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在大口径水平定向钻技术大规模地应用于长距离油气管道建设的过程中,钻屑的运移成了一个较为突出且亟待解决的问题。现有对水平定向钻泥浆的研究主要集中在泥浆压力对地面变形的影响及泥浆渗漏等问题,而对泥浆携带钻屑的研究极少。虽然在水平油气井中,钻屑运移得到了较为广泛的重视和研究,但是鉴于大口径水平定向钻孔与水平油气井的较大区别,无法采用高速紊流低粘泥浆携带钻屑的原理来解决大口径水平定向钻的排屑问题。
基于以上原因,本文建立了适用于大口径水平定向钻孔的环空泥浆模型。该模型将环空泥浆中的钻屑分成三种类型:微小颗粒,中等颗粒,及粗颗粒。微小颗粒悬浮于泥浆中,其沉降速度可以忽略,中等颗粒以较缓慢的速度沉降,而粗颗粒的沉降速度非常快,因而沉积于孔底形成岩屑床。该模型假设微小颗粒能够随泥浆排出孔口而不沉淀;中等颗粒具有水平速度和垂直速度,可能沉降也可能排出孔口;而大颗粒钻屑则无法一次性排出孔口。该环空泥浆模型的建立,为下一步分析钻屑的运移提供了基础。
结合作者在施工现场的实践工作,介绍了在西气东输二线工程中大口径长距离河流穿越工程中,泥浆的配置,循环利用工作机理。介绍了环空泥浆的形成与组成,使本文的整个研究工作能紧密结合实际。
探讨了钻屑颗粒沉降速度的计算理论与公式。钻屑的沉降速度计算是本文理论计算中的关键,而目前国内外文献对钻屑沉降速度和表观粘度的计算公式比较混乱,有时相互冲突。本文基于前人的研究成果,通过理论推导,得出了不同颗粒雷诺系数范围内钻屑的沉降速度计算公式和幂律流体的环空表观粘度计算公式。
分析了低速层流携带钻屑的原理。因为钻孔直径比钻杆直径大得多,并且钻杆的转速非常低,所以忽略了钻杆对钻屑沉降的影响。创建了选择泥浆流变参数和泥浆泵量的决策模型。该决策流程为现场泥浆工程师有效科学地配置泥浆提供了理论依据。
最后,对两气东输二线某河流穿越工程进行了实例研究,将本文的研究成果应用到该工程泥浆的设计中。实践结果表明,本文的理论与现场的实际情况相符。但由于本文简化了钻孔条件,并忽略了钻杆的影响,因此可能会存在一些误差。