CN102345450B - 环空分流短节(fdj)及其相关计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体钻井环空分流短节及其相关计算方法，该环空分流短节包括，具有旁通孔道的中空的环空分流短节喷头体、与钻杆相连接的中空钻杆接头短节。环空分流短节喷头体可安装多个喷嘴。喷嘴的大小根据实际情况选用，喷嘴的喷射方向与钻柱轴线平行且向上喷射。其计算包括喷嘴尺寸大小的确定，安装环空分流短节后井内压力剖面和钻井流体携岩能力指标的计算。采用本发明可解决常规气体钻井中因钻头喷嘴处气流速度高而引起的扩径、钻头冰包及井斜等问题。气体流经环空分流短节，一部分随钻铤流经钻头进入环空；另一部分从环空分流短节喷嘴直接进入环空，从而在不减弱环空流体携岩能力的情况下，减小了钻头的气体流量。

Description

环空分流短节(FDJ)及其相关计算方法

技术领域

本发明涉及一种用于气体钻井的环空分流短节(Flow-Diverting Joint，简称“FDJ”)及其喷嘴的选用和井内压力计算方法。这种环空分流短节安装在钻柱的钻铤段之上，利用喷嘴分流部分钻井流体(气体)直接进入环空。

背景技术

在气体钻井过程中，常常出现以下问题：1)在软地层，从钻头喷嘴喷出的高速气体造成井径扩大；2)钻头喷嘴喷出的气体，使钻头温度降低，可能导致钻头冰包，引起钻头失效；3)各向异性井径扩大造成井斜。一般来讲，可以通过减小注入流量来减少这些问题。

当使用平底空气锤钻头，由于其钻压较低，其本身并不造成井斜，但是实际钻井过程当中仍然发生井斜。这主要是由于钻头喷嘴处的高速气体引起井径扩大造成的，而减小过钻头流量可以减轻这种现象。

当气体通过钻头喷嘴时，如果气体的速度接近甚至超过音速，气体将不能迅速扩张，钻头的喷射压力将与上游压力无关(钻柱内压力与环空压力无关)。在这种情况下，由于钻屑积累而导致环空的压力升高时，而立管压力仍然正常。因此，司钻不能及时发现钻屑在井内堆积。

当高速的气流通过钻头，由于气体的热力学效应，钻头的温度会下降许多，当温度下降到0度以下过后，钻头可能就会被冰包，从而导致钻头失效。钻头冰包后可能导致流入环空的气体量减少，造成井眼不清洁问题。甚至当温度还在0度以上，在使用天然气钻井的时候，也很有可能出现天然气水合物，也会造成井眼不清洁问题。

解决上述问题最好的方法就是在气体到达钻头之前提前释放一部分气体流量到环空中去，气体钻井中携岩的关键点在钻柱的钻杆段和钻铤段连接处，所以应该在钻铤段上端分流钻井流体。

为此，我们设计了一种新的旁通工具，即：环空分流短节(FDJ)。更重要的是发明了确定在给定操作环境下环空分流短节(FDJ)的喷嘴尺寸，以及安装环空分流短节后评价井内气体携岩能力指标的计算方法。

发明内容

本发明的目的在于通过环空分流短节的喷嘴在钻铤段上端分流适量的钻井流体(气体)进入环空，使得在保证井眼清洁的前提下，以解决上述气体钻井井眼扩大、钻头冰包及井斜等问题。其计算内容主要包括：气体钻井最小注入量及注入压力、分流短节喷嘴直径的确定、给定注入量的全井压力、气体速度、气体密度、气体动能及动能指数随井深的变化等。

为此本发明提出了一种环空分流短节，其中所述环空分流短节包括具有旁通孔道的中空分流短节喷头体和与之相配套的钻杆接头。所述环空分流短节喷头体具有3个或多个用于安装喷嘴的孔道，每个孔道均能安装合适的喷嘴，喷嘴的喷射方向沿钻柱轴线向上，喷嘴的大小可以根据需要调整，甚至可以安装堵头。分流短节喷头体下部与钻铤相连，上部与分流短节钻杆接头相连。分流短节钻杆接头下部与分流短节喷头体相连，上部与钻杆相连。

