水平井中利用钻柱旋转作用清除岩屑床的数值模拟

岩屑床清除困难是大斜度、大位移定向井和水平井钻井普遍存在的问题。除环空钻井液返速、钻井液密度外,钻柱的旋转作用是清除岩屑床的一个重要因素。采用计算流体动力学(CFD)仿真模拟技术对钻柱旋转作用下的钻井液流动特性进行了研究,从速度场、流线图、压力场方面对模拟结果进行了分析,结果表明:在钻柱旋转的作用下,钻井液在靠近低边小环空处的轴向速度和切向速度都随着钻柱转速的提高而增大;切向速度的增大有利于将沉积在井眼低边的岩屑带入大环空,而大环空处较大的轴向速度则将更多的岩屑带出井眼。同时,存在一个临界速度,当转速超过这一速度时,旋转作用对岩屑床清除的影响程度将降低。     

“两速”对大斜度井井眼净化的影响

井眼净化,是大斜度井的关键技术之一。大斜度井中,岩屑床是制约井眼净化的关键性因素。影响井眼净化的因素除井眼几何特性、钻井液流变性、岩屑特征等外,钻柱转动速度和环空钻井液的返速也是影响岩屑床生成和清除的关键因素,同时这两个因素相互关联共同对井眼净化作出贡献。更重要的是这两个因素在钻进过程中可得到快速控制,具有立竿见影的效果,明确这"两速"对井眼净化的机理及合理控制这两个因素,对井眼净化具有重要意义。通过对钻柱转动和环空返速大小对岩屑运移和岩屑床的清除的机理分析,结合实践得出大斜度、大位移井中最佳钻柱转速和环空返速的经验值,便于施工中岩屑的有效携带,达到高效井眼净化的目的。     

"两速"对大斜度井井眼净化的影响

井眼净化,是大斜度井的关键技术之一;大斜度井中,岩屑床是制约井眼净化的关键性因素。影响井眼净化的因素除井眼几何特性、钻井液流变性、岩屑特征等外,钻柱转动速度和环空钻井液的返速也是影响岩屑床生成和清除的关键因素,同时这两个因素相互关联共同对井眼净化作出贡献。更重要的是这两个因素在钻进过程中可得到快速控制,具有立竿见影的效果,明确这“两速”对井眼净化的机理及合理控制这两个因素,对井眼净化具有重要意义。文章通过对钻柱转动和环空返速大小对岩屑运移和岩屑床的清除的机理分析,结合实践得出大斜度、大位移井中最佳钻柱转速和环空返速的经验值,便于施工中岩屑的有效携带,达到高效井眼净化的目的。     

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。     

一种用于大斜度大位移井岩屑床清洁的新装置

大斜度大位移井岩屑易在井眼井斜段中沉积，形成岩屑床，导致蹩泵、蹩钻或卡钻，甚至造成井下事故。在分析岩屑床的形成及危害的基础上，对岩屑床的清除办法进行了探讨，并设计出了一种新型岩屑床清洁装置。该装置能有效地解决大斜度大位移井岩屑床的清洁问题，提高钻井效率，优化钻井工程设计，为实现安全快速钻进提供了新的途径。     

钻杆旋转影响大斜度井段岩屑分布的数值模拟

为了研究钻杆旋转对复杂结构井大斜度井段环空岩屑分布状态的影响规律和钻井液-岩屑两相流动压降的变化规律,应用三维建模软件建立了复杂结构井大斜度井段物理模型,应用CFD动网格运动模型模拟钻杆在环空的旋转效果,流动域内采用Realizable涡黏模型近似求解钻井液-岩屑两相纳维-斯托克斯方程。模拟结果显示,钻杆旋转作用使岩屑沿井眼周向呈非对称状分布,钻杆旋转能够提高钻井液对岩屑沿切向的拖曳程度,显著提高了井眼清洁效果。根据CFD数值模拟结果,应用最小二乘法,结合Buckingham-π定理,建立了岩屑床比面积模型和环空压降计算模型。     

