试验认为:不同斜度的定向井采用合理的泥浆环空返速,能降低岩屑沉积。作者通过对泥浆性能、机械钻速、岩屑大小、钻杆转动快慢及岩屑在近直井、小斜度井、中斜度井和大斜度井沉降速度的分析。定义出一个阻止定向井中岩屑形成沉积层的泥浆环空临界返速。     

气体钻井偏心环空气固两相流模拟研究

国内气体钻井技术仍处于发展阶段,井内流场分布及工艺参数研究方面还不成熟,尤其是在气体钻井过程中发生偏心时环空内的流场分布变化研究较少。基于流体动力学方法,利用FLUENT软件对气体钻井时环空内气固两相流场进行了数值模拟研究,模拟发现偏心环空中岩屑流速偏离对称分布,在倾斜井眼中有明显增加,最大速度在环空厚度较大处发生;钻柱旋转使环空压降增大,而随井斜角的增大,压降逐渐减小;偏心环空的岩屑浓度较大,随钻柱旋转速度的增大先增后减,而随井斜角的增大而增大。数值模拟气体钻井形象直观地反映了井内各参数的分布情况,为进一步设计技术参数提供了有效的依据。     

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.     

基于井眼清洁程度与水力学耦合的环空压耗最小化计算方法

在钻井过程中,岩屑在井眼中堆积形成岩屑床,会引起环空压耗增大。针对井眼清洁不充分造成的环空压耗大的问题,根据质量及动量守恒理论,将岩屑运移与钻井水力学计算相耦合,建立了井眼清洁程度与环空压耗相关的数学模型,并利用全尺寸岩屑运移试验数据进行了模型验证。利用所建模型,分析了排量、井斜角、环空尺寸、机械钻速和钻井液流变参数对环空压耗和井眼清洁程度的影响。结果表明:大位移井和水平井中由于存在岩屑,环空压耗并非随排量增大一直增大,而是存在一个临界值;排量小于临界值时,环空压耗随着排量增大而减小;排量大于临界值时,环空压耗随着排量增大而增大。根据分析结果,建立了基于井眼清洁与水力学耦合的环空压耗最小化计算方法,利用该方法可以优化钻井参数,控制环空压耗,指导钻井设计和钻井施工。      

水平井段钻井液携带岩屑的实验研究

采用八种不同流体作为携带岩屑的介质,利用正交设计法安排实验,对水平井段同心环空和偏心环空中钻井液携带岩屑的问题进行了实验研究.全面考虑了环空流体返速、钻具旋转、钻具与井限间的偏心度、钻进速度、岩屑粒径及泥浆性能对岩屑运移的影响.得到了影响岩屑运移的主要参数和次要参数,以及各因素间交互作用的影响,建立了水平井段岩屑床厚度的经验模式.利用7口水平井资料对模式进行了验证,提出了以2cm岩屑床厚度作为安全钻进时的合理厚度,并依次求出了合理环空返速的大小.结合现场实际情况及理论研究成果,推荐了水平井洗井措施.     

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。     

赫-巴模式水力参数设计与计算

目前水力参数的计算需要进行流变模式的选择,才能更好地计算出循环压耗,这是钻头水力参数设计与计算的基础。笔者认为采用赫-巴模式进行水力参数的设计比宾汉模式、幂律模式更加简便和准确。在给出用赫-巴流体准确求解循环压耗的基础上,以最大钻头水功率的工作方式为依据,设计出最优的水力路线,以此来优选钻井水力参数和各种喷嘴尺寸。最后通过计算实例和编制的程序对宾汉模式、幂律模式和赫-巴模式进行了分析对比,并对计算结果进行了讨论。实例验证表明,文中的设计方法可满足钻井工程的需要,对指导现场钻井有重要的意义。     

气体钻井的岩屑特征及粒度分布测试

气体钻井因其独特的钻井工艺和优势，正在成为我国油气田勘探开发的主导技术之一。现场调研表明：与常规钻井液钻井相比，气体钻井中钻具的冲蚀磨损和断裂尤其突出，造成钻具过早降级和报废，钻井事故井数占总井数的77.8%。钻具的冲蚀磨损除与钻井工艺参数有关，还与岩屑的基本属性如粒径大小及其分布、形状、硬度等密切相关。采用筛分法对气体钻井的岩屑粒径分布进行了测定，得到了岩屑粒径分布的直方图，通过计算得到普光103-4井的岩屑平均粒径为1.05 mm，大邑3井的岩屑平均粒径为0.26 mm。岩屑的形状与钻井参数有关，空气锤破碎岩石的岩屑形状呈不规则片状，牙轮钻头破碎岩石的岩屑形状呈纺锤形。     

赫-巴流体钻头水力参数优化程序设计方法

循环压耗的准确计算是钻头水力参数优化程序设计的基础。在给出用赫-巴流体准确求解循环压耗的基础上,以最大钻头水功率或最大冲击力的工作方式为依据设计出最优的水力路线,以此来优选钻井水力参数和最优喷嘴尺寸。最后通过计算实例和编制的程序对宾汉模式、幂律模式和赫-巴模式进行了分析对比,指出采用赫-巴流体模式进行计算准确度高,完全能满足钻井工程设计要求。     

赫-巴流体钻头水力参数优化程序设计方法

循环压耗的准确计算是钻头水力参数优化程序设计的基础。在给出用赫-巴流体准确求解循环压耗的基础上，以最大钻头水功率或最大冲击力的工作方式为依据设计出最优的水力路线，以此来优选钻井水力参数和最优喷嘴尺寸。最后通过计算实例和编制的程序对宾汉模式、幂律模式和赫-巴模式进行了分析对比，指出采用赫-巴流体模式进行计算准确度高，完全能满足钻井工程设计要求。     