如上述环空分流短节，其喷嘴可采用普通三牙轮钻头喷嘴，通过卡簧固定在喷头体的喷嘴孔道中，通过密封圈实现密封。

本发明还提出了一种分流短节分流计算的设计方案，包括分流量的确定，分流喷嘴组合，以及安装分流短节后环空携岩能力指标的计算。

本发明的环空分流短节，安装于钻铤段与钻杆段连接处，通过喷头体上的喷嘴使得钻杆中的钻井流体在到达井底之前通过环空分流短节流出一部分流体进入环空，减小了常规气体钻井过程中因钻头处气流过大而引起井径扩大，气体热力学效应引起钻头处温度降低甚至冰包，各向异性井径扩大造成的井斜。增加了气体钻井安全性。

本发明的环空分流短节最小注入流量计算方法是从井眼环空流出口开始，通过对井眼的自动划分计算单元段，运用气体环空流压力计算公式计算到钻铤段上端的气体压力和温度，从而根据最小动能法原理计算最小需求注入流量。

本发明的环空分流短节分流量的确定方法是在给定流量Q0的情况下，从环空井口开始，计算到钻铤段上端，计算钻铤段上端的动能指数(气体携岩的一种指标)，再根据钻铤环空需要的动能指数计算钻头喷嘴处流过的流量Q1，那么环空分流短节所分流的流量即为Q＝Q0-Q1。

本发明的环空分流短节分流喷嘴直径的确定方法，是在计算出了分流短节分流流量Q后，再根据上诉所说的方法计算钻头的压力降和钻铤内的压力降，从而确定环空分流短节的内压力和温度分布，根据环空分流短节的内外压力、流量、温度计算环空分流短节的喷嘴过流截面积，从而确定喷嘴直径组合。

本发明的井内气体压力和气体携岩能力指标(动能指数)的计算是在给定钻井操作参数和注入流量的情况下，以及在环空分流短节喷嘴直径和钻头喷嘴直径确定的情况下，进行钻柱内压力和环空压力的计算，以及环空气体携岩能力指标(动能指数)的计算。

附图说明

以下附图仅旨在对本发明做示意性说明，并不限定本发明的范围。其中，

图1、环空分流短节结构示意图；

图2、环空分流短节喷头体结构示意图；

图3、环空分流短节钻杆接头结构示意图；

图4-A、传统空气钻井流体循环路径示意图；

图4-B、安装环空分流短节后钻井流体循环路径示意图；

图5、环空分流短节井下安装位置示意图；

图6、环空分流短节井下工作示意图；

图7-A、未安装环空分流短节时井内气体携岩指标(动力指数)分布示意图。

图7-B、安装环空分流短节后井内气体携岩指标(动力指数)分布示意图。

图中：1钻杆；2环空分流短节钻杆接头；3环空分流短节喷头体；4钻铤；5钻头；6井壁；7钻铤段裸眼环空；8钻杆段裸眼环空；31喷头体旁通通道；32喷头体中空通道；33喷头体母扣；34喷头体公扣；35喷头体喷嘴。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，其中，相同的部件采用相同的标号。

如图1所示，本发明的环空分流短节包括环空分流短节喷头体(3)，环空分流短节钻杆接头(2)。环空分流短节钻杆接头上部通过螺纹与钻杆相连，钻杆接头下部与喷头体上部通过螺纹相连，喷头体下部通过螺纹与钻铤相连。喷嘴安装在喷头体相应的孔内。喷嘴安装孔与钻柱的轴线方向一致，保证喷嘴喷出的气体方向向上，保证不冲蚀井壁。钻杆接头上端与钻杆相连的接头必须与喷嘴口有足够的距离，以免喷嘴喷出的气体冲蚀钻杆接头。喷头体安装的喷嘴可采用普通三牙轮喷嘴，其成本低、安装方便可靠，可根据实际情况选择不同的喷嘴组合，以达到调节分流量之目的。如三牙轮喷嘴安装一样，喷嘴通过卡簧固定，橡胶密封圈密封。喷头体可安装若干喷嘴，不需要的孔可用堵头堵住。

