气体钻井钻杆冲蚀规律研究

针对气体钻井岩屑造成钻柱严重冲蚀的问题,基于气 固两相流和冲蚀理论,建立了环空岩屑运移模型。在Eulerian坐标系下求解气体连续相流场,在Lagrangian坐标系下对离散相岩屑粒子进行了碰撞求解,采用Grant和Tabakoff公式求解岩屑粒子冲蚀速率,借助实验数据验证了仿真模型。利用该模型研究了气体钻井中钻杆居中以及不同钻杆偏心率、井径扩大率、注气量和机械钻速下环空岩屑粒子运移规律和钻杆冲蚀特性。研究表明,岩屑对钻杆接头及下坡面本体的冲蚀比钻杆本体及接头上坡面严重;钻杆偏心和井径扩大都使局部冲蚀速率峰值增大,且偏心越严重,井径扩大越大,局部冲蚀速率峰值增速越大;机械钻速增大,导致钻杆局部冲蚀速率峰值近乎线性增加;在工程常用注气量范围内,注气量对冲蚀速率峰值和冲蚀速率平均值的影响很小。根据冲蚀规律提出如下建议：减小钻杆斜坡坡度可减少钻杆接头及下坡面的局部冲蚀;采用低转速的空气锤钻井工艺可减缓因偏心引起的局部冲蚀;井眼扩大较大时,增大注气量,通过改变岩屑粒子轨迹,可减少岩屑对钻杆本体的多次冲蚀。     

气体钻井中气体携岩对钻杆的冲蚀机理研究

气体钻井中气体携岩冲蚀钻杆是引起钻杆快速失效的主要原因之一。基于此,文中采用计算流体动力学(CFD)方法建立了圆形规则井眼、钻杆居中情况下的高速气体携岩冲蚀钻杆的两相流模型。通过对环空气体流场、钻杆表面冲蚀速度和岩屑颗粒对钻杆的冲蚀过程及其运动轨迹的分析后发现,与钻杆接头斜坡碰撞的岩屑颗粒对钻杆有冲蚀作用,最大冲蚀速度发生在钻杆接头斜坡面上,其次在公接头以上0.2～1.8m长度范围内的钻杆本体表面上。这些区域可能形成严重的冲蚀坑,也可能出现微裂纹,在受到钻井过程中的弯、扭、拉等动载荷联合作用下可能发生裂纹扩展、失效现象。     

测试地面流程弯管冲蚀磨损的影响研究

为研究海上地面流程作业过程中,油嘴调整及弯管结构参数对地面流程弯管冲蚀磨损的影响规律,基于液-固两相流理论、冲蚀磨损模型,结合流场、颗粒运动轨迹对地面流程弯管流速、固相颗粒体积分数、流速与弯管弯曲角度等冲蚀磨损影响因素进行了耦合分析。分析结果表明:不同产量对应的流速由14 m/s增大至23 m/s时,固体颗粒体积分数对弯管的最大冲蚀速率的影响最高达到了9.66倍;冲蚀固体颗粒体积分数由0.01%增大到0.09%时,流体流速对弯管最大冲蚀速率的影响最高达到了6.92倍;流速与固相颗粒的耦合影响最高可达到50.7倍;当流速一定时,随着弯管弯曲角度的增大,最大冲蚀率呈现出增大的趋势,流速与弯曲角度耦合影响最高可达到19.8倍;随着流速和固相颗粒体积分数的增大,地面流程弯管的最大冲蚀速率增大,当固体颗粒体积分数处于0.07%～0.09%时,流速对冲蚀的影响小于固相颗粒体积分数改变带来的影响。研究结果对于地面流程弯管的改进设计及其安全防护具有一定的指导作用。     

