大斜度井段巖屑運(yùn)移實驗研究與清潔工具優(yōu)化設(shè)計

【摘要】：現(xiàn)場實踐和室內(nèi)實驗研究均表明水平井、大位移井、多分支井的大斜度井段在鉆井過程中，巖屑易堆積形成巖屑床，導(dǎo)致鉆桿出現(xiàn)高摩阻、高扭矩、拖壓等現(xiàn)象，嚴(yán)重時造成卡鉆、鉆具斷落等井下安全事故。因此研究如何提高巖屑運(yùn)移效率，抑制巖屑床生成的方法和相關(guān)機(jī)理十分必要。論文重點(diǎn)研究了直井段巖屑在鉆井液中的沉降速度，大斜度井段巖屑的啟動速度和巖屑懸浮速度等巖屑運(yùn)移問題。 根據(jù)前人研究成果總結(jié)了不同巖性、不同鉆頭類型和巖石埋深對巖屑顆粒粒徑的影響，通過室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)回歸得到了不同粒徑巖屑顆粒在冪律流體中的阻力系數(shù)表達(dá)式，從而建立了適用于冪律流體的巖屑沉降速度模型。 提出了巖屑床休止角的概念，并通過室內(nèi)實驗，測定了巖屑休止角數(shù)值。根據(jù)巖屑床休止角的定義和力學(xué)平衡關(guān)系可以求得巖屑顆粒之間滑動運(yùn)移時的摩擦系數(shù)，同時根據(jù)巖屑床休止角數(shù)值確定大斜度井段起始井斜角。根據(jù)巖屑力學(xué)平衡關(guān)系建立了巖屑床床面顆?；瑒舆\(yùn)移、滾動運(yùn)移和舉升運(yùn)移三種形式的巖屑啟動速度模型。 根據(jù)直井段巖屑沉降速度模型和已發(fā)表的實驗數(shù)據(jù)，建立了考慮鉆桿旋轉(zhuǎn)、巖屑粒徑等因素影響的小斜度、中斜度和大斜度井段巖屑懸浮速度模型。模型數(shù)值模擬分析結(jié)果表明井斜角、機(jī)械鉆速、鉆井液有效粘度對水平井段巖屑運(yùn)移影響較大，而巖屑粒徑和鉆桿轉(zhuǎn)速主要影響大斜度井段，流性指數(shù)和巖屑密度則影響小斜度井段。 通過CFD數(shù)值模擬方法定量評價了鉆桿旋轉(zhuǎn)對巖屑床的抑制作用效果，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果回歸出了巖屑床比面積和壓耗計算模型。模擬表明鉆桿旋轉(zhuǎn)作用使巖屑在井眼環(huán)空內(nèi)沿周向非對稱狀分布，能夠顯著增加鉆井液切向速度，由此產(chǎn)生的切向拖拽力能夠在一定程度上抑制巖屑床的形成。當(dāng)鉆井液在中低排量下，提高鉆桿轉(zhuǎn)速能夠顯著提高攜巖效率，有效提高井眼清潔程度。而在高排量下，鉆柱轉(zhuǎn)速達(dá)到160RPM以上時對提高攜巖效率影響不再顯著。 提出了機(jī)械法井眼清潔工具的基本葉片類型，通過數(shù)值模擬分析得到了不同類型葉片的旋轉(zhuǎn)輔助清潔巖屑作用機(jī)理。由CFD數(shù)值模擬可知螺旋形-V形復(fù)合型葉片井眼清潔工具有較高巖屑床清潔效率。基于螺旋工具面上巖屑顆粒的力學(xué)平衡，可對巖屑通過螺旋式工具后的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行定量的描述。討論了基于葉元法井眼清潔工具葉片的水力結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，為這類工具的設(shè)計提供參考依據(jù)。 【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TE24;TE92

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