水平井钻井第二洗井区环空止动返速的计算

根据水平井钻井液携岩要求和岩屑床理论模型，给出了大斜度井及水平井钻井第二洗井区环空止动返速的计算方法，分析了影响环空止动返速的诸种因素。统计得出，我国目前水平井钻井第二洗井区环空止动返速为０．８０～１．０３ｍ／ｓ，可供该洗井区的水力参数及流变参数设计时参考。实例分析表明，采用环空止动返速能准确地评价第二洗井区岩屑床的运移状态。     

钻井参数对泡沫环空携岩能力的影响机理研究

泡沫钻井过程中，环空流型不同泡沫的携岩机理有所不同，许多钻井参数直接决定了环空中泡沫的流型和岩屑的滑脱速度，因此，有必要从理论和实例计算两方面进行影响因素分析，文中旨在介绍泡沫钻井环空流型的判别方法，以及不同流型下的携岩率数学模型，并结合现场钻井实例进行计算对比，从定性和定量的角度分析钻井参数对泡沫携岩能力的影响。     

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。     

在水平井模拟条件下泡沫钻井液的携岩机理实验研究

本文在模拟井底条件下研究了泡沫在水平环空中的携岩能力.就聚合物处理剂、泡沫质量、流动速度、温度和压力等因素对泡沫携岩能力的影响进行了详细深入研究.实验是在全尺寸的流动环空中进行,其实验管长为73 ft(5.76 in×3.5 in的同心环空),改变温度(80～170 ℉)和压力(100～400 psi),考察其携岩能力的变化.使用了较为成熟的现场用泡沫体系,其中含有表面活性剂和羟乙基纤维素聚合物(HEC).同时,还测试了三种不同聚合物浓度(0、0.25%和0.5%)下的携岩能力.泡沫质量在70%～90%之间变化.在测试中,不断地在流动环中注入岩屑,直至达到稳态.使用核密度计原位测定了岩屑的体积浓度.当然,也可以通过称量加入和流出流动环中的岩屑含量来计算环中岩屑浓度.实验中的测试参数为:气体和液体的注入速率、注入的岩屑质量和清除塔中的岩屑质量、混合密度、摩擦压力损耗,以及环空中的压力和温度等.在携岩测试过程中可以观测到同时存在静态岩屑床和全悬浮流体.流体流动参数主要受聚合物浓度、泡沫质量和环空流速的影响.环空流动速率、泡沫质量和聚合物浓度等因素都会影响携岩效率和摩擦压力损耗.本文将有助于更好地设计钻井和洗井作业方案.     

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。     

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。     

侧钻井钻井液携屑能力试验研究

利用全尺寸携屑模拟实验装置进行了携屑试验,得到了侧钻水平井井眼内岩屑的运移规律,指出了环空岩屑成床的临界环空返速为0.85~1.2 m/s,形成岩屑床的临界井斜角为40°~60°。提出了衡量钻井液携屑能力的参数及指标,评判出钻井液携屑能力的参数临界值为1.5。推荐了现场施工的环空返速范围为1.2~2.0 m/s,钻井液性能参数设计应满足携屑能力参数≥ 1.5为宜。大庆油田的施工实践,证明了文中结果的正确性。     

大位移水平井段岩屑运移实验研究

以相似系统理论建立了大位移水平井携岩实验装置,并根据颗粒雷诺数相似推导了实验装置与原型的参数相似关系,实验研究了环空返速、钻井液密度及有效黏度、岩屑密度及粒径大小、钻杆转速及偏心度、井斜角、机械钻速和井眼尺寸等10个参数与无因次岩屑床厚度的变化关系,在此基础上采用非线性回归方法建立了大位移水平井稳态无因次岩屑床厚度方程,并根据文献对模型进行了验证。模型对于确定大位移水平井井眼净化最小携岩排量和优化机械钻速具有参考意义。     

泡沫钻井环空岩屑浓度影响因素分析

为了准确地计算泡沫钻井环空岩屑浓度,利用多相流体力学方法计算了该值,并着重分析和讨论了岩屑直径、岩屑形状和注液流量对其的影响,建立了泡沫钻井过程中泡沫、岩屑在环空中流动的数学模型,还采用修正Simple方法对该模型进行了数值求解。计算结果表明：①岩屑颗粒直径越大,环空岩屑浓度越大;②岩屑形状越不规则,环空岩屑浓度越低;③在浅井段,环空岩屑浓度随注液流量的增大而增大,而在深井段,环空岩屑浓度随注液流量的增大而增大;④该数学模型考虑了加速度和泡沫与岩屑之间相对滑动的影响,预测的井底压力更接近于实验数据,计算的环空岩屑浓度更准确。     

