垂直井中受压段旋转钻柱的分岔研究

主要目的是研究钻柱的转动效应对铅垂井段钻柱屈曲行为的影响。通过考虑垂直井中受压段钻柱在旋转时引起的惯性力,建立了在分布浮重作用下旋转钻柱的分岔微分方程。通过对方程的数值求解,得到了旋转钻柱发生屈曲时的前四阶分岔值曲线及相应的屈曲构形。计算结果表明,随着钻柱转速的提高,发生各阶屈曲的临界钻压将明显降低。通过对工程实例的分析得知,转动效应对受压段钻柱的屈曲行为有不可忽视的影响。

旋转钻柱内赫巴流体流动模型与流场特性研究

为了揭示钻井液在旋转钻柱内的流动特性,采用数值模拟方法建立了旋转钻柱内赫巴流体的流动模型。研究了钻柱的旋转速度、轴向流速及密度的变化对钻柱内螺旋流场的影响,并给出了合理的解释。通过分析得出旋转钻柱内赫巴流体的流动由于其表观黏度的单峰分布特性,使得螺旋流场减弱了流体质点在各方向上的随机脉动趋势,并增强了流场旋流的整体趋势。该项研究成果对于钻柱内考虑旋转效应流场钻井液流动的深入研究具有指导意义。

旋转钻柱振动的动力响应分析

针对钻井过程中钻柱的旋转运动及扭转和横向弯曲振动形式的同时发生，分析和探讨了旋转状态下的钻柱耦合振动问题，建立了一个含回转项的旋转钻柱运动方程，并用近似方法解出了其动力响应的具体表达式。

径向振动对旋转钻柱摩阻扭矩的影响

大位移井已被广泛应用于非常规油气资源的勘探开发当中,但在大位移井大斜度稳斜段钻进过程中,如果扭矩过大易造成钻柱失效,而目前关于水平段径向振动对于旋转钻柱摩阻扭矩影响规律的研究则较少,并且多集中于产生径向振动工具研制和摩擦系数测量等方面。为此,在分析径向振动对于旋转钻柱摩阻扭矩影响原理的基础上,设计了不同型号截面外形为椭圆形的钻杆减磨接头模型;采用自行研制的减摩降扭工具性能试验装置,对不同钻速、转速条件下安装有不同钻杆接头模型的水平旋转钻柱进行扭矩测试;进而探究了径向振动对钻柱摩阻扭矩的影响规律。研究结果表明:①随钻杆接头椭圆截面长短轴半径比的增大,扭矩均值和扭矩波动最大幅值均先减小后增大,长短轴半径比为1.065时,扭矩的均值和最大幅值均明显降低,可以起到减摩降扭的作用;②减小钻速和转速,可以降低扭矩均值;③转速超过45 r/min后,扭矩最大幅值随转速的增加变化不大;④扭矩波动基频与转速呈近似线性关系,与钻速和长短轴半径比无关。结论认为,该研究成果可以为大位移井水平井钻柱接头设计与应用提供帮助。

水平旋转钻柱横向振动特性试验

利用水平井钻柱动力学特性模拟装置,对不同钻压和转速条件下水平旋转钻柱横向振动特性进行试验研究。结果表明:钻压和转速是影响水平井旋转钻柱横向振动特性的重要因素;随着转速增加,两横向振动的频率逐渐变大而相位差变小,两横向振动频率与钻柱自转频率呈线性关系;钻压增大对两横向振动频率的影响不大,但两横向振动的相位差会随着钻压的增大而逐渐变小;实际钻进中,钻柱一直处于井筒的右下部,转速选取时应尽量避开52.1 r/min。

旋转钻柱动载扭矩的研究及其应用

本文就钻井作业中经常发生的钻具扭断事故进行了运动机理上的分析和研究,并运用双向应力状态分析方法及能量守恒原理,对钻柱在静态下的轴向力和在剪切作用力下的许用扭矩计算,以及钻柱在旋转状态下的动态许用扭矩的计算进行了研究,从而使扭矩计算及其限制更接近于现场实际。

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。

钻柱旋转滑动控制工具的研制与应用

文章针对页岩气井长水平段定向作业时存在的井下摩阻大、托压严重等现象,一定程度上制约了水平段延伸、机械钻速提高等问题,研制了一种钻柱旋转滑动控制工具。该工具的工作原理为类似一个带开关的离合器,当井下需要滑动定向作业时,打开工具,实现工具上端钻柱由转盘控制产生旋转运动,工具下端钻柱由螺杆控制产生滑动运动,避免定向作业时由于钻柱不旋转、只能滑动钻进且部分钻柱还紧贴井壁产生较大的滑动摩擦阻力,实现定向作业时消除滑动摩擦的同时,还可以有效解决托压问题。钻柱旋转滑动控制工具利用地面开关钻井泵的方式完成工具的启动与锁定,同时建立了工具的安放位置计算方法。样机经过测试表明,结构设计合理,开关使用寿命超过200次,成功率达到100%。经过现场试验,试验井段机械钻速提高22.5%,该工具的成功研制及推广应用后将对于页岩气水平井的降阻提速产生重要意义。