气体钻井对井口四通冲蚀磨损规律研究

气体钻井中携岩气体冲击四通内壁是导致四通失效的主要原因。基于气固两相流和冲蚀理论,运用CFD软件对四通本体流体域进行数值计算,分别研究了实际钻井工况下钻杆偏心的情形和不同钻井工艺对四通本体的冲蚀规律。研究结果表明,随着偏心距的增大,岩屑的轴向速度逐渐增大,局部冲蚀速率也呈现增大的趋势;由于偏心造成的岩屑粒子轨迹偏转向四通宽流道一侧冲击,容易在局部造成严重的冲蚀缺陷,导致四通承压能力下降;在不同钻井工艺下,冲蚀速率峰值和流体速度峰值都随注气量和岩屑质量流量的增加而基本呈线性递增趋势,而与岩屑粒径成反比关系,四通出口压力对冲蚀速率的影响不大。因此,在实际钻井中应尽量减少钻杆的偏心作业,合理控制注气量、岩屑质量流量,以保证钻井作业的安全进行。     

颗粒尺寸对聚合釜内固-液两相流的影响

利用计算流体动力学方法对组合式搅拌器作用下聚合釜内固-液两相流的流场进行数值模拟。分析了不同固相颗粒粒径对液相速度分布、固相颗粒体积分数分布及搅拌功率的影响。数值模拟结果表明,颗粒粒径的变化对液相速度的影响较小,对釜内固相颗粒分布影响较大;颗粒粒径越大,聚合釜釜底固相颗粒沉积越明显,但颗粒体积分数增大会导致聚合釜釜内固相颗粒的分散更为均匀,颗粒粒径的改变对搅拌功率的影响不显著。研究结果可为聚合釜内固-液两相流的工程应用提供理论依据。     

无隔水管钻井泥浆举升系统管路特性计算与分析

无隔水管钻井技术使用海底泵举升系统将钻井液和岩屑通过返回管线泵送回海面钻井船,能解决深水钻井地层破裂导致的相关问题,在国外获得了广泛的应用.选用冥律流体沿程压力损失算法,确定了深水泥浆返回管路所需压头的计算方法;对影响管路特性的因素进行深入分析,得出系统的工作水深、钻井液密度和工作流量是设计泥浆举升系统最重要的参数;同时应充分考虑钻井过程中钻井液固相颗粒体积分数、流性指数和稠度系数变化带来的影响,为深水泥浆举升系统的设计提供了理论基础.     

气层中甲酸盐钻井液引起的地层伤害研究

一、前言 在过平衡钻井期间．如果钻井液固相没有维持合适的架桥作用就会侵入地层导致地层伤害,悬浮在钻井液中的固相颗粒侵入地层后会堵塞储层孔隙。在钻进砂岩地层时~,J--种能应用于高温高密度条件下的无伤害钻井液。研究发现甲酸盐基钻井液对地层伤害程度小、经济合理．该体系具备密度高固相含量低．耐高温,不与黏土反应等特性。     

���۳�ʴģ�͵Ľ�����Ӱ�����ط���

随着钻井技术的不断进步,井眼尺寸越来越小,井深不断增加,井径扩大的预测显得尤为重要。针对以往预测模型的不足,根据对钻井液引起井径扩大的原因的讨论,认为钻井液自身流体切应力引起井眼冲蚀的可能性并不大,而引起井径扩大的真正原因是钻井液中的固相颗粒对井壁的碰撞,因此提出了固相冲蚀井径扩大理论。文章建立了固相颗粒冲击井壁的物理数学模型,对模型进行求解,分析了影响冲击效果的因素。研究表明,钻井液中固相颗粒对井壁岩石的冲蚀作用具有选择性,固相颗粒对强度较大和颗粒较粗的井壁岩石冲击作用很弱,但对颗粒较小的砂岩和泥岩具有较强的冲蚀能力,并且冲击作用对颗粒大小非常敏感,随着井壁岩石颗粒直径的减小,冲击作用力将呈指数增加。这些结论对指导现场施工中的固控、泵排量标准等具有实际指导意义。     

水基钻井液固相分布与控制——以苏里格东部气井为例

为促进钻井现场水基钻井液的精细化控制程度、进一步提升安全高效钻井技术。以苏里格东部两口气井钻探现场的水基钻井液为研究对象，对其在钻进过程中的固相含量变化、固相粒径分布、钻井液含砂量以及固控设备的清除效率等开展了分析研究。结果表明，从延长组至马家沟组的钻进过程中，钻井液固相含量从4%～7%增长至9%～13%，伴随着钻井液密度的上升；粒径大于109μm(140目)的固相从63.05%降至35.5%，粒径小于74μm的固相从3.98%增长至12.73%，且固控设备难以降低其含量；钻井液含砂量控制在0.5%以内；在钻井液体系转化前后，沉砂罐和振动筛清除固相效率最高分别为43.31%～51.47%和45.38%～53.98%，而除砂除泥一体机的清除效率最低为5.31%～11.76%。这为钻井现场的高效固相控制与水基钻井液的精细优化提供了参考与借鉴。     