连续油管带筛管侧钻多分支井双重环空携岩能力实验

连续油管带筛管喷射侧钻多分支井钻完井一体化技术具有快速、高效、低成本钻完井的特点,可实现一趟管柱同时完成连续油管喷射钻井和割缝筛管完井。为研究该技术所特有的连续油管外套割缝筛管的双重管柱对岩屑运移的影响,实验研究了不同筛管割缝参数和钻井条件下环空内岩屑床高度、岩屑体积分数及携岩率的分布规律。分析结果表明,与单一连续油管环空相比,连续油管带筛管喷射侧钻分支井双重钻柱环空具有过流面积小、环空局部流速高的特点,在较高的机械钻速下仍能保证良好的井眼净化能力,岩屑运移效率可提升56.94%～72.28%;随着排量增大,携岩效果提升最明显;为增强双重管柱的携岩能力,宜选取短缝长、窄缝宽、低缝密和高缝单元中缝数的筛管。     

泡沫钻井液研究及其应用

通过对泡沫钻井液的保护油层机理和其性能与温度、压力、时间及各种试剂的关系分析得知，泡沫钻井液对渗漏地层有良好的防漏、堵漏效果，具有较强的净化能力，尤其在大斜度井段和水平井段的钻井过程中，解决了沉积井眼下侧的岩屑床等问题。现场应用表明，泡沫钻井液适用于地层裂缝发育、漏失严重、低压以及超低压地层钻井，能满足地质录井要求，利于及时发现、保护油气层。泡沫钻井液性能稳定，具有静液柱压力低、润滑性和携岩性能好、滤失量小、摩阻小、抗污染和助排能力强以及对油层伤害小等优点，适用于压力系数较低地层的钻井。该体系能有效地降低事故的发生率，防止了井壁坍塌；满足了低压、低渗地层以及大斜度井段和水平井段的钻井要求。     

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。     

塔北地区水平井钻井液技术

塔北地区水平井上部大井眼采用聚合物钻井液体系、下部井段采用聚磺钻井液体系、造斜段及水平段采用聚磺混油钻井液体系。现场应用结果表明,聚合物钻井液体系解决了大井眼携岩问题;聚磺钻井液体系抑制能力、防塌能力、携岩能力强;聚磺混油钻井液体系的携带、悬浮岩屑能力及润滑性更好。这几种钻井液体系满足了钻井工程需要,避免了井下复杂情况的发生。     

大斜度井段小尺寸岩屑临界再悬浮速度力学模型

以往研究表明,岩屑在大斜度井段主要以翻滚形式向井口方向运移,文中提出大斜度井段小尺寸岩屑有效运移的临界环空条件——临界再悬浮环空返速。考虑钻柱旋转和颗粒间作用力的影响,分析岩屑受力,建立了临界再悬浮环空返速的预测模型。理论计算结果与现有试验数据对比显示,两者有较好的一致性。利用该模型对大斜度井段小尺寸岩屑运移过程进行分析,结果表明：直径小于0.5 mm的小尺寸岩屑颗粒更难被再悬浮;在大斜度井段,井斜角对于小尺寸岩屑的再悬浮临界环空返速影响较小;钻柱旋转有利于小尺寸岩屑颗粒的再悬浮;在一定范围内,钻井液流性指数、稠度系数值越小,越有利于小尺寸岩屑的再悬浮。     

清除器对水平井段岩屑运移的影响分析

在水平井钻进过程中岩屑床的危害是巨大的,使用增大排量、倒划眼等常规的方法很难清除岩屑床。应用Fluent软件分别对岩屑床清除器和光钻杆的工作进行了模拟,可以详细地了解岩屑床清除器对环空流场的影响和岩屑颗粒的运动轨迹情况,显示此清除器在清除岩屑床和岩屑运移方面的能力。此种岩屑床清除器不仅增加了环空流场的紊流度,提高了局部空间的钻井液流速,具有水力清除岩屑床的作用,而且增大了岩屑颗粒被携带起来的机会。     

