深层页岩气水平井钻进中井筒-地层瞬态传热模型

目前深层页岩气井常用的旋转导向工具服役环境温度为135 ℃,准确预测深层页岩气水平井钻进中循环温度对延长井下测量工具使用寿命与有效延伸水平段长度非常重要。基于能量守恒原理,考虑井筒-地层各控制区域——钻柱内流体、钻柱壁、环空流体及近井壁地层在径向与轴向传热机理,建立了井筒-地层瞬态传热模型,应用全隐式有限差分法对数学模型求解,分析了各敏感因素对井筒温度的影响。研究表明:页岩气水平井流体循环初期环空流体温度高于原始地层温度;增加循环时间、流体比热容与密度、降低入口温度可以降低井底温度;排量过高引起摩阻生热,使得井筒温度非降反升;通过地面降温装置降低入口温度能抵消水平段延伸产生的热量,增加水平段钻进距离;结合Y101H26-1井数据,当入口温度为35、65 ℃,对应钻进井深分别为5 650、5 250 m时,不超过旋转导向工具服役环境温度,计算误差在3%以内。该研究成果可避免井筒降温技术应用的盲目性和低效性。     

高温下Al3Zr颗粒对Al-Cu-Li基合金的热变形行为以及加工图的影响(英文)

采用等温平面压缩试验研究Al3Zr颗粒在不同温度(400⁵00°C)以及应变速率(0.01¹0s^-1)条件下对Al-Cu-Li基合金热压缩行为以及加工图的影响。通过金相观察(OM)、电子背散射衍射(EBSD)以及透射电镜(TEM)系统地表征不同变形条件下合金的显微组织。结果表明,在软化过程中相对于动态再结晶,动态回复起主导作用。在低温条件下,亚稳态Al₃Zr颗粒能够有效抑制动态回复以及动态再结晶的长大。当温度达到500°C时,晶界附近的Al₃Zr颗粒发生熔解,随Zr元素在晶界快速扩散,Al₃Zr颗粒在晶界再次析出,并呈链状分布。这些链状分布的Al₃Zr颗粒在热变形过程中导致宏观裂纹,在加工图中形成不安全区域(490⁵00°C,0.01 s^-1)。     

合理的井底压差设计及应用效果分析

钻井施工中,合理的井底压差可以达到提速增效和保护储层的目的。为此,应用计算机仿真系统、岩石破碎学理论研究了不同压差下井底应力场分布及岩石变形状况。结果表明,与正压差相比,在负压差钻井条件下更利于井底岩石破碎,提高机械钻速。但井底压差不能无限制地降低,需要结合具体井位的地质和工程特征,在保证不发生溢流和井壁垮塌的前提下,将井底压差设计在一个合理的范围值内:在渗透性地层钻井时,静液柱压力小于地层孔隙压力时,地层流体将流入井筒,这时设计的最低液柱压力应略高于地层孔隙压力(约0.02MPa)。现场应用表明,井底压差在合理的范围内越小时,机械钻速越高。     

基于热管技术的钻井液地面降温系统研制

针对目前钻井液地面降温设备存在的过流通道狭窄、易腐蚀、换热效率低等问题,通过计算换热量及换热系数等,确定了热管参数和数量,设计并开发了一套钻井液地面降温系统,建立了一套井筒瞬态温度场数值模型,进行了模拟样机试制及冷却试验,并在顺北X井完成首次应用。应用结果表明：该系统可将钻井液循环入井温度降低30℃左右,井底循环温度降低5～8℃,可有效缓解井下仪器高温下失效问题;建立的井筒温度场瞬态分析数值模型可以有效地指导选井工作和分析工作;为降低经预测过高的井底循环温度,须在钻井设计时统筹考虑井身结构、钻具组合、循环排量等关键因素。所得结论可为现场选井以及应用效果分析等工作提供理论指导。     

提高深井机械钻速的有效方法

从研究深层岩石的物理特性出发,对不同钻井方式下（欠平衡钻井、气体钻井、控压钻井）的破岩机理和效率进行分析,在高压水射流、开发适应地层的破岩工具以及改进井下动力钻具等辅助破岩方面提出了相关见解。     

钻井全过程井筒-地层瞬态传热模型

井筒-地层温度是影响井筒压力控制、井壁稳定性预测、井下动力钻具与测量设备优选的关键因素之一。基于钻井液循环和停止循环期间井筒-地层各单元控制组件能量交换机理,建立了实际钻具组合与井身结构条件下循环和停止循环期间井筒-地层传热耦合数值模型。结合1口深井基础数据,分析了循环与停止循环期间井下温度分布规律。研究表明：套管下深长度对井筒温度影响较大,在套管段随着循环和停止循环时间增加,环空温度几乎不变,而在裸眼段随着循环时间增加环空温度降低,随着停止循环时间增加环空温度逐渐升高;循环期间钻井液对地层温度的扰动距离为2.8m,而停止循环期间扰动距离为4.6m。     

