泡沫钻井液水平井段流动特性研究

论文摘要

作为保护油气层、减少钻井风险、降低钻井成本和提高单井产量的一项重要技术,欠平衡及控压钻井技术已在全球范围之内引起石油公司的普遍兴趣。作为该技术的重要分支,水平井泡沫钻井技术作为当前和未来可以预见的用于提高油气藏勘探开发综合效益的有效手段,国外现场应用较多,而国内尚处于起步阶段。因此,开展有关泡沫流体水平井段流动特性的研究对于提高国内窄密度窗口安全钻进技术水平和推进科学化钻井进程具有十分重要的现实意义。论文在大量调研的基础上,应用流动相似理论和量纲分析方法,成功设计并研制了新型多功能井筒流动模拟实验架,可对可压或不可压的牛顿或非牛顿流体的环空流动性能进行可视化实验研究,能同时实现升温升压、恒速加砂、钻杆转动、偏心、倾斜及实验参数的实时控制与显示,形成了一套实验研究气基流体井筒流动特性的新方法。在此基础上,利用管式流变仪和环空实验段分别研究了泡沫流体的流变性能和携岩性能。基于Oldroyd-Jastrzebski滑移修正方法和体积当量原则,利用曲线拟合和非线性回归方法建立了考虑和不考虑壁面滑移时的幂律型泡沫流变参数预测关联式和滑移系数修正关系式,研究了聚合物浓度、温度和压力对流变参数的影响规律。利用定量岩屑床法和恒速同步加砂法实验研究了岩屑床的运移、破坏模式以及不同流动参数对泡沫携岩临界返速和环空岩屑浓度的影响规律。将泡沫流体处理为一类特殊的非牛顿两相可压流体,利用有限元和力学分析法建立了泡沫在钻杆和同心环空内的流动控制方程,对不同工况下水平钻杆与环空内的压降与流速的分布特征进行了计算与分析。利用恒定回压法和逆循环迭代法建立了水平井泡沫钻井过程中井筒循环压力的计算方法,开发了相应的应用程序。对一口水平井的模拟计算结果与现场实际吻合,验证了计算方法的正确性和可行性。利用分形几何理论建立了描述岩屑粒径分选性的颗粒级配模型,提出了相对沉没度随机变量和等效粒径的概念,通过滚动力矩平衡理论建立了考虑位置随机性和形状不规则性的岩屑床表面颗粒起动机制,在临界环空返速与颗粒起动标准之间建立了定量关联式。将临界返速预测值与实测值进行了对比,认为均匀颗粒临界起动速度对应的定量起动标准在40%左右比较合适,不均颗粒的临界起动速度存在分级性,细颗粒较同径均匀颗粒难起动,粗颗粒较同径均匀颗粒易起动。根据临界井斜角理论将水平井分为水平及近水平段、过渡段和垂直及近垂直段三段,基于守恒律和力学分析方法建立了适用于水平井全井筒的泡沫携岩一维稳态理论模型,以变步长推进迭代方法对模型进行了数值求解。此外,考虑层间质量传递和地层流体的侵入,建立了水平段泡沫携岩的一维瞬态双层流动模型,采用修正的SIMPLE算法对模型进行了数值求解,并通过多元非线性回归建立了水平井段临界返速（CFV）和最优气液流量的优化设计方法。数值模拟结果与本文的实验结果吻合较好,证明所建立的泡沫携岩理论模型正确可靠,从而为水平井泡沫钻井的井筒压力控制和井眼净化技术提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 立论依据及研究的目的与意义
• 1.2 UBD与MPD技术发展与应用现状
• 1.3 泡沫流体基本性能及应用现状
• 1.3.1 泡沫流体基本性能概述
• 1.3.2 泡沫流体在石油工业中的应用现状
• 1.4 钻井井筒气液两相流动机理研究进展
• 1.5 环空携岩机理研究进展
• 1.5.1 单相流体携岩机理研究进展
• 1.5.2 多相流体携岩机理研究进展
• 1.6 论文总体研究思路与内容
• 第二章 多功能井筒流动模拟实验架的研制
• 2.1 井筒流动模拟实验架设计理论
• 2.1.1 相似理论
• 2.1.2 量纲分析
• 2.2 井筒流动模拟实验架系统设计
• 2.3 泡沫携岩实验方法研究
• 2.3.1 泡沫携岩实验难题的解决方法
• 2.3.2 实验架动态参数的标定
