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。     

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。      

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...     

钻柱偏心旋转对环空摩阻压降影响的数值模拟研究

准确预测钻柱偏心旋转工况下的环空摩阻压降是复杂结构井控压钻井的重要理论基础,但常规钻井液环空摩阻压降计算方法无法直接计算复杂结构井的环空摩阻压降。为此,应用数值模拟方法,分析了偏心度（0～67.42%）和钻柱转速(0～114.65 r/min)对典型环空（Ф127.0 mm钻杆和Ф215.9 mm井眼）中摩阻压降梯度的影响。分析结果表明：偏心度小于45.00%时,转速和偏心度对摩阻压降梯度影响较弱,摩阻压降梯度随转速增大略有降低,随偏心度增大而增大;偏心度大于45.00%时,低转速（<60 r/min）下摩阻压降梯度随偏心度增大而降低,高转速（≥60 r/min）下摩阻压降梯度随偏心度增大而略有增大。基于数值模拟结果,建立了偏心度分类的无因次偏心环空摩阻压降梯度预测模型,计算了南海某水平井Ф215.9 mm井段的ECD,并与PWD测试结果进行了对比,平均相对误差为0.45%,表明该模型具有较好的准确性。研究结果表明,无因次偏心旋转环空摩阻压降计算模型可以精细描述环空压力场和准确计算ECD,为控压钻井水力参数优化提供指导。     

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井眼净化,是大位移钻井的关键技术之一;大位移井中,岩屑床是制约井肯净化的关键蝇水力、钻井液流变参数外,钻柱的旋转作用是清除岩屑床的一个重要因素。通过对钻柱旋转作用下的人流场的研究和分析,揭示了钻柱旋转对清除岩屑床力学机理,即旋转作用使呈现波动形式,产生了有利于清除岩屑的循环力和陀螺力。波动的压力使岩屑床趋于非稳定,而循环力和陀螺力则对岩屑床产生搅动和支承作用,便于环空上返流速对岩屑的携带。并以国内     

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。     

Using foam in horizontal well drilling: A cuttings transport modeling approach

Foam is a frequently used compressible fluid in drilling applications. Cuttings transport with foam has been a focus of interest for years. Few studies have been conducted on vertical well configuration and successfully applied. However, less is known about the performance of foam in highly inclined and horizontal wells. In this study, a layered model is developed for describing cuttings transport in horizontal wells. Due to the presence of a cuttings bed, generalized rheological model parameters for foam are modified analytically as a function of fluid properties and complex conduit geometry. Using these parameters, friction between the fluid and the wellbore, between the layers and slip between the cuttings and the fluid are determined. Model performance is examined using experimental data established at The University of Tulsa's low pressure-ambient temperature flow loop. Results showed that, developed model can predict developed cuttings bed thickness and pressure loss in the wellbore with an error of less than 20%. It has been observed that very high foam flow velocities are required in order to prevent a thick bed development in the wellbore. Also, low-viscosity fluids show better performance on preventing bed development inside the wellbore than high-viscosity fluids at the same flow rates.     

椭圆井眼同心环空赫巴流体流动规律研究及压降计算简化模型

因岩石和地应力的非均匀性易形成椭圆井眼,导致现有规则圆形井眼环空流动模型存在较大误差.为明确椭圆井眼同心环空赫巴流体流动规律,建立了解析模型和Fluent仿真模型,分析椭圆井眼对环空流速和压降梯度的影响规律;通过修正水力直径和引入有效黏度的方法建立了椭圆井眼同心环空压降计算简化模型,实现流动压降的准确快速预测,并利用解...     

