大位移井井眼清洁监测技术在大港油田的应用

随着大位移井及复杂结构井钻井技术的不断发展,井眼清洁及监测技术面临着新的困难和挑战。如何监测复杂地质条件、复杂井型条件下的岩屑运移状况,预测岩屑成床时间,帮助判断、处理井下复杂情况是现场迫切需要解决的问题。基于环空岩屑运移规律及岩屑床成床机理,采用岩屑运移多层模型,根据岩屑对环空压耗的影响以及环空压耗与循环钻井液当量密度的转换关系,建立了适合工程中监测井眼清洁状况的ECD曲线。并应用该技术对大港油区ES-H6井进行分析和指导。实例分析表明,ECD曲线是衡量井眼清洁与否的重要标准,应控制ECD曲线在合理的范围之内。另外,ECD主要与环空载荷、环空返速、钻井液性能等因素有关,对钻井液性能以及钻杆钻速的合理控制有利于大位移井的井眼清洁。     

大位移井井眼清洁计算精度提升探索及实践

中海油利用e-Drilling软件进行井眼清洁实时模拟,该软件计算结果误差较大。为提高井眼清洁计算精度,开展井眼清洁计算新方法探索。通过环空岩屑颗粒悬浮所需临界流速、环空钻井液流动速度计算,将临界流速和钻井液流速进行对比,以此确定岩屑床的厚度,进而计算环空岩屑浓度及井筒ECD（当量循环密度）。利用新方法对A区域两口大位移井进行计算,并和e-Drilling软件计算结果以及实测ECD值进行对比,结果显示新方法计算精度提升明显。通过实际应用可以看出,该方法具有较高的技术价值。     

井眼清洁对长水平井井筒ECD影响分析

基于动态岩屑床模型，建立了考虑井眼清洁的长水平井井筒钻井液当量循环密度（ECD）计算方法，分析了机械钻速（ROP）和泵排量对岩屑分布的影响，以及岩屑堆积对井筒ECD的影响。结果表明，环空岩屑床厚度随着机械钻速的增大而增大，在环空返速不变的情况下，ECD会同步增大；增大泵排量能提高井眼清洁程度，井眼清洁程度较差时，小排量钻进也会导致环空ECD过大。     

大斜度井环空岩屑床厚度评价技术及其应用

大斜度井段和水平井段极易在钻井过程中形成岩屑床，为解决定向井井眼净化问题，在考虑钻杆旋转、钻井液性能和岩屑颗粒尺寸等多种因素的基础上，推导出了一套适合大斜度井、水平井的无岩屑沉降的环空临界返速模型。在此基础上，修正了环空岩屑床厚度评价模型。利用该模型对冀东柳103-平1井环空岩屑床厚度进行了评价。结果表明，该井在井斜角为66°左右时岩屑床厚度达到了最大，但没有达到发生复杂事故临界点。实践表明：该方法可为现场工程师在大斜度井段和水平井段水力参数的设计提供指导，能有效避免钻井复杂事故。     

“两速”对大斜度井井眼净化的影响

井眼净化,是大斜度井的关键技术之一。大斜度井中,岩屑床是制约井眼净化的关键性因素。影响井眼净化的因素除井眼几何特性、钻井液流变性、岩屑特征等外,钻柱转动速度和环空钻井液的返速也是影响岩屑床生成和清除的关键因素,同时这两个因素相互关联共同对井眼净化作出贡献。更重要的是这两个因素在钻进过程中可得到快速控制,具有立竿见影的效果,明确这"两速"对井眼净化的机理及合理控制这两个因素,对井眼净化具有重要意义。通过对钻柱转动和环空返速大小对岩屑运移和岩屑床的清除的机理分析,结合实践得出大斜度、大位移井中最佳钻柱转速和环空返速的经验值,便于施工中岩屑的有效携带,达到高效井眼净化的目的。     

本期导读

<正>大位移井钻井技术是一种高精尖的钻井工艺,是当今定向井、水平井技术的综合系统工程,可广泛地应用于滩海油田、海上油田和地面条件极其复杂的油气藏的勘探开发。其较长的水平段位移导致井筒低边易于形成岩屑沉积床。因此,确保井眼环空清洁是贯穿整个水平井钻井过程的关键问题。相恒富等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。模型对于确定大位移水平井井眼净化最小携     

