空气钻井最小流量计算的修正模型

文章用气体状态方程以及热力学定律对空气钻井中流动参数进行分析，重点修正了储层流体涌入的空气钻井中最小空气流量计算公式以及钻头喷嘴压力计算公式，为空气钻井实际提供了必要的理论依据。根据修正后的模型编制应用软件，结合现场实践，达到指导现场实际空气钻井的目的，为大庆地区开展空气钻井提供参考。     

基于CFD的双流道钻头井底流场数值模拟

针对高低压双流道钻头的井底流场建立了二维模型,利用CFD及有限元方法对模型进行网格划分、设置边界条件并进行计算。通过分析喷嘴压力、井底流场压力及流体速度等数据表明:增加双流道钻头高压喷嘴的射流压力,在井底形成高压喷射可以降低井底流场的静压力,能够释放地层压力,提高PDC钻头的切削破岩能力,从而提高机械钻速。     

空气钻井工作特性分析与工艺参数的选择研究

空气钻井是一种特殊的欠平衡钻井技术，采用具有极大压缩性的空气作为循环介质，具有钻速高、成本低、环保性好等优势，应用越来越广泛。空气钻井循环系统的压力分布、钻井装备的选择、钻井参数的合理配置与传统钻井方式相比有很大区别。在国内外现有空气钻井理论研究的基础上，通过建立压力分布模型，推导计算公式，编程计算，得到了空气钻井中压力分布规律、压缩气体流速场分布特点、空气螺杆马达转速受压力温度影响的变化趋势以及流体温度模型的改变对循环系统中压力分布的影响等结果。在空气钻井的工艺参数研究中，主要进行了最小气量和合理钻速的选择计算，结果是：环空中过流截面增大会造成最小气量取值变大，过流截面由小变大处是携屑最困难的位置；给出了排气量为1．2m^3／s时，通用算例的合理钻速取值。图6表1参8     

潜孔钻头结构参数与井底流场关系研究

在勘探钻井过程中，QF-Ⅱ型潜孔钻头井底流场分布不合理，存在排屑能力差，对井壁冲蚀破坏严重等缺点，制约了该潜孔钻头在现场的应用。为此，以QF-Ⅱ型潜孔钻头为原型，充分考虑了钻头排屑槽和切削齿对井底流场的影响，建立了与实际相接近的潜孔钻头井底流场物理模型。在计算流体力学软件Fluent中将CAD模型转换为相应的CFD井底流场模型，运用k-ε两方程模型，对钻头喷嘴不同位置、不同直径、不同倾角时的井底流场进行了数值模拟研究。这些结构参数直接影响井底流场分布及流体的排屑能力，在研究中把这些参数作为钻头结构优化设计的重点，找到了钻头喷嘴不同结构参数条件下对井底流场的影响机理，为合理进行潜孔钻头的结构设计及水力设计提供了依据和校验方法。     

基于Fluent的径向水平井旋转射流钻头内外流场数值模拟

运用Fluent软件对径向水平井旋转射流钻头的内外部流场进行数值模拟,提出了利用数值模拟手段计算旋流强度和流量系数的方法。结果表明：流体经导流叶轮加旋后成为强旋流,流经喷嘴收缩段时,速度增加,旋流强度减小,至喷嘴出口时变为弱旋流;叶轮的流量系数小于喷嘴。该分析为旋转射流钻头的结构优化设计和提高破岩效率提供了理论基础。     

空气钻井计算模型

气体不仅密度低，而且具有很大的可压缩性，所以空气钻井的体积流量将随压力和温度变化，而压力和温度又随井深变化。空气钻井有计划地设计成为必要。充足的气体和液体体积流量是欠平衡施工的关键，通过最小动能标准计算出体积流量后，准确计算出各井段的压力和最终喷射压力是必不可少的，使压缩装置的压力与该压力匹配，成为选择好排量后又一关键的参数。因此公式的选择和应用也就成为研究的重点，阐述了空气钻井计算公式及其适用性。     

空气钻井中气体体积流量的计算——两种不同体积流量准则的比较

适宜的气体流量在气体钻井施工中至关重要，关系到钻井的成功与否。介绍了在空气钻井施工中确定气体最小体积流量的最小动能准则和最小流速准则以及应用其计算直井、斜直井和定向井的气体最小体积流量的方法，并通过实例说明了整个计算过程。结果表明，由这2种体积流量准则计算的气体体积流量误差较小，可满足现场施工要求。     