TC21钛合金绝热剪切带内微观组织与性能研究

本文采用分离式霍普金森压杆(Hopkinson Bar)装置系统,对TC21钛合金进行室温高应变速率(700~2100~(s-1))动态剪切试验,通过光学显微镜、显微硬度分析仪及扫描电镜研究了TC21钛合金绝热剪切带内微观组织与性能。结果表明:绝热剪切带宽度约为10μm,由过渡区域的变形组织和中间部位的细小等轴晶组成,剪切带内等轴晶粒表现为各向同性;剪切带内的显微硬度值高于基体组织,是由应变速率强化和应变强化与热软化相互作用的结果。     

固井注水泥浆顶替效率评估的新模型

提高固井注水泥浆顶替效率是保障水泥环密封性能的前提,已有的理论和实验室方法多集中于两相流(钻井液/隔离液、隔离液/水泥浆、钻井液/水泥浆)顶替模拟,而与实际工况下钻井液与隔离液先掺混、再被水泥浆顶替的动态过程特征相距甚远。为此,基于流体顶替过程中掺混与扩散机理,建立流体动态顶替过程数学模型,借助流动仿真软件探讨隔离液性能变化对顶替钻井液和被水泥浆顶替的内在演变机理,结合仿真数据,建立了水泥浆顶替效率评估的新计算模型。研究结果表明:①在顶替初期,低黏度、低密度隔离液体系与钻井液混浆严重,但有利于降低壁面钻井液黏滞力,清除滞留钻井液,进而改善水泥浆顶替效率;②高密度、低黏度隔离液虽然能快速清洗井筒钻井液,但也容易产生指进现象,进而导致水泥浆提前返出井口,容易被误认为顶替效率较好;③隔离液密度处于钻井液和水泥浆之间时,低黏度隔离液有助于清除壁面钻井液和被水泥浆顶替;④隔离液排量高于临界值时,顶替效果改善明显;⑤所建立的注水泥浆顶替效率评价新模型与数值仿真结果吻合度高,误差仅为4.6%。结论认为,该新模型有助于更好地认识与解释复杂流动机理,为改善注水泥井筒浆柱结构、浆体性能及提高顶替效率奠定了理论基础。     

库车山前固井质量风险评价研究

塔里木山前构造油气资源丰富,但其气藏埋深在7 000 m左右,应用油基钻井液可有效地解决盐膏岩、泥页岩层段钻进过程中井下复杂问题,但在此环境下油基钻井液影响了水泥石与井壁/套管的胶结能力。为此,以已施工井的相关数据为参考依据,分别从液固界面润湿反转能力、防漏条件下提高顶替效率的施工排量、固井井筒浆体性能匹配以及套管扶正器安放情况为研究对象,系统分析影响固井质量的主要因素。研究结果表明,在用隔离液中表面活性剂/水大于30%可实现胶结界面处于亲水状态、在未发生漏失条件下排量达到塞流流量以上均有助于提高顶替效率,每2个套管安放一个扶正器能确保套管居中度大于67%;综合分析表明,影响部分井固井质量不理想的主要原因是套管居中度差与部分井段井筒内的浆体匹配性差。基于本论文理论与现场相结合的针对性研究,为提高区域固井质量提供了切实可行的方法与依据。      

气体钻进过程地层液体侵入量计算及携液规律研究

气体钻井具有大幅提高钻速和单井产量、有效防止恶性井漏的技术优势,是深井提速、大规模低品位油气资源高效勘探开发的关键技术方法,然而一旦地层出液后,井筒内的岩屑与地层侵入液相互作用,可能造成井内泥包和井眼堵塞的井下复杂事故,常常导致钻井失败。文章基于随钻试井和井筒多相流理论,建立了气体钻井 过程中非均质圆形封闭地层瞬态产液理论模型,并提出了考虑液滴大小和液滴变形特征的气体携液能力计算方 法。通过室内实验台架模拟了气体钻井地层出水后的动态携液过程,表明理论携液量与实际携液量相符。结合现场气体钻井实例计算得出地层的产液量与地层物性、钻井参数等相关;增加注气量和降低气液两相界面张力能够有效地减小液滴尺寸,提高气体钻井的携液能力。