钻柱旋转作用的大位移井环空岩屑运移机制研究

In extended reach well or horizontal well, the highly deviated section and horizontal section due to gravity have lower cuttings transport efficiency. However, most of the three layers or two layers models for cuttings transport ignore the impact of drillstring rotation, or assume that the velocity distribution of suspended layer have the same with tangential velocity distribution of power-law fluid's helical flow. Therefore, the effect of drillstring rotation on cuttings suspension-diffusion and tangential velocity field is still not clear. The project will focus on studying the effect of drillstring rotation on the annular cuttings suspension-diffusion mechanism, determining the function of rotary speed and radial concentration distribution, analyzing the effect drillstring rotation on tangential velocity field distribution and decay laws. The tangential velocity distribution model for two-phase flow field and cuttings radial concentration, and the drillstring rotation parameter will be introduced. In the end, we can get the maximum cuttings transport capacity from the concentration function. Laboratory experiments and numerical simulation will be as the basic method for studying. The project anticipates to reveal the effect law of drillstring rotation on the cuttings suspension-diffusion, build the cuttings transport model for cuttings-drilling fluid-drillstring rotation. Compared with the existing models, it is more suitable to annulus solid-liquid two-phase flow characteristics, also, it can provide the basis theory for hydraulic parameter optimization and rotary cuttings bed removal tools design.

大位移井、水平井钻井因大斜度和水平井段重力作用导致环空携岩效率较低，现有钻井液携岩三层或两层岩屑运移模型多忽略钻柱旋转影响，或假设悬浮层固液两相流体与幂律流体螺旋流切向速度分布相同，钻柱旋转对岩屑悬浮扩散、切向速度场的影响程度仍不明确。项拟研究钻柱旋转对井眼环空岩屑的悬浮扩散作用机理、岩屑沿井眼径向浓度分布与转速的函数关系、分析岩屑-钻井液两相流体受钻柱旋转影响后的耦合切向速度场分布与衰减规律，建立包括钻柱旋转参数的切向速度分布模型、岩屑径向浓度分布函数、以及通过浓度分布函数积分求解钻井液最大携岩能力。研究以室内实验和数值模拟为基本方法，预期将揭示钻柱旋转对岩屑悬浮扩散的作用机理，得到钻柱旋转作用的岩屑径向浓度分布函数和钻井液最大携岩能力模型，与现有岩屑运移模型相比，更符合井眼环空固液两相实际流动特性，同时可为大位移井、水平井水力参数优化和新型旋转岩屑床清除工具设计提供理论依据。

研究背景:. 大位移井钻探过程中，大斜度和水平井段岩屑容易沉积，形成的岩屑床导致管柱高摩阻、高扭矩，极易引发卡钻等井下事故，为此研究岩屑在大斜度和水平井段的运移机制十分必要。.研究内容:. 本项目是针对大位移井大斜度井段钻井过程中岩屑运移的特点和井眼净化的难点，通过室内实验，并结合颗粒动力学、流固耦合数值模拟等理论研究方法，开展了钻柱旋转、井斜角、钻井液排量等参数对岩屑在水平井、大位移井大斜度井段运移的影响机制研究。.重要研究结论及数据:.1. 通过室内实验和数据分析得到了不同粒径岩屑颗粒在幂律型钻井液中的阻力系数表达式，从而建立了适用于幂律流体的岩屑沉降速度模型。.2. 根据岩屑力学平衡关系建立了岩屑床床面颗粒滑动运移、滚动运移和举升运移三种形式的岩屑启动速度模型，。.3. 根据直井段岩屑沉降速度模型和已发表的实验数据，建立了考虑钻杆旋转、岩屑粒径等因素影响的小斜度、中斜度和大斜度井段岩屑悬浮速度模型。模型数值模拟分析结果表明井斜角、机械钻速、钻井液有效粘度对水平井段岩屑运移影响较大，而岩屑粒径和钻杆转速主要影响大斜度井段，流性指数和岩屑密度则影响小斜度井段。.4. 通过CFD数值模拟方法定量评价了钻杆旋转对岩屑床的抑制作用效果，根据数值模拟结果回归出了岩屑床比面积和压耗计算模型。模拟表明钻杆旋转作用使岩屑在井眼环空内沿周向非对称状分布，能够显著增加钻井液切向速度，由此产生的切向拖拽力能够在一定程度上抑制岩屑床的形成。当钻井液在中低排量下，提高钻杆转速能够显著提高携岩效率，有效提高井眼清洁程度。而在高排量下，钻柱转速达到160RPM以上时对提高携岩效率影响不再显著。. 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，授权专利2个，达到了本项目的计划要求。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10篇，其中EI检索8篇，授权发明专利2项，达到了本项目的计划要求。