QHD32-6-A26h大位移井井眼净化实时监测

根据大位移井中岩屑颗粒的受力分析结果，结合环空中固液两相流的流速分布规律，建立了岩屑滚动运移和悬浮运移时最小环空返速的计算模型，编制了井眼净化设计和实时监测软件，并应用于QHD32-6-A26h大位移井Ф311．1mm井段和Ф216．0mm井段井眼净化的设计和实时监测，给出了各井段滑动钻进和旋转钻进时的临界排量。井眼净化软件监测结果表明，Ф311．1mm井眼1550～2200m井段，井眼净化不好，通过调整钻井液性能，及时采取应对措施，避免了粘附卡钻事故的发生，提高了钻井效率。在Ф216．0mm井段施工过程中，由于实际返速一直大于临界返速，井眼净化状况良好。     

"两速"对大斜度井井眼净化的影响

井眼净化,是大斜度井的关键技术之一;大斜度井中,岩屑床是制约井眼净化的关键性因素。影响井眼净化的因素除井眼几何特性、钻井液流变性、岩屑特征等外,钻柱转动速度和环空钻井液的返速也是影响岩屑床生成和清除的关键因素,同时这两个因素相互关联共同对井眼净化作出贡献。更重要的是这两个因素在钻进过程中可得到快速控制,具有立竿见影的效果,明确这“两速”对井眼净化的机理及合理控制这两个因素,对井眼净化具有重要意义。文章通过对钻柱转动和环空返速大小对岩屑运移和岩屑床的清除的机理分析,结合实践得出大斜度、大位移井中最佳钻柱转速和环空返速的经验值,便于施工中岩屑的有效携带,达到高效井眼净化的目的。     

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。     

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。      

基于聚类分析法的斜井岩屑运移经验-半经验模型优选

斜井钻井过程中,岩屑得不到及时有效运移会造成严重的井下事故。及时了解井眼清洁状况,对于钻进参数的调整具有重要意义。相对于理论模型,利用岩屑运移经验-半经验模型预测井眼清洁状况的方法方便快捷,但对于同一作业条件,不同模型的计算结果相差很大,为此提出了一种基于聚类分析法的斜井岩屑运移经验-半经验模型优选方法。首先通过文献调研,确定影响岩屑运移的8个主要因素,同时建立斜井岩屑运移经验-半经验模型数据库,模型库中的各模型分别作为一个样本,8个主要影响因素作为样本指标;然后通过计算、比较实际作业条件样本与各模型样本之间的距离,对计算结果进行从小到大排序,得到优选结果;最后通过实例计算,验证了该优选方法的可靠性。     

基于音频信号的气体钻井返出岩屑量监测方法研究

为了监测钻井过程中的井壁坍塌、井底岩爆等井下工况信息,进行了基于音频信号的气体钻井返出岩屑量监测方法研究。该方法利用音频采集系统采集返出岩屑在排砂管中运移所产生的音频信号,根据短时能量确定声音段的起止点并计算特征参数,建立声音的特征参数库,再利用神经网络算法排除干扰声音,然后分析排砂管内不同大小岩屑的声音特征,利用动态时间弯折算法识别岩屑的大小,计算岩屑流量,进而判断气体钻井携岩状态及井下工况。双探7井现场试验结果表明,该方法对干扰声音的分类成功率达到96.8%,对不同粒径岩屑的识别率达到85.0%。研究结果表明,基于音频信号的气体钻井返出岩屑量监测方法可以监测返出岩屑流量变化情况,有效判断气体钻井的井下工况,从而降低气体钻井作业风险。      

钻杆旋转影响大斜度井段岩屑分布的数值模拟

为了研究钻杆旋转对复杂结构井大斜度井段环空岩屑分布状态的影响规律和钻井液-岩屑两相流动压降的变化规律,应用三维建模软件建立了复杂结构井大斜度井段物理模型,应用CFD动网格运动模型模拟钻杆在环空的旋转效果,流动域内采用Realizable涡黏模型近似求解钻井液-岩屑两相纳维-斯托克斯方程。模拟结果显示,钻杆旋转作用使岩屑沿井眼周向呈非对称状分布,钻杆旋转能够提高钻井液对岩屑沿切向的拖曳程度,显著提高了井眼清洁效果。根据CFD数值模拟结果,应用最小二乘法,结合Buckingham-π定理,建立了岩屑床比面积模型和环空压降计算模型。     

深井欠平衡环空岩屑对井底压力影响的研究

大庆油田在长垣东部利用深井欠平衡钻井技术进行深层气勘探，取得了较好的勘探效果，及时发现和保护了气层，但许多欠平衡井都是在接单根后效才能点火成功，表明在钻进过程中井底未能达到欠平衡状态。通过对井底压力影响因素和深层欠平衡钻井情况的分析，提出了环空岩屑影响井底压力的计算方法并编制计算软件，计算表明实际钻井过程中环空岩屑对井底压力的影响很大，在5000 m左右的深井低密度欠平衡钻井中，环空岩屑影响井底压力高达3~4 MPa，甚至更高，比大庆油田深井欠平衡钻井动负压值控制范围0~2 MPa要高很多，造成井底过平衡，影响勘探效果，对储层产生伤害。因此，在深井欠平衡钻井设计以及现场施工中应充分考虑环空岩屑对井底压力的影响，以提高欠平衡钻井井下负压控制水平。     

