水平井携岩临界排量计算-工作汇报课件

1、在直井、定向井和常规水平井中，泥浆携岩问题并不突出。但在水平井水平井特别是大位移井大位移井中，如何才能更好地将岩屑通过泥浆循环排出而不导致岩屑床沉积呢？本课将从泥浆排量、泥浆特性、钻具的运动以及环空尺寸等等一系列方面来讨论井眼净化的问题，并简单介绍了一些参数指标的计算方法。一.基本概念井眼净化最小携岩返速临界排量岩屑浓度岩屑床高度二.模型求解力学理论模型预测理论模型实验模型模型求解比对模型评估与程序计算三.软件应用定点测试全井段CTR岩屑浓度岩屑床高度机械钻速临界排量井眼净化最小携岩返速临界排量岩屑浓度岩屑床高度在钻斜井和水平井的过程中，由钻头钻进产生的岩屑需要随钻井液的流动通过环空排出。若岩

2、屑在自身重力的作用下沉积在下井壁，就会形成一层岩屑床。如果岩屑床得不到较好的清洗和控制，将会造成钻井过程中的诸多严重问题，包括高摩阻和扭矩、憋泵、粘附卡钻等等。为此，如何有效地排出岩屑、防止形成岩屑床，成为钻井过程中的重要问题。这被称为井眼净化。井眼净化有以下思路：调整钻井液的密度以及钻井液的流变特性，如宾汉模型下的塑性粘度PV、屈服值YP等，使得钻井液有更好的携岩性能。 钻井液密度越大，携岩能力越强。 有文献指出，对大斜度井及水平井，粘度的增大通常会造成携岩能力的下降，因此低粘紊流是较好的井眼净化钻井液方案。调整机械钻速ROP以及转盘转速以影响井眼净化。 ROP越大，岩屑就越多，因此要求更强

3、的携岩能力。 转盘转速越大，岩屑越不容易沉积，因此携岩能力越强。 设计井身结构和钻具组合，以调整环空的内外径，并对井眼净化产生影响。加大泵排量以利于钻井液的携岩。Rank 1：提高钻井液密度，加大泵排量。 钻井液密度的提高导致更大的压力损耗，而对泵排量造成影响。 较大的泵排量有可能导致环空中钻井液流速过快，而对井壁造成冲刷。Rank 2：设计井身结构和钻具组合，调整环空内外径。井身结构和钻具组合的设计受很多因素影响（例如降低摩阻或者防止卡钻等等），为了有利于井眼净化而对它们做出修改的余地很有限。Rank 3：调整钻井液流变特性以有利于携岩。Rank 4：降低机械钻速以有利于携岩。 机械钻速的大

4、小直接决定了钻进工程的进度，调整机械钻速的余地很有限。Rank 5：提高转盘转速以有利于携岩。注：Rank 1仅代表这些措施对井眼净化影响的程度，不代表其可行性。比如提高钻井液密度虽然会很大地提升携岩能力，但可行性并不大（因为会影响泵排量和钻井液流变特性）。还有一些因素会影响到井眼净化，如：岩屑密度、岩屑尺寸以及岩屑床孔隙度等等。但这些因素通常不可控制，因此不在评估之列。有观点认为转盘转速对携岩不造成影响，也有观点认为转盘转速影响较大，钻井液密度影响较小。对于钻井的整个环空中的某一段来说，具有某个给定的井斜角（由井轨迹得出）、环空外径（即井眼内径）、环空内径（即管柱外径），这些参数再与钻井液密

5、度、钻井液流变特性、岩屑尺寸、岩屑密度、机械钻速、转盘转速、钻头直径等固定的参数相结合，就可以发展算法计算出环空该段不形成岩屑床所需要流体的最小速度，被称为最小携岩返速（CTFV）。该速度对应一个泵排量。所有段分别计算最小携岩返速，其对应的泵排量中最小的那一个就被称为临界排量（CTR）。注：所有对井眼净化的分析和评估，都在最小携岩返速和临界排量的定量计算上反映了出来。CTR1CTR2CTR100.对于井眼环空中的某一段，岩屑所占整个环空段体积的比例即岩屑浓度。若没有形成岩屑床，岩屑浓度由环空段体积、钻头在该环空段时间所产生的岩屑量、钻井液返速、岩屑返速这四个个因素决定。其中环空段时间为钻井液流