• 2.3.3 泡沫携岩实验步骤
• 2.4 本章小节
• 第三章 泡沫流体流变性能研究
• 3.1 发泡剂类型与浓度优选
• 3.2 泡沫流体流变性能分析原理
• 3.3 管式流变仪实验方案
• 3.4 实验结果与分析
• 3.4.1 基于泡沫特征值的常规方法
• 3.4.2 基于VEP的泡沫流变性能分析
• 3.4.3 聚合物浓度对泡沫流变性能的影响
• 3.4.4 压力对泡沫流变性能的影响
• 3.4.5 温度对泡沫流变性能的影响
• 3.5 本章小节
• 第四章 泡沫流体井筒两相流动特性研究
• 4.1 水平环空气液流型转化机制与压降预测模型
• 4.1.1 水平环空气液流型
• 4.1.2 水平环空两相流流型过渡准则
• 4.1.3 压降预测模型
• 4.2 泡沫环空流动实验研究
• 4.3 泡沫流体状态方程
• 4.4 泡沫流动控制方程
• 4.4.1 钻杆内泡沫流动方程
• 4.4.2 环空内泡沫流动方程
• 4.5 水平钻杆内压力梯度与泡沫流速分布特征
• 4.5.1 压力梯度
• 4.5.2 轴向流速
• 4.6 水平环空内压力梯度与泡沫流速分布特征
• 4.6.1 压力梯度
• 4.6.2 环空轴向速度
• 4.7 泡沫钻井井筒压力计算方法与分析
• 4.7.1 井筒压力计算方法
• 4.7.2 井筒压力分布特征的计算分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 水平井泡沫流体稳态携岩机理研究
• 5.1 水平井泡沫携岩基础理论
• 5.1.1 泡沫携岩影响因素可控性分析
• 5.1.2 水平井钻井对井眼净化的特殊要求
• 5.1.3 水平井环空中泡沫携岩的典型流型
• 5.1.4 水平井环空中岩屑颗粒的运移模式
• 5.1.5 岩屑的沉降末速分析
• 5.2 基于颗粒位置随机性的环空临界返速
• 5.2.1 岩屑颗粒的不规则性分析
• 5.2.2 床层表面颗粒的位置随机性分析
• 5.2.3 基于颗粒位置随机性的临界瞬时流速公式
• 5.2.4 环空临界返速
• 5.2.5 床面颗粒临界起动流速计算与分析
• 5.3 水平井内泡沫稳态携岩三段力学模型与计算
• 5.3.1 模型建立基础
• 5.3.2 水平段
• 5.3.3 过渡段
• 5.3.4 垂直段
• 5.3.5 其它相关方程
• 5.3.6 数值计算方法
• 5.3.7 水平井泡沫携岩参数计算
• 5.4 本章小节
• 第六章 水平井泡沫流体携岩性能的实验研究
• 6.1 实验方案
• 6.2 岩屑床运移与破坏实验结果与分析
• 6.2.1 定量岩屑床形状描述
• 6.2.2 临界环空返速实验结果
• 6.2.3 岩屑床运移与破坏模式分析
• 6.3 岩屑浓度实验结果与分析
• 6.4 实测值与理论值的对比与分析
• 6.4.1 临界环空返速
• 6.4.2 环空岩屑浓度
• 6.5 本章小节
• 第七章 水平井段泡沫瞬态携岩数值模拟研究
• 7.1 泡沫瞬态携岩双层模型的建立
• 7.1.1 水平环空泡沫携岩控制方程
• 7.1.2 其它相关方程
• 7.1.3 边界条件
• 7.2 模型离散格式与求解方法
• 7.2.1 动量方程离散格式
• 7.2.2 速度修正方程
• 7.2.3 连续性方程离散格式
• 7.2.4 压力修正方程
• 7.2.5 瞬态泡沫携岩流动模型的数值解法
• 7.3 水基泡沫携岩影响因素敏感性分析
• 7.4 泡沫钻水平段时的CFV优化方法与应用
• 7.4.1 CFV计算与优化
• 7.4.2 CFV预测关系式的实验验证
• 7.4.3 CFV优化方法的应用
• 7.5 本章小节
• 第八章 结论及建议
• 参考文献
• 攻读博士学位论文期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介