单壁钻杆气举反循环钻井三维非对称气体流场研究

This project will address the challenges encountered in development of tight oil and gas reservoirs. These challenges include high formation hardness, low rock drillability, low drilling efficiency, and formation water influx problem. The project will carry out the research of theoretical study and experimental investigation of 3-dimentional non-symmetrical gas flow field at bottom hole in the gas-lift drilling process with single-wall drill pipe. Both law and quantitative theoretical model will be obtained. The result of the project will support optimization of drill it design for the gas-lift drilling process with single-wall drill pipe. The outcome of the project will help completion of the theory of complex multi-phase flow system in the gas-lift drilling process with single-wall drill pipe. This will provide a theoretical base in drilling for efficiently development of tight oil and gas reservoirs.

针对致密油气藏开发中的岩石硬度高，可钻性差，钻井效率低等挑战，以及地层出流等问题，开展单壁钻杆气举反循环钻井井底三维非对称气体流场的理论与实验研究，得到气举反循环钻井井底三维非对称气体流动规律和定量描述理论模型，为气举反循环钻井的钻头优化设计提供基础数据和理论支撑。研究成果将有助于健全气举反循环钻井全井筒复杂多相流体系，为高效率开发致密油气藏提供钻井理论基础。

能源安全是关系国计民生之大事。开发致密地层中的石油和天然气(致密油气)是我国乃至世界重要能源投资热点。由于致密油气层的钻井效率低，导致致密油气开发费用很高。 急需解除的技术瓶颈包括地层产水,井壁坍塌,大井眼气体用量过高,水平钻进排屑困难, 以及钻进安全等诸多问题。采用反循环气体钻井方式，有望解决这些问题。但是由于一些诸如气体三维非对称流场等理论问题尚未解决，无法合理设计反循环气体钻井中的流体力学参数，国内还不能试验实施反循环气体钻井方式。本项目基于国内主要致密油气的特性和气体正循环钻井实践，开展了反循环气体钻井中气体井底非对称流场的理论探索和实验研究，建立了气体非对称流场的解析数理模型并通过数值模拟得以证实其一致性。该解析数理模型描述非对称流场中的流速分布函数，压力分布函数和动能分布函数。为了验证该数理模型的可靠性，依据最低能量理论，应用该动能分布函数预测了对称流场中的气体最低携岩流量， 结果与现实观测值完全吻合。本项目还自研自制了三维气体非对称流场的实验装置，并通过实验获得了不同粒径岩屑条件下清洁井底所需要的最低气体流量。在此基础上，额外开展了气体含水率对携岩效率影响的气体携岩实验。获得了大量测量数据。本项目以实验为基础并以理论为指导形成了适合我国致密油气开发特征的气体反循环钻井中井底气流参数的理论体系。在国际著名期刊发表了学术论文10篇，出版专著1部，申请发明专利1项。该研究对于提高气体反循环钻井成功率、实现致密油气的高效开发具有重要的科学指导意义。