射流磨钻头流场特性及其外排屑槽影响的数值模拟

在油气田开发中,水平井钻进时携岩困难、托压严重、机械钻速慢等问题严重影响生产效益。射流磨钻头既能降低井底压差实现欠平衡提速,又能粉碎岩屑实现岩屑悬浮运移,为水平井安全高效钻井作业提供技术支撑。研究基于计算流体力学方法,建立了射流磨钻头流场的数值仿真,并采用标准k-ε双方程模型对其流场特性及其外排屑槽尺寸的影响进行了模拟研究。结果表明,无外排屑槽时射流磨钻头的降压效果最好,井底低压区和中压区呈现一降一升的趋势;井底压力沿钻头直径方向分布极不均匀,高压与低压交错出现;在开外部排屑槽的情况下,内排屑孔的总体积流量占比达100%以上,随单个外排屑槽宽度的增大,内排屑孔的总体积流量占比增加,且外排屑槽存在钻井液回流的现象,回流体积流量占比4%以内。研究结果为射流磨钻头的优化设计与应用提供理论依据。     

超临界二氧化碳在水平井钻井中的携岩规律研究

为弄清以超临界二氧化碳为钻井流体钻进水平井时的携岩机理,基于DPM模型,采用数值模拟方法对用超临界二氧化碳钻进水平井时的携岩规律进行了分析。数值模拟结果显示:水平井段环空中岩屑颗粒是分层移动的,随着岩屑向出口运移,岩屑会逐渐向水平井段下部沉降;随着排量和压力的增大、环空间隙的减小,超临界二氧化碳的携岩性能逐渐增强;而随着环空温度升高和岩屑粒径的增大,其携岩性能逐渐减弱。研究结果可为应用超临界二氧化碳钻进的水平井钻井设计提供参考。      

转速对轴流式PDC钻头井底流场影响

PDC钻头在钻进深井过程中,由于钻井液上返速度慢及井底压力大,使得井底岩屑难以上返,从而堆积在井底形成泥包,对钻进效率产生极大影响。为了提升钻进效率,基于轴流泵原理,在PDC钻头保径向上10 mm处设计了轴流泵叶片。该叶片随钻头旋转,给予井底流体向上升力,增加井底钻井液上返速度,降低井底压力。使用Fluent DPM模型对轴流式PDC钻头的井底流场进行数值模拟分析,结果为：随着钻头转速增加,(1)井底射流区、漫流区和上返区钻井液流速增加,出口区域流速也增加;(2)井底压力逐渐减小,刀翼切削处压力逐渐增大,钻头在井底的切向力变化较弱;(3)井底颗粒质量浓度、保径区域颗粒质量浓度和上返区域颗粒质量浓度逐渐降低。     

喷射钻井井底流场研究取得新成果

利用流体力学的理论和试验方法,研究喷射钻井井底流场,研究钻头喷嘴的组合和分布方案,以获得最好的井底岩屑清除效果,可以提高钻井速度。西南石油学院建立了全尺寸井底流场台架试验装置,采用贴线观察、井底岩面压力场、排屑量等多种试验研究方法,开展了喷射钻井井底流场的研究,取得了一些新成果。     

岩屑床清除器设计及其流场仿真研究

为了全面、准确地了解岩屑床清除器对钻井液流场的影响,应用CFD软件对其流场的速度、压力及液流运动迹线进行数值模拟研究。研究结果表明,V形槽可使流场速度矢量呈旋流分布,进口速度在很短的轴向行程内增加了1倍左右,尤其是工具靠近岩屑床的底边速度增加得最快,这大大增加了岩屑床清除器周围流场的湍流强度,使流体携岩和清岩能力迅速增强;工具靠近岩屑床的底边压力损失最大,工具的高边压降较小,计算结果符合已知的井下管流压力分布情况;V形槽中的流体在沿V形槽运动的同时还产生一定的旋流,且外围流体在V形槽的影响下也都产生不同程度的旋流,这对岩屑的携带、清除极为有利。     