如图2所示，本发明的环空分流短节喷头体，其特征在于可安装喷嘴的旁通孔道(31)，旁通孔道在螺纹下部一段距离与中间孔道相连，流体进入喷头体后，一部分从中间孔道(32)流出，另一部分进入旁通孔道(31)。旁通孔道可以有多个，所安装的喷嘴(35)可以调整内径大小。环空分流短节喷头体上部与其配套的钻杆接头(2)通过螺纹(33)相连。环空分流短节喷头体的下部与钻铤(4)通过螺纹(34)相连。

如图3所示的环空分流短节钻杆接头，具有中空的特性，钻井流体可以通过中间孔道流进前述的喷头体(3)。钻杆接头其细端部分长度足够长以避免喷嘴喷出的气体冲蚀钻杆接头部位。环空分流短节钻杆接头(2)上部接钻杆(1)，下部接环空分流短节喷头体(3)。

如图4、图5所示，在传统的气体钻井中，钻井流体全部经过钻头(5)并全部返回井眼环空，而安装环空分流短节后，在环空分流短节处钻井流体一部分经过钻铤(4)，再到钻头(5)，最后从井底流入钻铤段环空(7)，再经钻杆段环空(8)返回地面。另一部分经过环空分流短节喷嘴直接流入环空(8)，返回地面。

如图6所示，环空分流短节安装包括：环空分流短节上部接钻杆(1)，下部接钻铤(3)，其最大外径处应小于井眼直径，最好和钻铤尺寸相当。环空分流短节钻杆接头上部通过螺纹与钻杆相连，钻杆接头下部与喷头体上部通过螺纹相连，喷头体下部通过螺纹与钻铤相连。

如图7所示，钻井流体流经环空分流短节时，由于分流短节内部的压力高，外部压力低，必然有一部分流体通过嘴嘴(35)进入环空，同样也有相当一部分流体通过钻铤(4)，经过钻头(5)喷嘴，最后也进入环空(7)。这两股流体在环空分流短节处汇合为一股，共同作用，可提高流体在钻杆段环空(8)的携岩能力，通过上述分流，如果控制恰当，可以使携岩能力最低的位置移至钻头(5)处，这样在钻铤段上端环空处就不会产生钻屑堆积，不会产生泥饼圈。因为颗粒直径大、重量大，难以携带的钻屑不能到达钻铤段上端，或者套管鞋处，而是留在井底，直到破碎成为能够被顺利携出井的颗粒。通过上述分流，可减小一部分环空压力，井底压力进一步降低，从而可提高机械钻速。

