基于压差法的水平井岩屑床轴向运移规律研究

为了明确长水平段水平井旋转钻进工况下水平段岩屑床的轴向运移规律,开展了基于压差法的水平井岩屑运移试验。利用设置在井筒轴向不同位置的多个压差传感器,测量井筒的瞬时压降,用来表征岩屑床在井筒中的轴向分布,并据此计算了岩屑床运移速度,分析了流体密度、排量、转速对岩屑床运移速度和压降的影响规律。结果表明:该方法能够表征岩屑床运移特征,精细刻画了岩屑床在井筒轴向位置的分布;岩屑床运移速度与流体密度、排量和转速呈正相关关系;排量增大,可显著提高岩屑床运移速度,但压降迅速增大限制了加快清岩的最大排量;转速增大,能够提高岩屑床运移速度,且对井筒压降基本没有影响。研究结果明确了水平井岩屑床的轴向运移规律,为井下岩屑床轴向分布测量提供了理论基础,并有助于规避井筒压力复杂和卡钻等风险。

大位移井岩屑床厚度预测模型与现场应用:以CH1-1-XX井钻井为例

大位移井钻井过程中,岩屑极易在斜井段及水平段环空底部积聚成床,导致憋泵、卡钻等事故,严重影响钻井施工安全和钻井时效。现有的岩屑运移及岩屑床清除模型均针对标准圆球状岩屑,与实钻中返出的岩屑形状差异较大,导致模型应用范围受限,无法提供更准确的现场指导。为探究大位移井非标准圆球状岩屑运移规律,通过可视化岩屑运移实验与计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟结合的方法,建立了一套大位移井岩屑床厚度预测经验模型,并在CH1-1-XX井开展了现场应用,对不同开次下的钻进参数进行了优化,取得了良好效果。结果表明:利用模型预测岩屑床厚度并进行钻进工艺参数优化后,一开与二开钻井时最高岩屑床厚度分别为40.6 mm和33.9 mm,均低于同井深处的岩屑床厚度安全线,表明井眼清洁程度高,无憋卡风险。建立的岩屑床厚度预测经验模型对提高大位移井井眼净化效率,保障大位移井安全高效钻进具有重要意义。

钻柱旋转条件下水平井岩屑床厚度计算模型研究

水平段钻进过程中,井眼清洁效果不佳可导致摩阻扭矩增大、环空压耗激增、卡钻等井下复杂情况,严重制约水平段延伸能力。前人在相关研究中往往忽略或弱化了钻杆转速对水平段井眼清洁的影响,建立的相关理论模型未考虑钻杆旋转对环空流场的影响。为探究钻杆转速和排量对岩屑运移的协同作用,文章通过对水平井钻杆旋转时的不同方向上的环空流场流体流速以及对岩屑颗粒的三维受力分析建立了钻柱旋转条件下的水平井岩屑床厚度计算模型。在水平段钻进过程中,由于重力作用,钻杆沉于环空低边,形成窄环空区域,模型计算结果表明该区域钻井液轴向流速慢,往往不足以达到岩屑启动的临界流速从而造成岩屑沉积,此时钻杆旋转导致的钻井液周向速度可将岩屑带入环空高边的高速流域从而达到携岩的效果。利用该模型对玛湖现场常用的7种环空尺寸进行了计算,推荐了不同井眼尺寸下的钻杆转速,通过实钻情况的对比分析证实了本模型的可靠性。该模型为指导水平井钻进提供了一定的理论基础。

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。

高效岩屑床清除钻杆作用机理

岩屑携带困难是大斜度、大位移定向井和水平井钻井普遍存在的问题,严重影响钻井安全和钻进效果。设计了高效岩屑床清除钻杆(EHCDP),并利用计算流体动力学(CFD)仿真模拟技术对EHCDP作用下环空流场的流动特性展开研究,从流线图、速度场、压力场等方面对数值模拟结果进行了分析,研究了EHCDP的作用机理,分析了螺旋槽道结构对环空流体流动特性的影响。研究结果表明,在EHCDP作用下,流体在槽道附近形成了涡流结构,改变了偏心环空中流体的流动特性,使流体从小环空往大环空运动,将岩屑输送到大环空,而槽道附近的涡则将岩屑卷入槽道中,并利用钻杆转动所产生的离心力将岩屑"甩入"大环空,达到有效清除井眼低边岩屑床的目的。