连续油管钻水平井岩屑运移规律数值模拟

连续油管钻水平井过程中,井底岩屑在重力作用下容易沉积在井壁下侧,形成岩屑床;连续油管又受到排量小、钻柱无法旋转等因素限制,造成井眼净化效率较低。针对这一问题,在欧拉坐标系下考虑相间滑移速度和颗粒流的影响,建立了微小井眼水平井岩屑运移的混合物漂移模型,采用Realize κ-ε湍流模式及SIMPLEC算法进行数值计算,研究了钻井液排量、环空偏心度、岩屑直径、井斜角和钻井液黏度等参数对偏心环空岩屑运移的影响,得到了各种条件下环空岩屑速度和浓度的分布规律。研究表明:随着钻井液排量增大、环空偏心度减小、岩屑直径减小、井斜角减小及钻井液黏度提高,连续油管水平井岩屑运移效率提高。      

松驰测量法评价钻井液携岩性能

目前,钻井液的悬浮能力是利用旋转粘度计测得的塑性粘度、动切力和静切力来评价.但在实践中发现,这些测试方法有时不能准确预测钻井液的井眼净化和悬浮特性.例如,羟乙基纤维素溶液比纯黄原胶溶液具有高得多的动切力和3 r/min读值,但并不能提供足够的悬浮岩屑粘度,而纯黄原胶溶液却能将岩屑悬浮相当长的时间.因此提出使用松驰测量法来评价钻井液携岩性能,即在用范氏或Brookfield粘度计进行标准粘度测量之后进行,即继最后一次粘度测量,最好是5.11 s-1或更低剪切速率下,关掉仪器电机,尔后当立轴或悬锤试图返回到零时监测指示器的刻度盘或显示器,若钻井液具有持久松弛时间,则该钻井液具有较好的井眼净化性能和悬浮性能.现场试验表明这种方法是有效的.     

C2133侧钻小井眼水平井钻井液技术

针对彩南油田西山窑组储层裂缝发育，产量大幅度递减、含水量上升较快、注采矛盾突出等问题，在C2133井侧钻，以增加泄油面积。该井侧钻点井深为2120m，采用聚磺暂堵钻井液，在不同井段采取了不同的钻井液技术措施。即：在套管开窗井段，提高钻井液悬浮携屑能力，保证铁屑及时返出地面；磨铣时，钻井液密谋为1.10g/cm^3或略增高，以保持侧钻地层井壁稳定。造斜井段，提高钻井液的抑制能力，防止岩屑床的形成；加入SMP－1、KT－100和QCX－1改善泥饼质量，降低滤失量；加入足量的KWR和RH101降低摩阻，控制固相含量。水平井段，在钻井液中加入1.5FB-2、2％QCX－1、1％WC－1，保持磺化沥青含量为3％－5％，使钻井液具有较强的抑制性、稳定性和良好流变性，现场应用表明，聚磺暂堵钻井液保证了C2133侧钻小井眼水平井不同井段的钻井施工，钻进过程中井壁稳定，未发生井下复杂事故。该井前期日产油量约25t，比邻井产量高3－5倍，收到了明显的经济效果。     

Investigations into the coiled tubing partial underbalanced drilling (CT-PUBD) technique for drilling hard formations

To improve the rate of penetration (ROP) in drilling deep and hard formations, this paper proposes a new drilling method called coiled tubing partial underbalanced drilling (CT-PUBD). As a preliminary investigation into the new drilling method, this paper presents predictions of hole cleaning efficiency, drilling speed, cuttings migration and pressure loss in the drilling process with CT-PUBD. Based on numerical simulation and full-scale experimental studies, we conclude that using CT-PUBD, an underbalanced drilling condition can be achieved near the bit while maintaining wellbore safety at the same time. This condition can be achieved using a cuttings discharge device, a rotary packer and a backflow controller. According to the numerical simulations performed in this study, CT-PUBD can achieve high efficiency of hole cleaning. Along the cuttings migration process, the fluid velocities can reach the maximum values in the backflow holes. A full-scale laboratory experimental system was used to test the hydraulic characteristics and obtain the drilling performance of the new technology. The result shows that CT-PUBD significantly improves the ROP compared to the conventional drilling method.     

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。