气体钻水平井的携岩研究及在白浅111H井的应用

目前国际上流行的斜井、水平井气体钻井流动计算与井下真实情况相比有很大区别,从而导致计算得到的携岩气体需求量过小,难以保证井下正常携岩、清岩.通过研究气体钻水平井的携岩问题,发现水平井气体携岩的规律与垂直井有本质不同.依据研究结果所得出的携岩气体需求量比目前国际流行计算的结果要大50%～100%,而且还需要配合其他措施,方可保证井眼净化.文章简要介绍了研究结果在白浅111H井的应用.

气体钻水平井的携岩CFD数值模拟研究

文章研究了气体钻水平井的携岩问题,发现水平井气体携岩的规律与垂直井有本质不同。目前国际上流行的斜井、水平井气体钻井流动计算与井下真实情况相比有很大差别,从而导致计算得到的携岩气体需求量过于偏小,难以保证井下正常携岩、清岩。用CFD软件对水平井段钻柱躺在下井壁,并造成偏心环空内流体的问题进行了大量不同工况下的流场分析,其研究结果对改善环空流场、确定合理的输气量参数、提高流体的携岩能力等,提供了理论依据。

超临界CO_2钻井水平井段携岩能力数值模拟

超临界CO2流体的密度较大,与液体接近;其黏度较低,接近于气体。为了研究水平段钻井过程中超临界CO2的携岩能力,建立了描述超临界CO2流体在水平偏心环空中携带岩屑过程的数学模型,同时根据水平偏心环空的特点建立了物理模型。利用CFD数值模拟软件,对不同黏度、不同密度超临界CO2流体在水平井段的携岩规律进行了模拟。计算结果表明,超临界CO2流体的携岩能力随着其密度和黏度的增加而增强,但超临界CO2水平井段携岩存在一个临界密度,小于这个密度时其携岩能力将明显降低,且密度越小携岩能力越差。超临界CO2钻井过程中,可以通过控制井口回压来达到控制超临界CO2密度的目的,以达到携岩要求,但要注意地面泵压,以免负载过高。

超临界二氧化碳钻井流体携岩特性实验

超临界二氧化碳钻井流体已在油田二次开发的侧钻井中成功应用。应用Angel模型计算了超临界二氧化碳钻井流体在不同状态下携岩最低返速,绘制了二氧化碳钻井流体在不同温度下携岩需要的最低返速与压力关系曲线。根据相似性原理,设计开发了超临界二氧化碳钻井流体循环模拟实验装置。通过实验揭示了携岩能力随井斜角变化规律,即井斜角为0°～36°携岩最容易;井斜角为36°～54°携岩开始变得困难;井斜角为54°～72°携岩最困难;井斜角为72°～90°携岩变得相对容易;在40°C和8.5MPa条件下完成携岩所需最低携岩返速为0.637～1.019m/s。随着井筒内压力增加,所需的最低携岩返速减少,即携岩能力逐渐增加。随着井筒内温度增加,所需的最低携岩返速逐渐增加,即携岩能力逐渐降低。实验结果与Angel理论模型的计算结果基本相符。

钻孔作业中反向扩孔气动冲击器尾气携岩特性

建立了由反向扩孔气动冲击器排气孔到后封头的排屑流场,运用计算流体力学理论和FLUENT仿真软件研究了冲击器工作过程中尾气的携岩特性。基于冲击器的结构和工作原理,对气固两相排屑流场进行了数值仿真模拟,进而得到流场的气相特性以及岩屑颗粒运动轨迹和浓度分布规律。结果表明:冲击器排气孔尾气进入排屑流场后流速降低,流场压力由入口到出口逐渐降低;岩屑颗粒向流场底部聚集,颗粒平均浓度沿着远离入口方向变化不大,最大浓度沿着远离入口方向逐渐下降,最终趋于平稳。分析了钻进速度和尾气流量对携岩特性的影响,结果表明:随着钻进速度的增加尾气携岩能力下降,额定工作压力0.8 MPa时钻进速度应小于12.6 m/h;随着尾气质量流量的增加携岩能力提高,施工时应该在保证冲击器工作性能的情况下适当增加尾气质量流量。

管内转向径向水平井携岩规律数值模拟

为了对管内转向径向水平井携岩规律进行研究,根据流体力学理论建立了管内转向径向水平井携岩过程的数学模型和物理模型,采用数值模拟方法研究了流量、钻速和井径等参数取不同值时,环空截面混合流体速度分布规律和岩屑体积分数分布规律。分析结果表明,随着流量的增大,混合流体紊流强度增强,悬浮层内岩屑体积分数增大,固定床层内岩屑体积分数减小,岩屑床总高度降低,偏心环空内高速流核区范围增大;随着井径的扩大,岩屑在偏心环空上的非均匀性增强,偏心环空底部岩屑床高度增加,偏心环空中高速流核区减小,零速度区范围逐渐增大,混合流体平均流速减小。

大位移井高效携岩水基钻井液实验研究

大位移井钻井液性能与钻井过程中摩阻、扭矩、井壁稳定及井眼净化等难题密切相关.基于聚醚胺抑制性强、清洁、润滑性优良、环境友好的特点,进一步优选抗盐流型调节剂、降滤失剂、润滑剂、封堵防塌剂,通过配伍性优化实验,构建了性能参数满足大位移井要求的高性能水基钻井液配方.该配方130℃/16h热滚前后性能稳定,高温高压滤失量控制在10 mL以内,可抗5%NaCl、0.5%CaCl2、5%劣土污染,极压润滑系数、粘附系数分别低至0.114、0.017,抑制性强.利用室内模拟实验装置进行携岩性能评价,结果表明该钻井液体系在低环空返速苛刻条件下携岩效率大于89%,满足大位移井井眼净化需求.

