CN102140911A - 随钻过程中获取钻井液粘度和密度的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种随钻过程中获取钻井液粘度和密度的方法与装置，所述方法包括：在井筒中设置至少3个测压设备，所述至少3个测压设备所处的深度不同；获取每个测压设备所测得的钻井液压力值；从所述至少3个测压设备中选择2组测压设备，每组包含2个测压设备；根据每组测压设备获取的2个钻井液压力值以及2个测压设备之间的深度差值，分别建立每组测压设备的流体模型；根据建立的2个流体模型，生成所述钻井液的粘度和密度。

Description

随钻过程中获取钻井液粘度和密度的方法与装置

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，特别涉及的是一种随钻过程中获取钻井液粘度和密度的方法与装置。

背景技术

钻井液在随钻作业过程中主要起携带岩屑、冷却钻具、保持井眼稳定、保护钻开油气层的作用，是钻井开采过程中的重要环节。而随钻过程中钻井液的两个重要参数，粘度和密度直接影响着钻井质量。目前，我国油田随钻过程中只能对井下温度、井斜、方位和油气显示等参数进行监测，对钻井液粘度和密度的测试采用的是地面漏斗法或实验模拟的方法，而对随钻过程中井下钻井液密度和粘度的计算和监测尚未有技术手段。

下面给出几种现有技术中获取钻井液粘度和密度的测试方法与装置。

现有技术中公开了采用地面漏斗法测量钻井液密度、粘度的方法与装置。例如：申请号为95213678.3的中国专利申请公开了一种石油钻井液密度、粘度测定装置，该装置在地面采用漏斗状测量筒，在测量筒的下部筒壁上固定压力传感器，测量筒底部泄放口上设置堵头，堵头与电磁阀联动，通过测量漏入量筒中的钻井液深度、压力及速度来确定钻井液的密度和粘度。

现有技术中还公开了采用实验模拟法测量钻井液密度、粘度的方法与装置。例如：(1)申请号为200520108965.9的中国专利申请公开了一种泡沫钻井液密度测试仪，该测试仪研究泡沫钻井液在模拟井下温度、压力条件下密度变化量及变化规律，来测量钻井液密度和粘度；(2)申请号为2005200362282的中国专利申请公开了一种高温高压钻井液密度测量装置，该装置主要包括：活塞组件置入釜体中，釜体上盖装有溢流调压阀及进压阀；釜体上盖的中心圆环孔的中间开有二道O型密封环，在活塞圆环表面上嵌有O型密封环；在活塞杆顶部安装有活塞顶帽、限位装置及千分表；在釜体下盖上装有排液阀，下盖用螺栓与釜体下端联接；釜体置入油浴温箱中，温箱内装有加热套、加热油腔、隔热保温层，箱体上盖装有电加热器、控温传感器及温度控制器；通过模拟井下高温高压状态下，测量各种钻井液在不同温度、压力状态下的密度及性能。

上述几种现有技术大都是通过地面测量或模拟实验来确定随钻钻井液密度和粘度的方法，而在真实的钻井过程中，由于井下情况变化复杂，地面测量的钻井液粘度和密度参数不能真实、实时的反映井下情况。

发明内容

本发明实施例提供一种随钻过程中钻井液粘度和密度的计算方法与装置，通过计算得到井下钻井液粘度和密度的实时数据，为钻井过程中钻井液的配比调整提供可靠依据，对提高机械钻速、保护油气层、提高钻井质量具有重要的现实意义。

一方面，本发明实施例提供一种随钻过程中获取钻井液粘度和密度的方法，所述方法包括：在井筒中设置至少3个测压设备，所述至少3个测压设备所处的深度不同；获取每个测压设备所测得的钻井液压力值；从所述至少3个测压设备中选择2组测压设备，每组包含2个测压设备；根据每组测压设备获取的2个钻井液压力值以及2个测压设备之间的深度差值，分别建立每组测压设备的流体模型；根据建立的2个流体模型，生成所述钻井液的粘度和密度。

