CN105370229A - 钻井液的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井液的控制方法，属于钻井技术领域，解决了现有技术中容易造成钻井液的浪费的问题。该钻井液的控制方法，包括：步骤1，获取钻井液当前的流型指数和稠度系数；步骤2，判断在当前的流型指数和稠度系数的情况下，是否存在可用的钻井液的排量值，如果不存在则进行步骤3，如果存在则进行步骤4；步骤3，向钻井液中加入助剂，以调节钻井液的流型指数和稠度系数，并返回步骤1；步骤4，选取可用的钻井液的排量值。本发明可用于钻井作业中。

Description

钻井液的控制方法

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，具体地说，涉及一种钻井液的控制方法。

背景技术

钻井液常被称为钻井的血液，钻井液作为钻井过程中的循环冲洗介质，起着非常重要的作用，是影响钻井成功与否及钻井速度的重要因素之一。钻井液的主要作用之一就是携带岩屑，在钻进过程中，井底和井内的岩屑能否被钻井液及时、有效的携带至地面，是能否安全、快速钻进的首要问题。如果岩屑不能及时清离井底，就必然会产生重复破碎，会降低机械碎岩的效率，也降低了机械钻速，还有可能造成下钻困难、下钻不到位以及卡钻等井下复杂情况。

在钻井过程中，影响岩屑携带的主要因素有钻井液的排量和钻井液的流变性等。目前，钻井液的排量大小和流变性，通常是根据工作人员的经验来选取、控制，而且为了提高岩屑的携带效率，一味增加钻井液的排量，造成钻井液的浪费，增加了钻井成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻井液的控制方法，以解决现有技术中容易造成钻井液的浪费的问题。

本发明提供一种钻井液的控制方法，包括：

步骤1，获取钻井液当前的流型指数和稠度系数；

步骤2，判断在当前的流型指数和稠度系数的情况下，是否存在可用的钻井液的排量值，如果不存在则进行步骤3，如果存在则进行步骤4；

步骤3，向钻井液中加入助剂，以调节钻井液的流型指数和稠度系数，并返回步骤1；

步骤4，选取可用的钻井液的排量值。

在所述步骤2中：

根据当前的流型指数和稠度系数，获得钻井液的排量值的一个或多个下限值，以及钻井液的排量值的一个或多个上限值；

判断是否存在某一可用的排量值，该可用的排量值大于等于所有所述下限值，且小于等于所有所述上限值。

优选的，所述一个或多个下限值包括，有效携带岩屑的最小排量、冲刷井壁所需的最小排量、冷却钻头所需的最小排量中的一个或多个。

其中，所述有效携带岩屑的最小排量为，使岩屑的携带比的比值在0.5以上的最小排量。

优选的，所述一个或多个上限值包括，防止水力冲蚀的最大排量、防止压漏地层的最大排量、井段所能提供的最大排量中的一个或多个。

进一步，在所述步骤1中：

利用旋转粘度计测量钻井液，记录所述旋转粘度计的转速和扭转角度；

根据所述旋转粘度计的转速和扭转角度，计算钻井液当前的流型指数和稠度系数。

优选的，所述助剂为提切剂或降粘剂。

其中，提切剂为聚丙烯酰胺钾盐(KPAM)或生物聚合物(XC)；降粘剂为磺化褐煤(SMC)或磺化单宁(SMT)。

本发明带来了以下有益效果：本发明提供的钻井液控制方法中，先获取钻井液当前的流型指数和稠度系数，然后综合多种因素，判断钻井液在当前的流型指数和稠度系数的情况下，是否存在可用的排量值。如果不存在，则通过加入助剂调节取钻井液的流型指数和稠度系数，再重新进行判断。如此反复，直至将钻井液的流型指数和稠度系数调节到，能够存在可用的排量值。然后，选取可用的排量值，并以该排量值使用钻井液。