泡沫钻井流体环空携岩能力的影响因素

阐述了泡沫钻井流体环空流型的判别方法,给出了不同流型下的求解岩屑滑脱速度和携岩率的数学模型,并结合现场钻井实例,计算和分析了各主要相关钻井参数对泡沫携岩能力的影响,给出了能维持较高携岩率的各钻井参数的适宜范围,对现场施工具有一定的指导意义。

直井段超临界二氧化碳携岩数值模拟分析

二氧化碳携岩问题是超临界二氧化碳钻井技术应用于油气藏钻探开发的基础问题。依据井下工况,考虑岩屑粒径分布规律的影响及二氧化碳密度和黏度等物性参数与流场温压条件的耦合关系,数值模拟分析了粒径分布变化规律及各工况参数对携岩效率的影响规律。结果发现:粒径分布变化规律不与颗粒直径呈正相关,证实了选用欧拉模型以考虑颗粒间干扰来模拟携岩问题的合理性;温压条件影响粒径分布变化规律,携岩返速对粒径分布规律影响甚微。携岩效率随压力升高、温度降低而提高,规律与室内实验结果相符。提高排量、降低机速有利于改善携岩效果,实测临界携岩返速高于依据最小动能原理的计算值。随偏心度增大,携岩效率先降低后提高,临界偏心度为0.8。所得结论为发展实际技术提供支撑。

高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩流场及携岩增强机理

对于深井难钻地层采用欠平衡气体钻井技术,可以显著提高机械钻速、延长钻头寿命、减轻地层损害,但现有的欠平衡空气钻井技术存在着井底燃爆风险较大、喷嘴低喷射压力的破岩及携岩效率差等问题。为此,提出了高压CO_(2)气体射流—PDC齿复合破岩技术,并采用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟软件与实验室试验相结合的方法,分析了喷嘴直径、喷距、压降对高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩井底流场的影响,进而分析了井底高压CO_(2)射流携岩增强的机理。研究结果表明:(1)提高喷嘴压降和增大喷嘴直径有利于增强射流对岩石的打击效果,增大喷嘴直径还可以增加射流冲击范围;(2)增大喷距会导致高压CO_(2)射流对岩石表面打击力大幅度降低;(3)岩屑的运移轨迹规律在有、无射流切削的情况下差别明显,花岗岩在射流的作用下,切削齿前部的累积岩屑很少,岩屑在射流携带作用下沿切削齿两侧呈扇形向后运移;(4)高压气体射流可以显著提高岩屑的排出,进而提高PDC齿切削效率。结论认为,该研究成果可以指导高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩工具的研制,有助于欠平衡高压气体钻井技术的进一步完善。

水平井段脉冲携岩数值模拟研究

水平井钻井技术已成为现代油气勘探开发的重要手段,水平井段岩屑运移不畅造成钻井过程中的高摩阻和扭矩、卡钻和憋泵等情况,影响钻具的使用寿命和钻进安全,特别是使用现有的常规携岩方法无法解决,为此,提出脉冲携岩方法。在现有水力脉冲的基础上,根据分流继能机理,建立小井眼水平井岩屑运移的流场模型,采用RNG k-ε模型、幂律模式及二次开发子程序进行数值计算,确定脉冲携岩合理的脉冲周期、占空比等参数,并研究水力脉冲条件下钻井液排量、偏心度、岩屑粒径等参数对偏心环空岩屑运移的影响,得到环空岩屑运移速度和浓度的分布规律。研究表明,在同等条件下,脉冲携岩效率更高,破坏岩屑床效果更好,降低岩屑床浓度约40%。

切向注入式旋转射流喷嘴携岩能力研究

鉴于优化井底水力特性能有效地提高钻头破岩钻进速度的认识,提出了将旋转射流引入到钻头的技术设想,并设计了切向注入式旋转射流喷嘴。基于较少假设,采用标准k-ε模型,对切向注入式旋转射流喷嘴流场进行了数值模拟研究,并以射流冲砂携岩试验进行了验证。研究结果表明,切向注入式旋转射流喷嘴的携岩能力优于直射流喷嘴;切向注入式旋转射流喷嘴存在最佳携岩喷距和切向注入孔个数,该实验中最佳喷距为5～8L/d,最佳切入孔个数为3个。研究结果为钻头的设计和使用提供了依据。