所述的至少3个测压设备设置于所述井筒的钻铤内。

当井筒中设置有4个测压设备时，所建立的2个流体模型为：p₂＝p₁+ρgh₁+h_f1；以及p₄＝p₃+ρgh₂+h_f2；其中：P₁，P₂，P₃，P₄为4个测压设备所测得的钻井液压力值；h₁为第1组测压点间的距离；h2为第2组测压点间的距离；ρ为钻井液的密度；h_f1为钻井液在h₁距离段产生的摩阻损失；h_f2为钻井液在h2距离段产生的摩阻损失；D为井筒直径；v为钻井液流速，λ为沿程水头损失系数；当述钻井液的流动状态为层流状态时，

当述钻井液的流动状态为紊流状态时，

所述方法还包括：在所述至少3个测压设备的附近设置测温设备，用于获得所述钻井液的温度值。

另一方面，本发明实施例还提供一种随钻过程中获取钻井液粘度和密度的装置，所述装置包括：至少3个测压设备，设置于井筒中，每个测压设备所处的深度不同；压力值获取单元，用于获取每个测压设备所测得的钻井液压力值；流体模型建立单元，用于从所述至少3个测压设备中选择2组测压设备，每组包含2个测压设备；根据每组测压设备获取的2个钻井液压力值以及2个测压设备之间的深度差值，分别建立每组测压设备的流体模型；粘度和密度生成单元，根据建立的2个流体模型，生成所述钻井液的粘度和密度。

所述至少3个测压设备设置于所述井筒的钻铤内。

当井筒中设置有4个测压设备时，所述模型建立单元所建立的2个流体模型为：p₂＝p₁+ρgh₁+h_f1；以及p₄＝p₃+ρgh₂+h_f2；其中：P₁，P₂，P₃，P₄为所测得的钻井液压力值，h₁为第1组测压点间的距离；h2为第2组测压点间的距离；ρ为钻井液的密度；h_f1为钻井液在h₁距离段产生的摩阻损失；h_f2为钻井液在h2距离段产生的摩阻损失；

D为井筒直径；v为钻井液流速，λ为沿程水头损失系数；当述钻井液的流动状态为层流状态时，

当述钻井液的流动状态为紊流状态时，

所述装置还包括：设置于所述至少3个测压设备附近的测温设备，用于获得所述钻井液的温度值。

本发明的有益效果在于：目前，随着我国油田开发规模的逐渐扩大，钻井井数也将逐年增加，开展随钻钻井液密度和粘度的计算方法研究，为实时监测井下钻井液的粘度和密度提供理论依据，对科学指导钻井液配比调整、加快机械钻速、提高钻井质量及油田开发效果有重要的实际意义，也必将具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例获取钻井液粘度和密度的方法原理示意图；

图2为本发明实施例随钻过程中获取钻井液粘度和密度的方法流程图；

图3为本发明实施例随钻过程中获取钻井液粘度和密度的装置功能框图；

附图标号：

1-钻井液；2-钻铤；3-测温点；4-测压点；5-井壁。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例首先提供一种随钻过程中获取钻井液粘度和密度的方法，该方法所采用的技术方案为：在钻井过程中，钻井液由钻杆通过井筒返排到地面，钻井液在井筒中形成一个流场，如图1所示，在井筒中设置至少3个测压点(图1中的4个测压点只是一种具体的实施情况，并不用于限制本发明的保护范围)，几个测试点实时监测该处的压力，利用流体摩阻计算理论，计算钻井液的密度和粘度。通过本发明实施例测量得到的随钻过程中钻井液的密度和粘度，可以在后续的钻井过程中作为地面钻井液密度和粘度控制的重要参考数据。

再次参考图1，由于温度也是影响钻井液粘度和密度的一个重要因素，在井筒中测压点的附近还设置有测温点，测量得到的温度值会在后续的钻井过程中对地面钻井液的密度和粘度的控制提供进一步的参考依据。