本发明还包括了环空分流短节喷嘴直径的选用，其步骤如下：

1、通过给定的地质条件、钻井参数、气体参数、和环境参数，用最小动能法计算最小注入流量；

2、在给定流量的情况下，计算环空在环空分流短节处的压力，即分流短节喷嘴下游的压力；

3、通过井眼和钻铤直径参数，用最小动能原理预测需流经井底钻头处的流量；

4、计算环空压力分布；

5、通过钻头喷嘴的尺寸，计算钻头喷嘴上游的压力；

6、通过管内流，计算在钻铤上部的环空分流短节内的压力，即环空分流短节喷嘴上游的压力；

7、计算所需要的环空分流短节喷嘴的总截面积；

8、通过总的截面积，选择合适的喷嘴组合；

9、选定喷嘴后，计算整个循环系统的压力。

上述步骤1包括：

1.1、输入参数，确定井口压力，温度，气体摩尔质量等参数，以及最小动能比参数；一般最小动能比取k＝1.2；

1.2、确定需要计算的点的深度；按井身结构和钻柱结构，以及井眼轨迹参数从井口到计算点分为若干段，直段段长可以长一点，弯曲段段长短一些；

1.3、从井口开始，按地温梯度计算整个井眼的温度分布；

1.4、给出一个试算流量Q1；

1.5、从井口开始，用环空压力计算公式依次向下计算到计算点；计算点压力为P1；

1.6、根据压力和温度，计算该点的气体动能Eg；

1.7、比较Eg和Eg0；

如果Eg＞k*Eg0，则令Qmax＝Q1，找到一个较大的流量；

如果Eg＜k*Eg0，则令Qmin＝Q1，找到一个较小的流量；

如果Qmax和Qmin都找到了，则进行第1.8步，即用二分法求解最小流量，否则返回到第1.4步；

1.8、令Q＝0.5*(Qmin+Qmax)；

1.9、从井口开始，用环空压力计算公式依次向下计算到计算点；计算点压力为P1；

1.10、根据压力和温度，计算该点的气体动能Eg；

1.11、比较Eg和Eg0；

如果Eg＞k*Eg0，则令Qmax＝Q，返回到第1.8步；

如果Eg＜k*Eg0，则令Qmin＝Q，返回到第1.8步；

如果(Eg-Eg0)/Eg0＜e，则找到最小注气流量Q，结束步骤1的计算。

上述步骤2，环空压力降计算步骤如下：

2.1、读入井身结构以及钻柱数据，读入钻井参数；

2.2、根据实际情况划分计算单元。直井段单元长一些，圆弧段、弯曲段等单元短一些；

2.3、根据单元段的实际情况选择计算公式：

垂直段：

$P_2={[(P_1^2+{\mathrm{bT}}_{\mathrm{av}}^2)e^{\frac{2a(z_2-z_1)}{T_{\mathrm{av}}}}-{\mathrm{bT}}_{\mathrm{av}}^2]}^{\frac{1}{2}}$

倾斜段：

$P_2={[(P_1^2+\frac{{\mathrm{bT}}_{\mathrm{av}}^2}{\cos \left(I_s\right)})e^{\frac{2a(z_2-z_1)\cos \left(I_s\right)}{T_{\mathrm{av}}}}-\frac{{\mathrm{bT}}_{\mathrm{av}}^2}{\cos \left(I_s\right)}]}^{\frac{1}{2}}$

水平段：

$P_2={[P_1^2+{\mathrm{abT}}_{\mathrm{av}}^2\mathrm{\Δz}]}^{\frac{1}{2}}$

其中：

$a=\frac{\frac{\mathrm{\π}}{4}{\mathrm{\ρ}}_s{D}_b^2\frac{\mathrm{Vpe}}{3600}+\frac{M_g{P}_0}{T_{0}R}{Q}_{g0}+{\mathrm{\ρ}}_l{Q}_l}{Q_0\frac{P_0}{T_0}}*g$

$b=\frac{f}{2g(D_h-D_{\mathrm{po}})}{Q}_0^2{\left(\frac{P_0}{T_0}\right)}^2{\left(\frac{4}{\mathrm{\π}}\right)}^2\frac{1}{{(D_h^2-D_{\mathrm{po}}^2)}^2}$

式中：

D_h：井眼尺寸，m

D_po：钻柱尺寸，m

f：摩擦系数，

I_s：为倾斜角，

ρ_s：钻屑颗粒密度，kg/m³，或则：ρ_s＝ρ_water×Ss；Ss，钻屑相对密度，ρ_水＝1000Kg/m³

ρ_l：地层水密度，kg/m³

Q_l钻井流体中含水体积流量，m³/s

D_b：钻头直径，m

V_pe：钻速，m/h

ρ_g0、Q_g0：在压力T₀、P₀下气体的密度和流量，kg/m³，m³/s

M_g：气体的摩尔质量，kg/mol

R：气体常数，8.314J/(mol*k)

