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。     

泡沫钻水平井岩屑颗粒的运移规律研究

水平井岩屑大量堆积会引起摩阻和扭矩增加,还可能出现许多复杂问题,严重时会出现卡钻事故,甚至影响后续作业。为了研究大斜度及水平井中岩屑的输送规律,文章基于泡沫流体的特殊流变模型,建立了垂直/近垂直段、过渡段和大斜度/水平段岩屑输送的数学模型,并对岩屑床厚度随井斜角的分布特征以及不同泡沫流动参数对环空岩屑床厚度的影响规律进行分析。结果表明,井斜角、环空速度、泡沫质量、岩屑粒径和偏心度是影响环空岩屑传输的关键因素。环空中岩屑床的厚度随着井斜角的减小而减小;随泡沫流速、质量的增大而减小;随钻柱偏心度增大而增大。因此在现场作业中,在大斜度井段应降低钻柱偏心度,保证钻柱居中度,同时旋转钻柱、提高泡沫流速或增加泡沫质量来减小岩屑床的厚度,以便更好地改善井眼的清岩效果。     

大斜度井偏心环空钻柱旋转对岩屑运移的影响

在钻井过程中,当液流速度小于岩屑悬浮运移速度时,岩屑容易在大斜度井段沉降并形成岩屑床,导致钻柱卡钻、高摩阻和扭矩、低机械钻速等问题。建立大斜度偏心环空三维物理模型,采用结构网格划分环空流体域,用滑移网格模拟钻柱旋转。基于欧拉固液两相流模型和Realizable k-ε紊流模型,考虑钻井液对岩屑的举升力、岩屑加速产生的虚质量力以及固液间的动量交换,模拟了钻柱旋转条件下井斜角、岩屑注入浓度、钻井液速度和黏度对岩屑运移的影响。研究表明：钻柱旋转使得岩屑床床面沿旋转方向倾斜,沿井眼呈不对称分布状态,并能够显著减小环空岩屑浓度,其变化幅度受钻井液入口流速、井斜角、钻井液黏度和岩屑注入浓度的影响,但当转速达到某一临界值后,旋转作用效果将减弱。研究结果可为采取合理措施提高岩屑运移效率提供参考。     

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。     

水平段环空压耗与岩屑运移规律数值模拟

环空压耗是油气井控压与水力参数设计的基础,由于在水平段存在岩屑床、钻具偏心等特点,水平环空压耗的计算不能简单套用直井段压耗计算模式。采用流体力学软件CFD对环空固液两相流动进行数值模拟,建立水平段环空物理流动模型和数值模型,给出了水平段岩屑分布状态和压耗分布情况,分析了岩屑物性对环空压耗的影响规律,为现场准确计算环空压耗提供理论依据。     

泡沫质量和环空返速对泡沫携岩能力影响的数值模拟

尽管泡沫钻井具有较强的携岩能力,但在水平井钻井过程中,环空内依然存在岩屑传输困难的问题,有效降低或消除岩屑床是成功钻进的关键。根据质量守恒定律和动量守恒定理,运用计算流体力学软件FLUENT求解器,针对环空中泡沫和岩屑的混合流动过程进行了数值模拟,得到了偏心环空中不同泡沫质量和环空返速条件下岩屑床高度的变化规律,并与常规钻井液的携岩能力作了对比。研究结果表明:泡沫钻井液具有较强的携岩能力,在水平段所形成的岩屑床高度低于常规钻井液条件下的岩床高度,泡沫质量和环空返速对岩屑运移具有较大影响。     

