大斜度井段岩屑运移实验研究与清洁工具优化设计

【摘要】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。
【作者】孙晓峰；
【导师】闫铁；
【作者基本信息】东北石油大学，石油与天然气工程，2014，博士
【关键词】岩屑沉降；岩屑启动；岩屑床；井眼清洁；临界流速；井眼清洁工具；

【参考文献】
[1]姚琼荟,宋立忠,温洪.离散变结构控制系统的比例—等速—变速控制[J].控制与决策,2000,03:329-332.
[2]傅俊.中西方写生观异同之比较研究[D].华东师范大学,美术学,2013,硕士.
[3]李振江.基于SYSWELD的焊接接头温度场和残余应力场研究[D].北京交通大学,2010.
[4]张仝.苏富比拍卖行新市场发展战略研究[D].中央美术学院,艺术管理,2013,硕士.
[5]姜辉.基于虚拟化技术的恶意代码行为分析系统的研究与实现[D].济南大学,计算机科学与技术,2012,硕士.
[6]黄伟健.集团企业物流综合管理平台的研究与实现[D].浙江理工大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[7]王闯.Bragg光纤光栅飞秒激光制备及其金属化封装技术研究[D].吉林大学,微电子学与固体电子学,2013,硕士.
[8]杨战.我国体育院校健美操教材建设与发展的研究[D].北京体育大学,体育教学,2013,硕士.
[9]陈英.汉语传播环境中汉语作为第二语言的网络教学[D].西安外国语大学,汉语国际教育,2013,硕士.
[10]韩宇.《天工开物》饮食制作类词语研究[D].内蒙古师范大学,汉语言文字学,2012,硕士.
[11]许丹,隋刚,关光武,杨小平.石墨烯微片增强环氧树脂复合材料的力学性能研究[A].中国化学会、中国机械工程学会、中国材料研究学会.2012年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集（下册）[C].中国化学会、中国机械工程学会、中国材料研究学会:,2012:3.
[12]广文.华为：中国OSS运营支撑的中坚[N].中国电子报,2003/09/02.
[13]陈起贤.TD-LTE系统接纳控制和负载均衡算法研究[D].北京邮电大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[14]桂林.蛋白核小球藻培养方式的比较及其叶黄素的提取检测[D].华中农业大学,农产品加工与贮藏工程,2001,硕士.
[15]陈士俊,赖迪辉.数据挖掘在科技评估中的应用[J].科学学与科学技术管理,2005,04:40-43.
[16]曾星.武警战士工作压力与职业倦怠的关系研究[D].湖南师范大学,应用心理学,2014,硕士.
[17]肖潇.鞍山市农户有机蔬菜生产意愿及其影响因素分析[D].南京农业大学,企业管理,2011,硕士.
[18]孙瑜.陕西旧通志中宁夏史料考述[D].宁夏大学,汉语言文字学,2014,硕士.
[19]崔光磊.特厚煤层采动裂隙场演化与地面钻井产气规律[D].中国矿业大学,安全技术及工程,2014,硕士.
[20]陈卓友.舒降之治疗脑梗死患者颈动脉粥样斑块临床研究[D].苏州大学,神经病学,2003,硕士.
[21]KONGYANG.从沉默到自我伸张—从后殖民主义和女性主义角度解读《接骨师之女》[D].西安外国语大学,英语语言文学,2013,硕士.
[22]韩东.九江职业大学办公系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[23]穆琰.脱硫石膏基胶凝材料的研究[D].河北科技大学,化学工程与技术,2013,硕士.
[24]刘瑜.联合网络编码的CoMP技术研究[D].西安电子科技大学,通信与信息系统,2012,硕士.
[25]孙健.在线旅行服务企业微博营销模式研究[D].哈尔滨工业大学,管理科学与工程,2014,硕士.
[26]毛欢欢.基于ZigBee的医疗监护系统的设计[D].武汉理工大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[27]邵奇.基于敏感驾驶的多速混合元胞自动机交通流模型的研究[D].兰州理工大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[28]陈衡.词和短语区分的频率因素[D].华中师范大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[29]杨明娇.知名品牌广告语的文化研究[D].西安外国语大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[30]黎明.地域主义视域下新农村民居建筑初探[D].西安建筑科技大学,科学技术哲学,2013,硕士.
[31]黄毅.某近程小型无人机飞行控制系统研究[D].南昌航空大学,控制工程（专业学位）,2013,硕士.
[32]梁茜.论美国妇女在西部边疆拓展中的角色衍变和社会贡献[D].天津大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[33]李月.先秦儒家乐舞美学思想研究[D].西北师范大学,文艺学,2013,硕士.
[34]王叶军.开发性金融支持我国城市化发展研究[D].河北经贸大学,区域经济学,2012,硕士.
[35]吴雯.钢筋混凝土框架结构加固技术的研究与应用[D].西安工业大学,岩土工程,2014,硕士.
[36]赫松伟.农民专业合作社带头人胜任力研究[D].江西农业大学,农村与区域发展,2012,硕士.
[37]张爽.俄语语言游戏中的语用学若干问题研究[D].首都师范大学,俄语语言文学,2013,硕士.
[38]周华.邓小平社会主义市场经济理论对列宁新经济政策思想的继承与提升[D].辽宁师范大学,马克思主义理论与思想政治教育,2003,硕士.
[39]施健美.5-4’-[4-(5-氰基-3-吲哚基)丁基]-1-哌嗪基苯并呋喃-2-甲酰胺的合成研究[D].华东理工大学,应用化学,2014,硕士.
[40]韩征峰.个人卫生护理机器人测控系统研究[D].河南科技大学,测试计量技术及仪器,2013,硕士.
[41]方萌萌.自我管理教育对食管癌患者自我效能感和生存质量的影响[D].吉林大学,护理学,2014,硕士.
[42]本报记者顾雷鸣刘宏奇庾康高坡邵生余李仲勋黄伟王世停吴红梅吉强蔡炜马薇.创新驱动，托起苏南产业高地[N].新华日报,2015-02-05001.
[43]张迎寅.光内粉丝同送熔覆工艺及成形研究[D].苏州大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[44]徐玉威.基于身份的广播加密研究[D].北方工业大学,应用数学,2013,硕士.
[45]王挺.面向机翼的装配顺序规划技术研究[D].西北工业大学,航空宇航制造工程（CAD/CAM）,2004,硕士.
[46]潘茹珺.某型号导弹的综合测试和基于神经元网络的模拟诊断[D].吉林大学,2004.
[47]李颖.牛角瓜纤维相关性能指标的研究[D].东华大学,纺织工程（专业学位）,2014,硕士.
[48]HimalayaDewan.胆管癌的超声图像分析[D].吉林大学,影像医学与核医学,2013,硕士.
[49]李娜.面向人机交互的单目视频三维人体姿态估计研究[D].浙江大学,2008.
[50]王东.文化认同的可能与现实[D].北京交通大学,2008.