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。     

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。     

水平井筒分层流型压降计算模型研究

井筒流动是一种沿井筒不断有流体流入的变质量流体流动 ,因此其压降计算有别于常规管流。在混合损失计算模型的基础上 ,应用动量守恒原理推导出了新的水平井筒气液两相分层流型压降计算模型。该模型较全面地考虑了井筒流动各方面的参数 ,将井筒压力损失划分为摩擦损失、加速损失、重力损失和混合损失等 4部分 ,其中加速损失主要源于径向流入引起的加速损失 ,以及由于持液率的变化引起气、液流速变化而导致的加速损失。计算实例表明 ,水平井筒气液两相流动中的井筒压降均随着管壁入流量和轴向流量的增加而增大 ;入流角对井筒压降的影响主要表现为混合损失占井筒损失的比例随入流角的增加而增加 ;新的水平井筒压降模型与油藏渗流相耦合 ,可为水平井产能研究提供理论指导。     

地面驱动螺杆泵泵送油水乳化液时的摩阻研究

对地面驱动螺杆泵泵送油水乳化液时的摩阻特性进行了全面的研究。通过测量摩擦压降研究了油包水与水包油乳化液之间的相转变现象,分析了不同含水率下抽油杆转速对油包水乳化液及水包油乳化液流动摩擦压降的影响。实验和分析表明,当含水率为0.41~0.43时,水包油乳化液将向油包水乳化液转换;抽油杆的旋转效应在水包油乳化液时对摩擦压降的影响要大于油包水乳化液。通过实验数据处理,获得了不同流型下抽油杆旋转时环型管道内幂律型油水乳化液流动摩擦阻力的实验关系式。这些研究结果对地面驱动螺杆泵的设计及应用有一定参考价值。     

A homogeneous model for gas–liquid flow in horizontal wells

Radial influx or outflux stands for the major difference between fluid flow in a pipe and fluid flow in a well. A homogeneous model for gas–liquid flow in a horizontal well is presented in this paper. In addition to frictional and gravitational components of total pressure drop, accelerational pressure drops due to fluid expansion and radial influx or outflux are considered. Effect of radial influx or outflux on wall friction is also taken account for. With a segmented approach, the new model and several existing pipe flow models have been applied to predict pressure drop along a wellbore, and predictions are compared with experimental data. It is found that the new homogeneous model outperforms existing models for gas–liquid flow in horizontal wells.     

考虑钻具屈曲的环空流动仿真研究

在小井眼定向井和水平井钻井过程中,钻具屈曲会对环空流场、压力场产生较大影响。文中借助流体动力学计算软件ANSYS FLUENT开展了考虑钻具正弦、螺旋屈曲的环空流动仿真模拟,系统地研究了不同环空偏心距、不同转速等因素对环空流场和流动压降的影响规律。研究发现:同心环空中,流体流速沿径向对称分布,偏心、屈曲环空中偏离对称分布;环空间隙越大,环空流速就越大;当考虑钻柱旋转时,钻柱旋转对环空窄间隙处流速的影响比对环空宽间隙处的影响要大,可明显提高环空窄间隙处的流速;同心环空、偏心环空压降值沿井深呈线性增加,偏心度越大,压降越小;屈曲环空压降值沿井深呈非线性增加,转速越大,压降越小。仿真结果与实验结果相比,具有较高的准确性,对真实钻井条件下环空压降的计算具有一定的指导意义。     

波动注入压裂下井筒中不稳定流动的压力特性

为了准确地揭示波动注入水力压裂引起的井筒中不稳定流动的压力行为,考虑流体重力和摩阻的影响,根据膨胀管-弹性流体理论,建立了波动注入水力压裂下垂直井筒中不稳定流动的压力波动数学模型,指出压裂泵组与井筒之间存在波动干涉效应,研究了稳定和不稳定流动下环空压力的变化规律及其影响因素。研究结果表明:波动注入水力压裂作业中,井筒中产生了明显的不稳定流动,这种不稳定流动引起的压力波沿井筒呈现压力衰减现象;井筒中实际环空波动压力的振幅取决于井口处"变频压裂泵"强迫激励的波动压力振幅和波动排量振幅;与稳定注入相比,采用波动注入方式可以增加井底环空压力和降低井口环空最高压裂作业压力;井底环空压力会以脉动压力波的形式在裂缝中传播,不断加剧岩石疲劳损伤断裂,增加岩石微裂缝。研究结果对于更好地研究和应用波动注入水力压裂工艺具有重要的理论价值和现实意义,可为非稳态水力压裂工艺的先导性试验和规模化应用奠定理论基础。     