装有脉冲喷嘴的PDC钻头井底流场模拟

脉冲射流具有流体脉动特性,应用在钻井作业中,能起到较常规射流更为明显的辅助破碎岩石和清洗井底岩屑的作用。运用计算流体动力学技术,采用雷诺平均Navier-Stokes方程和κ-ε湍流模型,对装有脉冲喷嘴的PDC钻头进行井底流场数值模拟,分析脉冲射流压力波动变化、脉冲射流辅助破碎井底岩石性能以及在PDC刀翼上流体湍流运动的力学性质和脉动情况。模拟结果表明,脉冲射流作用于PDC钻头,能够在一定程度上增强射流辅助破碎岩石、井底岩屑运移和PDC切屑齿的清洗、冷却效果。该项研究成果可为装有自激励振荡脉冲喷嘴的全尺寸PDC钻头进行井底流场的水力特性室内及现场试验提供一定的参考。     

吸振式井下液压脉冲发生装置

为了提高钻井过程中井底钻井液能量及其利用效率,设计了吸振式井下液压脉冲发生装置,建立了装置的仿真模型并进行了仿真分析,对装置的性能进行了现场测试。基于将钻柱振动能量转化为井底钻井液液压的思路,设计了吸振式井下液压脉冲发生装置的结构并分析了其工作原理,在此基础上建立了装置的仿真模型。仿真分析结果表明:该装置可调制出较高幅值的井底脉冲压力,产生高出常规钻进喷嘴压降2~6 MPa的射流压力,且通过优选钻井液排量和钻头喷嘴当量直径可提高脉冲压力幅值。现场试验结果表明:与常规钻进相比,该装置可大幅提高钻进速度,有效延长钻头使用寿命;装置性能稳定、使用寿命长,可满足现场钻井施工要求。图5表3参13     

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从钻井泵经过钻柱内部输送到钻头喷嘴的流体是瞬态流动，存在着压力行波，使从普通喷嘴射出的流体有一定程度的脉动。当这种流体经过自激振荡喷嘴轴对称空腔后，初始振荡的频率与腔内扰动波的频率相接近时，整个流体的振荡被迭加、放大，最后在腔室出口处产生被调制了的振荡射流。文章按波动理论原理，建立自激振荡射流腔室内流体压力和速度的数学模型，并采用接近钻头实际喷嘴直径和增大喷嘴金尺寸，进行扩大振荡腔室的射流实验研究。     

空气钻井中的压力及注气量问题研究

运用流体力学知识对空气钻井中影响井底压力的各个因素进行了分析。重点讨论了影响环空压力的主要因素、钻头水眼气体流速、最优气体注入量等问题，给出了相关的计算公式和方法，为空气钻井设计提供了必要理论依据。     

空气钻井携岩及防燃爆最小注气量计算方法

空气钻井是一种特殊的欠平衡钻井方式,当钻遇气层时,天然气就会侵入井内与空气混合,在井下高温高压的环境下极易发生燃爆。注入的空气量既要能有效地携带岩屑,又要能防止井下燃爆。针对空气钻井中确定最小注气量的难题,根据修正的Angel模型,应用最小动能法和最小速度法,建立了携带岩屑的最小注气量方程;根据气侵速度和甲烷在井下的燃爆极限,通过控制甲烷的体积浓度,得出了防止燃爆最小注气量的计算方法;通过计算机编程,对川中某气田空气钻井的最小注气量进行了计算,其结果与实际作业中的最小注气量数据非常吻合。     

基于非等温三相流模型的欠平衡钻井井底压力预测

考虑欠平衡钻井中钻屑的影响以及由于地层和钻井液之间热量传递导致的温度变化,应用气-液-固三相流模型来模拟井筒流体,计算井筒温度和压力分布,分析不同参数对环空内流体压力和温度分布的影响.研究表明,与两相流模型及其他考虑地温梯度的三相流模型相比,考虑传热的非等温三相流模型能够更加准确地预测欠平衡钻井井底压力.井筒内黏性耗散...     

