多分支水平井岩屑运移模型与实验研究

随着多分支水平井及复杂结构井钻井技术的不断发展,井眼清洁技术面临着新的困难和挑战。如何解决复杂地质条件与复杂井型条件下的岩屑床问题,对于判断与处理井下复杂情况是当前钻井工程面临的重要科学问题之一。通过岩屑颗粒受力分析建立了岩屑运移环空临界流速模型;基于室内可视化岩屑运移实验,探究了岩屑运移影响规律。结果表明:井斜角为36°时岩屑临界启动速度最大,携岩最为困难;模型预测结果与实验结果吻合度较好,且基于实例井的预测结果与现场作业情况一致,验证了所建模型的可靠性。该研究可为大位移大井斜井及水平井井眼清洁提供理论依据和技术支持。

大位移井井筒岩屑运移状态研究现状与展望

井眼清洁不充分是造成60%以上大位移井井下故障的主要原因。自上世纪70年代以来,学者们一直致力于大位移井井筒岩屑运移实验研究和岩屑运移理论研究,以期为准确预测和诊断大位移井全井井眼清洁状态提供可靠的实验数据和理论技术。文章全面回顾并深入分析了国内外岩屑运移实验,包括实验装置、目的、方法和基于实验数据获得的井眼清洁状态。其中,对岩屑运移的理论研究分统计回归模型、颗粒起动力学模型和分层模型等3种类别;认为筹建具备环空堆积岩屑质量准确测量和截面环空岩屑浓度可视化测量功能的311 mm大尺寸岩屑运移实验环路是未来岩屑运移实验研究的重要发展方向;此外,挖掘海量实验数据,建立基于大数据的人工神经网络井眼清洁状态预测方法,可更准确地映射工程因素与井眼清洁状态间的复杂非线性关系,有望取得较传统理论模型更加准确可靠的预测结果。

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。

渤海浅层超深大位移井岩屑动态运移规律

为了进一步开发渤海油气资源,渤海油田计划实施浅层超深大位移井,以增加泄油面积,提高单井产量。大位移井大斜度段大尺寸井眼钻进过程中,由于环空流体返速低,岩屑传输效应弱,导致井眼清洁困难,易形成岩屑床,严重制约钻井效率,威胁钻井安全。为改善井眼清洁效果,本文在斜井段中引入钻井液浮力的影响,并结合岩屑扩散方程改进了岩屑质量交换效应的计算方法,建立了大位移井岩屑两层动态运移模型,能够准确地模拟大位移井全井段的岩屑动态运移情况。案例分析结果表明,钻进、循环工况交替作用下,大位移井中的岩屑床将形成波浪状分布,有效降低了岩屑在井眼内的大量堆积。结合X井各尺寸井眼清洁情况的分析,对钻井参数进行了优化。同时,提出了岩屑床的控制对策,包括循环间隔和循环时间,为渤海浅层超深大位移井的顺利实施提供了理论依据。

页岩气井眼参数对岩屑运移规律的仿真分析

大位移井在钻进过程中所产生的钻屑由于重力作用容易沉积在井眼底部,形成岩屑床,进而导致高摩阻、高扭矩,影响钻进效率。本文建立了水平井岩屑运移三维仿真模型,研究在不同钻杆尺寸及钻杆转速下的岩屑运移规律。结果表明:井壁直径不变,增大钻杆尺寸和提升钻杆转速有利于破坏岩屑床,减小岩屑床高度,降低岩屑体积分数。

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Realizeκ-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。

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。

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。

斜井岩屑运移临界环空流速力学模型

岩屑在大斜度井眼中主要以翻滚形式向井口方向运移,在低斜度井眼中主要以悬浮形式被钻井液举升至地面。通过岩屑受力分析建立两种运移机理作用下的岩屑运移临界流速计算力学模型,并提出保持倾斜井眼清洁的临界环空返速计算方法。将模型计算结果与现有试验数据进行了对比验证,结果表明:临界环空流速随井斜角变化趋势的模型预测结果与试验结果吻合较好,但由于模型计算和试验中判断形成岩屑床的准则不同,环空临界流速的模型计算值较试验值偏低;对实例井的井筒清洗分析结果与现场作业情况一致,验证了该模型的可靠性。

大位移钻井全井段岩屑动态运移规律

根据固液两相流理论,综合考虑岩屑的悬浮、滚动和滑动运移方式以及悬浮层固液相速度差和钻杆旋转的影响,建立大位移井全井段三层岩屑动态运移模型,用于模拟计算实际钻井中正常钻进和停钻循环的全部过程;基于有限体积法原理,引入SETS方法对模型进行数值求解,并进行模拟分析。结果表明:对于具有长斜井段的大位移井,环空岩屑床分布达到稳定状态需要很长时间,使用稳态模型计算环空岩屑床高度和压力会产生较大误差;排量对岩屑床形成速度影响较大,排量越小,环空达到稳定状态时形成的岩屑床越高,环空达到稳定所需时间越长;排量对岩屑床冲蚀速度影响较大,而初始岩屑床高度对完全清洗井眼所用时间影响不大。所建模型计算结果与试验回归模型计算结果吻合较好,从而验证了所建模型的正确性和广泛的适应性。

