低黏度液流携带粒子在环空中返流的仿真研究

在粒子回收系统中,选用合适的钻井液流速来携带粒子返回地面是一个重要问题。应用Fluent软件,采用欧拉多相流模型对液体携带固体颗粒在井筒底部的环空中返流进行了数值模拟,并通过试验对模拟结果的正确性进行了验证。模拟结果表明,模拟曲线反映了临界上返速度随环空间隙的变化趋势,环空中粒子能被清水携带上返的临界流速随着环空间隙的增大而逐渐减小;对比试验结果和模拟结果可知,试验值接近模拟曲线,但不在曲线上,存在误差,但试验值与模拟值的变化趋势比较接近。该项研究结果对以后的工程设计具有一定的指导作用。     

黏弹性流体在油藏孔隙中的流动特性

针对油藏孔隙中黏弹性流体的流动特性，选取了黏弹性流体中的上随体Maxwell本构方程描述以第一法向应力差为主要特征的聚合物溶液的流变性，同时使用计算流体有限元分析软件Polyflow对收缩流道内的黏弹性聚合物溶液流动过程进行等温数值模拟分析。从理论上研究了不同雷诺数（Re）和韦森博格数（We）条件下聚合物溶液黏弹性对孔隙内速度场和应力场的影响规律。确定当成数和耽数较大时，流体在收缩流道中流动时，流体的流速和应力随韦森博格数的增大而增大；第一法向应力随耽的增大而增大，且在出口窄流道内最大，而在入口宽流道处最小；越靠近壁面，耽数对第一法向应力的影响越大；黏弹性对流速的影响在靠近中心线处较大，靠近壁面处影响较小。     

盲端孔道内粘弹性聚合物驱油两相渗流规律

已有的聚合物溶液单相渗流理论与实验研究均已证实聚合物的弹性特征能够扩大其在多孔介质内的波及效率。在黏弹性聚合物溶液单相渗流理论的基础上,针对黏弹性聚合物溶液、原油两相流动中弹性对两相渗流的作用机制问题,建立了黏弹性流体、牛顿流体的两相渗流控制方程,用VOF方法进行两相界面追踪,以OpenFOAM为平台,运用有限体积法对控制方程组数值求解,研究了黏弹性聚合物溶液在盲端孔道内的流动规律。从饱和度分布、速度分布、驱替压差和第一法向应力差变化特征方面,揭示了黏弹性聚合物溶液的微观渗流机理。结果表明：随着松弛时间的增加,即聚合物溶液弹性的增大,两相界面向盲端内部扩展越深,驱油效率越高;当驱替时间达23.0s时,松弛时间为0.100s的聚合物溶液驱油效率,比松弛时间为0.001、0.010s时分别高19.0%、9.2%;聚合物溶液的弹性越大,附加压降越大,其第一法向应力差也越大,在一定程度上可提高驱油效率。研究结果为油田三次采油聚合物驱油体系设计、筛选提供了重要理论支持,同时有益于丰富黏弹性聚合物溶液的驱油机理。     

气体钻井环空岩屑颗粒碰撞对井壁稳定性的影响

在气体钻井条件下,井壁失稳的可能性更大,其原因之一是由高速上返的气流携带的岩屑与井壁碰撞所引起的.在流体力学基础上,对气体钻井流体环空流动做了一定的简化,建立了气体钻井流体环空流动模型,推导出了固相颗粒在环空中的理论最大速度;建立了环空固相颗粒碰撞模型,得到了环空岩屑颗粒碰撞的最大剪切应力和最大静摩擦力;将由原地应力产生的应力与环空岩屑碰撞产生的最大剪切应力叠加而求得了井周应力,运用Mohr-Coulomb强度准则分析了气体钻井过程中井壁的稳定性.研究结果对选用气体钻井应用井段和预测井壁岩石的稳定性具有一定的指导意义.     