气体钻井出水条件下环空携岩机理研究

目前针对地层出水条件下气体钻井携水、携岩的研究不多,尚处于探索阶段。地层出水会引起岩屑各种性能发生严重变化,这对环空安全携岩和井壁稳定是一个严峻的考验。通过岩屑受力与岩屑遇水后的团聚性等变化的理论与实验分析,对其基本规律和理论作进一步综合研究,并结合相应计算进行现场实验,计算结果与四川某区块较为吻合。

空气雾化钻井环空携岩流动试验研究

在空气雾化钻井中 ,井眼环空携岩流动是一种典型的气、液、固多相流动 ,其机理和规律十分复杂。在空气雾化钻井实践中 ,经常出现钻井生产无法顺利进行的情况 ,轻则带屑不好 ,钻井效率低 ;重则井眼段塞、井壁垮塌、引发卡钻、井下爆炸等事故。显然 ,井眼环空携岩问题是空气雾化钻井必须解决的基础理论问题。根据满足工程精度的原则 ,利用空气雾化钻井环空流动试验研究对一维高载荷流动模型进行了验证 。

空气钻井井筒内气体携岩与冲蚀评价分析

空气钻井技术具有及时发现和保护油气层,提高油气产量和采收率,提高机械钻速,减少和避免井漏等显著优势,但其携岩能力与钻具冲蚀问题一直困扰着钻井科技人员。基于计算流体动力学与空气动力学理论,建立了空气钻井井筒内流体流动的数学模型,并结合实例,对空气钻井时井筒内气固两相的流场分布进行了模拟计算,计算结果与实际钻井操作参数吻合较好,综合最小携岩速度与冲蚀临界速度准则,对井筒流场进行了定性评价。探索出了一种较简单而快捷地确定空气钻井注入参数的方法,为实际钻井参数设计提供了依据。

地层出水后的气体钻井携岩携水机理研究

近年来,由于气体钻井技术在某些方面有着常规钻井液钻井不可比拟的优势而在国内得以大范围地推广应用。但是,作为一项新技术,本身具有一定局限性,其实用范围尚不是完全清楚,因此,在实际应用过程中已经暴露出不少问题,地层出水后的携岩携水规律就是其中最为重要的关键技术难题之一。气体钻井过程中,地层出水将导致气体携岩规律复杂化,需要的最小注气量也会相应增加;当地层出水量继续上升时,可能会严重影响携岩效率,最终导致发生卡钻等井下复杂情况。文章对气体钻井过程中地层出水后的携岩携水基本规律和有关理论计算方法进行了研究,建立起相应的计算方法;并结合实际工程地质特征,对川西特殊复杂地区气体钻井过程中地层出水后的携岩携水规律进行计算分析,分析结果与现场施工情况基本吻合,表明文章给出的评价方法是可靠的。

大井斜大位移井钻井液携岩问题分析及对策

在大井斜大位移定向井中,岩屑易在井眼中形成岩屑床,导致下钻遇阻、蹩泵甚至卡钻。本文在分析岩屑床的形成及危害的基础上,对钻井液携岩效果的影响因素和岩屑床的清除办法进行了探讨,提出了将提高钻井液环空返速、改善钻井液性能与机械清除岩屑相结合的方法。我队施工的多口井的现场应用表明,该方法能有效地解决大井斜大位移定向井的携岩问题,为连续快速钻井提供了一定的技术保证。

水平孔携岩能力影响因素数值模拟研究

梳状孔是目前煤层气开采的主要技术手段之一,水平孔作为梳状孔的主孔,研究其在不同条件下岩屑的分布情况,可作为钻进参数选择的重要依据.本文基于FLUENT流体力学模拟软件,分析了钻杆转速、钻井液粘度、环空返速、岩屑浓度、岩屑颗粒直径、钻孔偏心等因素对水平孔中携岩能力的影响.结果表明:随钻杆转速、环空返速、钻井液粘度递增,环空岩屑浓度峰值降低,对岩屑运移有利;而岩屑浓度、岩屑直径的增大导致岩屑浓度峰值增大,加大了携岩压力,这2个参变量的增大对运移岩屑是不利的.钻井液粘度、钻杆转速对岩屑的运移和分布起重要的决定作用,环空返速、岩屑浓度、岩屑直径作用次之.

双循环钻井携岩系统CFD-DEM仿真及工具优化

为了进一步提高双循环钻井技术在煤层气钻井中的钻进效率,在介绍颗粒运动方程及Hertz-Mindlin接触模型的基础上,建立了双循环全井仿真模型,利用CFD-DEM耦合模型对双循环钻井技术进行了再现,展示了辅助循环的作用机理,并依据仿真结果对辅助循环喷嘴进行了优化。分析结果表明:双循环系统的共同作用对携岩效果的改善非常明显,辅助循环对改善钻井携岩效果具有正作用,喷嘴入射角度在40°±10°范围时双循环系统携岩效果最好,辅助循环工作效果最佳。所得结论可为双循环钻井系统的现场应用提供参考。

小井眼钻进时的环空压耗及携岩问题

小井眼水力参数的实质就是在较低环空压耗的情况下,保证具有良好的携岩能力。文中介绍了几种常用的流变方程,分析了小井眼环空压耗的特点,提供了在作业时应采取的对策。