气体钻水平井段环空岩屑床分布规律研究

目前关于气体钻水平井的理论研究大都集中在最小注气量的选择上,而对气体钻水平井水平段井筒内的岩屑床分布规律缺乏深入的理论研究。文章通过对气体钻水平井段气固流动特性的分析,应用气固两相流理论、扩散理论,建立了适合气体钻水平井水平井段三层流动的理论模型,即上层悬浮层、中间滑动床及底层岩屑固定床。根据现场某井数据进行了实例计算,计算结果表明,气体钻水平井在气速大于沉降速度时,水平井筒内的岩屑床为滑动床;滑动床的高度随着机械钻速的增高而增大,随着气速的增加、钻杆尺寸的增加而减小;相同条件下水平井段滑动床面积从趾端到根端逐渐降低。当气体返速小于沉降速度时则水平井筒内的流动为三层流动,滑动床、岩屑固定床的分布规律趋势与两层流动时大体相同。     

气体钻水平井气体携岩能力分析

气体钻井技术在国内外应用很广泛,它主要被用来提高机械钻速、发现油气层和解决井漏等问题.注气量是气体钻井中的关键参数,但是目前关于气体钻水平井注气量的计算仍是一个比较困难的问题,计算值与现场实际用值差距很大,给实际钻进带来了很多困难.对气体钻水平段的岩屑进行了受力分析,并应用散料力学和气体动力学,分析了不同岩屑堆积状态下不同井斜角、不同尺寸和不同摩擦系数时,岩屑堆积中边界岩屑起动对标准状况下气体速度的要求.认为不仅水平段钻柱贴近下井壁处岩屑携带困难,在大井斜角井段岩屑携带也很困难.该分析结果可为气体钻水平井有关流动计算提供理论参考.     

气体钻井地层动态出水量预测计算模型

气体钻井地层出水容易导致井眼清洁困难、井壁失稳等井下复杂问题。为了准确预测气体钻井打开水层过程中的地层动态出水量,综合考虑了非稳定渗流对地层压力分布的影响和水层被打开的程度,建立了气体钻井地层动态出水量定量预测计算模型。采用该模型的计算结果表明:1钻开水层的厚度小于井径、钻头进入水层但未完全钻穿水层、钻头部分钻穿水层而未完全脱离水层时,出水量主要受水层打开程度的控制,水层打开程度越高出水量越大,在钻头完全钻穿水层时出水量达到峰值,该时间段较短,出水量大,应当严密监测,以便在钻井过程中及早发现水层;2完全钻穿水层后,出水量主要受到地层非稳定渗流的影响,随着地层压力的衰减,地层出水量随之衰减,最终趋于稳定,该稳定值为气体钻井适用性地层筛选和转换钻井方式时机的参考值。现场随钻监测验证结果表明,井口返出气体的湿度变化规律与计算结果相吻合。结论认为,该模型能更真实地反映地层出水量的实际变化情况,为气体钻井适用性地层筛选和转换钻井方式时机提供了理论依据。     

气体钻井环空岩屑颗粒碰撞对井壁稳定性的影响

在气体钻井条件下,井壁失稳的可能性更大,其原因之一是由高速上返的气流携带的岩屑与井壁碰撞所引起的.在流体力学基础上,对气体钻井流体环空流动做了一定的简化,建立了气体钻井流体环空流动模型,推导出了固相颗粒在环空中的理论最大速度;建立了环空固相颗粒碰撞模型,得到了环空岩屑颗粒碰撞的最大剪切应力和最大静摩擦力;将由原地应力产生的应力与环空岩屑碰撞产生的最大剪切应力叠加而求得了井周应力,运用Mohr-Coulomb强度准则分析了气体钻井过程中井壁的稳定性.研究结果对选用气体钻井应用井段和预测井壁岩石的稳定性具有一定的指导意义.     

