泡沫质量和环空返速对泡沫携岩能力影响的数值模拟

尽管泡沫钻井具有较强的携岩能力，但在水平井钻井过程中，环空内依然存在岩屑传输困难的问题，有效降低或消除岩屑床是成功钻进的关键。根据质量守恒定律和动量守恒定理，运用计算流体力学软件FLUENT求解器，针对环空中泡沫和岩屑的混合流动过程进行了数值模拟，得到了偏心环空中不同泡沫质量和环空返速条件下岩屑床高度的变化规律，并与常规钻井液的携岩能力作了对比。研究结果表明:泡沫钻井液具有较强的携岩能力，在水平段所形成的岩屑床高度低于常规钻井液条件下的岩床高度，泡沫质量和环空返速对岩屑运移具有较大影响。     

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在水平井钻井过程中，岩屑在环空中的运移机理与垂直井眼相比存在明显差异，携带岩屑也变得越来越困难，本文运用理论研究成果，对水平井钻井中钻井液流变参数在三个洗井区的携带岩屑效果影响进行了分析，提出了三个洗井区对钻井液流变参数的特殊要求以及定性地确定钻井液流变参数合理范围的方法。最后根据胜利油田和大港油田的９口大斜度井以及水平井的资料，进行统计分析，给出了能获得良好携带岩屑效果的各洗井区钻井液流变参数的     

基于井眼清洁程度与水力学耦合的环空压耗最小化计算方法

在钻井过程中,岩屑在井眼中堆积形成岩屑床,会引起环空压耗增大。针对井眼清洁不充分造成的环空压耗大的问题,根据质量及动量守恒理论,将岩屑运移与钻井水力学计算相耦合,建立了井眼清洁程度与环空压耗相关的数学模型,并利用全尺寸岩屑运移试验数据进行了模型验证。利用所建模型,分析了排量、井斜角、环空尺寸、机械钻速和钻井液流变参数对环空压耗和井眼清洁程度的影响。结果表明:大位移井和水平井中由于存在岩屑,环空压耗并非随排量增大一直增大,而是存在一个临界值;排量小于临界值时,环空压耗随着排量增大而减小;排量大于临界值时,环空压耗随着排量增大而增大。根据分析结果,建立了基于井眼清洁与水力学耦合的环空压耗最小化计算方法,利用该方法可以优化钻井参数,控制环空压耗,指导钻井设计和钻井施工。      

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。      

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。     

大位移井水力参数设计及计算方法

分析了大位移井钻井中岩屑运移以及钻井液环空流动的特点。通过总结归纳现有的大斜度井钻井中岩屑床厚度计算以及环空压耗计算模型,结合大位移井钻井的特点,建立了一套大位移井钻井中水力参数设计及计算方法,为大位移井钻井水力参数设计提供了一种实用手段。     

钻杆轴向运动对水平井段岩屑床的清洗效果

为了研究倒划眼或短起下钻对水平井段岩屑运移规律的影响、指导现场短起下钻作业和短起下钻时对井眼清洁程度的评价,基于CFD数值模拟方法并结合欧拉双流体模型,探讨了钻杆起钻速度、钻井液黏度等参数对岩屑床破坏作用的机制。研究结果表明:(1)起钻速度介于0.10～0.25 m/s时,钻杆起钻这种轴向运动只破坏了原始的岩屑床形态,使岩屑重新沿轴向扩散分布,对提高井眼清洁效率没有作用;(2)当起钻速度大于0.25 m/s时,钻井液的反向流动冲蚀作用使岩屑重新堆积成较高的丘状岩屑床,有可能影响再次下钻,增加了卡钻风险;(3)钻井液黏度小于30 mPa·s时,环空岩屑运移以钻杆的机械拖拽作用为主导;(4)钻井液黏度大于30mPa·s时,环空岩屑运移以抽吸压力作用为主导;(5)钻井液黏度固定时,钻杆轴向运动速度选择不合理有可能导致井内压力波动增大,增加了井涌和溢流的风险。进而提出建议:现场在起下钻作业时,井眼内钻井液黏度小于30 mPa·s时使用0.25～0.75 m/s的起钻速度,钻井液黏度大于30 mPa·s则使用0.10～0.25 m/s的安全起钻速度。     