6、过该环空段所需要的时间。若忽略钻井液返速与岩屑返速的差异，岩屑浓度=岩屑量/环空段体积。若有岩屑床形成，岩屑浓度=悬浮岩屑浓度+岩屑床岩屑浓度。对于某个环空段，当环空流体返速低于最小环空返速时，岩屑将在井壁下侧进行堆积，而形成岩屑床。当开始形成岩屑床后，由于环空的面积不断减小，环空返速会升高，进而携岩能力又有提升。当携岩能力被提升到岩屑不再沉淀堆积时，已经堆积的岩屑表面到环空下侧的距离被称为岩屑床高度。岩屑床有两层模型和三层模型。两层模型上层为流动层，含悬浮岩屑颗粒下层为固定岩屑床环空通常为偏心圆环偏心率由管柱接头外径决定三层模型与两层模型相比多了中间的一层滑动岩屑床（分散层）力学理论模型预测

7、理论模型实验模型模型求解比对模型评估与程序计算力学理论模型是基于岩屑受力分析而计算出各种需要的数据，包括最小携岩返速（CTFV）等等。SPE28306比较有代表性。以SPE28306为例演示如何通过受力分析确定CTFV。如图：岩屑受到重力、浮力、举升力拖拽力、塑性力以及循环压力梯度所产生的力列出流体力学方程组即可求解最终需要的CTFV根据CTFV即可计算CTR，岩屑床高度等预测理论模型是基于对岩屑床形成机制以及岩屑运移规律的理解和把握而对一些需要的数据如CTFV等进行预测。两层模型和三层模型中多有预测理论模型。SPE28306 论文中提到并求解的Kelvin- Helmholtz稳定模型也是这

8、一类的模型。SPE23884是典型的预测理论模型。举升力影响因子 粒子雷诺数 岩屑传输仿真公式注：V为摩擦速度，湍流边界切应力与流体密度比值的平方根,具有速度量纲实验模型是基于实验室模拟钻井内环空中岩屑运移状况，并推广到一般情形，用于预测在各种情况下的CTFV和CTR。SPE25872是典型的实验模型求解CTFV。Larsen等搭建5寸外径和2.375寸内径的环空用以实验，并根 据实验数据来确定各种校正系 数。如右图，由实验数据得出ROP与岩屑浓度之间的关系求解CTFV以宋洵成等所著斜井岩屑运移临界环空流速力学模型（文献7）一文中的算例为例，不同的模型计算结果也不同：从计算结果可知，相同的输入

9、条件不同的模型计算出来的CTR相差很大大体上的规律为：论文模型求解的值偏大（以4,5行为例）实用软件所计算值偏小（以1,2,3行为例）以下为文中的算法与其它实验模型计算结果之比对（实线部分为论文中的算法）理论模型：模型较多，也比较复杂，考虑问题的角度不一样、层面不一样、侧重点不一样，结果就会有较大的差异。实验模型：受目测等很多主观因素的影响，以及一些不确定因素例如岩屑尺寸等等的制约，并且由于影响CTR的因素太多（11个甚至更多），实验模型很难完全涵盖它们的取值变化范围。所以实验模型计算的结果也是彼此之间差异很大。无论理论模型还是实验模型，无论计算CTR（分段计算）还是计算岩屑床高度（分段迭代计

10、算），软件计算都有其优越之处，而手工计算是很困难的。以天气预报为例（超级计算机+偏微分方程组+流体力学），不能精准计算的预测系统（仿真系统）依然会有其用处。定点测试全井段CTR岩屑浓度岩屑床高度机械钻速临界排量环空外径6寸，环空内径4寸PV:25cP YP:12(lbf/100ft2) 钻井液密度:1027kg/m3岩屑尺寸:4mm 岩屑密度：2.4sg转速：30rpm 钻进速度 16ft/hr环空外径12.5寸，环空内径5寸PV:30cP YP:12(lbf/100ft2) 钻井液密度:1250kg/m3 岩屑尺寸:4.5mm 岩屑密度：2.3sg 转速：30rpm 钻进速度 40ft/hr

11、小结：上面的最大和最小CTR的比率约4倍，下面约3倍。对于水平井或者大位移水平井，Hydraulics软件比较有意义。观察30度60度井斜时计算结果可知00.20.40.60.811.2020406080100HydrauHydrauHydrau01234020406080100HydrauHydrauHydrau05101520253035400500100015002000250030003500HydraulicsHydraulicsHydraulics0510152025303501000200030004000500060007000HydraulicsHydraulicsHydraulics0123456789010002000300040005000HydraulicsHydraulicsHydraulics0246810121416050010001