泡沫欠平衡钻井气液流量组合优选研究

泡沫欠平衡钻井过程中,气体、液体和固相岩屑混合在一起,沿井筒环空向上流动,属于典型的“气-液-固”多相流。为了保护储层,避免发生井壁失稳坍塌事故,在泡沫欠平衡钻井时,必须保证井底压力小于地层压力并高于地层坍塌压力,同时还要保证整个井段泡沫钻井液处于最佳泡沫质量区,以具有足够的携岩能力。针对工程施工实际情况,对井筒环空进行网格划分,利用欠平衡钻井井筒多相流模型分段求解井筒流态和流动压力,综合分析井底压力与注入气液流量组合的对应关系,从而将井底压力安全窗口转化为可直接控制的气液流量安全窗口,为安全施工提供依据。该研究成果在也门某区块泡沫欠平衡钻井中的钻井实效对比分析表明,该方法较为实用可靠。     

泡沫欠平衡钻井气液流量组合优选研究

泡沫欠平衡钻井过程中,气体、液体和固相岩屑混合在一起,沿井筒环空向上流动,属于典型的“气-液-固”多相流。为了保护储层,避免发生井壁失稳坍塌事故,在泡沫欠平衡钻井时,必须保证井底压力小于地层压力并高于地层坍塌压力,同时还要保证整个井段泡沫钻井液处于最佳泡沫质量区,以具有足够的携岩能力。针对工程施工实际情况,对井筒环空进行网格划分,利用欠平衡钻井井筒多相流模型分段求解井筒流态和流动压力,综合分析井底压力与注入气液流量组合的对应关系,从而将井底压力安全窗口转化为可直接控制的气液流量安全窗口,为安全施工提供依据。该研究成果在也门某区块泡沫欠平衡钻井中的钻井实效对比分析表明,该方法较为实用可靠。     

基于漂移流动模型的水平井岩屑床高度瞬态计算新方法

水平井已成为常规和非常规油气资源开采的常用井型,但水平井钻井过程中造斜段与水平段环空极易堆积形成岩屑床,为避免岩屑床沉积所导致的埋钻、卡钻事故,需要对环空中的岩屑床高度进行实时准确预测。为此,基于漂移流动模型建立了环空固液两相瞬态运移模型,应用基于交错网格的有限体积法对环空进行离散化,并采用投影方法进行数值求解。研究结果表明：(1)投影方法可以应用于环空固液两相流瞬态计算当中,且求解效率高于传统的压力—速度耦合算法;(2)岩屑进入环空后,首先在钻头处形成稳定岩屑床并逐渐向出口方向延伸,由于岩屑运移所产生的阻力远高于钻井液流动阻力,岩屑体积分数较高的井段环空压耗大幅增加;(3)环空中形成稳定岩屑床的时间主要受排量影响,低环空排量形成稳定岩屑床的时间较高环空排量所需时间更长;(4)通过与稳态岩屑床高度模型进行对比,所建立模型可满足实钻过程中的工程需要,且准确性可靠。结论认为,建立的模型用于预测大斜度井段岩屑床瞬态高度,计算效率较高,能够为水平井岩屑床高效清除与卡钻事故风险预测提供一定的理论指导。     

华北ND1区块气体钻井地层适应性评价

华北地区ND1区块ND101井中深部古近系沙河街组首次采用气体钻井提速,因井壁失稳、地层流体产出及井下燃爆等一系列的难点,严重阻碍了该区块气体钻井的实施。为此,基于气体钻井理论并与现场实践相结合,建立了一套有效的气体钻井适应性评价分析体系,包括气体钻地层井壁稳定评价和产出地层流体影响评价。通过评价产出地层流体对气体钻井壁坍塌、井下燃爆的影响,得到了3个方面重要认识：①快速产出的储层气体降低了近井壁地层孔隙压力,对气体钻井壁稳定更有利,因而,适当提高注气量可保障沙河街组氮气钻井有效进行;②修正的气体钻井井壁稳定分析模型提高了地层产水条件下坍塌压力当量密度预测的精度,可作为合理筛选该地区中下部地层气体钻井井段的依据;③采用邻井测井资料估算地层出水量并计算不同产水量下立管压力的方法,可确定维持气体钻井在一定湿度范围内的相应注气量参数,实钻中可根据立管压力、排砂管线湿度变化判断井下地层出水、出油及井壁干燥情况,及时调整或改变钻井措施。     