水平井筒气水流动规律及影响因素

由于流动方向变化及壁面流体的不断径向入流，水平井筒的气水流动规律与常规直井存在较大差异。在总结前人研究结果的基础上，优选水平井筒气液两相预测模型，并在验证模型可靠的情况下，考虑管壁入流和气液流型变化，改变气量、水量、管径、倾角、轨迹波动、气水入流位置等多个影响因素，对水平段流型、压力分布规律及影响因素进行综合预测分析，为水平气井的生产管理及后期措施优化提供依据。研究结果表明，一般生产条件下水平井筒存在分层流、间歇流和环雾流3种流型，管径和倾角对水平井筒的气、水流型影响最为明显，管壁入流对入流就地井筒流态的影响较小。水平井筒压力损失与气量、水量、轨迹上倾角及轨迹波动起伏程度呈正相关性，而与管径和下倾角呈负相关性。预测范围内，气量、轨迹上倾和管径对水平井筒压力损失的影响最为明显，是水平井筒压降的关键影响因素。随着轨迹上倾角增加，水平井筒压降随气量的变化规律发生明显反转，低气量条件下水平井筒压降随气量的减小而增加，高气量下压降随气量增加而增加。     

不同偏心度的环空涡动流场特性

为了深入研究环空涡动时的流场特性,根据流体力学理论,以连续性方程和N-S 方程为控制方程,利用计算流体力学技术对钻柱涡动时环空赫巴流体的流动进行了系统的数值模拟,研究了不同公转方向下钻柱偏心度的变化对环空切向速度剖面与合速度剖面的影响。通过对模拟数据的对比分析,发现不同公转方向下环空流场分布截然不同,正向公转时切向速度在环空宽间隙处随着公转速度、自转速度和偏心度增大正向增大;反向公转时会出现二次流,切向速度在环空宽间隙处随偏心度的减小整体反向减小,同时二次流趋势越明显,摩阻压耗越大。合理应用这些规律有助于完善现有钻井水力学理论,更好地揭示井下环空流场特性,并为钻井水力参数优化设计提供有效的理论指导。     

岩屑床破坏器清岩效果评价与结构优化设计

在大位移井、长水平井钻进过程中,破碎的岩屑容易在井筒环空低边堆积形成岩屑床,易导致钻杆屈曲、钻具摩阻和扭矩增大、当量循环密度异常甚至出现卡钻事故。岩屑床破坏器可有效搅动沉积的岩屑床,提高井眼清洁效果。以岩屑床破坏器为研究对象,开展了清岩效果定量评价与结构优化设计研究。通过计算流体动力学揭示了岩屑床破坏器的清岩机理,建立了一套岩屑床破坏器清岩效果评估方法,并利用该方法对3种典型岩屑床破坏器的清岩效果进行了量化评估,确定了清岩效果最优的叶片结构,分析了该叶片结构参数对清岩效果的影响规律,进而优化了结构参数。研究表明:在3种类型叶片结构中,反螺旋形叶片岩屑床破坏器清岩效果最佳,通过增加螺旋角度和优选叶片数目可明显提高其清岩效果。该研究为岩屑床破坏器的结构优化设计提供了理论基础。     

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。     

Sensitivity Analysis of Major Drilling Parameters on Cuttings Transport during Drilling Highly-inclined Wells

Abstract

In this study, a layered cuttings transport model is developed for high-angle and horizontal wells, which can be used for incompressible non-Newtonian fluids as well as compressible non-Newtonian fluids (i.e., foams). The effects of major drilling parameters, such as flow rate, rate of penetration, fluid density, viscosity, gas ratio, cuttings size, cuttings density, wellbore inclination and eccentricity of the drillsting on cuttings transport efficiency are analyzed. The major findings from this study are, the dominating parameter on wellbore cleaning is the flow rate, and, as the viscosity of the fluid is increased, the thickness of the cuttings bed developed in the wellbore is significantly increasing. Also, cuttings properties, fluid density, wellbore inclination and eccentricity have some influence on cuttings transport.