本发明提供的钻井液的控制方法中，可以先综合岩屑的携带效率、压耗、保持井眼大小等因素，对钻井液的流型指数和稠度系数进行一次或多次调节、判断，再选取可用的钻井液的排量，从而能够有效减少钻井液的浪费，提高钻井液的使用效率，降低钻井成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例一提供的钻井液的控制方法的流程图；

图2是本发明实施例二提供的钻井液的控制方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

实施例一：

本发明实施例提供一种钻井液的控制方法，可用于对钻井现场的钻井液进行控制。如图1所示，该控制方法包括：

S1：获取钻井液当前的流型指数n和稠度系数K。

S2：判断在当前的n和K的情况下，是否存在可用的钻井液的排量值，如果不存在则进行步骤S3，如果存在则进行步骤S4。

S3：向钻井液中加入助剂，以调节钻井液的n和K，并返回步骤S1。

S4：选取可用的钻井液的排量值。

本发明实施例提供的钻井液控制方法中，先获取钻井液当前的流型指数n和稠度系数K，然后综合多种因素，判断钻井液在当前的n和K的情况下，是否存在可用的排量值。如果不存在，则通过加入助剂调节取钻井液的n和K，再重新进行判断。如此反复，直至将钻井液的n和K调节到，能够存在可用的排量值。然后，选取可用的排量值，并以该排量值使用钻井液。

本发明实施例提供的钻井液的控制方法中，可以先综合岩屑的携带效率、压耗、保持井眼大小等因素，对钻井液的流型指数n和稠度系数K进行一次或多次调节、判断，再选取可用的钻井液的排量，从而能够有效减少钻井液的浪费，提高钻井液的使用效率，降低钻井成本。

实施例二：

如图2所示，本实施例提供的钻井液的控制方法包括：

S1：获取钻井液当前的流型指数n和稠度系数K。具体可包括：

S11：取少量钻井液的样本，利用旋转粘度计对钻井液样本进行测量，记录旋转粘度计的转速Φ和扭转角度θ的一组读数。

S12：根据旋转粘度计的Φ和θ，计算钻井液当前的流型指数n和稠度系数K。

S2：判断在当前的n和K的情况下，是否存在可用的钻井液的排量值，如果不存在则进行步骤S3，如果存在则进行步骤S4。具体可包括：

S21：根据当前的n和K，获得钻井液的排量值的一个或多个下限值，以及钻井液的排量值的一个或多个上限值。

本实施例中，可利用n和K，以及当前的其他参数，通过计算获得钻井液的排量值的一个或多个下限值，以及钻井液的排量值的一个或多个上限值。

其中，钻井液的排量值的一个或多个下限值包括：有效携带岩屑的最小排量Q₁、冲刷井壁所需的最小排量Q₂、冷却钻头所需的最小排量Q₃中的一个或多个。

钻井液的排量值的一个或多个上限值包括：防止水力冲蚀的最大排量Q₄、防止压漏地层的最大排量Q₅、井段所能提供的最大排量Q₆中的一个或多个。

S22：判断是否存在某一可用的排量值Q，该可用的排量值Q大于等于所有下限值，且小于等于所有上限值。

例如，钻井液的排量值的下限值包括上述的Q₁、Q₂、Q₃，钻井液的排量值的上限值包括上述的Q₄、Q₅、Q₆，则可用的排量值Q应当大于等于Q₁、Q₂、Q₃中的最大值，并且小于等于Q₄、Q₅、Q₆中的最小值。也就是满足以下限制公式：