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。     

基于地层性质与环空状态的钻井液流变参数优选

钻井液流变参数优化设计对安全、优质高效钻井有着十分重要的意义,目前国内外还没有系统、科学、定量的优化理论与方法。笔者论述了钻井液流变参数既要适应所钻地层,又要保持良好的环空状态的优选与设计原则。提出了针对不同钻井液体系选择的流变模式,用井壁冲蚀系数、环空岩屑输送比与环空动压系数来表征环空状态的理论,研究建立了基于地层与环空状态的钻井液流变参数优选的理论与方法,为钻井液流变参数定量优选设计及现场优化控制提供了一种新的理论与工艺技术。      

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。     

滴西区块侧钻小井眼水平井钻井液技术

小井眼井投资成本低,并可采用开窗侧钻使老井复活,是油田经济有效开发的一条途径。小井眼钻井需克服环空压耗高、岩屑携带等技术难题。通过对地层进行分析,滴西区块采用新型高效钻井液体系,分段进行钻井液性能和水力学设计,在二叠系以上地层采用紊流,钻井液的低剪切流变性可保持泵压在24 MPa内,钻井液抑制性和密度支撑对二叠系地层稳定效果良好;石炭系地层采用紊流-层流过渡流型,提高切力和地层胶结作用,保持泵压在26 MPa内,钻井液流型对井壁扰动小,水平段携岩能力强,机械钻速同比提高66.4%。现场应用证明,高效钻井液体系在滴西区块可发挥井壁稳定和提高钻速的优势。      

FLAT-PRO深水恒流变合成基钻井液及其应用

深水钻井面临低温、安全密度窗口窄、浅层气易形成气体水合物、井壁易失稳等技术难题,对深水钻井液提出了更高的要求。以Saraline 185V气制油为基油,通过优选乳化剂、有机土、降滤失剂及其他处理剂,构建了一套适合深水钻井的FLAT-PRO深水恒流变合成基钻井液体系。综合性能评价结果表明:该钻井液在4~65℃下流变性能稳定,具有恒流变特性,能有效保护储层,其渗透率恢复值大于90%,能抗10%海水、15%钻屑污染,易降解,满足环保要求。南海LS-A超深水井水深为1 699.3 m,预测主要目的层温度为34.6~36℃,φ508 mm套管鞋处的地层承压能力系数低于1.14,安全密度窗口窄,如何控制ECD值、预防井漏是该井的作业控点,因此选择密度为1.03 g/cm3的FLAT-PRO钻井液开钻。钻进过程中,使用FSVIS调整流变性,维护黏度在50~70 s,动切力在8~15 Pa,φ₆读数为7~15,φ₃读数为6~12,用2% PF-HFR控制滤失量,应用井段起下钻顺利,电测顺利,井径规则,没有出现任何复杂情况。应用结果表明,FALT-PRO深水恒流变合成基钻井液在不同温度下的流变性能稳定,抑制性好,润滑性强,能获得较低的ECD值,满足深水钻井的要求。      

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。     

大庆油田页岩油水平井钻井液技术

为了解决大庆油田齐家-古龙区块页岩油水平井井壁失稳的问题,对古龙区块地质特征、施工难点和失稳机理进行总结分析。针对施工中遇到的井壁稳定、钻井液流变性控制、井眼净化等油基钻井液技术难题,提出相应的技术对策。优选SFD-1、无荧光防塌剂BY和Soltex等关键封堵处理剂,并对目前使用的油包水钻井液配方进行优化和室内评价。实验结果表明,优化后的钻井液具有良好的性能,高温高压滤失量小于3 mL,抗岩屑侵可达30%。该钻井液技术在大庆油田古龙区块**2HC井进行现场试验,施工顺利,井下无复杂事故发生,能够解决长水平段井眼失稳问题,在大庆油田页岩油勘探开发中具有应用前景。      