欠平衡钻水平井岩屑运移可视化实验

随着我国薄层低压油气藏的开发需求,充气欠平衡钻水平井技术成为国内外钻井界关注的热点,井眼净化不畅造成钻具摩阻扭矩的增大严重制约着水平井眼的延伸能力,气液固复杂多相流动,特别是认识固相运移规律是欠平衡条件下岩屑运移的核心内容。为此,在分析水平井与直井多相流条件下的岩屑受力与运移规律异同的基础上,根据气液固流动机理以及大平面沙丘颗粒运移理论,利用大型多相流实验台架开展了水平井段岩屑运移可视化实验,研究岩屑受力、运移形式及动态运移规律,获得了井眼净化注液量、注气量、液体流速、岩屑浓度等数据,进而对比找到了模拟携岩临界速度与实测携岩临界速度的误差,用实测速度修正了水平井井筒携岩临界速度预测数学模型,研究出了能够满足现场施工设计需要的钻进和循环工况的携岩速度模型和岩屑动态运移规律,对于优化钻井施工参数以及降低钻井安全风险均有重要意义。     

入口颗粒浓度对旋风分离器压力降影响的实验分析

旋风分离器的入口气流颗粒浓度对旋风分离器的压力降有重要影响。在入口气流颗粒质量浓度5~550 g/m3范围内,对蜗壳式旋风分离器的压力降进行了实验分析。结果表明,随着入口颗粒浓度的增加,旋风分离器的压力降逐渐降低,尤其是开始阶段,降幅明显。除旋风分离器的入口部分压力损失外,旋风分离器的压力降主要由气、固两相流与器壁之间的摩擦损失和气、固两相流的旋转损失两部分构成,前者与入口气流速度有关,后者与旋转速度有关。随着入口颗粒浓度的增加,摩擦损失部分增加,但旋风分离器内的气、固两相流的旋转速度降低,旋转损失部分降低,综合结果是旋风分离器的总压力降降低。旋风分离器的压力降变化也使管路系统压力分布发生变化,导致入口流量发生变化,加入颗粒后通过旋风分离器的流量相对纯气相时的流量明显增加。最后,给出了入口气流颗粒浓度对旋风分离器压力降影响的计算方法。计算中考虑了加入颗粒后对切向速度的衰减作用,适用于高入口颗粒浓度的工况。     

气体钻井井口装置冲蚀规律研究及优化配置

针对气体钻井中携岩气固两相流对井口装置中多功能四通造成的严重冲蚀问题,提出在原配置基础上加装排砂四通的井口优化配置方案。在结合气-固两相流和冲蚀理论,应用耦合运算模型对原配置下多功能四通的冲蚀情况进行仿真计算,并与实际检测的冲蚀情况吻合较好的基本上,利用该模型研究两种配置在放喷工况
下所用四通受放喷量、旁通出口压力、岩屑质量流量以及岩屑粒径大小影响的最大冲蚀速率和最大流体速度变化规律。研究表明,多功能四通和排砂四通内最大冲蚀速率都随放喷量和岩屑质量流量的增大而增大,随旁通出口压力和岩屑粒径的增大而减小;而最大流体速度都随放喷量增大而增大,随出口压力的增大而递减,受岩屑质量流量和岩屑粒径的影响基本不大。而优化后的配置相比原配置能大幅降低井口装置内的最大冲蚀速率和最大流体速度,可有效降低冲蚀风险,避免冲蚀破坏,提高井口装置整体的使用安全和工作寿命。     