水平井段内不同丰度天然气水合物固相颗粒的运移规律

在采用水平井对不同丰度天然气水合物(以下简称水合物)层进行钻进的过程中,含水合物的固相岩屑容易导致水平段固相颗粒沉积或黏附聚并,从而造成携岩不畅。为此,依据水平井多相流条件下的岩屑受力与运移规律及颗粒运移理论,建立了考虑水合物凝聚力条件下水平段岩屑滚动(正常钻进)和跃移(停泵沉砂)时钻井液临界返速模型并进行了数值模拟,分析了正常钻进和停泵条件下钻屑起动的影响因素和运移规律。结果表明:(1)起动临界流速随水合物丰度的增大而降低,该值在考虑水合物凝聚力条件下比不考虑该条件下要高,且水合物丰度越高水合物凝聚力的影响越明显;(2)水合物丰度小于85%时,起动临界流速随钻屑颗粒粒径的增大而增大,水合物丰度超过85%后,起动临界流速随钻屑颗粒粒径的增大而减小;(3)起动临界流速随钻井液密度、黏度的增大而减小;(4)相同条件下跃移所需临界返速约为滚动条件的1.28倍。结论认为,正常钻进条件下应考虑滚动模型,而停泵沉砂后再循环应考虑跃移模型的工艺思路,该成果对于优化水合物钻井施工参数以及降低钻井安全风险均具有重要意义。     

涠洲油田随钻井壁修整工艺的应用

海上油气田的开发以丛式井台的定向井为主,受地层非均质性、井眼清洁等条件限制,定向钻进中易产生不规则井壁,大斜度井易形成岩屑床等,导致起下钻阻卡、套管下入困难等问题。为此,在扶正翼上敷焊PDC切削齿,增加划眼和破坏岩屑床功能,形成随钻修整井壁的划眼器,改善井眼质量,进而实现钻井效率的提升。南海西部涠洲油田的现场应用表明,该工艺能够有效清刮渗透性砂岩井壁的厚泥饼、修整PDC钻头在软硬交错地层形成的不规则井壁,破坏大斜度井的岩屑床,减少短起下钻及通井次数,从而提高钻井效率。     

胜利油田研制成功空气可循环泡沫钻井液

在空气钻井的过程中，若地层出水，会把空气钻井形成的粉尘凝结，糊在井壁上，造成扭矩增加、局部过热、井壁岩石出现裂缝，吸水膨胀后造成井壁坍塌或卡钻，不得不改用常规钻井液进行钻进，从而大大降低钻井速度。为此，胜利油田研制出了空气可循环泡沫钻井液。其原理是利用发泡剂和高压空气产生均匀高速的泡沫到井下，携带岩屑和地层水回到地面，避免了岩屑凝结和井壁吸水膨胀导致的卡钻事故。     

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。     

大位移井岩屑床危害及处理措施研究

在钻井过程中钻头破碎岩石所产生的大小、形状各异的岩屑颗粒堆积在井底,如不及时清理将会使钻头重复破碎,影响钻井速度,增加钻井成本。在大斜度、大位移井中,钻头破碎的岩屑易在井中形成岩屑床,导致钻井过程蹩泵、蹩钻甚至卡钻,因此,井眼净化是钻大斜度井的关键技术。在分析岩屑床的成因及危害的基础上,分析了井斜角、环空返速、钻井液性能、钻井液流态、钻具旋转等因素对携带岩屑效果的影响,提出了一些有效预防和解决高难度定向井携岩问题的办法和措施,指出最有效的方法应是适当地利用大排量、改善钻井液性能和借助岩屑床清除工具等相结合的综合措施除岩。     

徐深气田空气钻井转换雾化钻井最佳时机确定

针对空气钻井地层出水后，岩屑易形成泥环造成环空循环不畅等问题，需要确定转化为雾化钻井的时机，开展了临界地层出水量及最佳转化时机研究与试验。通过使用烘干的采集于空气钻井不同层位的岩样，开展了气体雾化水、岩屑吸水、岩心吸水及岩屑吸水形态变化地面试验，得到了岩屑吸水后形态变化情况，得出岩屑聚团是气体钻井出水后危险的状态。同时以空气钻井裸眼段长度1 000 m为例，经过对试验数据分析，当排砂管线内有自由水出现，地层出水量为0.51 m3/h时，空气钻井应及时转换成雾化钻井。现场试验表明，通过试验手段得到空气钻井转化成雾化钻井转化时机能够有效地指导徐深气田空气钻井安全施工。     

水平井岩屑录井的影响因素及对策

由于岩屑沉积床的形成、井壁坍塌和井眼不规则、岩屑多次破碎、钻时资料失真及混油钻井液污染等因素影响，水平井的岩屑比普通直井更混杂、更细碎，代表性也更差，岩屑中的油气显示真假难辨。通过加密实测迟到时间，参考钻井参数及DC指数可以对岩屑进行较准确地分层、描述，采用多次荧光滴照、四氯化碳浸泡、气测资料分析等方法，能够有效地区分真假油气显示。     