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。

一种用于大斜度大位移井岩屑床清洁的新装置

大斜度大位移井岩屑易在井眼井斜段中沉积,形成岩屑床,导致蹩泵、蹩钻或卡钻,甚至造成井下事故。在分析岩屑床的形成及危害的基础上,对岩屑床的清除办法进行了探讨,并设计出了一种新型岩屑床清洁装置。该装置能有效地解决大斜度大位移井岩屑床的清洁问题,提高钻井效率,优化钻井工程设计,为实现安全快速钻进提供了新的途径。

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。

存在岩屑床的水平环空钻井液紊流CFD模拟

在钻井过程中,由于钻井液携岩效率的限制,在水平井段极易形成岩屑床。利用CFD(计算流体动力学)软件来模拟环空成床后的钻井液紊流流动规律,模拟结果与已发表的实验数据对比,验证了所选模型的正确性。环空岩屑床的存在将减小流核区的速度,但会增加岩屑床面附近的速度,有助于床面岩屑起动;增加岩屑床高度,环空摩擦压降会减小;随着岩屑床壁面粗糙度增加或岩屑床高度减小,钻井液流动时作用在床面上的切应力减小,不利于床面岩屑的起动;且在钻柱与床面交汇处容易形成屏蔽效应。

岩屑床的控制技术及其应用

在定向井钻井过程中,岩屑床的形成极易造成井眼堵塞和卡钻事故。分析了形成岩屑床的影响因素,提出了控制岩屑床应采取的措施,即中斜度井段选择平板型层流洗井,大斜度井段采用紊流洗井,中斜度及大斜度定向井环空返速应控制在0.9—1.5 m/s为宜。

大斜度井中岩屑床厚度模式的研究

岩屑床是大斜度钻井中的重要影响因素,为了控制岩屑床的形成厚度,保证安全钻进,建立了岩屑床厚度的理论计算模式和半经验模式,分析了影响岩屑床形成的各种因素。运用所建立的计算模式对油田丛式井斜度较大的6口井进行了计算。计算结果表明,半经验模式计算结果与理论模式计算结果基本相符。由计算结果推出了安全钻进时岩屑床的厚度极值为1.9cm.

南海东部大位移井岩屑床动态运移与参数优化

井眼净化是南海东部大位移井钻井过程中关键的问题之一,而全井筒岩屑床的动态模拟对提高井眼净化效果有重要意义。鉴于此,在两层动态岩屑床运移模型的基础上,结合扩散方程完善了上下两层质量交换的计算方法,模拟了全井筒岩屑床的动态分布。结合岩屑床破坏器对扩散系数的影响,模拟了不同岩屑床个数和间距对井眼净化的影响,并对连续循环系统的使用效果进行了评价。研究结果表明:岩屑在井筒中呈波浪式分布;随着岩屑床破坏器数量的增加,井眼净化效果越好;但是当岩屑床破坏器数量大于6个时,继续增加数量对井眼净化效果的影响不大,建议岩屑床破坏器放置的个数为6个;随着岩屑床破坏器间距的增加,井眼净化效果减弱,建议岩屑床破坏器放置的间隔为9根钻杆。研究结果可为大位移井井眼净化作业提供技术支持。

利用岩屑床破坏工具和可膨胀套管扶正器改善井眼质量

分析了影响斜井钻井安全、固井质量等影响井眼质量的主要原因;介绍了国内外岩屑床破坏工具和可膨胀套管扶正器的研发和室内试验、现场应用情况;提出了适用于斜井、水平井固井用岩屑床破坏工具和新型可膨胀套管扶正器的发展方向和建议。

复杂结构井岩屑床清除技术

导致复杂结构井固井质量差的重要原因之一是在倾斜和水平井段存在岩屑床。分析了复杂结构井岩屑床形成的原因和目前现场主要采取的清除方法,研制了可以实现主动清除岩屑床的特殊井下工具——岩屑床清除工具,介绍了其结构及工作原理,并通过流体力学仿真模拟验证了该工具主动清除岩屑床的机理,阐述了在胜利油田CB26A-7井的试验情况。该研究对提高复杂结构井固井质量有较好的指导意义。