图2为本发明实施例的方法流程图。如图2所示，该方法包括：

S201、在井筒中设置至少3个测压设备，所述至少3个测压设备所处的深度不同；

S202、获取每个测压设备所测得的钻井液压力值；

S203、从所述至少3个测压设备中选择2组测压设备，每组包含2个测压设备；根据每组测压设备获取的2个钻井液压力值以及2个测压设备之间的深度差值，分别建立每组测压设备的流体模型；

S204、根据建立的2个流体模型，生成所述钻井液的粘度和密度。

下面结合一个具体的例子来详细说明该方法的实现流程，下述实例以4个测压设备的情况进行说明。

在钻井过程中，泥桨经由井筒上返过程中沿程各点的压力不同。由流体力学理论分析可知，沿程压力不同的原因有：1)重力影响，即泥桨液柱高度的影响，2)存在流动阻力造成压力损失。由以上原理，根据流体力学理论可建立两点之间的压力方程：

p₂＝p₁+ρgh₁+h_f1   (1)

式中：p₁，p₂为测压点压力，h₁为测压点间的距离，为已知量；ρ为钻井液的密度，为待求量；h_f1为在钻井液在h₁距离段产生的摩阻损失，它与粘度μ、流速v、距离及井筒尺寸等参数有关，其中，粘度μ为待求量，其它的参数(流速、井筒尺寸等)为已知量。

在方程(1)中存在两个待求量，若求解两个量需要再建立一个独立的方程。因此，可通过p₃，p₄点建立另一个方程：

p₄＝p₃+ρgh₂+h_f2     (2)

式中：p₃，p₄为测压点压力，h_f2为在钻井液在h₂距离段产生的摩阻损失，它与粘度μ、流速v、距离h及井筒尺寸等参数有关。

沿程水头损失公式：

$h_f=\mathrm{\λ}\frac{h}{D}\frac{v^2}{2g};$

λ是沿程水头损失系数，用来衡量沿程水头能量损失大小的一个参数。

流体流动过程中，根据流动状态可分为层流、紊流等几种状态。层流是流体的一种流动状态。流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。此种流动称为层流或滞流，亦有称为直线流动的。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5，根据雷诺实验，当雷诺准数Re＜2320时，流体的流动状态为层流。紊流是指流体从一种稳定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种无序状态。具体是指流体流动时各质点间的惯性力占主要地位，流体各质点不规则地流动。水利工程所涉及的流动，一般为紊流。

层流时λ取值：

$\mathrm{\λ}=\frac{64}{\mathrm{Re}}$

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρvD}}{\mathrm{\μ}}$

紊流时λ取值：

$\mathrm{\λ}=\frac{0.3164}{{\mathrm{Re}}^{0.25}}$

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρvD}}{\mathrm{\μ}}$

式中：h_f-h距离段产生的沿程摩阻损失；

h-沿程距离；

D-井筒直径；

Re-雷诺数；

ρ-钻井液密度；

μ-钻井液粘度。

其中(流速、井筒尺寸等)为已知量，粘度μ为待求量。由方程(1)和(2)联立，即可得到钻井液的密度和粘度参数。

该模型实际应用过程中3个测压点也可以达到测试目的。

本发明实施例还提供一种随钻过程中获取钻井液粘度和密度的装置，该装置可以实现前述实施例的方法。

图3为该装置的功能框图，如图3所示，该装置30包括：至少3个测压设备301，设置于井筒中，每个测压设备所处的深度不同；压力值获取单元302，用于获取每个测压设备所测得的钻井液压力值；流体模型建立单元303，用于从所述至少3个测压设备中选择2组测压设备，每组包含2个测压设备；根据每组测压设备获取的2个钻井液压力值以及2个测压设备之间的深度差值，分别建立每组测压设备的流体模型；粘度和密度生成单元304，根据建立的2个流体模型，生成所述钻井液的粘度和密度。

具体地，所述至少3个测压设备设置于所述井筒的钻铤内。

当井筒中设置有4个测压设备时，所述模型建立单元所建立的2个流体模型为：p₂＝p₁+ρgh₁+h_f1；以及p₄＝p₃+ρgh₂+h_f2；其中：P₁，P₂，P₃，P₄为所测得的钻井液压力值，h₁为第1组测压点间的距离；h2为第2组测压点间的距离；ρ为钻井液的密度；h_f1为钻井液在h₁距离段产生的摩阻损失；h_f2为钻井液在h2距离段产生的摩阻损失；D为井筒直径；v为钻井液流速，λ为沿程水头损失系数；当述钻井液的流动状态为层流状态时，

