水平井段偏心环空中岩屑运移机理的研究

运用概率统计和实验的方法,对水平井段偏心环空中的岩屑运移进行了研究和分析,建立了岩屑运移的物理模型与力学分析模型。从微观上分析,岩屑颗粒承受重力、浮力、拖曳力与上举力,以及颗粒间离散力的作用。根据环空流体返速的不同,分别以接触质、跃移质、层移质和悬移质的形式运动。从宏观上分析,岩屑运移存在4种不同的流动物理模型:均称悬浮、非均称悬浮、移动床和固定床流动。研究表明,环空流体返速对岩屑运移影响最大,随返速增加,岩屑运移速度呈线性增大;旋转钻具有利于岩屑运移;随钻杆与井眼偏心度增大,岩屑运移困难。     

水平井岩屑床清除的室内模拟试验

水平井水平段环空易形成岩屑床。模拟水平井水平段岩屑床形成、发展及清除过程进行了室内试验研究。结果发现,调整钻井液特性及水力条件可以使岩屑运移并清除岩屑床,当环空返速高于临界返速时,转动钻具,延长洗井时间,也可以改善环空净化。     

冀东油田大斜度井及水平井岩屑床厚度分析

针对冀东油田在大斜度井及水平井钻井过程中岩屑颗粒易在井壁低边堆积形成岩屑床、造成井下复杂情况并影响后续作业这一问题,对井下环空岩屑床形成与否及厚度大小、影响钻井液携岩效果的主要因素如井斜角、钻井液环空返速及性能、钻杆偏心及旋转等问题进行了研究,建立了环空岩屑床厚度计算模式,并用该模式对冀东油田高104-5平56井进行了具体分析。分析表明:该井二开钻进时预测最小排量与实际排量接近,钻进过程比较安全;三开钻进时上部二开井段实际排量远低于预测最小排量,致使该段岩屑床厚度达到危险情况。建立的岩屑床厚度计算模式的计算结果与实际情况比较吻合,该模式的应用可为现场施工人员了解井下岩屑床厚度提供参考。     

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。     

应用蒙特卡络优化方法评价水平井岩屑床厚度

本文根据理论研究所得到的计算大斜度段及水平井段岩屑床厚度的经验模式，引用蒙特卡络非线性优化方法，对我国已完钻的７口水平井的资料进行了分析，并且提出了以２ｃｍ为大斜度段和水平井段钻进的岩屑床安全厚度，再考虑适当的附加值来设计第三洗井区的环空返速的方法。     

钻具旋转对泡沫钻井岩屑运移规律影响的研究

考虑了气体溶解度对泡沫状态方程的影响,建立了钻具旋转作用下的水平环空岩屑床厚度预测模型,用于预测不同钻具旋转速度、偏心度、泡沫质量和流速下的岩屑床厚度、岩屑浓度和摩擦压降;并利用数值模拟的方法,研究了钻具旋转作用下的岩屑运移规律。研究结果表明,钻具旋转使泡沫流体速度重新分布,有利于岩屑床的破坏,显著降低环空中岩屑浓度,大大改善井眼清洁状况。     

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。     

水平井携岩实验装置设计与改造

水平井钻井液携岩问题是一个古老而崭新的课题。随着钻井技术向"优质、快速、安全"方向的发展,这一问题越来越受到人们的重视。本文通过对水平井实验装置的研究及改造,对水平井的岩屑运移规律有了直观的了解。实验中,观察并测量了环空流体返速、流态、钻杆的旋转及偏心、岩屑尺寸形状及不同钻井液等因素对岩屑运移的影响。通过分析实验数据,得到对水平井携岩的影响因素。     

大斜度井环空压耗模式的应用及分析

本文根据两口水平井的实钻资料，对室内理论研究成果──大斜度段和水平井段环空压耗经验模式进行了验证性评价，并利用验证的数据分析了在大斜度段和水平井段钻进时，由于岩屑床的客观存在，岩屑床厚度与环空压耗的关系。     

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。     

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。     

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。     

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。      

长庆致密气田超长水平段钻井降摩减阻技术

为了保护生态环境,提高单井产量,长庆气田部署了多口水平段超过3 000 m的井。针对超长水平段井裸眼段长,存在井下摩阻大、扭矩大的问题,选取了S135钢级钻柱和清砂钻杆减阻工具,采用旋转导向井眼轨迹控制技术,优化了钻进参数:最佳钻井液环空返速为1.20~1.30 m/s、最低钻柱转速为60 r/min,选用氯化钾、石灰石和高性能润滑剂提高钻井液及其所形成滤饼的润滑性,控制钻井液有害固相含量,其动塑比提高至0.5 Pa/(mPa · s),最终形成了一套长庆致密气田超长水平段降摩减阻技术。将该技术应用于水平段长度为5 256 m的靖51-X井,其水平段平均全角变化率为0.74 (°)/30 m,钻井液固相含量最高为16%,完钻后最大起钻摩阻为380 kN,下钻最大摩阻为280 kN。实践表明在超长水平段应用该技术具有良好的降摩减阻效果。     

元坝气田超深水平井防漏型乳化酸解卡技术

元坝气田水平井在钻进长兴组地层时常发生卡钻事故,采用常规泡酸易井漏且无法解卡.为解决该问题,在深入分析卡钻原因的基础上,研究了超深水平井防漏型乳化酸解卡技术.其基本思路是:利用乳化酸的缓速原理使酸液返至卡点位置,配合使用惰性堵漏材料来减缓形成漏失通道后的漏失速度,增长酸液与基岩的反应时间从而达到解卡的目的.通过室内试验形成了一套防漏型乳化酸配方,试验表明,该乳化酸与长兴组岩屑以及滤饼的酸溶率能分别达到50%和40%;酸液中的堵漏材料能有效提高封堵效果,封堵率达到99%;同时,乳化酸具有较好的缓速酸性能,破乳温度可达到140 ℃.该乳化酸在YB205-1井长兴组地层压差卡钻中进行了试用,成功解决了卡钻问题.研究表明,防漏型乳化酸能解决高渗碳酸盐岩超深水平井中的压差卡钻问题.      

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。     

非直井气体钻井岩屑起动的临界流速

注气量作为气体钻井的关键参数,直接关系到现场钻井的成败。目前用于气体钻井的注气量计算方法均是基于垂直井眼得到的,对于水平井、大斜度井的情况并不适用,从而给气体钻井在水平井、大斜度井的应用造成很大困难。在分析岩屑颗粒运动方式的基拙上,假设岩屑颗粒沉积在下井壁,注入气体后对岩屑颗粒进行受力分析,得到不同井斜角情况下岩屑颗粒起动所需的临界流速模型。以此速度作为气体的最小流速,从而得到最小注气量。分析认为,在井斜角为60700的情况下,岩屑颗粒起动所需气体速度最大;大粒径岩屑对注气量要求很高,实际钻井过程中应采用适当方法减少大粒径岩屑的数量     

大位移井和水平井综合录井技术探讨

钻井工艺技术水平的提高，确保了大位移井和水平井钻探的成功率，却给常规的综合录井技术的应用带来了困难。为保障综合录井功能的发挥，针对大位移井和水平井钻井过程中对综合录井的影响，分别从岩屑录井、气测录井、荧光录井以及工程参数录井等几个方面分析了其影响因素及影响程度，在此基础上，探讨了消除这些不利影响因素的举措和具体实施方法，并根据工作实践，提出了在大位移井和水平井录井钻探中，确保发挥综合录井功能和提高资料采集质量的两点建议。对复杂疑难井综合录井技术方法研究和指导现场录井具有一定的参考意义。     

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。      

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。