大位移钻井过程中的岩屑携带特征及其影响因素

矿场资料表明,井筒中过多的岩屑是引起大位移钻井扭矩异常的主要原因,而且人们对岩屑的携带过程不够明确.本文讨论了一种试验,利用一个矿场规模的钻井液循环系统及三种岩屑尺寸(0.45 mm、1.4 mm、3.3 mm)确定了影响小尺寸岩屑携带的几个主要参数.另外,还讨论了岩屑尺寸、钻速、流体流变性、流体流速与井斜产生的影响.试验结果表明,不同尺寸的岩屑携带过程有不同的携带效果:用清水作钻井液时,较小尺寸的岩屑在环空中的浓度较大,而较大尺寸的岩屑在环空中的浓度较小;用0.72kg/m3的聚阴离子纤维素作钻井液时,较小尺寸的岩屑在环空中的浓度却较小.大尺寸岩屑的携带主要受钻井液循环速度的影响,小尺寸岩屑的携带则主要受钻杆旋转速度与流体流变性的影响.当提高钻杆旋转速度时,小尺寸岩屑的携带量与大尺寸岩屑的携带量都得到提高,但前者是后者的2倍.当钻井液由清水更换至聚阴离子纤维素时,小尺寸岩屑的携带量急剧增加,而大尺寸岩屑的携带量只有微量增加.建立了一种数学模型以绘制井筒中岩屑浓度与井底岩屑沉积高度的对比图.另外,还利用适合大尺寸岩屑携带情况的三层模型进行了有关数据预测,对这些预测数据与实测数据比较后发现误差很大,最大误差是80%.因此,需要利用小尺寸岩屑的对比图对常用的三层模型进行改进.     

黏弹性聚合物溶液在油藏盲端孔隙中的流动特性

采用上随体Maxwell本构方程，描述油藏条件下以第一法向应力差为主要特征的聚合物溶液的流变性，对黏弹性聚合物溶液在油藏盲端孔隙中的流动特性进行数值模拟，从理论上探讨在低雷诺数流动条件下聚合物溶液的黏弹性和盲端几何形状、倾角对孔隙盲端内速度场、应力场及压力场的影响规律。研究结果表明，油藏盲端孔隙中流体的流速随威森博格数的增大而增加，随盲端倾角的增加而减小；油藏盲端应力场随倾角的变化规律与速度场的相似，而在油藏盲端与主流道相交处，应力场随倾角的变化规律则与速度场的不同，其值随倾角的增大而增加；压力波动影响区的范围与流体的弹性变形能力密切相关（其弹性变形主要发生在盲端与孔隙的相交处），其范围随着流体黏弹性的增加不断扩大。流体的黏弹性越大，盲端内的流速和应力就越大，盲端内的压力波动也越显著。图7参6     

黏弹性聚合物溶液微观波及效率分析

为进一步了解黏弹性聚合物溶液的驱油机理,提高驱油效率,对黏弹性溶液的微观波及效率进行了分析研究。首先,在雷诺数为定值条件下,计算绘制黏弹性聚合物溶液的速度等值线图、第一法向应力等值线图、第二法向应力等值线图;然后,在不同雷诺数条件下,计算绘制微观波及效率随威森伯格数的变化情况。在此基础上,根据应力场中值为0的等值线在突扩流道凸角处伸展区域的不同,对微观波及效率的变化进行解释。研究结果表明,当应力场中有利于死油区内流体流动的应力区域向突扩孔道凸角的死油区扩张时,能够使更多的流体流动起来,在速度场上就表现为速度等值线向凸角伸展,进而增加微观波及效率。     

环空响应段流体流动特性数值模拟

基于物理法进行随钻防漏堵漏，其技术核心是利用侧向射流的水力能量在漏失层快速形成薄而高强度的“人造井壁”。钻遇漏层时，部分流体从专门设计的井下工具中喷出，直接射向井壁，给新形成的井壁一个合适有效的作用力，将混入钻井液中的堵漏材料推进漏失层岩石的孔、洞和裂缝，在漏失层井壁迅速形成一层致密的、可以承受一定压差的滤饼屏蔽环，从而增大井壁的承压能力或钻井液密度窗口，达到随钻防漏堵漏目的。由于环空响应段的侧向射流与上返流体具有一定的干扰，采用流体力学软件（CFD）对环空响应段的流体流动特性进行分析，弄清了上返流体对侧向射流的干扰。模拟结果表明，在现有应用的环空返速下，对侧向射流干扰很弱，基本没有影响。     

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.     

常规钻井螺旋扶正器携岩举升数值计算研究

在常规钻井中,螺旋扶正器随钻柱高速旋转,钻井液通过螺旋扶正器时,螺旋扶正器产生的强烈旋流必然会对钻井液携带岩屑举升能力产生不同程度的影响。以多相流理论为基础,建立三维流体动力学模型,并采用有限体积法对该模型进行计算,定量评价了螺旋扶正器的携带岩屑举升能力。计算结果表明,入口岩屑的上返初始浓度对携带岩屑举升能力影响较大,随着初始岩屑浓度的增加,出口岩屑最快上返速度相应加快;颗粒直径越大,螺旋扶正器产生的强烈旋流携带效果越明显。     