海洋天然气水合物层钻水平井不同扩径方式携岩能力图版

我国海洋天然气水合物具有埋深浅、层薄、欠压实、弱胶结的成藏特点，长水平井可能是未来商业化开发的有效模式。然而在海洋天然气水合物层钻水平井过程中，由于水合物层欠压实、弱胶结岩石力学强度极低且含水合物的岩屑颗粒会在其重力作用下沉积，造成携岩不畅，从而增大钻具摩阻、扭矩并制约水平井眼的延伸能力。为此，建立了直角扩径、45°斜角扩径、圆弧扩径3种不同扩径方式模型，并用EDEM和FLUENT进行耦合仿真得到了携岩所需临界流速理论图版。仿真研究结果表明:在3种不同扩径方式下，水合物丰度一定时，随着含水合物的岩屑颗粒增大，携岩所需临界流速增大，随着钻井液密度增大，携岩所需临界流速减小；钻井液密度一定时，随着水合物丰度增大，携岩所需临界流速减小；水合物丰度和钻井液密度一定时，直角扩径方式的携岩能力最差，45°斜角扩径方式携岩能力中等，圆弧扩径方式的携岩能力最强。研究结果为海洋天然气水合物藏水平井开采模式的施工参数优化提供了前期技术支撑。     

页岩气水平井井眼清洁评价研究

川渝地区页岩气水平井环空岩屑浓度增加和岩屑床的产生会使井眼清洁程度变差,导致卡钻等事故,需要加快井眼清洁评价方面的研究。鉴于此,根据页岩气钻井现场所用油基钻井液数据,利用切应力误差法和相关系数法优选出适用于该地区的油基钻井液流变模式——卡森模式,建立了环空岩屑颗粒启动临界流速模型和岩屑床厚度分布模型。以CNH17-2井为例,采用本模型计算分析了起下钻和倒划眼工况下岩屑床厚度的变化规律。研究结果表明,随着井斜角增加,环空岩屑床厚度先增大后减小,在井斜角10°~20°井段岩屑床厚度趋于0,在井斜角60°~70°井段岩屑床厚度出现最大值;倒划眼操作后,岩屑床厚度可减小50%以上。优化井眼轨迹、适当进行倒划眼操作能有效提高井眼清洁程度,降低沉砂卡钻等风险。     

C2P1水平井钻井液技术难点及对策

C2P1井位于陈2断块南部周9断层高部位,钻探目的层为阜三段,完钻井深为2550 m,水平段长401m.C2P1水平井是"直增-增变-稳平-降变-稳平"的复杂井眼轨迹.该井钻井液存在携砂困难、井壁易失稳、易产生岩屑床、摩阻扭矩控制难度大、储层易受污染等技术难点.在斜井段和水平段采用复合金属离子聚合物正电胶润滑防塌暂堵钻井液钻井.现场应用表明,复合金属离子聚合物正电胶钻井液性能稳定,抑制性强、悬浮携岩能力好,易于维护,水平井段混油12%以上,确保了钻井液具有良好的润滑性能,降低了摩阻和扭矩.该钻井液满足了水平井钻井施工的需要.     

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。      

超临界二氧化碳钻井基础研究进展

超临界CO2钻井技术是以CO2为钻井介质的新型钻井技术,在实现CO2资源化利用和提高非常规油气钻探效益等方面潜力巨大,其关键理论和技术问题主要体现在超临界CO2在井筒中的流动规律、携岩能力、射流破岩及井壁稳定性等井筒多相流和流体与岩石相互作用方面。为此,利用超临界CO2在井筒中的流动模型分析了影响超临界CO2钻井环空压力分布的因素;通过理论计算和室内携岩试验分析了超临界CO2的携岩能力;根据理论分析和室内射流破岩试验分析了超临界CO2射流破岩机理;利用临界CO2与井壁围岩的力-热耦合模型并结合超临界CO2对岩石力学性质的影响,分析了超临界CO2钻井的井壁稳定性。结果表明:循环流量和井口回压是影响超临界CO2钻井环空压力分布的主要因素;井斜角为48°~72°时超临界CO2携岩最小返速比较高,超临界CO2的携岩效果与清水接近,但远优于空气;超临界CO2射流破岩产生的温度应力可有效降低破岩门限压力,提高破岩效率;采用超临界CO2钻进水平层理硬质页岩地层时井壁稳定性好。研究结果为完善超临界CO2钻井理论和尽快形成超临界CO2钻井技术奠定了理论基础。