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。     

带旋转管柱连续管钻井岩屑运移研究

针对连续管钻井过程中水平段岩屑运移困难、管柱摩阻大影响连续管钻井水平延伸能力的问题,提出了连续管水平段旋转管柱钻井系统,该系统由不旋转连续管和部分旋转管柱组成。建立了连续管水平段环空三维流体域模型,并进行数值计算,研究了管柱旋转速度、旋转管柱直径及管柱偏心度等参数对水平段环空流动及岩屑运移的影响。研究结果表明:水平段设置旋转管柱可使连续管钻井水平段环空流体产生旋转流动,岩屑分布均匀,环空压降减小;转速越大,岩屑切向速度也越大,旋转管柱直径增大能提高环空岩屑切向速度;在偏心状态下岩屑更容易在环空底部堆积,但管柱旋转不仅提高了旋转部分岩屑的切向速度,也提高了非旋转部分环空岩屑的切向运动能力;随着管柱旋转速度的增加,水平环空非旋转部分岩屑体积分数逐渐减小,提高了水平环空的清洁程度。研究结果可为合理设计连续管水平井段部分旋转管柱钻井系统提供理论依据。     

偏心环空层流螺旋流与同心环空层流螺旋流压降的比较

推导了幂律液体偏心环形空问堪流螺旋流的压降方程.介绍了由降方程计算幂律液体偏心环空间层流螺旋流的压降的方法并把由压降方程算得的偏心环空螺旋流的理论压降和同心螺旋的理论压降进行比较.     

改进的斜井和水平井IPR方程

油井的流入动态（ＩＰＲ） 曲线是描述油井产量和井底流压关系的曲线。目前常用的斜井和水平井的流入动态（ＩＰＲ） 方程是由Ｃｈｅｎｇ 在数值模拟研究的基础上按照Ｖｏｇｅｌ 型ＩＰＲ方程的形式回归而得到的。但是Ｃｈｅｎｇ型ＩＰＲ方程第一项系数ａ 只有在垂直井情况下才为１ ,导致其ＩＰＲ曲线两端不合理：当井底流压为零时,计算的产量并不等于油井的最大产量;当生产压差为零时,计算的采油指数不为零,这些显然与油井的实际情况不符。而Ｆｅｔｏｋｏｖｉｃｈ 型ＩＰＲ 方程则可避免这些错误。针对Ｃｈｅｎｇ 型ＩＰＲ方程的存在问题,给出了Ｆｅｔｋｏｖｉｃｈ 型斜井和水平井的ＩＰＲ方程,此类ＩＰＲ 方程在端点处更合理,应用更可靠。另外,还给出了井斜角与Ｆｅｔｋｏｖｉｃｈ型ＩＰＲ方程的指数ｎ 的关系。     

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.     

偏心环空中牛顿流体稳态波动压力近似解

波动压力的大小与环空见何形状密切相关。在建立同心环空波动压力的精确模式基础上,求解了偏心环空稳态波动压力的近似解。利用多元参数回归的方法,建立了求解偏心环空波动压力的经验模式。计算结果表明:随钻柱与井眼间偏心度增大,波动压力减小。全偏心情况下的波动压力大约只有同心情况下的一半。     

基于卡森流体的水平井波动压力预测新方法

针对水平井钻井过程中产生的波动压力问题提出了一种新的预测方法.以钻井流体力学理论为基础,阐述了水平井环空波动压力的流动物理模型,考虑管柱偏心对钻井液流动规律的影响,从一维稳定流动的基本方程和卡森模式的本构方程出发,引入卡森流体在水平井偏心环空轴向层流的流量模型,进而结合管柱在不同现场工况下的环空流量方程,使用mathematica软件进行数值模型的计算,最终建立了预测水平井各个井段波动压力的新模型.实例计算表明:该方法计算简单快捷,预测准确,对水平井钻井过程中的安全控制具有重要的指导意义.     

水平井和斜井井眼清洁技术研究进展及展望

水平井钻井技术的进步有利于开发常规和非常规油气储层,然而,与水平段岩屑清除相关的井筒的不稳定性和井眼清洁困难严重制约了钻井生产。井筒岩屑清除效率低下会导致摩阻和扭矩增加、管道卡住,严重时可导致井漏等钻井事故。首先,分别从井眼清洁机理和井眼清洁主要影响因素（钻井液流变性、钻具转速、井角、岩屑尺寸、钻井液密度和流速等）分析综述了水平井和斜井岩屑沉积的成因和适用于现场生产的技术参数。其次,针对水平井和斜井井眼清洁困难分别从国内外钻井液技术和井眼清洁工具两个方面阐述了岩屑清除方法与机理。最后,对水平井和斜井井眼清洁发展方向进行了展望,为未来井眼清洁技术提供了参考。     