渤海超大位移井水平段裸眼延伸极限预测及影响因素分析

为解决渤海复杂地质条件下浅层超大位移井到底能打多远的问题,文中综合考虑岩屑、井筒环境、水化效应对井壁稳定性的影响,建立了海上超大位移井水平段裸眼延伸极限预测模型,分析了不同因素对水平段裸眼延伸极限的影响,并进行了因素敏感性和钻井方案优化措施分析。结果表明：考虑岩屑影响的水平段裸眼延伸极限明显小于不考虑岩屑影响的延伸极限;水平段裸眼延伸极限随破裂压力当量密度、钻井液稠度系数、钻杆转速、温度增量的增加而增大,随钻井液密度、钻井液流性指数、机械钻速、固相（岩屑）密度、固相体积分数、压力增量、水化应力的增加而减小,随钻井液排量的增大先增大后减小。敏感性分析结果表明,破裂压力当量密度、钻井液流性指数、钻井液稠度系数对延伸极限的影响较大。通过优化各参数取值,可改善钻井液性能,提高井筒清洁能力,合理控制钻进参数,从而延长超大位移井水平段裸眼延伸极限,为平台位置优选、井网布置、复杂结构井开发方式选择提供帮助。     

应急放喷工况井下管柱冲蚀行为研究

钻遇高产气层时,气体大量侵入井内,应急放喷施工使得井下管柱面临严重冲蚀。为分析大放喷量、高携砂率下井下管柱的冲蚀情况,开展了应急放喷工况井下管柱冲蚀行为研究。应用有限元法,利用ANSYS-Fluent数值模拟软件,针对钻杆水眼和钻杆-套管环空内的流场特性、颗粒轨迹和冲蚀行为开展了模拟分析,得到了日放喷量和日出砂量对冲蚀的影响规律。结果表明：当通过钻杆水眼放喷时,冲蚀薄弱点位于钻杆接头内壁缩径面;当通过环空放喷时,冲蚀薄弱点位于钻杆接头外壁迎风坡;从环空放喷时的冲蚀程度比从钻杆水眼放喷时更为严重。基于研究结果,建议通过钻杆水眼进行放喷,在放喷初期采用小排量放喷,待井筒内泥浆、岩屑和砂粒几乎放喷完后再增大放喷量,可有效降低管柱冲蚀。该研究成果为高压高产气井应急放喷施工方案的制订提供了依据。     

钻杆内螺纹接头纵向开裂机理及材料性能指标研究

近年来由于深井、定向井等逐渐增多，油气井钻井中钻杆内螺纹接头纵向开裂失效成为常发事故。大量失效分析发现钻杆内螺纹接头纵向开裂的裂纹源是外表面及螺纹表面的摩擦热裂纹、钳牙咬痕等各种损伤，这些裂纹以脆性断裂或应力腐蚀机理扩展。虽然裂纹源很难避免，但如果能够阻止裂纹的扩展，也能够防止钻杆内螺纹接头纵向开裂失效。应用钻杆失效评估技术研究表明，横向材料冲击功大于80 J将避免钻杆内螺纹接头纵向脆性开裂失效。对钻杆接头材料进行SSC试验，发现如果将材料硬度限制在HB310以内，将明显减少钻杆内螺纹接头纵向应力腐蚀开裂失效。失效案例统计数据验证了这些结果。建议有关标准规定钻杆内螺纹接头的横向材料冲击功，如可行同时限制材料的硬度，选用高性能钻具，以此提高钻具使用寿命，确保钻井速度。     

