油气钻井岩屑沉降阻力计算模型

油气钻井过程中,破碎的岩屑在井筒钻井液中存在着自由沉降的现象,为了防止和避免岩屑沉积造成沉砂卡钻等井下安全事故,需要研究岩屑颗粒的沉降规律、预测岩屑沉降的末速度。为此,基于Stokes定律和Newton-Rittinger模型,提出了黏性阻力占比系数与压差阻力占比系数的概念,应用最小二乘法对实验数据回归得到阻力占比系数方程,分别推导出岩屑颗粒在牛顿流体与幂律流体中沉降时非斯托克斯区域的阻力计算模型,并通过该模型依据沉积实验数据对岩屑颗粒的沉降末速度进行计算和分析。研究结果表明:(1)岩屑颗粒在幂律流体中沉降时,所受到的黏性阻力和压差阻力不仅与颗粒雷诺数相关,而且还与流性指数及稠度系数相关;(2)岩屑颗粒在牛顿流体中沉降,当颗粒雷诺数小于2.944 6时黏性阻力大于压差阻力,当颗粒雷诺数大于2.944 6时压差阻力大于黏性阻力;(3)颗粒雷诺数小于1.11时岩屑沉降主要考虑黏性阻力,颗粒雷诺数介于1.11~500时岩屑沉降受到黏性阻力与压差阻力的共同作用,颗粒雷诺数大于500时压差阻力在岩屑沉降中占主导作用。结论认为,借助于该计算模型,当钻井液为牛顿流体时,可以预测颗粒雷诺数介于0~105的岩屑沉降末速度;当钻井液为幂律流体时,可以预测颗粒雷诺数介于0~105、流性指数介于0.062 3~1的岩屑沉降末速度;上述范围能够满足钻井工程中对于岩屑沉降速度进行预测的需求。     

控压钻井楔形节流阀节流压降规律研究

指出了流体通过阀门最小过流面积的位置并计算了最小面积,推导得到了阀芯行程与阀门两端节流压降的解析关系式。结合钻井现场数据具体计算,分析得到了楔形节流阀的有效调节区间约为0.49,压降调节范围0.29~14.71MPa,在有效区间内阀门关度与节流压降函数呈现指数关系,既能对井口回压进行精细调节,又能快速改变压降,具有良好的适用性能。对精确计算不同阀门开度下的节流压降以及其他非标准结构的阀门设计和优化都具有十分重要的意义。     

大斜度井段岩屑床休止角预测模型的建立及修正

大斜度井段岩屑床容易失稳或整体下滑迅速堆积成砂塞，而岩屑床失稳位置不好预测。为解决该问题，分析了岩屑床在大斜度井段的受力情况，建立了岩屑床休止角预测模型。基于楔入堆积模型，通过分析平均岩屑床面颗粒滚动与滑动时的受力情况，结合泥沙沉积学中的容重概念，建立了岩屑床休止角预测模型；同时，通过岩屑在不同浓度聚丙烯酰胺聚合物（PAM）溶液中的休止角测量试验，对该预测模型进行了修正。不同浓度聚丙烯酰胺聚合物溶液中岩屑床休止角的试验值分别为26.9°、27.5°、29.7°和30.2°，由滑动休止角预测模型得到滑动休止角的理论值分别为24.2°、25.8°、27.1°和28.5°，而滚动休止角理论值也不超过30°，理论值相较于试验值偏于保守，但按理论值可保证钻井作业安全。研究认为，建立和修正后的大斜度井段岩屑床休止角预测模型，其预测结果较为可靠，可在确定井眼清洁工具有效位置、判断井下故障位置时应用和参考。      

液力—磁耦合传动岩屑清洁装置的磁扭矩数值优化

钻井过程中水平井段岩屑携带困难、易形成岩屑床,因而研发了一种新型液力—磁耦合传动岩屑清洁工具,但对其磁扭矩传动影响机制、最佳磁路结构及磁铁配置等尚不清楚。为此,应用有限元数值模拟方法分析了磁路结构和永磁铁几何尺寸对磁扭矩的影响规律,数值模拟和室内实验的结果表明:(1)通过提高气隙磁通密度,降低磁路磁阻,增加静磁能的储积等方式可以提高磁扭矩的传递效率;(2)磁扭矩随磁偶对数的增加呈先增大后减小的趋势,12对磁偶的磁扭矩达到最大值;(3)对工具有效断面磁铁覆盖面积和磁体厚度这两种因素制约下的磁铁用量的耦合,得到永磁铁厚度为8.4 mm、工具有效断面上磁铁覆盖面积为71%时,单位体积磁铁产生的磁扭矩为最高;(4)室内实验结果与数值模拟计算结果绝对误差小于17%,能够满足工程计算对精度的要求。结论认为,所建立的数值模拟模型较为合理,可作为该工具结构优化分析的技术手段。