石油天然气是保障国民经济持续发展、社会和谐稳定和国家安全的重要能源和战略资源。随着我国国民经济的快速发展,国民对油气资源的需求急剧增加,供需矛盾日益严峻,已成为制约我国经济迅速发展的瓶颈。随着我国油气资源勘探开发的多样化,水平井钻井技术以其有利于保护和发现油气层、提高单井产量,在石油天然气、页岩气和煤层气开采中广泛应用。但水基泥浆钻水平井技术尚未规模化应用,其原因之一为水基泥浆钻水平井岩屑运移因自重发生沉降并堆积在下井壁易形成岩屑床,岩屑床将引起钻柱扭矩摩阻增大,易引发钻柱阻、卡等事故的发生。然而,目前对水基泥浆钻井岩屑运移机理尚认识不清,有关水基泥浆钻井井眼净化机理及预防岩屑沉降措施研究较少,且不全面,故非常有必要对水基泥浆钻井岩屑运移及井眼净化机理进行系统研究。本文在调研水基泥浆钻井岩屑运移及井眼净化研究现状基础上,建造了模拟岩屑运移可视化实验台架,计算了井眼相关水力参数,并建立了相应的岩屑运移质量守恒方程和能量守恒方程,通过实验和数值模拟研究了水平段、斜井段岩屑运移机理,设计了岩屑推举工具和岩屑床破坏工具。本文基于理论研究、实验研究和数值模拟研究,主要开展了以下几方面的研究工作:(1)通过调研国内外研究现状,归纳总结单个岩屑颗粒受力情况、运移模式,及岩屑群运移模式、群粒子微观运移形式。在调研水平段和斜井段岩屑运移国内外研究现状的基础上,发现目前岩屑运移研究存在的问题及攻关方向,基于此提出本文研究内容。(2)在调研国内外现有岩屑运移实验台架的基础上,提出模拟全尺寸正循环岩屑运移实验台架方案,并建造了模拟6in井眼水平段岩屑运移可视化实验台架。该台架可实验研究悬浮岩屑运移轨迹、运移速度和沉降距离;岩屑床初始启动速度、平均运移速度、沉降距离、二次启动速度和运移时间。(3)为满足实验研究的需要在DZYJ-1井收集岩屑,并对收集到的岩屑按直径分级处理。通过改变泵排量、岩屑颗粒直径、岩屑床质量、钻井液粘度、井壁粗糙度、岩性和钻柱转速等工况参数,对水平常规井段、水平段关键点处岩屑运移规律及岩屑堆积成床后再次启动运移情况进行实验研究。实验研究得出粒径大于等于5mm且小于10mm岩屑临界启动排量为26.2m3/h;关键点处由于钻井液的漩涡扰动作用,岩屑在关键点处较易启动,但启动后不易被钻井液及时带走。由此得出钻井液排量、钻井液粘度、岩屑直径和关键点是影响岩屑运移的主控因素。(4)根据流体力学理论及岩屑运移形态,提出了计算岩屑悬浮层、移动岩屑床和固定岩屑床面积的方法,并计算了钻柱全部在岩屑床上面、钻柱部分在岩屑床里面和钻柱全部在岩屑床里面的井眼几何参数(该参数包括湿周、面积、水力半径和当量直径)根据质量守恒定律,建立了岩屑悬浮层、只存在固定岩屑床、两层水力模型和三层水力模型质量守恒方程;根据钻井液和岩屑在运移过程受力情况,建立了岩屑悬浮层、只存在固定岩屑床、两层水力模型和三层水力模型的力学模型,并以此建立了该模型能量守恒方程。使用该守恒方程可预测岩屑运移所需参数,该守恒方程预测结果与实验结果相吻合。(5)利用已致效数值模型对比研究垂直段、水平段和斜井段岩屑运移情况,对比结果显示水平段和斜井段岩屑易沉降堆积成床。通过研究钻柱偏心、机械钻速、钻井液排量、注气量、岩屑浓度和岩屑粒径对岩屑运移的影响规律,并采用岩屑运移速度、岩屑浓度和岩屑床厚径比三个评价指标进行评价,获得了如下岩屑运移临界参数:水平段正常临界机械钻速为9m/h、若使用辅助携岩工具最大机械钻速可达31.5m/h、正常携岩所需钻井液排量大于等于65m3/h、较优注气量比率为60%、临界岩屑浓度为4%;斜井段携岩所需最小排量为54m3/h、临界岩屑粒径为3mm、临界表观粘度为lOcp,移动床高度、固定床高度对岩屑床的破坏影响较大。(6)针对岩屑运移易沉降及岩屑床破坏较困难的现状,设计了岩屑推举工具,并对岩屑推举工具进行可行性分析和安全校核,论证得出该工具是可行的。根据初始设计方案和数值仿真结果,完成了样机加工和性能测试,测试结果证实该工具在辅助岩屑运移方面具有优异的性能。为更有效的破坏岩屑床,故加工了实验用岩屑床破坏工具样机,并在自建实验台架上进行了实验,通过改变工具转速、钻井液排量、岩屑床质量和岩屑粒径来研究工具的工作性能,实验得出该工具破坏岩屑床效果非常明显。利用室内实验、理论计算和数值计算相结合的方法来研究水基泥浆钻井岩屑沉降机理及岩屑床破坏方法,根据研究结论得出了岩屑运移临界参数,设计加工了岩屑推举和岩屑床破坏工具。上述研究对水基泥浆钻井防止岩屑沉降和破坏岩屑床具有指导意义。