H-B流体在小井眼同心环空中轴向层流的运动规律

根据不可压缩粘性流体力学及非牛顿流体流变学的基本原理,推导出Herschel-Bulkley流体在小井眼同心环空(合钻杆管体环空、钻杆接头环空及钻铤环空)中轴向层流的运动规律,分别得出了流量、流速和压降的简化解析式,定义了钻杆接头(或钻铤)环空当量长度和压降增比,给出了算例,为小井眼钻井工程的水力设计计算提供了理论依据和实用方法。     

钻杆NC50内螺纹接头裂纹原因分析

为推广应用斜坡吊卡台肩钻杆，对某井钻杆内螺纹接头直角吊卡台肩部位断裂和裂纹事故进行了详细调查研究，并对一根内螺纹接头钻杆进行了失效分析。失效分析内容主要包括裂纹宏观分析和微观分析，钻杆接头材料化学成分、力学性能和金相组织试验分析，钻杆在钻井过程中受力条件分析等。通过失效分析，认为钻杆接头为早期疲劳失效，钻杆内螺纹接头直角吊卡台肩部位产生早期疲劳断裂和裂纹的原因是该部位结构尺寸不合理，应力集中严重。在钻井过程中钻柱会承受交变的拉伸、扭转、弯曲、震动等疲劳载荷，很容易在应力集中严重的内螺纹接头直角吊卡台肩部位产生疲劳断裂和裂纹。要从根本上防止钻杆接头断裂，建议采用斜坡吊卡台肩钻杆。     

某G105钻杆管体刺穿失效原因分析

针对某井G105钻杆管体刺穿失效问题,通过化学成分分析、力学性能测试、金相检测、扫描电镜（SEM）等手段,对该失效钻杆管体刺穿失效原因进行综合分析。结果表明,钻杆管体刺穿的主要原因是在交变载荷作用和Cl-作用下,钻杆外表面腐蚀坑底的裂纹萌生并加速扩展,当裂纹扩展穿透整个壁厚时,高压钻井液从内孔刺出,形成冲蚀,导致管体刺穿失效。最后指出,应加强对同批钻杆的无损探伤检验,避免带腐蚀疲劳微裂纹的钻杆下井使用。     

φ127塔标钻杆

为满足深井、超深井安全快速钻井的需要,塔里木油田研制了φ127mm塔标钻杆。该钻杆设计的是新型加厚过渡区结构,改善了应力分布,降低了应力集中系数,提高了钻杆防刺漏性能;加大了接头内径,降低了钻柱内压力损耗;提高了接头材料屈服强度和螺纹基面节径,增加了接头连接强度。该钻杆具有低循环压耗、高疲劳寿命的特点,对提高钻速、预防失效、提高水力破岩能力、延长钻头寿命有显著的作用,满足了塔里木油田超深复杂井强化钻井的需要。     

Ф101mm非标钻具及工具在苏里格气田的应用

鉴于API标准S135钢级Ф88.9和Ф101 mm钻杆均不能适应以深井、大位移井为主的苏里格气田的施工要求,推广应用了非标钻具进行施工。推广措施包括非标螺纹钻具设计和配套工具的改进。钻杆接头选用双台肩非API标准螺纹ST39,锥度为1∶12。将吊卡台肩上部开口直径改为127 mm,高度不变。方钻杆采用107.95 mm非标四方钻杆。现场应用结果表明,研制的Ф101mm非标钻具及配套工具管体和接头的抗拉、抗扭强度较API标准螺纹更加合理,更加符合长水平段水平井钻井施工要求。     

腐蚀引起钻柱刺漏的机理分析及预防措施

详细分析了腐蚀引起钻柱刺漏的机理，得知：造成钻柱刺漏的主要原因是空气中的O2、地层中的硫化氢和二氧化碳、钻井液残液、钻井液中的盐类对钻柱的腐蚀和钻井液对钻柱的冲蚀。针对引起钻柱刺漏的原因，制定了去除钻井液中的O2、监测钻井液腐蚀性并加入相应的添加剂去除CO2和H2S、定期对钻杆进行检测、对存放的钻杆进行防腐处理、使用厚过渡区改进型钻杆等措施。在苏丹某区块现场实践证明，采取这些措施，由腐蚀引起的钻柱刺漏事故大大减少，在该区块的T-1井和D-1井钻进的3个月中，仅发生一次钻柱刺漏事故。