T_av：气体绝对温度，K

P₀和T₀：标准状态下的温度和压力；

P₁：微元段上端压力，pa

P₂：微元段下端压力，Pa

Z₁：微元段上端位置，m

Z₂：微元段下端位置，m

2.4从环空井口开始，一次计算每一微元段的压力降，最后求出环空分流短节喷嘴下游的压力降。

上述步骤3，计算方法同步骤1，只是计算起点改到环空分流短节处。

上述步骤6，管流的计算步骤如下：

6.1、读入井钻柱数据和钻井参数；

6.2、根据实际情况划分计算单元，直井段单元长一些，圆弧段、弯曲段等单元短一些；

6.3、根据单元段的实际情况选择计算公式：

垂直段：

$P_2={[(P_1^2+{\mathrm{bT}}_{\mathrm{av}}^2)e^{\frac{-2\mathrm{a\Δz}}{T_{\mathrm{av}}}}-{\mathrm{bT}}_{\mathrm{av}}^2]}^{\frac{1}{2}}$

倾斜段：

$P_2={[(P_1^2-\frac{{\mathrm{bT}}_{\mathrm{av}}^2}{\cos \left(I_s\right)})e^{\frac{-2\mathrm{a\Δ}z\cos \left(I_s\right)}{T_{\mathrm{av}}}}+\frac{{\mathrm{bT}}_{\mathrm{av}}^2}{\cos \left(I_s\right)}]}^{\frac{1}{2}}$

水平段：

$P_2={[P_1^2+\mathrm{ab}{T}_{\mathrm{av}}^2\mathrm{\Δz}]}^{\frac{1}{2}}$

其中：

$a=\frac{M_g}{R}g$

$b=\frac{f}{2g{D}_i}{Q}_0^2{\left(\frac{P_0}{T_0}\right)}^2{\left(\frac{4}{\mathrm{\π}}\right)}^2\frac{1}{{\left(D_i^2\right)}^2}$

式中

P₁：微元段下端钻柱管内压力，pa

P₂：微元段上端钻柱管内压力，Pa

Di：钻柱内径，m

Δz：等于Z₂-Z₁，m

(其余参数意义同步骤2.3)

上诉步骤8，喷嘴优化组合目标优先次序为：

1)所选喷嘴总截面积等于计算所需截面积；

2)所选喷嘴过流截面积尽可能做到大小相同；

3)所选喷嘴是最常用的系列。

未安装环空分流短节时，环空中携岩能力最小的地方为钻铤段上端，如图7-A所示；安装环空分流短节过后，可以使过钻头喷嘴的气体流量减小，携岩能力最小的地方移至井底，如图7-B所示。这是本发明的关键所在。流经钻头喷嘴处的流量减小，能有效地解决前面所提到的传统气体钻井遇到的一些问题，达到优质高效钻井之目的。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化和修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种环空分流短节的计算方法，其特征在于包含以下计算步骤： 

1)通过给定的地质条件，以及钻井参数、气体参数和环境参数，通过设定的最小动能比，用最小动能法计算最小注入流量； 

2)在给定流量的情况下，计算环空压力到环空分流短节处的压力，以及分流短节喷嘴下游的压力； 

3)通过井眼直径和钻铤参数，用最小动能原理预测需流经井底钻头处的流量； 

4)计算环空压力分布； 

5)通过钻头喷嘴的尺寸，计算钻头喷嘴上游的压力； 

6)通过管内流，计算在钻铤上部的环空分流短节内的压力，即环空分流短节喷嘴上游的压力； 

7)计算所需要的环空分流短节喷嘴的总截面积； 

8)通过总的截面积，选择合适的喷嘴组合； 

9)选定喷嘴后，计算整个循环系统的压力。