水力喷射钻孔技术在静北潜山油藏的试验研究

水力喷射钻孔技术采用自进式水力喷射钻头,利用软管送进并控制轨迹,以高压水射流钻孔的方式在油层与井筒间形成清洁孔道,实现百米穿越。介绍了该技术的工艺原理,结合试验区块的油藏储层特性进行了钻孔参数设计。采用?13 mm小直径连续管作业,在2713~2865 m井段的套管壁上,磨铣出6个?27 mm小孔,用?13 mm喷嘴对3个方位共完成了4条50 m、2条60 m水平孔道,施工压力55 MPa,施工排量1.2~1.5 m3/h,每孔施工时间近20 h,油管管柱采用?73 mm和?89 mm两级组合,完成潜山裂缝性碳酸盐岩高凝油油藏水力喷射钻孔现场试验并获得成功,增油幅度达367%,表明水力喷射钻孔在碳酸盐岩储层应用具有较好前景。     

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中原油田文东地区属于典型的盐间高压油气藏，油气层埋藏深，上部大直径井眼井段长。因而，如何提高大井眼钻井速度，是文东高压油气井钻井的重要课题。经过大量的实践，提出了解决这一问题的途径。从优选喷嘴组合，喷嘴类型和水力参数，增大双喷嘴直径差，配备大功率泥浆泵，降低钻井液水眼粘度等几个方面入手，以多种途径提高泵压和钻头水马力，从而提高了水力破岩能力。同时，优选钻头类型，总结出适合文东高压油气区快速钻进的三套钻头系列，从而充分发挥了钻头的工作效率，并使用合适的钻具组合及钻井参数，在满足井身质量的前提下，大幅度地提高了钻井速度，有效地降低了钻井成本。     

井下固控装置的研究及应用

在钻井过程中,为保障钻井安全需在钻井液中加入大量固相颗粒,钻井液中固相颗粒对机械钻速的影响较大,研制了一种安装在钻头上方的井下固控装置,该装置通过水力旋流分离原理将钻井液中大部分固相颗粒与钻井液分离并甩入环空区域,使通过钻头的钻井液固相含量大大减少。本装置设计的排固喷嘴有反向喷射作用,可以实现高效清洗井底,提高机械钻速。通过室内分离效果试验确定了装置的锥体角度和最优排量。在胜利油田、胜利海洋钻井进行了现场应用,验证了该装置安装方便,工作可靠,有明显的提速效果,可降低钻井液中的固相含量并有利于提高机械钻速。     

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。     

气体钻井钻头泥包风险预测及影响因素研究

为深入研究气体钻井过程中地层出水后的岩屑运移情况、避免或减少钻头泥包风险、指导气体钻井的顺利实施,在分析出水量预测模型的基础上,引入工程岩土学中的稠度指标,将黏土的黏着界限作为泥包的临界条件,对地层出水后的泥包情况进行数学建模,利用编制的计算机程序对所建模型进行求解计算,并对计算结果进行分析,预测泥包风险;然后对影响钻头泥包的岩性、钻头表面性质及钻井参数等因素进行分析。结果表明:1所建模型能够预测地层出水后形成泥包的时间,并以泥包时间为指标对钻头泥包风险进行预测,进行风险评级;2岩性及钻头表面性质对钻头泥包影响很大;3钻头泥包风险随着机械钻速、井口回压、井深和井径扩大率等的增加而降低。结论认为:从钻遇水层到钻头形成泥包,时间非常短暂,基本在数十分钟之内就会发生井下事故。因此,现场操作过程中,一定要提前做好对出水层的预测和转换钻井方式的准备工作;发生水侵后也可根据数值模拟结果采取适当的措施延缓发生钻头泥包的时间。     

伊朗雅达油田优快钻井技术

伊朗雅达油田地质条件复杂,为碳酸盐岩储层,具有高温、高压及多压力系统,并含有高浓度硫化氢及二氧化碳酸性气体。在2001到2003年间施工了5口探井,井深4 500~5 000 m,普遍钻井存在着机械钻速低、井漏、压差卡钻、高压沥青层侵入等突出问题,钻井周期长,安全快速钻井面临巨大的挑战。文中分析了雅达油田钻完井存在的难点以及优快钻井技术应用方案,包括灰岩地层压力检测技术、非渗透防卡钻井液技术、高效破岩及优选钻井参数、高压沥青层钻井技术为特色的雅达油田安全快速成井配套技术等,这些成果在雅达油田一期的井身结构、钻头选型、钻井提速和钻井液等方面进行了全面应用,平均机械钻速较前期提高40%以上,取得了显著的效益。