水平井PDC钻头井下颗粒流数值模拟研究

针对深层页岩气水平井钻探过程中,岩屑运移效率低导致钻头泥包的问题,采用CFDDEM耦合方法,对水平井PDC钻头井底流场进行数值模拟。研究了不同条件下井底流场岩屑运移情况,提出用岩屑滞留量和岩屑运移比来评价PDC钻头井底流场的携岩性能。研究结果表明:在井底PDC钻头区域,钻井液排量越小,岩屑在钻头心部区域的窜流越明显;钻井液的窜流与流量大小无关,主要与钻头水力结构有关;在环空区域,钻井液排量越小,重力作用越明显,重力是井底出现岩屑床的主要因素;旋转体力可使岩屑从低速流层跃迁到高速流层,从而获取轴向运移动能,随高速钻井液排向出口;钻井液排量和旋转均会影响岩屑滞留量和岩屑运移比。研究结果可为后续水平井PDC钻头携岩问题研究提供参考。     

用正交法研究环空岩屑输送

水平井段的岩屑输送问题是整个水平井钻井的技术关键之一,文中首次把正交法引入环空携岩实验,并对水平井水平井段的岩屑输送问题进行了全面的研究,给出了实验数据的方差分析结果,确定了影响携岩效果的主要因素与次要因素;分析了各因素间交互作用对携岩效果的影响趋势。证明了用正交法研究岩屑输送问题不但简单可行。而且在实验中节省人力、物力。根据实验结果,将为现场施工提供更具有参者价值的生产措施。     

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。     

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。     

欠平衡钻水平井岩屑运移可视化实验

随着我国薄层低压油气藏的开发需求,充气欠平衡钻水平井技术成为国内外钻井界关注的热点,井眼净化不畅造成钻具摩阻扭矩的增大严重制约着水平井眼的延伸能力,气液固复杂多相流动,特别是认识固相运移规律是欠平衡条件下岩屑运移的核心内容。为此,在分析水平井与直井多相流条件下的岩屑受力与运移规律异同的基础上,根据气液固流动机理以及大平面沙丘颗粒运移理论,利用大型多相流实验台架开展了水平井段岩屑运移可视化实验,研究岩屑受力、运移形式及动态运移规律,获得了井眼净化注液量、注气量、液体流速、岩屑浓度等数据,进而对比找到了模拟携岩临界速度与实测携岩临界速度的误差,用实测速度修正了水平井井筒携岩临界速度预测数学模型,研究出了能够满足现场施工设计需要的钻进和循环工况的携岩速度模型和岩屑动态运移规律,对于优化钻井施工参数以及降低钻井安全风险均有重要意义。     

环保可降解携砂技术破解深井／水平井携岩清砂难题

在大斜度井、水平井以及深井小井眼钻井过程中,钻井液难以高效携岩实现井眼清洁,会引起摩阻、扭矩增大,存在卡钻风险;岩屑被钻具反复研磨,导致钻井液劣质固相含量增加,影响流变性能。而常规重稠浆举砂清砂效率低,影响钻井液性能。随着水平井段长度延长,井眼清洁问题已成为制约长水平井勘探开发的瓶颈技术之一。亟需开展攻关。 1 . 创新研发 针对钻井液携岩困难的技术难题,创新研发钻井液环保可降解携砂剂并形成配套技术。环保可降解携砂剂可无害化降解,EC50≥ 30 000 mg /L;120 ℃下降解率达 90% 以上;对原钻井液性能参数影响小于 5% ; 浓度 0. 2% 携砂剂可使岩屑沉降速率降低 80% 以上,有效阻滞了岩屑沉降。     

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。     

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。      

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.     

钻柱中分流器的工作原理及水力分析

为解决钻井中尾管上部大井筒的低返速携岩问题,提出了在钻杆中安装分流器来提高携岩能力的设想,并初步设计了钻杆分流器的结构。建立了分流器的串联局部压力模型,推导出分流器开口面积的一元二次方程,优化了分流器的最佳携岩位置,并对其进行编程计算。结果表明:影响分流器开口直径的本质因素是分流量及压力差;随着喷嘴排量减小、密度减小、尾管段环空内径增大及安装井深增大,开口直径均减小;分流器的最优携岩位置主要受岩屑末速度的影响,岩屑末速度主要取决于岩屑粒径、钻井液密度、钻井液粘性系数及钻井液流速等因素。     

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。     

泥浆性能影响环空岩屑运移的实验研究

在文献调研的基础上,对泥浆性能影响环空岩屑运移进行了实验研究。讨论了动塑比、表观粘度、塑性粘度、有效粘度、泥浆密度等因素对无因次岩屑床面积的影响。结果表明:层流下泥浆携岩能力随动塑比升高而增加,紊流时泥浆动塑比值与携岩能力关系不大;提出了一种极限粘度的概念,低于极限粘度时,泥浆携岩能力随粘度升高而降低,高于极限粘度时,两者关系相反;泥浆密度增加可使环空岩屑床面积大大降低。低粘紊流是清洗大斜度井与水平井的最佳措施。     

