气体钻井地层-井眼流体-旋转管柱耦合作用下井眼净化机理研究

气体钻井技术因具有机械钻速高、成本低、有效控制漏失层、及时评价低压低渗油气层和保护油气层等优点而备受青睐。但气体钻井施工中, 由于井眼形态变化及钻柱偏心旋转等条件影响，常常致使斜井或水平井井眼净化问题严重，降低了气体钻井效率。尤其是地层出水后，不同岩性岩屑颗粒群与水发生物理化学作用而聚并，导致井眼净化不好而产生卡钻等井下事故，目前对于这些复杂井眼条件下的气体钻井井眼净化的理论认识尚未清楚，特别是在地层-井眼流体-旋转管柱耦合作用下的井眼净化问题没有完全解决，严重制约了气体钻井技术的发展与应用。本项目针对上述问题，运用理论分析、数值模拟和室内实验等手段，通过研究气体钻井在地层-井眼流体-旋转管柱耦合作用及不同井眼条件下的井内气-固，气-液-固多相流流动特性、传热特性、颗粒相互作用等特性规律，建立环空流体温度场、压力场、速度场分布的计算模型及岩屑颗粒运移的动力学和运动学模型及求解方法。

本项目是针对气体钻井过程中岩屑运移的特点和井眼净化的难点，应用空气动力学、岩屑动力学、渗流力学、工程岩土学等学科中的知识点展开研究。经过四年的研究工作，项目取得了以下研究结论:.1.应用空气动力学和岩屑动力学分析大斜度井段岩屑的运移方式及运移规律，建立了气体钻井中大斜度井段岩屑起动临界速度计算模型。.2.以普朗特模型为基础，推导了空气在环空井筒内的流速分布模型，将模型结果和数值模拟结果进行对比，证明了模型具有一定精度，并进一步分析了流域变化对岩屑运移的影响。.3.通过Fluent软件进行数值模拟，分析了钻柱偏心对气体速度分布的影响规律，进而分析钻柱偏心对岩屑运移的影响。.4.应用空气动力学和岩屑动力学分析岩屑粒径、形状、密度以及气体压缩性对岩屑颗粒运移的影响，建立了直井气体钻井岩屑颗粒运动模型。.5.分析岩屑的运移机理及岩屑与钻杆、气体与岩屑之间的相互作用，建立了关键点数学模型。分析了井眼温度变化对注气量的影响，得出了岩屑遇水后最小注气量的计算方法。.6.通过分析影响气体携液的几个参数，考虑地层水的盐水浓度的影响，对气液表面张力进行了补充，提出了气体携液的临界速度。.7.针对地层出水后的气体钻井实际情况，分阶段描述不同阶段岩屑的运移状况、流型状况及岩屑与地层水的相互作用情况。基于达西稳定渗流机理及气体钻井井底压力公式建立了地层出水量预测模型，引进工程岩土学中的稠度指标，建立泥包钻头定量风险模型。.本项目的研究明确了不同井眼形态、钻柱偏心旋转和地层出水等不同情况下的岩屑运移机理和井眼净化情况。通过项目研究加深了对气体钻井井眼净化机理的认识，为进一步分析气体钻井井眼净化机理和指导现场气体钻井的正常实施提供了理论指导和技术支持。.本项目组所有研究人员中除了毕业的研究生外，其他主要研究成员没有出现中途调离或者离开的现象。在完成本项目的过程中，共发表了科技论文6篇，达到了本项目的计划要求。