考虑钻柱屈曲的环空压降计算

在定向井和水平井钻井过程中,准确预测钻柱屈曲条件下的环空压降,能有效优化定向井钻井参数、提高钻井效率。文中应用等效偏心度将屈曲环空简化为偏心环空,建立了钻柱屈曲条件下的环空压降简化模型,同时使用ANSYS Fluent软件进行了钻柱屈曲条件下的环空仿真模拟,并将简化模型结果与实验测试结果、Fluent仿真结果进行了对比验证。研究结果表明,在一个正弦屈曲周期内,环空压降比呈现先增大后减小的趋势,环空压降比随流性指数、环空内外径比和偏心度的增大而减小。文中建立的简化模型能够实现屈曲环空压降的准确预测,为定向井和水平井的井底压力计算提供了理论支撑。

考虑钻杆转速和偏心度耦合作用的环空摩擦压降CFD模拟及预测模型研究

深井钻井时,准确预测环空摩擦压降是保证井筒压力预测精度的关键,钻井液流速、钻杆转速及环空偏心度是影响环空摩擦压降的重要因素。为研究多种因素耦合作用下环空摩擦压降的变化规律,建立了水平井环空钻井液流动模型,对幂律流体在层流和湍流条件下的流动特性开展了数值模拟。模拟结果表明:层流状态下,偏心度和钻杆转速单独作用时,都会导致环空摩擦压降减小;偏心度和钻杆转速共同作用时,环空摩擦压降随偏心度先增大后减小,这与偏心环空中惯性效应对螺旋流的破坏作用有关。湍流状态下,钻杆转速对同心环空的摩擦压降几乎没有影响;偏心环空中,随着钻杆转速增大,不同偏心度下的环空摩擦压降值逐渐增加,且都逐渐趋近于同心环空摩擦压降。基于数值模拟数据,建立了层流和湍流条件下考虑钻杆转速和偏心度耦合作用的环空摩擦因子预测模型,该模型对模拟数据的最大拟合误差为9.18%,对试验数据的最大预测误差为8.33%。研究结果可为深井钻井时井筒压力控制和水力参数优化提供参考。

椭圆井眼同心环空赫巴流体流动规律研究及压降计算简化模型

因岩石和地应力的非均匀性易形成椭圆井眼,导致现有规则圆形井眼环空流动模型存在较大误差。为明确椭圆井眼同心环空赫巴流体流动规律,建立了解析模型和Fluent仿真模型,分析椭圆井眼对环空流速和压降梯度的影响规律;通过修正水力直径和引入有效黏度的方法建立了椭圆井眼同心环空压降计算简化模型,实现流动压降的准确快速预测,并利用解析模型、仿真模型和实测结果对简化模型有效性进行验证。结果表明:当流量一定时,轴向平均流速和最大流速随椭圆长短轴轴长比值的增大呈线性和指数型增加;无量纲压降梯度随椭圆长短轴轴长比值增大呈线性增加;简化模型与仿真模型、解析模型和实测结果均吻合较好,误差分别为±8%、±5%和±5%。研究成果为椭圆井眼同心环空流动压降准确快速预测提供了理论支撑。

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。

窄环空中钻柱高速旋转对小井眼环空压降的影响

当一种流材在小井眼的窄球空中流动时环空的几何尺寸、偏心距及钻柱旋转速度的变化对流体压除影响很大．因此在小井眼中精确地计算和控制压降非常困难，钻井工业常用的原有的模型已不能精确地模拟高速旋转的小井眼窄环空的情况，所以需建立一个新的模型，以使精确地计算窄环倾空压降，达到安全控制地层压力和保护井筒完整性的目的。

煤层气欠平衡钻井环空注气工艺优化

充气欠平衡钻井技术是目前煤层气钻井中减少煤储集层伤害、保护煤储集层最常用的措施之一。针对煤层气羽状水平井充气欠平衡钻井技术特征,优选了水平及竖直井筒内多相流动压降计算模型,确立了井底欠压值的求解方法,给出了求解的计算流程。根据沁水盆地煤层气田某羽状水平井实际资料,通过对不同注气压力、不同注气量以及不同钻井液排量条件下井底欠压值的计算和分析得出:当环空注气压力一定时,井底欠压值随钻井液排量的增大而单调递增,且环空注气量越大,井底欠压值越小;在最佳环空注气压力条件下,当钻井液排量一定时,井底欠压值随着环空注气量的增大而单调递减,当环空注气量一定时,井底欠压值随着钻井液排量的增大而增大。利用该计算模型和计算方法,结合现场欠平衡钻井工程要求,可以优化出最佳的环空注气工艺参数。

羽状水平井欠平衡钻井环空流动特性研究

羽状水平井欠平衡钻井技术是近几年来国内外煤层气开发中普遍采用的一项减少储层伤害、提高低渗储层煤层气采收率的新技术。针对该技术的技术特征,建立了物理模型和数学模型,结合现场井例分析了井筒环空内各流动特性参数的变化规律。结果表明:井底压力随泥浆排量的增加单调递增,同一泥浆排量条件下,环空注气量越大,井底压力值越低;羽状井自注气点至井口的井筒环空内,水平段由于静液压力占主导,空隙率、混相流体流速增长幅度较小,混相流体密度少许降低,压降损失也较少;竖直井筒环空内空隙率及混相流体流速自井底沿井筒向上初始缓慢增大,当环空压力降低到一定程度后,由于气液滑脱效应,而急剧增大,环空内混相流体密度变化规律与之相反,环空压力自井底沿井筒向上呈线性减小。

气体钻井地层出水工况实验模拟研究

气体钻井技术在提高机械钻速、保护储层等方面具有其独特的优势。然而,当地层出水以后,由于泥页岩地层黏土水化,极易引发黏附卡钻、井壁失稳等井下复杂情况。为此,针对气体钻井地层出水问题,开展了气体钻井地层出水工况实验模拟研究。通过室内建立的可视化实验装置,模拟分析了低产水工况下的气体携液问题,并对气体钻井地层出水时井底气液混合流动情况以及井筒环空成膜情况进行了研究。实验结果表明,气液混合后,井底液体主要形成波状液膜,而环空液体主要以液膜和液滴的形式存在,同时环空携液能力决定了液膜厚度和液滴尺寸。通过对地层出水工况下气体携液能力进行分析表明,理论携水量与实验结果相符,当携水量较大时,环空液膜较厚、液滴尺寸较小,且波动更剧烈,使环空压降增加。

带旋转管柱连续管钻井岩屑运移研究

针对连续管钻井过程中水平段岩屑运移困难、管柱摩阻大影响连续管钻井水平延伸能力的问题,提出了连续管水平段旋转管柱钻井系统,该系统由不旋转连续管和部分旋转管柱组成。建立了连续管水平段环空三维流体域模型,并进行数值计算,研究了管柱旋转速度、旋转管柱直径及管柱偏心度等参数对水平段环空流动及岩屑运移的影响。研究结果表明:水平段设置旋转管柱可使连续管钻井水平段环空流体产生旋转流动,岩屑分布均匀,环空压降减小;转速越大,岩屑切向速度也越大,旋转管柱直径增大能提高环空岩屑切向速度;在偏心状态下岩屑更容易在环空底部堆积,但管柱旋转不仅提高了旋转部分岩屑的切向速度,也提高了非旋转部分环空岩屑的切向运动能力;随着管柱旋转速度的增加,水平环空非旋转部分岩屑体积分数逐渐减小,提高了水平环空的清洁程度。研究结果可为合理设计连续管水平井段部分旋转管柱钻井系统提供理论依据。