南海流花超大位移井井眼净化技术

为适时监测井眼环空净化状况,结合国内外最新研究成果,建立了一套大位移井井眼净化监测和计算方法。该方法可将立管压力转换为循环钻井液当量密度(ECD),做出实测ECD曲线、理论环空无岩屑床ECD曲线和理论环空存在一定厚度岩屑床ECD曲线,通过对比分析,实现对环空井眼清洁程度进行监测,并对环空平均岩屑床厚度进行定量评价。利用该方法对南海Liuhua 11-1-17 B3ERW 4井进行了计算分析,研究结果与实际情况相吻合。计算结果表明,在整个钻进过程中不同井段均有岩屑床形成,其中?444.5 mm(特别是井斜角大于45°)的井段,所形成的岩屑床高度均为最高,是大位移井中携岩最困难的井段。该计算方法简单实用,可以对环空岩屑床的形成进行监测,并能给出环空平均岩屑床高度的范围,为现场施工提供指导。     

再论大斜度定向井的井眼净化问题

从天62-4井井斜角41°～43°井段井眼净化不好引发起钻遇卡、憋泵及消除这一井下复杂情况的实例出发,引申论述定向井及水平井的大井斜角井段井眼不清洁的危害、岩屑床形成的原因及其影响因素,介绍清除岩屑床、提高井眼净化程度的途径,并警示井斜角30°～60°的斜井段是井眼净化危险区;岩屑床形成容易清除较难,预防形成岩屑床需从多方设法,清除岩屑床则需积极主动对待。建议重新定义大斜度定向井,推荐大井斜角井段井眼达净化程度的指标,推荐“融钻进与清除岩屑床为一体”的作业工艺。     

用旋转导向钻井系统钻大位移井

在用滑动导向系统钻大位移井时,随着位移及井深的不断增大,由于上部钻柱不旋转,会引起摩阻和扭矩过大、方位漂移失控、井眼清洗不良等问题。计算和实践表明,用滑动导向系统进行钻井时,大位移井的极限延伸能力受到了限制。文中对用旋转导向系统钻大位移井进行了方案性研究,设计了相应的可遥控和井下自动控制的旋转导向工具RSDS,并对旋转导向的机理进行了理论研究。所设计的旋转导向工具以钻井液为动力,充分利用了钻井液的冷却作用,具有较好的工作可靠性,结构简单。用旋转导向系统RSDS进行大位移井钻井,可望相当准确的控制井眼轨迹,大幅度减少钻柱所受的摩阻和扭矩,显著改善井眼的清洁状况。     

大位移井井眼清洁监测技术在大港油田的应用

随着大位移井及复杂结构井钻井技术的不断发展,井眼清洁及监测技术面临着新的困难和挑战。如何监测复杂地质条件、复杂井型条件下的岩屑运移状况,预测岩屑成床时间,帮助判断、处理井下复杂情况是现场迫切需要解决的问题。基于环空岩屑运移规律及岩屑床成床机理,采用岩屑运移多层模型,根据岩屑对环空压耗的影响以及环空压耗与循环钻井液当量密度的转换关系,建立了适合工程中监测井眼清洁状况的ECD曲线。并应用该技术对大港油区ES-H6井进行分析和指导。实例分析表明,ECD曲线是衡量井眼清洁与否的重要标准,应控制ECD曲线在合理的范围之内。另外,ECD主要与环空载荷、环空返速、钻井液性能等因素有关,对钻井液性能以及钻杆钻速的合理控制有利于大位移井的井眼清洁。     

复杂结构井井眼清洁技术研究进展

复杂结构井在海洋油气田、老油田和低渗透油气田开发中应用广泛,但该井型的大斜度井段和水平井段易出现井眼清洁问题,造成卡钻等事故,从而影响机械钻速和井下安全,制约了复杂结构井技术的发展。文中分别从井眼清洁的主要影响因素、数学模型及岩屑床清洁工具等方面,对井眼清洁技术进行了系统综述。通过分析井眼清洁的主要影响因素,结果表明,井斜角在30~60°时岩屑床最难清除,增加环空流速、钻杆转速和调整钻井液性能,可在一定程度上提高井眼清洁效果。此外,分析了描述岩屑运移规律的经验模型、分层理论模型及岩屑床清除工具,并对未来井眼清洁数学模型和井眼清洁技术发展趋势进行展望,为今后深入研究井眼清洁问题提供了参考。     

古巴油气井钻井过程中常见问题及处理方案

由于古巴地层复杂，井型基本都是大位移水平井，油气井开发钻进过程难度较大。受地质条件影响，古巴大位移水平井的开发在井壁稳定、井眼清洁、管柱受力和钻井液的处理方面都存在其特殊性。以开发GUA-101井为例，针对这些问题进行逐一分析，并提出了解决方案。该井断层裂隙多，漏失严重，井壁容易掉块坍塌，岩屑在自重作用下下沉到下井壁，形成严重的堆积，堵塞井眼，造成恶性卡钻。管柱的摩阻扭矩大，重晶石沉淀严重。在施工过程中，通过及时检查并调整钻井液性能；使用短起下钻，控制速度；增大钻头水眼，进一步提高钻井液排量；合理地使用钻具，采取旋转井内钻具等措施圆满解决了以上问题，为以后开发相同类型的油井提供了实践基础和技术参考。     