非直井气体钻井岩屑起动的临界流速

注气量作为气体钻井的关键参数,直接关系到现场钻井的成败。目前用于气体钻井的注气量计算方法均是基于垂直井眼得到的,对于水平井、大斜度井的情况并不适用,从而给气体钻井在水平井、大斜度井的应用造成很大困难。在分析岩屑颗粒运动方式的基拙上,假设岩屑颗粒沉积在下井壁,注入气体后对岩屑颗粒进行受力分析,得到不同井斜角情况下岩屑颗粒起动所需的临界流速模型。以此速度作为气体的最小流速,从而得到最小注气量。分析认为,在井斜角为60700的情况下,岩屑颗粒起动所需气体速度最大;大粒径岩屑对注气量要求很高,实际钻井过程中应采用适当方法减少大粒径岩屑的数量     

赫-巴流体在偏心环空中的波动压力计算模型

在窄环空间隙中下套管、小井眼钻进、深水钻进和大位移井钻进等作业中,精确的波动压力计算模型是准确预测井底压力的前提。以往利用CFD软件模拟赫-巴流体在偏心环空中流动的波动压力计算方法不仅对计算机性能要求高,而且时间成本高,导致现场应用受限。用窄槽流动模型模拟偏心环空建立了流体流动的物理模型,在稳态层流条件下,结合流体流动的控制方程和赫-巴流体的流变方程,建立了波动压力数学模型和基于自适应辛普森积分与黄金分割理论的数值求解方法,利用室内试验结果对模型的合理性进行了对比验证。结果表明：建立的赫-巴流体在偏心环空中的波动压力数学模型结果准确;采用的数值求解方法精度高、速度快,与室内试验数据对比误差在10% 以内,满足现场精度需求;分析了波动压力的影响因素,在管柱处于完全偏心的情况下,波动压力梯度降低为同心环空的50%左右,在窄环空间隙中作业时,应严格限制起下钻的速度。     

流花16-2油田钻井返排岩屑堆积参数预测方法北大核心CSCD

在海洋钻井作业中将钻屑排放到海床可显著降低钻井成本,但会导致钻井井场附近海床形成岩屑堆积体,进而会改变原有海床起伏趋势,从而给生产管汇水下安装带来安全隐患。基于岩屑颗粒受力分析,综合考虑岩屑性质(粒度分布、密度和球度)和海水性质(密度和黏度)对岩屑运移的影响,建立了返排岩屑堆积预测模型。利用建立的返排岩屑堆积预测模型分析了流花16-2油田LH16-2-A1井岩屑堆积参数及岩屑运移规律,结果表明本文方法预测结果较为准确,可满足现场需求;当排量小于4200L/min、洋流速度小于0.1m/s时形成岩屑堆积体距井口不足50m,存在岩屑堆积体堵塞临井井口隐患,因此建议增大钻井液排量使岩屑运移距离增加,从而保障邻井井口安全。本文研究结果对钻井返排岩屑堆积参数预测及生产管汇设计安装具有指导意义。     

固液分离机中岩屑颗粒沉降规律研究

岩屑在钻井液中的沉降速度、沉降阻力、流动分布等已成为钻井工艺设计中的重要参数。岩屑在钻井液中的运动十分复杂，这些参数很难用纯解析方法获得。文章从岩屑颗粒与液相介质之间的相互作用入手，采用理论分析和试验研究相结合的方法，参照经验公式,讨论了固液动态压滤分离机中岩屑颗粒的沉降规律，对动压机内颗粒的受力情况、轴向沉降、离心力场沉降等问题进行了理论探讨和研究，得出了岩屑颗粒离心沉降末速度。     

流花16-2油田钻井返排岩屑堆积参数预测方法

在海洋钻井作业中将钻屑排放到海床可显著降低钻井成本,但会导致钻井井场附近海床形成岩屑堆积体,进而会改变原有海床起伏趋势,从而给生产管汇水下安装带来安全隐患。基于岩屑颗粒受力分析,综合考虑岩屑性质(粒度分布、密度和球度)和海水性质(密度和黏度)对岩屑运移的影响,建立了返排岩屑堆积预测模型。利用建立的返排岩屑堆积预测模型分析了流花16-2油田LH16-2-A1井岩屑堆积参数及岩屑运移规律,结果表明本文方法预测结果较为准确,可满足现场需求;当排量小于4 200 L/min、洋流速度小于0.1 m/s时形成岩屑堆积体距井口不足50 m,存在岩屑堆积体堵塞临井井口隐患,因此建议增大钻井液排量使岩屑运移距离增加,从而保障邻井井口安全。本文研究结果对钻井返排岩屑堆积参数预测及生产管汇设计安装具有指导意义。     

偏心环空幂律流体层流螺旋流流量及压降计算

在石油钻井中,特别是在定向井、水平井的正常钻进时,井眼中的上返泥浆液流属于偏心环空层流螺旋流流型。钻井泥浆(一般视为纯粘性非牛顿流体)的层流螺旋流问题,国内外学者研究的较少,而对圆管内及同心环空流场研究较多。在定向井、水平井数量日益增加的今天,深入研究偏心环空中钻井泥浆层流螺旋流问题,就成为当务之急。为此,本文将泥浆近似地当作纯粘性幂律流体,依据流体力学原理,比较深入地研究了幂律流体在偏心环空中流动规律,探讨了信心环空中幂律流体层流螺旋流流场分布,提出了计算偏心环空中幂律流体层流螺旋流流量及压降的新方法,同时还分析了影响流量及压降的因素,新方法的计算结果与同心环空螺旋流计算结果做了对比,即用前人的有关结论与本文理论及计算方法进行了初步验证,结果表明,本文理论及方法完全正确,可供定向井、水平井钻井施工,水力参数设计时参考。     

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。