水平井钻井岩屑运移特性及水力参数优化研究

摘要

随着世界能源需求的增加及能源开采技术的发展，水平井、大位移井在开采海洋、深部地层及非常规油气藏中得到了广泛应用，但同时大位移水平井钻井过程中的井眼清洁问题、水力参数优选问题以及水力延伸能力预测及提升问题日益突出，并受到了广泛关注。大位移水平井钻井过程中，岩屑容易沉积到井眼低边形成岩屑床，由于井筒携岩不佳导致的卡钻、漏失、高摩阻扭矩等钻井问题，不仅直接增加了钻井成本和风险，还限制了大位移水平井的延伸能力，降低了钻井速度。针对以上问题开展水平井岩屑运移特性及水力参数优化研究，对于大位移水平井的施工应用具有重要的意义。 论文重点研究了水平井井筒岩屑运移临界流速预测、井眼清洁程度评价方法、基于蚁群算法的水平井水力参数优化方法、水平井水力延伸能力等问题。 首先，修正了岩屑运移临界流速模型部分假设，认为岩屑颗粒所受拖曳力作用点的位置并非一定通过颗粒中心，而是由岩屑颗粒迎流面上流体速度的综合作用所决定；通过引入偏心环空速度分布和紊流边界层速度分布，使临界流速预测模型可以评价钻杆旋转的影响；基于岩屑颗粒受力平衡，建立了水平井临界流速预测修正计算模型。对影响岩屑运移临界流速的因素进行了分析，结果表明：在50~70°井斜角井段，岩屑启动的临界流速最大。适当提高钻井液密度、层流状态下增加钻杆旋转及提高钻井液的粘度有助于岩屑启动。 其次，将钻杆旋转的作用等效为增大了环空返速，将钻杆旋转的影响引入到理论模型之中，完善了水平井井筒岩屑运移理论分析模型。综合利用临界流速预测模型和井筒岩屑运移理论分析模型的优势，建立了水平井井眼清洁程度评价方法。结合一口水平井实例，应用建立的井眼清洁程度评价方法，分析了不同钻井因素对水平井段、大斜度和小斜度井段井眼清洁程度的影响规律。结果表明：钻井液排量是影响井筒岩屑床厚度的主控因素，提高钻井液排量是改善井眼清洗状况的首要选择。增大钻井液排量、增加钻杆旋转及合理控制机械钻速等有助于保持井眼清洁。 综合考虑钻头破岩和井眼清洁的相互联系以及水力参数优化的约束条件，建立了基于蚁群算法的分别以最大化钻头水功率和以井眼清洁最佳为目标的两种水力参数优化方法。提出了应用蚁群算法进行水平井水力参数多参数自动优化的方法，改变了水力参数优化的思路，简化了优化步骤，拓展了水力参数优化和井眼清洁优化的应用范围。结合一口水平井钻井实例，给出了水平井水力参数优化和井眼清洁优化计算的方法和过程。分析结果表明：钻头破岩与井眼清洁是两个相互影响不可分割的过程，应根据钻井施工目的，统筹优化两个过程中的水力参数。提高循环系统的承压能力，提高对井筒岩屑床的处理能力，以及协调配合各钻井参数，有利于使井眼保持清洁以及钻头获得更大的水力能量。 最后，综合考虑水平井钻井地层条件、钻井设备能力、钻井施工过程中井眼清洁及井底破岩水力要求等约束条件，建立了水平井水力延伸能力的计算方法，分析了不同钻井因素对水平井水力延伸能力的影响规律。结果表明：合理设计钻井液排量和密度、增加钻杆旋转、提高循环系统承压能力，有助于提高大位移水平井的延伸能力。

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