空气钻井流体力学参数设计与计算

论文摘要

空气钻井作为欠平衡钻井技术的重要分支,该技术以气体为循环介质,其循环系统的压力分布、钻井参数的优化设计及井筒流体流动特性等都与传统钻井方式有着很大的区别,目前尚缺乏系统的理论保障和实验研究。鉴于此,本文以理论研究和实验验证相结合的方法,对空气钻井流体力学参数设计和计算进行了研究,以期对空气钻井的进一步发展及应用提供一定的技术支持。论文在分析空气钻井技术原理的前提下,基于Angel混合流体理论,建立了垂直段、弯曲段和稳斜段三段井筒压力计算模型,并对空气钻井环空及钻柱内的压力、气相密度及流速分布特征进行了分析。根据颗粒沉降末速公式和基于颗粒位置随机性的床面颗粒起动临界返速公式分别建立了垂直井段和水平井段内的最小气量标准。以相似理论和单位压降转换法研制了多功能环空携岩设备,利用不同粒径范围的沙样进行了水平环空空气携岩实验研究,观测岩屑床运移与破坏模式,记录并计算得到相应的环空临界返速,并与理论预测值进行了对比,二者吻合较好。最后,利用Visual Basic程序语言编制了空气钻井流体力学参数设计软件,并进行了算例分析。研究结果在很大程度上完善了空气钻井基础理论,对于促进空气钻井技术的拓展应用提供了一定的理论支撑和技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 空气钻井在国内外应用现状
• 1.2.2 国内外关于空气钻井理论研究与参数计算的发展现状
• 1.2.3 空气钻井井筒压力计算和最小气量计算的理论现状
• 1.3 本文的研究内容及技术路线
• 第二章 空气钻井技术原理
• 2.1 空气钻井的特点
• 2.1.1 空气钻井的优点
• 2.1.2 空气钻井的局限性
• 2.2 空气钻井的设备和工艺流程简介
• 2.2.1 空气钻井设备及功能
• 2.2.2 工艺流程
• 2.3 小结
• 第三章 空气钻井井筒压力计算模型
• 3.1 空气钻井工作特性分析
• 3.1.1 空气钻井井筒温度分析
• 3.1.2 空气钻井沿程水力摩阻系数讨论
• 3.2 空气钻井沿程压力系统分析
• 3.3 直井段井筒压力计算
• 3.3.1 环空压力控制微分方程推导及求解
• 3.3.2 钻头压降计算
• 3.3.3 等径钻柱内的气体压力计算
• 3.4 弯曲段（增斜或降斜）井筒压力计算
• 3.4.1 环空压力控制方程微分形式推导及求解
• 3.4.2 钻柱内气体压力控制方程组的推导及求解
• 3.5 稳斜段井筒压力计算
• 3.5.1 环空压力控制方程微分形式推导及求解
• 3.5.2 钻柱内气体压力方程组推导及求解
• 3.6 小结
• 第四章 空气钻井循环参数特征分析
• 4.1 环空及钻柱内压力特征分析
• 4.1.1 环空及钻柱内压力计算数据
• 4.1.2 井筒压力分布曲线分析
• 4.2 环空及钻柱内气体密度分布特征的分析
• 4.2.1 环空及钻柱内气体密度计算数据
• 4.2.2 井筒内气体密度分布曲线分析
• 4.3 环空及钻柱内气体流速分布特征分析
• 4.3.1 环空及钻柱内气体流速计算数据
• 4.3.2 井筒内气体流速分布曲线分析
• 4.4 小结
• 第五章 空气钻井最小气量计算
• 5.1 直井井筒最小携岩气量计算
• 5.1.1 沉降末速度公式推导过程
• 5.1.2 直井最小气量的确定
• 5.2 水平井筒最小携岩气量计算
• 5.2.1 临界流速公式的推导
• 5.2.2 水平井最小气量的确定
• 5.3 小结
• 第六章 空气钻水平井段携岩模拟实验
• 6.1 环空携岩模拟实验装置设计理论
• 6.1.1 相似准则的导出
• 6.1.2 井筒尺寸的确定
• 6.2 实验设备介绍
• 6.3 实验目的与实验方法
• 6.4 实验结果与分析
• 6.4.1 环空实际空气流量的计算方法
• 6.4.2 空气携带岩屑的宏观运移模式
• 6.4.3 临界携岩返速计算与对比
• 6.5 实验对理论计算模型的修正
• 6.6 小结
• 第七章 空气钻井流体力学参数软件的设计
• 7.1 空气钻井流体力学参数设计软件简介
• 7.2 软件部分计算界面
• 7.2.1 软件界面
• 7.2.2 环空压力分布计算界面
• 7.2.3 钻柱内压力分布计算界面
• 7.2.4 钻头压降计算界面
• 7.2.5 最小携岩气量计算界面
• 7.3 算例验证
• 7.3.1 美国空气钻井手册算例通用数据
• 7.3.2 部分计算结果对照
• 7.3.3 计算结果差异分析
• 结论
• 参考文献
• 致谢