大斜度井段岩屑运移实验研究与清洁工具优化设计

现场实践和室内实验研究均表明水平井、大位移井、多分支井的大斜度井段在钻井过程中，岩屑易堆积形成岩屑床，导致钻杆出现高摩阻、高扭矩、拖压等现象，严重时造成卡钻、钻具断落等井下安全事故。因此研究如何提高岩屑运移效率，抑制岩屑床生成的方法和相关机理十分必要。论文重点研究了直井段岩屑在钻井液中的沉降速度，大斜度井段岩屑的启动速度和岩屑悬浮速度等岩屑运移问题。 根据前人研究成果总结了不同岩性、不同钻头类型和岩石埋深对岩屑颗粒粒径的影响，通过室内实验数据回归得到了不同粒径岩屑颗粒在幂律流体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。 提出了岩屑床休止角的概念，并通过室内实验，测定了岩屑休止角数值。根据岩屑床休止角的定义和力学平衡关系可以求得岩屑颗粒之间滑动运移时的摩擦系数，同时根据岩屑床休止角数值确定大斜度井段起始井斜角。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。 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。 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。 提出了机械法井眼清洁工具的基本叶片类型，通过数值模拟分析得到了不同类型叶片的旋转辅助清洁岩屑作用机理。由CFD数值模拟可知螺旋形-V形复合型叶片井眼清洁工具有较高岩屑床清洁效率。基于螺旋工具面上岩屑颗粒的力学平衡，可对岩屑通过螺旋式工具后的运动规律进行定量的描述。讨论了基于叶元法井眼清洁工具叶片的水力结构设计方法，为这类工具的设计提供参考依据。