大位移井中利用钻柱旋转作用清除岩屑床的机理研究

井眼净化 ,是大位移钻井的关键技术之一 ;大位移井中 ,岩屑床是制约井眼净化的关键性因素。除钻井水力、钻井液流变参数外 ,钻柱的旋转作用是清除岩屑床的一个重要因素。通过对钻柱旋转作用下的环空流场的研究和分析 ,揭示了钻柱旋转对清除岩屑床的力学机理 ,即旋转作用使压力分布呈现波动形式 ,产生了有利于清除岩屑的循环力和陀螺力。波动的压力使岩屑床趋于非稳定 ,而循环力和陀螺力则对岩屑床产生搅动和支承作用 ,便于环空上返流速对岩屑的携带。并以国内大港油田大位移井红 9— 1为例 ,说明了钻柱旋转在大位移井中对清除岩屑床的重要作用。

岩屑床清除器设计及其流场仿真研究

为了全面、准确地了解岩屑床清除器对钻井液流场的影响,应用CFD软件对其流场的速度、压力及液流运动迹线进行数值模拟研究。研究结果表明,V形槽可使流场速度矢量呈旋流分布,进口速度在很短的轴向行程内增加了1倍左右,尤其是工具靠近岩屑床的底边速度增加得最快,这大大增加了岩屑床清除器周围流场的湍流强度,使流体携岩和清岩能力迅速增强;工具靠近岩屑床的底边压力损失最大,工具的高边压降较小,计算结果符合已知的井下管流压力分布情况;V形槽中的流体在沿V形槽运动的同时还产生一定的旋流,且外围流体在V形槽的影响下也都产生不同程度的旋流,这对岩屑的携带、清除极为有利。

岩屑床破坏器在水平井斜井段的清洁效果研究

针对水平井斜井段岩屑堆积成床易造成钻柱摩阻、扭矩增大及卡钻等问题,对斜井段中岩屑床破坏器的影响规律和清洁效果进行评估分析。首先,基于CFD(computational fluid dynamics,计算流体动力学)技术,对岩屑床破坏器的清洁机理进行研究,并通过对比分析得到岩屑床破坏器的清洁效果。然后,分析了不同井斜角、钻井液排量和钻柱转速下岩屑床破坏器对水平井斜井段岩屑床的影响规律,并对岩屑床破坏器的工况参数进行优选,以更好地发挥其清洁作用。最后,通过岩屑床破坏器的现场应用来验证其清洁效果。结果表明,岩屑床破坏器对水平井斜井段井眼的清洁效果非常明显,使用后可减小钻柱的摩阻和扭矩,有效防止钻进过程中卡钻事故的发生。研究结果可为岩屑床破坏器的使用提供指导。

岩屑床层移运动内在机理的分析

环空内底层的岩屑床作层移运动,因其浓度较高而又属分散相固体,故其性质和连续分子、单颗岩屑均有很大差异。本文根据能量原理,分析了岩屑颗粒层与层之间相互摩擦、碰撞及流体的粘滞作用等因素对碰撞的频率和动量传递、层移岩屑间离散力和摩擦力等内应力的影响关系,这些结论对于认识和研究层移岩屑床的宏观规律是十分重要的。

岩屑床问题原因分析及解决措施

本文针对定向井及大斜度井岩屑床的问题进行了简要的分析,并简要阐述了其形成的原因及一些清除岩屑床的措施。警示井斜角30°~60°的斜井段是井眼净化危险区;岩屑床形成容易清除较难,预防形成岩屑床需从多方设法,清除岩屑床则需积极主动对待。推荐"融钻进与清除岩屑床为一体"的作业工艺。

岩屑床清除工具螺旋槽道优化设计

为提高水力机械井眼净化装置的效率,通过数值仿真计算方法,基于计算流体动力学理论建立不同类型岩屑床清除工具的数值计算模型,研究了螺旋槽道形状以及螺旋叶片结构参数对岩屑床清除工具作用效果的影响规律。研究结果表明:双段螺旋型槽道形状的岩屑床清除工具性能较优,适当增大第二段螺旋槽道的长度同时减小螺旋叶片的螺距可以提升其性能。通过逐步优化设计及优选相关结构参数实现提高岩屑床清除工具性能的目的,为岩屑床清除工具的优化设计提供了一定的理论依据。