气体钻水平井岩屑运移数值模拟研究

针对气体钻水平井过程中的井眼净化问题,开展了水平段岩屑运移特征研究。基于气固两相流动模型,采用FLUENT软件模拟了气体钻井条件下不同粒径、不同注气量、不同钻杆转速和不同钻杆偏心距下单颗粒岩屑和岩屑颗粒群在水平环空的运移特性。模拟结果表明,单颗粒岩屑在水平环空的运移以跃移形式为主,而岩屑颗粒群的运移主要包括蠕移和跃移两种形式;粒径5.0mm岩屑在注气量50,70和90m3/min下的首次跳跃距离分别为0.55,0.90和1.50m;在注气量为50m3/min时,粒径1.5mm岩屑的首次跳跃距是粒径3.0mm岩屑的1.5倍;粒径7.0mm岩屑在钻杆静止和转速为60r/min下的第3次跳跃距离分别为0.43和0.62m;粒径6.0mm岩屑在偏心距0,10和15mm条件下的第2次跳跃距离分别为0.55,0.44和0.28m。研究表明,注气量越大、粒径越小、偏心距越小、钻杆转动越快,则岩屑运移的距离越远。建议采取适当提高注气量、安装水平井井眼净化工具、提高钻杆居中度等措施,以提高井眼净化效果。

水平井中钻柱旋转对岩屑运移影响规律研究

由于水平井井身结构的特殊性,岩屑较易在斜井段及水平段中沉积形成岩屑床,进而导致卡钻等一系列问题。分析了水平井岩屑运移机理,并建立了水平井中岩屑运移临界流速数学模型。研究钻柱偏心度、转速、井斜角、岩屑粒径及流体粘度对于临界流速的影响。研究表明,钻柱转速增大,直井段岩屑运移临界流速增大,水平段岩屑运移流速减小;井斜角较小时,岩屑运移所需的临界流速随偏心度增大;井斜角较大时,在偏心度较小条件下,岩屑运移所需的临界流速略有增大;而在偏心度较大条件下,岩屑受钻柱转动影响进入悬浮运移状态,运移所需的临界流速急剧减小。岩屑粒径越大其运移所需的临界流速越高,钻井液黏度的增大有利于降低岩屑运移临界流速。

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。

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。

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。

大位移井岩屑动态运移计算简便方法研究

对现有岩屑运移稳定和不稳定模型优缺点进行了分析,基于大位移井岩屑运移机理和连续性定理提出了一种半经验半理论的岩屑动态运移计算新方法,可以将稳定模型方便地用于大位移井岩屑动态运移计算中,可以简单描述岩屑实际运移和累积过程,同时计算简便,易于编程,适合工程应用。计算结果表明,使用稳定模型计算大位移井环空岩屑运移状态将会产生较大误差。使用该方法可以方便地分析不同间隔洗井操作所带来的效果,为工程洗井操作提供指导。

大斜度井偏心环空钻柱旋转对岩屑运移的影响

在钻井过程中,当液流速度小于岩屑悬浮运移速度时,岩屑容易在大斜度井段沉降并形成岩屑床,导致钻柱卡钻、高摩阻和扭矩、低机械钻速等问题。建立大斜度偏心环空三维物理模型,采用结构网格划分环空流体域,用滑移网格模拟钻柱旋转。基于欧拉固液两相流模型和Realizable k-ε紊流模型,考虑钻井液对岩屑的举升力、岩屑加速产生的虚质量力以及固液间的动量交换,模拟了钻柱旋转条件下井斜角、岩屑注入浓度、钻井液速度和黏度对岩屑运移的影响。研究表明:钻柱旋转使得岩屑床床面沿旋转方向倾斜,沿井眼呈不对称分布状态,并能够显著减小环空岩屑浓度,其变化幅度受钻井液入口流速、井斜角、钻井液黏度和岩屑注入浓度的影响,但当转速达到某一临界值后,旋转作用效果将减弱。研究结果可为采取合理措施提高岩屑运移效率提供参考。

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。

页岩气钻水平井段岩屑床破坏及岩屑运移机理研究

针对页岩气开采成本高,以及清水钻井在垂直井段具有成本低和机械钻速快的优点,且页岩气清水钻井岩屑运移规律尚认识不清。基于流体力学基本控制方程和湍流输运方程,建立了三维井眼环空岩屑运移模型。使用全隐式多网格耦合求解技术进行数值计算。利用该模型开展清水钻水平井段岩屑运移可行性研究,以及钻井液排量、岩屑床高度、岩屑粒径、清水黏度和钻柱转速对岩屑运移规律的影响研究。研究表明,在水平井段清水钻井液携岩是可行的,数值计算结果对比,得出钻井液排量、岩屑床高度和岩屑粒径是影响清水携岩能力的敏感参数。建议钻井过程岩屑床厚度不要超过井眼直径的10%,岩屑颗粒直径为5 mm左右,根据钻井需要选用合适的钻井液排量、钻井液黏度和钻柱转速。清水钻井岩屑运移机理研究可为页岩气安全高效开采提供技术支撑,同时将加快页岩气工程的开发进程。

气体钻水平井钻杆偏心对环空岩屑运移规律的影响

气体钻水平井段,由于自身重力,钻杆倾向于下井壁,形成偏心环空,使得下环空岩屑运移困难,通过研究偏心环空正常携岩和岩屑床岩屑的运移规律对气体钻水平井井眼净化具有重要意义。针对钻杆偏心对气体钻水平井环空岩屑运移规律的影响问题,基于气固两相流理论,利用可视化实验并结合计算流体动力学(CFD)数值模拟方法对其进行了研究。从环空气体速度分布、岩屑速度分布和岩屑相对体积分数分布等方面分析了正常循环和下井壁沉积20 mm岩屑床两种工况,钻杆偏心对环空岩屑运移规律的影响。实验现象和数值模拟结果表明:正常循环时,随着偏心度不断增大,下环空气体和岩屑速度逐渐减小,气体携带岩屑的能力降低;当下井壁沉积20 mm岩屑床时,随着偏心度的增大,气流对岩屑床的扰动能力降低,使得下环空岩屑相对体积分数明显增大,岩屑床的最高剩余厚度逐渐增大。