KCl-有机盐聚合物钻井液在川西双鱼石区块的应用

川西地区双鱼石区块目的层埋藏深,完钻井深在7 000 m以深,上部φ444.5 mm、φ333.4 mm井眼主要采用“空气钻”提速,空气钻井转钻井液如何保证井壁稳定至关重要,在“高效PDC+螺杆”提速方式下优质的钻井液性能也尤其重要。为此,KCl-有机盐聚合物钻井液在KCl、有机盐的共同作用下抑制能力强,能够抑制岩石组分水化分散、膨胀,封堵防塌剂可以快速形成致密泥饼,减少滤液侵入井壁地层,防止“空气钻”后干燥井壁“吸水”引起的井塌;抑制钻屑水化分散,钻井液流变性能稳定、波动小、易调控、现场维护处理简单;钻井液强抑制性、低黏度和切力可提高钻头水马力,减少钻屑在钻头上的吸附,防止钻头泥包现象,减少钻井液中微米、亚微米粒子,有助于提高机械钻速。双探8井等现场应用表明,KCl-有机盐聚合物钻井液确保了“空气钻”井段井壁稳定,顺利钻过沙溪庙组下部（沙一段）、凉高山组、自流井组及须家河组易垮塌地层,井眼畅通、井壁稳定、井径规则、电测顺利、井下安全、钻速较高,满足工程、地质录井需要。      

喷射钻井水力参数与泥浆流变参数互相适应的优选方法

本文介绍了在喷射钻井中计算和确定各种钻井水力参数和泥桨流变参数相互适应的优选方法.其中包括:泥桨流变性、临界流速和“z”值、流变模式、净化能力、层流压耗、紊流压耗、钻头水力参数优选等.     

一种低黏高切油基钻井液体系

针对传统油包水钻井液黏度高、切力低、携岩能力差的问题,合成了一种Gemini主乳化剂,其与辅乳化剂有较好的协同效应,钙皂分散性好,兼具润湿功能,在2.0%~3.5%的低加量下具有好的乳化能力。研制出了密度在1.0~2.0 g/cm3之间、抗温达170℃的低黏、高切油基钻井液。室内研究结果表明,该钻井液密度为1.00~1.70 g/cm3时,塑性黏度小于40 m Pa s,动塑比为0.35~0.50 Pa/m Pa s,具有低黏高切的特点;破乳电压在800 V以上;抗水达15%,抗钻屑达10%,并且润滑性能好,密度在2.0 g/cm3以下时润滑系数小于0.085。在焦页54-1HF井水平段的应用表明,该钻井液性能稳定,具有突出的低黏高切流变特性,破乳电压高,保证了施工顺利、井壁稳定、井眼通畅。     

井壁强化技术的研究及其在乐东区块的应用

乐东区块构造位于莺歌海盆地的凹陷斜坡带,属于典型的海上超高温高压区块,地层安全密度窗口窄,深层井漏问题突出,严重制约了乐东气田的勘探与开发。针对该区块的井漏技术难题,通过井史资料统计,分析了该区块的漏失特征及漏失机理。基于黏滞单元法,模拟了井壁强化作用前后的井周应力变化,并预测了预充填裂缝开度。基于新型可变裂缝封堵模拟实验装置,开展了井壁强化材料粒径及浓度优化实验研究。实验结果表明,较优粒度匹配准则为D50准则,合理浓度为5%。基于乐东区块抗高温油基钻井液,优化构建了井壁强化钻井液体系配方。综合评价表明,该井壁强化配方对钻井液的流变性影响较小,砂床滤失侵入深度仅为1.5 cm,1 mm动态裂缝封堵承压能力达12 MPa以上。     

巴基斯坦北部区块抗高温高密度柴油基钻井液体系

巴基斯坦北部区块地质条件复杂,地层重复反转,油气埋藏深,井底高温高压,二开井段存在长段页岩层,易吸水膨胀、垮塌,三开井段存在盐膏层易缩径、卡钻,同时盐水侵入污染高钻井液密度易造成钻井液流变性恶化,难以控制,导致该区域钻井作业异常艰难,使其成为巴基斯坦乃至世界上钻井最复杂的地区之一。针对上述难题,同时满足当地油公司的技术要求,以0#柴油为连续相,氯化钙水溶液为分散相,通过处理剂和加量优选形成了一套柴油基钻井液体系。室内评价结果表明,该钻井液抗温达180℃,最高密度达2.20 g/cm3,老化前后破乳电压大于1200 V;有良好的沉降稳定性;在高温高压下仍能保持较好的流变性,对重晶石的悬浮稳定性好,具有良好的携带岩屑能力;且具有抗15%盐水、10%页岩和石膏污染的能力,满足巴基斯坦北部区块钻井作业的应用需求。