(Q₁,Q₂,Q₃)_max≤Q≤(Q₄,Q₅,Q₆)_min

S3：如果Q₁、Q₂、Q₃中的最大值大于Q₄、Q₅、Q₆中的最小值，就不存在满足上式的排量值Q，则向钻井液中加入助剂，以调节钻井液的n和K，并返回步骤S1。

其中，助剂可以为KPAM、XC等提切剂，或者为SMC、SMT等降粘剂。

S4：如果Q₁、Q₂、Q₃中的最大值小于Q₄、Q₅、Q₆中的最小值，就存在满足上式的排量值Q，则从可以从Q₁、Q₂、Q₃中的最大值与Q₄、Q₅、Q₆中的最小值之间的范围内，选取一个可用的钻井液的排量值Q，并以该排量值Q使用钻井液。

上述步骤S21中，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆的具体计算方法如下：

①Q₁有效携带岩屑的最小排量(L/s)的计算：

井底和井下的岩屑被钻井液携带出井眼，岩屑向上运动的速度取决于，钻井液的上返速度与岩屑在钻井液中的沉降速度之差，即：

v_p＝v_f-v_s

式中，v_p为岩屑的净上升速度(m/s)，v_f为钻井液的上升速度(m/s)，v_s为岩屑在钻井液中的沉降速度(m/s)。

将上式的两边同除以v_f，可得：

v_p/v_f＝1-v_s/v_f

其中，v_p/v_f通常被称为携带比，表示岩屑的携带效率。显然，提高携带比的途径是：提高钻井液的上返速度，降低岩屑的沉降速度。如果考虑综合成本，钻井液的上返速度不可大幅度提高。因此，如何尽量降低岩屑在钻井液中的沉降速度成为关键。研究表明，岩屑在钻井液中的沉降速度与岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度和流态，以及钻井液的有效粘度有关。

岩屑在钻井液中的沉降速度可用如下公式计算：

$v_s=3.944\·{10}^{-3}\left(\frac{3.043{\mathrm{\μ}}_e}{D_d{\mathrm{\ρ}}_m}\right)[\sqrt{1+673.478D_d(\frac{{\mathrm{\ρ}}_d}{{\mathrm{\ρ}}_m}-1){\left(\frac{0.329D_d{\mathrm{\ρ}}_m}{{\mathrm{\μ}}_e}\right)}^2}-1]$

式中，v_s为岩屑在钻井液中的沉降速度(m/s)，μ_e为钻井液的有效粘度(cP)，D_d为岩屑的当量直径(mm)，ρ_m为钻井液密度(kg/m³)，ρ_d为岩屑密度(kg/m³)。

在井眼的环空中，幂律流体(钻井液)的有效粘度的计算公式为：

${\mathrm{\μ}}_e=K{\left(\frac{1000v_s}{D_d}\right)}^{n-1}$

式中，μ_e为钻井液的有效粘度(cP)，K为稠度系数(Pa·sⁿ)，n为流型指数(无因次)，v_s为岩屑沉降速度(m/s)，D_d为岩屑的当量直径(mm)。

将有效粘度的表达式代入沉降速度公式中，可以得到关于沉降速度v_s的方程：

$v_s=3.944\·{10}^{-3}\left[\frac{3.043\·K{\left(\frac{1000v_s}{D_d}\right)}^{n-1}}{D_d{\mathrm{\ρ}}_m}\right][\sqrt{1+673.478D_d(\frac{{\mathrm{\ρ}}_d}{{\mathrm{\ρ}}_m}-1){\left[\frac{0.329D_d{\mathrm{\ρ}}_m}{K{\left(\frac{1000v_s}{D_d}\right)}^{n-1}}\right]}^2}-1]$

根据上述方程可以通过迭代解出岩屑沉降速度v_s。

通常认为，携带比在0.5以上才能有效的携带岩屑、净化井眼，根据携带比v_p/v_f≥0.5可以得出，钻井液的最小环空返速的临界输送速度为：

${\stackrel{\‾}{v}}_a=2v_s$

式中，为环空内钻井液的临界速度(m/s)，v_s为岩屑在钻井液中的沉降速度(m/s)。

当环空流速等于临界速度时，即进而得到环空内钻井液临界速度

最小环空返速确定之后，即可确定钻井液的最小排量Q₁。也就是说，本实施例中，有效携带岩屑的最小排量Q₁为，使岩屑的携带比的比值在0.5以上的最小排量。Q₁的计算公式为：