PEC有机正电胶钻井液体系在BZ 25-1油田的应用

BZ25-1油田一期开发作业中使用小阳离子海水聚合物和聚合物/聚合醇钻井液体系出现了泥岩水化膨胀严重、起下钻困难、倒划眼困难等问题,对该地区钻井时效产生了较大影响。针对BZ25-1油田地层特点,在室内实验的基础上,在油田二期钻井作业中使用了基于“软抑制”钻井液模型构架的PEC有机正电胶钻井液体系。现场应用结果表明,PEC有机正电胶钻井液体系具有独特的流变性和较强的携带岩屑能力,基本满足了BZ25-1油田优快钻井工程要求,有效地推动了该地区钻井时效的提高和钻井综合成本的降低。     

东方某气田浅部软泥岩地层抑制泥球生成技术

南海西部海域东方某气田Z平台开发该区域莺歌海组二段浅部气藏,该气藏浅部非储层段乐东组、莺歌海组一段和二段上部地层松软,泥质含量高。该气田早期开发作业中采用抑制包被性较强的PLUS/KCl或PEM聚合物钻井液体系,来应对非储层段大套泥岩地层,但是该钻井液体系井眼清洁效果差,起泥球严重,导致憋扭矩、憋泵压、起下钻困难等井下复杂情况,严重降低作业的时效。因此,梳理分析了泥球生成的原因,摈弃以往采用抑制包被型钻井液体系应对该大套泥岩地层的思路,首次在该区域非储层段采用全分散钻井液体系进行钻进,配套特殊流体段塞清岩技术以及起钻前转化为强润滑的钻井液体系,成功解决了该区域表层起泥球与井眼清洁问题。Z平台实施的5口井非储层段提速显著,φ311.2mm井段平均机械钻速为141.32 m/h,相对于前期最快的机械钻速提速达62.69%,创造东方区域类似浅部气藏开发大位移水平井的作业纪录。      

长庆气田小井眼钻井液技术研究与应用

为解决长庆气田小井眼施工中存在的井漏、地层自呼吸、井壁失稳、携岩困难、电测成功率低等问题,从水力参数、岩屑清除和钻井液体系入手,在兼顾降低循环压耗和提高环空净化能力的同时,设定合理的泵排量,以此预防井漏、避免地层自呼吸现象;从新的实验评价方法入手,结合小井眼钻井液施工特点,优选出复合抑制剂CQFY作为主抑制剂、天然高分子降滤失剂NAT20作为降滤失剂、无荧光白沥青NFA-25作为封堵剂,确定钻井液体系配方。2018年至今施工的φ165.1 mm井眼和φ152.4 mm井眼均使用了该技术。现场应用表明,该技术可有效保证井壁稳定,井径规则,并可预防井漏,避免地层自呼吸现象,提高了钻速,电测成功率高。完成φ165.1 mm井眼235口井,电测成功率为84.7%,φ152.4 mm井眼7口,电测成功率为100%,取得了较好的应用效果。      

Annular flow analysis by tracers in drilling operations

A study of drilling fluid flow in the annular space and drill pipe by residence time distribution analysis using a tracer is presented. This is a new method which can be used to assess the rate of removal of cuttings during the drilling process.Two field trials were conducted to evaluate the technical feasibility and potential application. The results are analyzed using the flow behavior, carrying capacity of the drilling fluid, and hole cleaning conditions. Analysis of tracer response indicates the presence of anomalous flow in both trials, characterized by two fluid volume fractions traveling with different velocities. The magnitude of these volume fractions is related directly to the carrying capacity of the drilling fluid (hence, the hole cleaning conditions) which is explained. The dispersion coefficient, as well as other distribution functions, is suggested to measure the overall behavior of fluid in a drill-hole.This method is compared with empirical correlations employed in the industrial practice and potential advantages are demonstrated using tracers.     

涠洲油田大位移井井眼清洁技术及应用

大位移井稳斜角大、稳斜段长,钻井过程中岩屑在井筒中易堆积形成岩屑床,导致摩阻增大、起下钻困难、井下漏失甚至卡钻等井下复杂情况,因此,井眼清洁是实现大位移井作业安全与效率的关键技术之一。南海西部海域的涠洲油田滚动勘探不断获得突破,但区域内均以断块构造的边际油田为主,依靠海上周边生产设施实施大位移井开发,成为实现边际油田低成本开发的有效途径。面对涠洲油田井壁失稳问题突出、大位移井钻井井眼清洁难度大的挑战,参考幂律流体偏心环空模型,通过提高油水体积比降低强封堵型油基钻井液的流变性,稠度系数K降低41%;配合水力及钻井参数的优选,增大钻进中偏心环空的紊流区域;采用井眼清洁辅助工具等技术措施,实现钻井液的高效携岩,突破了大位移井携带岩屑困难的技术瓶颈。上述技术的应用,解决了涠洲11-4N油田高稳斜角大位移井井眼清洁技术难题,提高了钻井过程中的携岩效果,减少了辅助清洁井眼时间,为边际油田的大位移井开发提供了经验。     