关于水平井洗井问题的几点认识

根据理论研究成果和我国目前已完钻的部分大斜度井和水平井资料,从钻井液设计、环空返速设计、井身结构设计、加强综合钻井技术措施等4个方面,讨论了水平井洗井技术中的关键问题,并对一些新的洗井理论观点进行了阐述。     

玉门油田水平井固井技术

针对玉门油田水平井开发、多级压裂的作业特点,以建立长期有效的层间封隔为目标,通过开展固井材料、水泥环失效分析和固井工艺技术研究,开发了驱油前置液、增韧防窜水泥浆、水泥环完整性评价等固井技术。通过工艺配套和材料集成,形成玉门油田水平井开发固井技术。2015年以来,在玉门油田完成全部水平井固井应用7井次,固井一次合格率为100%,优质井4口。已投产的3口水平井,压裂后平均含水率在30%以下,比同区块的井位明显降低。该技术还在玉门油田小间隙固井推广使用8井次,固井优质率达到了75%。水平井固井技术取得了良好的应用效果,该项技术具有广阔的市场应用前景。      

水平井段内不同丰度天然气水合物固相颗粒的运移规律

在采用水平井对不同丰度天然气水合物(以下简称水合物)层进行钻进的过程中,含水合物的固相岩屑容易导致水平段固相颗粒沉积或黏附聚并,从而造成携岩不畅。为此,依据水平井多相流条件下的岩屑受力与运移规律及颗粒运移理论,建立了考虑水合物凝聚力条件下水平段岩屑滚动(正常钻进)和跃移(停泵沉砂)时钻井液临界返速模型并进行了数值模拟,分析了正常钻进和停泵条件下钻屑起动的影响因素和运移规律。结果表明:(1)起动临界流速随水合物丰度的增大而降低,该值在考虑水合物凝聚力条件下比不考虑该条件下要高,且水合物丰度越高水合物凝聚力的影响越明显;(2)水合物丰度小于85%时,起动临界流速随钻屑颗粒粒径的增大而增大,水合物丰度超过85%后,起动临界流速随钻屑颗粒粒径的增大而减小;(3)起动临界流速随钻井液密度、黏度的增大而减小;(4)相同条件下跃移所需临界返速约为滚动条件的1.28倍。结论认为,正常钻进条件下应考虑滚动模型,而停泵沉砂后再循环应考虑跃移模型的工艺思路,该成果对于优化水合物钻井施工参数以及降低钻井安全风险均具有重要意义。     

含疏砂槽结构的裸眼封隔器减阻效果实验

在裸眼水平井分段压裂过程中,裸眼封隔器下入裸眼水平井段时会与岩屑床接触,一方面下入的摩擦阻力逐渐增大,另一方面堆积在封隔器前方的岩屑容易引起砂卡且封隔器胶筒被岩屑磨损,有可能造成坐封性能下降甚至封隔失效。为此,设计并制作模拟实验装置,研究岩屑床对封隔器下入裸眼水平井段过程的影响,再根据实验现象对原有封隔器结构进行设计改进,设计了应用于裸眼封隔器的疏砂槽结构。实验结果表明:①在裸眼封隔器下入过程中,封隔器会被砂堆支撑起来,使其与上井壁接触,造成摩阻力的急剧增大进而发生砂卡,且封隔器所受摩擦阻力随下入位移和岩屑含量的增加而增大;②添加疏砂槽结构后,岩屑从疏砂槽流过,减少封隔器前端的岩屑堆积,减小封隔器通过井眼的摩擦阻力,从而减轻胶筒磨损;③改进封隔器模型的疏砂槽个数对疏砂减阻效果影响显著,该实验条件下疏砂槽个数为5时,疏砂效果为最好。结论认为,该研究成果为裸眼封隔器相关结构进一步优化提供了研究思路和室内实验依据。