$Q_1=\frac{\mathrm{\π}}{4000}({D_2}^2-{D_1}^2){\stackrel{\‾}{v}}_a$

式中，Q₁为有效携带岩屑的最小排量(L/s)，为钻井液的临界输送速度(m/s)，D₂为环空外径(mm)，即钻头直径，D₁为环空内径(mm)，即钻杆外径。

应当说明的是，上式为正循环情况下的最小排量。如果是在反循环情况下，则最小排量为：

$Q_1=\frac{\mathrm{\π}}{4000}{D}^2{\stackrel{\‾}{v}}_a$

式中，为钻井液的临界输送速度(m/s)，D为钻杆内径(mm)。

②Q₂冲刷井壁所需的最小排量(L/s)的计算：

$Q_2=7.8585\×{10}^{-4}(D_{c1}^2-D_1^2)\×V_c$

式中，D_c1为第一临界井径(mm)，D₁为环空内径(mm)，V_c为井壁冲蚀系数(m/s)。

其中，第一临界井径D_c1为：

D_c1＝(1+X_f1)D₂

式中，X_f1＝-0.1为第一临界井径变化值(无因次)，D₂为环空外径(mm)。

井壁冲蚀系数V_c的计算公式为：

$V_c=\frac{1}{197}{\left[\frac{518553.6K\×n^{0.387}}{(D_2-D_1){\mathrm{\ρ}}_m\×0.001}\right]}^{1/(2-n)}$

式中，K为稠度系数(Pa·sⁿ)，n为流型指数(无因次)，D₂为环空外径(mm)，D₁为环空内径(mm)，ρ_m为钻井液密度(kg/m³)。

③Q₃冷却钻头所需的最小排量(L/s)的计算：

$Q_3=0.0504\×(0.0062D_2^2+0.1969D_2)$

式中，D₂为钻头直径(mm)，即环空外径。

④Q₄防止水力冲蚀的最大排量(L/s)的计算：

$Q_4=7.8595\×{10}^{-4}(D_{c2}^2-D_1^2)\×V_c$

式中，D_c2为第二临界井径(mm)，D₁为环空内径(mm)，V_c为井壁冲蚀系数(m/s)。

其中，第二临界井径D_c2为：

D_c2＝(1+X_f2)D₂

式中，X_f2＝0.5为第二临界井径变化值(无因次)，D₂为环空外径(mm)。

⑤Q₅防止压漏地层的最大排量(L/s)的计算：

$Q_5=\frac{\mathrm{\π}}{4000}({D_2}^2-{D_1}^2)V_a$

其中V_a满足：

$\frac{3.9f{V_a}^2}{9.8(D_2-D_1)}=K_m=\frac{G_f-M_w}{M_w}$

K_m为环空动压系数，V_a为环空返速(m/s)，G_f为已知的破裂压力梯度(kg/m³)，M_w为钻井液密度(kg/m³)，f为摩阻系数，D₂为环空外径(mm)，D₁为钻具外径(mm)。

即 $V_a=\sqrt{\frac{9.8(D_2-D_1)}{3.9f}\frac{(G_f-M_w)}{M_w}}$

在环空中，摩阻系数f(无因次)为：

$f=\frac{24}{\mathrm{Re}}$

其中，雷诺数Re为：

$\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\ρV}}_a(D_2-D_1)}{{\mathrm{\μ}}_e}$

在环空中，幂律流体的有效粘度μ_e估计式为：

${\mathrm{\μ}}_e=K{\left(\frac{1000V_s}{D_d}\right)}^{n-1}$

⑥Q₆井段所能提供的最大排量(L/s)的获取：

井段所能提供的最大排量通常不通过计算获取，而是根据实际的环境、设备等因素得出的。

本发明实施例提供的钻井液的控制方法中，先综合多种因素，对钻井液的流型指数n和稠度系数K进行一次或多次调节、判断，再选取可用的钻井液的排量，从而能够有效减少钻井液的浪费，提高钻井液的使用效率，降低钻井成本。