基于DPM模型的PDC钻头井底岩屑黏附规律研究

为提高页岩气钻井效率、减少钻头泥包,根据现场常用PDC钻头建立三维流域模型,将岩屑模拟为从井底面射入流场的球状颗粒,用拉格朗日粒子追踪法描述固相,将钻头体DPM边界条件设置为捕获,以岩屑颗粒捕获率作为反映泥包可能性的评价参数,结合井底流场结构特点,模拟分析了岩屑输运与黏附规律。数值模拟结果表明,井底岩屑输运时沿程存在碰撞与反弹的不规则三维运动,这导致部分岩屑黏附到钻头体表面;对于不同尺寸的岩屑颗粒,各刀翼和排屑槽的岩屑颗粒捕获率Ra呈类似的变化规律,当岩屑粒径为10 mm时Ra最大,当粒径小于1 mm时,Ra较小且变化不大。岩屑容易发生黏附的情况为:流通面积较小处,流场异常复杂、三维特性明显处及存在大面积的涡旋处,涡旋导致流线偏向钻头体。增大排屑槽最小流通面积,提高切削齿附近流速,减小涡旋数量和强度,有利于预防和减少钻头泥包。     

管内转向径向水平井携岩规律数值模拟

为了对管内转向径向水平井携岩规律进行研究,根据流体力学理论建立了管内转向径向水平井携岩过程的数学模型和物理模型,采用数值模拟方法研究了流量、钻速和井径等参数取不同值时,环空截面混合流体速度分布规律和岩屑体积分数分布规律。分析结果表明,随着流量的增大,混合流体紊流强度增强,悬浮层内岩屑体积分数增大,固定床层内岩屑体积分数减小,岩屑床总高度降低,偏心环空内高速流核区范围增大;随着井径的扩大,岩屑在偏心环空上的非均匀性增强,偏心环空底部岩屑床高度增加,偏心环空中高速流核区减小,零速度区范围逐渐增大,混合流体平均流速减小。     

水平井PDC钻头井下颗粒流数值模拟研究

针对深层页岩气水平井钻探过程中,岩屑运移效率低导致钻头泥包的问题,采用CFDDEM耦合方法,对水平井PDC钻头井底流场进行数值模拟。研究了不同条件下井底流场岩屑运移情况,提出用岩屑滞留量和岩屑运移比来评价PDC钻头井底流场的携岩性能。研究结果表明:在井底PDC钻头区域,钻井液排量越小,岩屑在钻头心部区域的窜流越明显;钻井液的窜流与流量大小无关,主要与钻头水力结构有关;在环空区域,钻井液排量越小,重力作用越明显,重力是井底出现岩屑床的主要因素;旋转体力可使岩屑从低速流层跃迁到高速流层,从而获取轴向运移动能,随高速钻井液排向出口;钻井液排量和旋转均会影响岩屑滞留量和岩屑运移比。研究结果可为后续水平井PDC钻头携岩问题研究提供参考。     

在水平井模拟条件下泡沫钻井液的携岩机理实验研究

本文在模拟井底条件下研究了泡沫在水平环空中的携岩能力.就聚合物处理剂、泡沫质量、流动速度、温度和压力等因素对泡沫携岩能力的影响进行了详细深入研究.实验是在全尺寸的流动环空中进行,其实验管长为73 ft(5.76 in×3.5 in的同心环空),改变温度(80～170 ℉)和压力(100～400 psi),考察其携岩能力的变化.使用了较为成熟的现场用泡沫体系,其中含有表面活性剂和羟乙基纤维素聚合物(HEC).同时,还测试了三种不同聚合物浓度(0、0.25%和0.5%)下的携岩能力.泡沫质量在70%～90%之间变化.在测试中,不断地在流动环中注入岩屑,直至达到稳态.使用核密度计原位测定了岩屑的体积浓度.当然,也可以通过称量加入和流出流动环中的岩屑含量来计算环中岩屑浓度.实验中的测试参数为:气体和液体的注入速率、注入的岩屑质量和清除塔中的岩屑质量、混合密度、摩擦压力损耗,以及环空中的压力和温度等.在携岩测试过程中可以观测到同时存在静态岩屑床和全悬浮流体.流体流动参数主要受聚合物浓度、泡沫质量和环空流速的影响.环空流动速率、泡沫质量和聚合物浓度等因素都会影响携岩效率和摩擦压力损耗.本文将有助于更好地设计钻井和洗井作业方案.     