玛131示范区水平井井眼清洁技术研究

玛131示范区开发过程中,在大斜度井段和水平井段易出现井眼清洁问题,造成卡钻等事故,从而影响机械钻速和井下安全,制约玛131示范区优快钻井提速发展。文中分别从水平井岩屑运移规律及影响因素、不同井段岩屑清除机理、转速和排量对岩屑运移的影响规律等方面开展研究,形成一套高效井眼清洁技术,得到钻井液6转读数、钻井过程中和起钻前循环洗井的转速是确保井筒有效清洁的两个最关键因素。示范区实施过程中重点关注钻井液6转读数、转速和施工排量,大幅减少短程起下钻和通井技术措施,井眼清洁状况良好。通过开展携岩性能评价形成了玛131井区水平井井眼清洁关键参数模板,为推动玛湖地区整体开发进程奠定基础。     

超临界二氧化碳在水平井钻井中的携岩规律研究

为弄清以超临界二氧化碳为钻井流体钻进水平井时的携岩机理,基于DPM模型,采用数值模拟方法对用超临界二氧化碳钻进水平井时的携岩规律进行了分析。数值模拟结果显示:水平井段环空中岩屑颗粒是分层移动的,随着岩屑向出口运移,岩屑会逐渐向水平井段下部沉降;随着排量和压力的增大、环空间隙的减小,超临界二氧化碳的携岩性能逐渐增强;而随着环空温度升高和岩屑粒径的增大,其携岩性能逐渐减弱。研究结果可为应用超临界二氧化碳钻进的水平井钻井设计提供参考。      

塔北地区水平井钻井液技术

塔北地区水平井上部大井眼采用聚合物钻井液体系、下部井段采用聚磺钻井液体系、造斜段及水平段采用聚磺混油钻井液体系。现场应用结果表明,聚合物钻井液体系解决了大井眼携岩问题;聚磺钻井液体系抑制能力、防塌能力、携岩能力强;聚磺混油钻井液体系的携带、悬浮岩屑能力及润滑性更好。这几种钻井液体系满足了钻井工程需要,避免了井下复杂情况的发生。     

倾斜井筒岩屑运移实验研究评述

石油钻井作业中井筒岩屑运移影响钻井花费、时间及成井质量。随着定向井、水平井及大位移井等复杂结构井的广泛应用,倾斜及水平段井筒岩屑运移问题已经成为钻井作业中亟待解决的问题。钻井过程中井眼清洁不充分易引起一系列问题,例如卡管柱、高扭矩和摩阻压耗等。笔者对岩屑运移实验研究进行综述,介绍了岩屑运移实验研究目的、影响因素分类和实验观察流型,总结了实验中主要研究因素对岩屑运移的影响规律。在此 基础上总结目前实验尚未完善之处,提出了下步实验的研究趋势。     

侧钻井钻井液携屑能力试验研究

利用全尺寸携屑模拟实验装置进行了携屑试验,得到了侧钻水平井井眼内岩屑的运移规律,指出了环空岩屑成床的临界环空返速为0.85~1.2 m/s,形成岩屑床的临界井斜角为40°~60°。提出了衡量钻井液携屑能力的参数及指标,评判出钻井液携屑能力的参数临界值为1.5。推荐了现场施工的环空返速范围为1.2~2.0 m/s,钻井液性能参数设计应满足携屑能力参数≥ 1.5为宜。大庆油田的施工实践,证明了文中结果的正确性。     

留西地区深水平井高密度防塌钻井液技术

留西地区地层结构复杂，在钻井施工过程中井塌现象严重，特别是钻井液密度高、水平段埋藏较深，对水平井钻井液技术提出了很高的要求。通过室内实验，确定采用聚磺硅氟高密度防塌钻井液。该钻井液具有流变性好、携岩能力强、泥饼质量好、润滑性好、封堵效果好等特点，解决了井壁严重失稳、高密度钻井液润滑防卡、岩屑携带等一系列技术难题，满足了华北油田冀中地区水平井施工的要求。     

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。     

钻井过程中岩屑运移模型研究进展

随着斜井和水平井数量的不断增加，井眼清洁已成为钻井的关键技术和难题之一。在过去的60多年里，人们对钻井过程中的岩屑运移问题进行了大量的实验和理论研究，对这一课题有了较多的认识，建立了一些模型，为实际钻井过程中水力参数设计提供了有效的依据。本文对描述岩屑运移规律的经验模型和分层理论模型进行了系统的总结，并专门对泡沫携岩模型进行了总结，在此基础上对岩屑运移模型的发展进行展望，最后给出了研究建议，为今后深入开展岩屑运移研究提供参考。