钻井岩屑床搅拌器

本发明涉及一种钻井岩屑床搅拌器，它是一个带有贯通孔的圆柱状体，其端接头带公扣，另一端为母扣，该搅拌器内孔壁表面呈连续的圆弧、直线、抛物线状，外体带有螺旋翼片，搅拌器外径与井壁内径之差为10～35mm之间。该装置在大位移或大斜度井的钻井中，可防止井内因岩屑沉积在井眼低部形成岩屑床，出现卡钻、停钻现象，并克服了因岩屑造成井眼缩径的问题，因而使用该项工具大大改善了钻井过程中岩屑的悬浮状态，防止其沉积而影响钻进。本实用新型结构简单、使用方便，使用中只需接于钻杆之间便可将钻井液中岩屑顺利排出地面。     

埕岛油田埕北1区钻井液工艺

埕岛油田埕北1区由于注水量偏大造成下部地层压力系数偏低，钻井中常引起长裸眼井段反复划眼、卡钻，甚至井眼报废等复杂事故。介绍了该地区不同井段的钻井液配方、维护处理措施以及斜井段岩屑床的控制方法。该井复配使用K－PHP和PAC－141，控制pH值为8．0－8．5，有效地稳定平原组、明化镇组井壁，减少井眼缩径、钻头泥包现象的发生；保证钻井液具有“低粘度、低密度、低切力和适当的滤失量”性能；严格控制钻井液固相含量小于7％，含砂量小于0．3％；通过在条件允许的情况下调整环空返速为0．85－1．10m/s，提高钻井液的动切力、塑性粘度，在定向钻进阶段定时、定井段进行短程起下钻，用起钻前充分循环、起下钻分段循环钻井液的方法破坏岩屑床的形成，达到净化井眼、稳定井壁的目的。应用结果表明，该钻井液体系抑制页岩膨胀、防塌、携岩能力强，井眼净化、井壁稳定等性能均满足该地区不同井段施工要求，并具备无毒、无害、无污染、无荧光特点，在具有好润滑性的同时，满足海上环境保护的要求。     

非直井气体钻井岩屑起动的临界流速

注气量作为气体钻井的关键参数,直接关系到现场钻井的成败。目前用于气体钻井的注气量计算方法均是基于垂直井眼得到的,对于水平井、大斜度井的情况并不适用,从而给气体钻井在水平井、大斜度井的应用造成很大困难。在分析岩屑颗粒运动方式的基拙上,假设岩屑颗粒沉积在下井壁,注入气体后对岩屑颗粒进行受力分析,得到不同井斜角情况下岩屑颗粒起动所需的临界流速模型。以此速度作为气体的最小流速,从而得到最小注气量。分析认为,在井斜角为60700的情况下,岩屑颗粒起动所需气体速度最大;大粒径岩屑对注气量要求很高,实际钻井过程中应采用适当方法减少大粒径岩屑的数量     

大位移井岩屑清洁工具仿真分析

在进行大位移井钻井时,岩屑不易清除,出现卡钻、机械钻速低等问题。针对大斜度、大位移井的特点,应用有限元软件对钻杆周围岩屑床的流动特性和力学性能进行模拟,并对比“V”型和螺旋型岩屑床清洁工具性能。结果表明:螺旋型工具的岩屑清理效能比“V”型工具降低了14%,而岩屑最大环空返速提高了11.9%; 两种清洁工具在受到相同外力下,“V”型工具的安全系数为螺旋型工具的1.28～1.64倍。此模拟研究为工具选型和研制提供参考。     

气体钻井后井筒预处理井壁稳定技术

气体钻井技术在提高川东北地区陆相地层钻速、有效防止地层漏失等方面作用显著，但实践过程中存在气体钻井后气液转化过程中的井壁失稳等问题。分析了川东北地区气体钻井后井壁垮塌的原因，探讨了疏水性处理剂对地层岩石表面润湿特性的改变机理，进行了润湿反转剂配方优选和室内试验研究。在川东北地区的多口井进行现场应用后，井壁稳定性明显好转，气液转换时间缩短，初步形成了适合川东北陆相地层地质特点的气液转换井壁稳定技术。试验表明，井筒预处理技术可以提高气液转换施工过程中的井壁稳定性，有效避免泥页岩地层快速吸水失稳垮塌后井下复杂情况发生。