气体钻井携岩关键点多相流动规律研究

气体钻井环空井径的扩大与缩小、部分泥包、变径截面等对环空流场和岩屑运移的影响很大。建立了气体钻井携岩关键点多相流动物理模型、数学模型，采用室内大型流动实验、CFD数值模拟和现场实例验证的手段，对携岩关键点进行多相流动分析发现，变径截面─钻铤与钻杆过渡点、套管井段与裸眼井段的过渡点、井径的扩大与缩小井段，钻杆某处的泥包点，这些点由于边界层分离而形成的尾涡回流区，岩屑在这些回流区容易滞留、堆积，在这些回流区容易导致携岩不畅。气体流经钻杆与钻铤交接面处，气体的压力、速度都相应减小，在此处的气体携岩动能最小，环空岩屑浓度最大。最小气量的选择应该以携岩关键点处所需的最小能量为一个参考依据。     

气体钻井井底流场的三维数值模拟研究

考虑空气锤钎头的排屑槽和硬质合金齿对气体钻井井底流场的影响,建立了气体钻井井底流场的数学模型和物理模型,对气体钻井井深3 000 m井底流场的速度场、压力场和温度场进行了数值模拟。结果表明:设计的空气锤钎头其井底流场的速度、压力和温度分布合理,流场可有效清洗井底、漫流携岩和冷却钎头牙齿,对称三喷嘴流道结构可用于空气锤钎头的研制。数值模拟结果与气体钻井经验公式的计算值比较吻合,结果可信,可用于指导空气锤钎头的结构优化设计和新产品的开发。      

基于CFD技术的高压管汇系统布局优化设计

为了减少由流通性能和流量分配等问题产生的高压管汇窜动、振动和开裂等问题,基于计算流体动力学技术,在考虑管道边界层效应的情况下,以时均N-S方程为基本控制方程,采用可实现κ-ε双方程湍流模型,对不同排出口位置、联通管汇位置和排出口三通结构的井工厂高压管汇系统进行了三维全流场数值仿真研究。仿真结果表明,随着高压管汇的入口增加,主管内部平均流速向排出口方向逐渐增加,且在每个入口处均有速度峰值;主管汇流量从排出口有效面积较小的管汇向排出口有效面积较大的管汇串流,串流方向与主管汇流量大小无关;y形三通的排出口流量比约为1.5∶1.0,不能起到流量均分作用,且容易引起锐角冲蚀,从安全性考虑,应优先考虑T形三通。研究结果可为高压管汇系统的安全使用提供参考。     

泡沫流体反循环洗井携屑能力研究

泡沫流体因其密度小、黏度大和助排能力强等特点,广泛应用于油田冲砂洗井作业中。为了研究反循环洗井工艺中泡沫流体的携屑能力,利用COMSOL软件建立反循环洗井有限元模型,分别数值计算了泡沫流体在井筒中的压力分布、在不同注入速度下泡沫流体对不同颗粒直径的携屑率以及颗粒从静止到开始运动的速度响应时间,并与相同条件下水的性能进行对比。研究结果表明:泡沫流体作为洗井介质相比于水能在井底产生更低的液柱压力,水和泡沫流体的携屑能力均随着注入速度的增加而增大,随颗粒直径的增大而减小;水对直径小于0.5 mm的颗粒具有更强的携带能力,而泡沫流体对直径大于1 mm的颗粒具有更强的携带能力;颗粒在流体中的速度响应时间随着注入速度的增大而减小,随颗粒直径的增大而增大,在其他外界条件相同的情况下,颗粒在泡沫流体中的速度响应时间明显短于水。研究结果对于泡沫流体的现场工程应用具有一定的指导作用。     