钻柱旋转对大位移井井眼净化影响规律的研究

为了研究钻柱旋转对井眼净化效果的影响规律,选择215.9mm井眼及127.0mm钻柱作为环空尺寸,取钻柱的偏心度为0.5,选择20m作为轴向长度构造物理模型。采用欧拉多相流数学模型对问题进行分析处理,内边界条件设定为旋转,外边界条件为井壁(不考虑其摩擦效应)。数值模拟结果认为,钻柱旋转带动液、固相做周向旋转运动,其与轴向流动耦合使得环空内固相运动方式与钻柱无旋转时有很大的不同,类螺旋流动是液、固相的主要运动方式,钻柱旋转不仅能降低环空内固相含量,而且还会使固相移动速度增加,从而促进水平井段的井眼净化。

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。

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。

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。

考虑钻井液流动阻力与钻柱旋转的井筒瞬态传热新模型

为了分析钻井液流动阻力与钻柱旋转对井筒温度的影响,文中基于能量守恒定律,考虑流动阻力产生的摩擦热能与钻柱旋转产生的旋转动能,建立了井筒瞬态传热新模型。该模型的计算值比Yang数值模型和Al-Saedi解析模型的计算值高,更接近井底实际温度。实例井计算结果表明:相比于流动阻力,钻柱旋转对井口温度和井底温度的影响较大;流动阻力与钻柱旋转对上部井段温度的影响不大,但随着井深的增加,影响逐渐加剧;随着钻柱转速与钻井液排量的增加,环空温度不断增大。

钻柱旋转对大斜度井岩屑运移的影响研究

大斜度井中岩屑能否有效地运移对安全钻井至关重要。在国内外学者对大斜度井岩屑运移问题研究的基础上,考虑了钻柱旋转对其影响。钻柱旋转产生螺旋流,在螺旋流场中建立空间三维坐标,对岩屑颗粒进行受力分析,建立了力学平衡方程,进而求出临界环空返速,在此基础上可以计算最小携岩排量。通过研究可知,钻柱旋转对岩屑运移起到了有效作用,工程实践中,计算最小携岩排量时应考虑钻柱旋转的影响。

钻柱偏心旋转对环空摩阻压降影响的数值模拟研究

准确预测钻柱偏心旋转工况下的环空摩阻压降是复杂结构井控压钻井的重要理论基础,但常规钻井液环空摩阻压降计算方法无法直接计算复杂结构井的环空摩阻压降。为此,应用数值模拟方法,分析了偏心度(0~67.42%)和钻柱转速(0~114.65 r/min)对典型环空(Ф127.0 mm钻杆和Ф215.9 mm井眼)中摩阻压降梯度的影响。分析结果表明:偏心度小于45.00%时,转速和偏心度对摩阻压降梯度影响较弱,摩阻压降梯度随转速增大略有降低,随偏心度增大而增大;偏心度大于45.00%时,低转速(<60 r/min)下摩阻压降梯度随偏心度增大而降低,高转速(≥60 r/min)下摩阻压降梯度随偏心度增大而略有增大。基于数值模拟结果,建立了偏心度分类的无因次偏心环空摩阻压降梯度预测模型,计算了南海某水平井Ф215.9 mm井段的ECD,并与PWD测试结果进行了对比,平均相对误差为0.45%,表明该模型具有较好的准确性。研究结果表明,无因次偏心旋转环空摩阻压降计算模型可以精细描述环空压力场和准确计算ECD,为控压钻井水力参数优化提供指导。

大位移水平井井眼净化旋转因素数值模拟

应用CFD（计算流体力学）方法对钻井环空液固两相流动进行数值模拟，得到钻柱旋转情况下环空液固两相流流场流动特性：类螺旋运动是环空内液固两相主要运动方式，固相非对称分布在环空内；得到水平井段液、固相速度及体积分数分布；水平并段钻柱有旋转时环空高浓度（〉80％）固相环空占有面积率比钻柱无旋转时低近2／3；得到主要参数在钻柱旋转情况下对环空固相运移影响规律；钻柱转速在80-120r／min范围内时岩屑床高度变化较敏感；钻柱旋转对环空固液两相流动起扰动效应，可以很大程度上降低环空内固相含量，从而改善环空井眼净化效果。

钻柱旋转对水平井和斜井使用水基钻井液时井眼清洗的影响

钻水平井和定向井的的主要问题是合理的井眼清洗问题。对于一个环形空间里的稳定钻屑床,通常增加钻井液流速会很明显地冲蚀钻屑床。然而,依据钻井条件,要输送钻屑床需要很高的钻井液流速,而因为液压和物理因素的限制,这个速度可能达不到。在这种情况下,钻柱的旋转可以加强钻屑的机械运移,甚至在钻井液流速低于防止稳定钻屑床形成所需要的临界环空液体流速时,也能有效完成井眼清洗。

EFFECT OF DRILLPIPE ROTATION ON BOREHOLE CLEANING FOR EXTENDED REACH WELL

Wellbore cleaning is a key technology for the Extended Reach Drilling(ERD) . The success of drilling extended reach wells depends directly upon the quality of wellbore cleaning. The rotation of the drillpipe,and hydraulic and rheological parameters,are the key factors for wellbore cleaning. In this study,Computational Fluid Dynamics(CFD) is applied to simulate solid-liquid two-phase flows in wellbore annulus. The annual flow field with the presence of drillpipe rotation is described through analyzing various rotation conditions. The results indicate that the quasi-spiral flow is the main flow pattern for liquid-solid transport in the horizontal annulus. The influence of rotation on the cuttings transport is also investigated,as the rotation of drillpipe increases the disturbance of liquid to solid in annulus. As a result,the solid flow becomes favorable and the solid volume is reduced. Comparisons with previously published results are also performed to prove the importance of drillpipe rotation in the wellbore clearing for the ERD.