连续油管钻水平井岩屑运移规律数值模拟

连续油管钻水平井过程中,井底岩屑在重力作用下容易沉积在井壁下侧,形成岩屑床;连续油管又受到排量小、钻柱无法旋转等因素限制,造成井眼净化效率较低。针对这一问题,在欧拉坐标系下考虑相间滑移速度和颗粒流的影响,建立了微小井眼水平井岩屑运移的混合物漂移模型,采用Realize κ-ε湍流模式及SIMPLEC算法进行数值计算,研究了钻井液排量、环空偏心度、岩屑直径、井斜角和钻井液黏度等参数对偏心环空岩屑运移的影响,得到了各种条件下环空岩屑速度和浓度的分布规律。研究表明:随着钻井液排量增大、环空偏心度减小、岩屑直径减小、井斜角减小及钻井液黏度提高,连续油管水平井岩屑运移效率提高。      

水平井和斜井井眼清洁技术研究进展及展望

水平井钻井技术的进步有利于开发常规和非常规油气储层,然而,与水平段岩屑清除相关的井筒的不稳定性和井眼清洁困难严重制约了钻井生产。井筒岩屑清除效率低下会导致摩阻和扭矩增加、管道卡住,严重时可导致井漏等钻井事故。首先,分别从井眼清洁机理和井眼清洁主要影响因素（钻井液流变性、钻具转速、井角、岩屑尺寸、钻井液密度和流速等）分析综述了水平井和斜井岩屑沉积的成因和适用于现场生产的技术参数。其次,针对水平井和斜井井眼清洁困难分别从国内外钻井液技术和井眼清洁工具两个方面阐述了岩屑清除方法与机理。最后,对水平井和斜井井眼清洁发展方向进行了展望,为未来井眼清洁技术提供了参考。     

水平井、大位移井井眼净化技术研究

水平井、大位移井井眼净化已成为影响勘探与开发速度的关键因素,是目前亟待解决的重大技术问题。鉴于此,对影响水平井、大位移井井眼净化的因素,即钻杆偏心度、环空返速、转速、钻井液性能等方面进行了详细分析,并对近年来国内外水平井、大位移井井眼净化新技术进行了分类归纳总结,从实时监控调节设备参数、井眼净化机械设备以及携屑剂等方面进行了介绍,其中,携屑剂涉及加重携屑剂、高粘度携屑剂、纤维携屑剂、岩屑包裹剂以及浮选携屑剂等。以上井眼净化新技术对于保证安全钻井、提高钻井速度、缩短钻井周期及加快油气资源勘探开发进程具有一定的理论意义和实用价值。     

大位移井井眼清洁计算精度提升探索及实践

中海油利用e-Drilling软件进行井眼清洁实时模拟,该软件计算结果误差较大。为提高井眼清洁计算精度,开展井眼清洁计算新方法探索。通过环空岩屑颗粒悬浮所需临界流速、环空钻井液流动速度计算,将临界流速和钻井液流速进行对比,以此确定岩屑床的厚度,进而计算环空岩屑浓度及井筒ECD（当量循环密度）。利用新方法对A区域两口大位移井进行计算,并和e-Drilling软件计算结果以及实测ECD值进行对比,结果显示新方法计算精度提升明显。通过实际应用可以看出,该方法具有较高的技术价值。     

大位移延伸井钻井液关键技术探讨

埕北21－平1井是胜利油田为探索大位移井施工经验钻的一口先导井，完钻井深为4837．4m，水平位移为3167．4m，钻井施工中使用BPS－硅聚润滑防卡钻井液，该钻井液良好的流变性能，悬浮携岩特性，润滑性和稳定井眼的能力是该井钻探成功的关键，实践和理论分析证明，大位移延伸井必须选用抑制性强，流变性易调节的钻井液，在小排量，低返速的限制条件下，通过对动切力，塑性粘度，静切力，动塑比，φ3和φ6读数等钻井液流变参数的优化，完全可以解决大位移延伸井的井眼清洁问题，通过调节水基钻井液润滑性能，完全可以满足大位移延伸井施工对摩阻，扭矩的技术要求。