当述钻井液的流动状态为紊流状态时，

可选地，所述装置还包括：设置于所述至少3个测压设备附近的测温设备(图中未示)，用于获得所述钻井液的温度值。

本发明实施例提供的随钻过程中钻井液粘度和密度的计算方法与装置，通过计算得到井下钻井液粘度和密度的实时数据，为钻井过程中钻井液的配比调整提供可靠依据，对提高机械钻速、保护油气层、提高钻井质量具有重要的现实意义。

目前，随着我国油田开发规模的逐渐扩大，钻井井数也将逐年增加，开展随钻钻井液密度和粘度的计算方法研究，为实时监测井下钻井液的粘度和密度提供理论依据，对科学指导钻井液配比调整、加快机械钻速、提高钻井质量及油田开发效果有重要的实际意义，也必将具有广阔的应用前景。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种随钻过程中获取钻井液粘度和密度的方法，其特征在于，所述方法包括：

在井筒中设置至少3个测压设备，所述至少3个测压设备所处的深度不同；

获取每个测压设备所测得的钻井液压力值；

从所述至少3个测压设备中选择2组测压设备，每组包含2个测压设备；根据每组测压设备获取的2个钻井液压力值以及2个测压设备之间的深度差值，分别建立每组测压设备的流体模型；

根据建立的2个流体模型，生成所述钻井液的粘度和密度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的至少3个测压设备设置于所述井筒的钻铤内。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当井筒中设置有4个测压设备时，所建立的2个流体模型为：

p₂＝p₁+ρgh₁+h_f1；以及p₄＝p₃+ρgh₂+h_f2；

其中：P₁，P₂，P₃，P₄为4个测压设备所测得的钻井液压力值；h₁为第1组测压点间的距离；h₂为第2组测压点间的距离；ρ为钻井液的密度；h_f1为钻井液在h₁距离段产生的摩阻损失；h_f2为钻井液在h₂距离段产生的摩阻损失；

D为井筒直径；v为钻井液流速，λ为沿程水头损失系数；

当所述钻井液的流动状态为层流状态时，

当所述钻井液的流动状态为紊流状态时，

4.根据权利要求1-3中任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述至少3个测压设备的附近设置测温设备，用于获得所述钻井液的温度值。

5.一种随钻过程中获取钻井液粘度和密度的装置，其特征在于，所述装置包括：

至少3个测压设备，设置于井筒中，每个测压设备所处的深度不同；

压力值获取单元，用于获取每个测压设备所测得的钻井液压力值；

流体模型建立单元，用于从所述至少3个测压设备中选择2组测压设备，每组包含2个测压设备；根据每组测压设备获取的2个钻井液压力值以及2个测压设备之间的深度差值，分别建立每组测压设备的流体模型；

粘度和密度生成单元，根据建立的2个流体模型，生成所述钻井液的粘度和密度。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述至少3个测压设备设置于所述井筒的钻铤内。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，当井筒中设置有4个测压设备时，所述模型建立单元所建立的2个流体模型为：

p₂＝p₁+ρgh₁+h_f1；以及p₄＝p₃+ρgh₂+h_f2；

其中：P₁，P₂，P₃，P₄为所测得的钻井液压力值，h₁为第1组测压点间的距离；h₂为第2组测压点间的距离；ρ为钻井液的密度；h_f1为钻井液在h₁距离段产生的摩阻损失；h_f2为钻井液在h₂距离段产生的摩阻损失；

D为井筒直径；v为钻井液流速，λ为沿程水头损失系数；

当述钻井液的流动状态为层流状态时，

当述钻井液的流动状态为紊流状态时，

8.根据权利要求5-7中任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：设置于所述至少3个测压设备附近的测温设备，用于获得所述钻井液的温度值。

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