考虑井眼清洁条件下的小井眼钻井液性能优化研究

新疆油田玛湖部分区块采用长水平段(超2000 m)小井眼技术进行钻井和开发。在钻井过程中,井眼不清洁导致的卡钻,井筒压力过大导致的漏失问题严重制约了该区块的高效经济开发。钻井液性能的优化是解决上述问题的关键方法之一。为此,采用了CFD数值模拟的方法,建立了环空固液两相流模型,探究了不同钻进参数下钻井液不同流变参数(赫巴流变模型)对岩屑运移和环空压耗的影响。根据数值模拟结果可知:(1)提升钻井液密度有利于提高携岩能力;(2)不同钻进参数下,钻井液流变参数对岩屑运移作用效果不同;(3)钻井液流变参数并非越大越有利于岩屑运移;(4)结合玛湖区块特征,确立了最优钻井液流变参数范围,并将该范围成功的应用于现场。     

丘陵油田钻井液技术

介绍了丘陵油田地层、岩性特点及易发生的井下复杂情况。在上部地层选用两性离子聚合物钻井液、中下部地层选用聚磺钻井液。经现场应用表明,两种钻井液抑制能力、防塌能力、携砂能力强,润滑性好,性能易于维护。两种钻井液能满足相应井段的钻井施工需要,避免了井下复杂情况的发生,实现了丘陵油田长裸眼安全钻井。     

超深水平井钻井水力参数优选

基于传热学理论和井筒流动特性,通过建立超深水平井的井筒物理模型和温度场模型,考虑螺杆钻具的工作特性,以钻头和螺杆钻具组合的最大水力能量作为优选目标,建立了水力参数优选模型,分析了温度、压力对最小携岩排量的影响,并计算了最优排量和其他水力参数。结果表明:与不考虑温度、压力影响时相比,考虑温度、压力影响时的最小携岩排量增加了1倍;最小携岩排量随着钻井液密度和塑性黏度的降低而增大,塑性黏度是其主要影响因素;不同时刻的最小携岩排量存在一临界点,在临界点上、下井段确定最小携岩排量时,应采用不同时刻对应的最小携岩排量。因此,在超深水平井复合钻井时,应充分考虑温度、压力对水力参数优选的影响,以保证井眼清洁,提高钻井效率。     

强抑制性硅磺聚合物钻井液体系研究

随着页岩气等非常规油气藏勘探开发力度的加大,越来越需要一种抑制性强、配伍性好、成本低、化学与生物毒性低的水基钻井液。通过室内试验,综合评价了复合硅酸盐与不同钻井液处理剂的配伍性,优选出了硅磺聚合物强抑制钻井液盐水和淡水基本配方,与其他强抑制钻井液体系的对比评价实验表明,该强抑制性硅磺聚合物钻井液抗温达150℃,抗盐达饱和,有较好的抗钙、镁离子污染和黏土污染的能力,具有较好的防塌效果,有利于维持井壁稳定。同时,该体系钻井液在现场配制工艺简单,成本较低,当根据需要调整到合理的设计性能后,体系具有很好的流变性,钻井液性能稳定,维护简便,携砂能力好,有利于井眼清洁,具有广泛的应用前景。     

基于油基钻井液提高钻速的原理与方法

结合通用钻速方程和油基钻井液的特点,分析了油基钻井液对钻速正反两方面的影响,指出了影响机械钻速的主要因素是地层岩石特性,其次是井型和钻井液性能.提高机械钻速的主要途径包括钻头的合理选型、钻进技术参数的合理优化,以及钻井液配方与性能优化.通过调整钻井液配方与性能,使其能够有效清洁钻头、改变井底岩石的润湿性、大幅度提高钻井液的极压润滑性;向钻井液中加入中性润湿剂改变微裂隙表面润湿性;加入抗高温的油溶性高分子增黏提切剂代替有机土、氧化沥青等胶体颗粒,以便降低微米、亚微米颗粒含量,提高剪切稀释性和携岩效率,从而提高机械钻速.