煤层气多分支水平井双管双循环井眼清洁技术

针对目前煤层气多分支水平井钻井中充气辅助携岩技术存在的充气压力难于稳定控制、易产生井壁失稳等事故复杂这一突出问题,利用文丘里原理,借鉴井控模拟系统中的寄生管注气法,研发了一种适用于煤层气多分支水平井钻井的双管双循环井眼清洁技术,建立了该钻井条件下的流体岩屑颗粒系统的多相流有限元模型。现场试验结果表明:①该技术采用了双层套管固井,内层套管底部安装射流发生器;②钻进过程中,从双层技术套管环空注入的钻井液,经射流发生器形成高效转向水射流,并与钻头喷嘴形成的水射流一起增加了内环空流体上返流速;③从模拟仿真结果中发现射流发生器喷嘴与垂向夹角为30°时对岩屑的携带能力最强,并得出了岩屑尺寸大小、不同主辅循环流量、不同钻速等参数对井眼清洁的影响规律。结论认为,该技术增加了环空钻井液排量,大幅度提高了钻井液返速,提高了携岩能力,是目前煤层气多分支水平井清水作为钻井液的技术条件下井眼清洁的有效技术之一。     

水平井脉冲内磨钻头的设计及水力建模

水平井钻进过程中往往因携岩不利、清岩不及时,低边堆积的岩屑床会导致托压、底部钻具组合黏托甚至卡钻等问题。为此,在分析岩屑床形成原因的基础上,基于赫姆霍兹振荡腔脉冲生成、射流泵和高压射流等理论,设计了一种新型水平井赫姆霍兹式脉冲内磨钻头——该钻头依靠高速脉冲射流辅助破岩、反向射流负压抽汲钻头底部钻屑以及内磨削结构减小钻屑粒径,实现了高效清岩破岩,减小压持效应,清除水平井岩屑床。进而分别建立了脉冲生成装置、高效破岩装置、反向抽汲装置的水力模型。模拟计算结果表明:①谐振最优流量随进给腔直径、反馈腔直径的增大而增大,随谐振腔直径的增大而减小,谐振最优流量与各因素近似呈线性关系;②反向抽汲装置的最优流量比随无量纲流量比先增大后减小,随无量纲面积比的增大而减小;③通过算例分析得到赫姆霍兹振荡腔固有频率为24.00 Hz,谐振最优流量为23.92 L/s,最优流量比为0.59,并经实例分析验证了水力模型的准确性。结论认为,该新型钻头为解决岩屑床的堆积问题提供了一种新的方案。     

扭力冲击器设计与仿真分析

PDC钻头在深部硬地层钻进时存在蹩跳钻现象严重、单只钻头进尺低及机械钻速低等问题。为此,开设了扭力冲击器设计工作,并对工具的水力特性进行了仿真及室内测试。扭力冲击器主要通过水力切换总成、冲击总成及放掉总成实现对钻头的周期性扭矩冲击。流场仿真及室内测试结果表明:扭力冲击器高、低压腔快速切换表明其结构设计合理,能够通过启动锤的快速运动实现冲击锤反复冲击;扭力冲击器能够正常运转并提供稳定的高频扭矩,且启动流量不低于5. 4L/s。所得结论为扭力冲击工具的优化设计及现场应用提供了参考。     

清除器对水平井段岩屑运移的影响分析

在水平井钻进过程中岩屑床的危害是巨大的,使用增大排量、倒划眼等常规的方法很难清除岩屑床。应用Fluent软件分别对岩屑床清除器和光钻杆的工作进行了模拟,可以详细地了解岩屑床清除器对环空流场的影响和岩屑颗粒的运动轨迹情况,显示此清除器在清除岩屑床和岩屑运移方面的能力。此种岩屑床清除器不仅增加了环空流场的紊流度,提高了局部空间的钻井液流速,具有水力清除岩屑床的作用,而且增大了岩屑颗粒被携带起来的机会。