利用本发明实施例提供的控制方法，能够在最小排量下满足携带岩屑、保持对井壁冲刷、冷却钻头的要求，并且还能够满足防止水力冲蚀、防止压漏地层和井段所能提供的最大排量的要求。在满足这些要求的前提下选取合适的排量范围，定量给出流型指数n和稠度系数K的合理取值，确定钻井液维护处理措施，进而及时准确地进行钻井液流变性能调控，优化助剂的添加量，取得最佳的水力参数，达到安全优质高效钻井的技术效果。

实施例三：

本实施例是在实施例二的基础上，在实际作业场景中的实施例。

首先取现场钻井液的样本，利用旋转粘度计对钻井液样本进行测量，记录旋转粘度计的转速Φ和扭转角度θ的一组读数，如下表：

Φ	θ
		3	8
6	9
		100	25
200	37
		300	52
600	77

根据旋转粘度计的Φ和θ，利用数学回归法(或其他方法)计算钻井液当前的流型指数n和稠度系数K。此外，还包括事先测得的当前作业环境的一些其他参数：

流型指数n，	0.749
		稠度系数K，Pa·sn	0.273
钻头直径(环空外径)D2，mm	215.9
		钻杆外径(环空内径)D1，mm	127
钻井液密度ρm,，kg/m3	1300
		岩屑密度ρd，kg/m3	2700
岩屑当量直径Dd，mm	10

根据上述参数，计算Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆的值。

①Q₁的计算：

根据以下公式计算v_s：

$v_s=3.944\·{10}^{-3}\left[\frac{3.043\·K{\left(\frac{1000v_s}{D_d}\right)}^{n-1}}{D_d{\mathrm{\ρ}}_m}\right][\sqrt{1+673.478D_d(\frac{{\mathrm{\ρ}}_d}{{\mathrm{\ρ}}_m}-1){\left[\frac{0.329D_d{\mathrm{\ρ}}_m}{K{\left(\frac{1000v_s}{D_d}\right)}^{n-1}}\right]}^2}-1]$

可得出岩屑在钻井液中的沉降速度v_s＝0.336m/s。

再根据以下计算公式：

${\stackrel{\‾}{v}}_a=2v_s$

可得出钻井液的最小环空返速的临界输送速度

最后，根据以下计算公式：

$Q_1=\frac{\mathrm{\π}}{4000}({D_2}^2-{D_1}^2){\stackrel{\‾}{v}}_a$

可得出有效携带岩屑的最小排量Q₁＝16.04L/s。

②Q₂的计算：

先根据以下计算公式：

$V_c=\frac{1}{197}{\left[\frac{518553.6K\×n^{0.387}}{(D_2-D_1){\mathrm{\ρ}}_m\×0.001}\right]}^{1/(2-n)}$

得出井壁冲蚀系数V_c＝1.365m/s。

再根据以下计算公式：

D_c1＝(1+X_f1)D₂

得出第一临界井径D_c1＝194.31mm。

最后，根据以下计算公式：

$Q_2=7.8585\×{10}^{-4}(D_{c1}^2-D_1^2)\×V_c$

可得出冲刷井壁所需的最小排量Q₂＝23.19L/s。

③Q₃的计算：

根据以下计算公式：

$Q_3=0.0504\×(0.0062D_2^2+0.1969D_2)$

可得出冷却钻头所需的最小排量Q₃＝16.71L/s。

④Q₄的计算：

先根据以下计算公式：

D_c2＝(1+X_f2)D₂

得出第二临界井径D_c2＝280.67mm。

再根据以下计算公式：

$Q_4=7.8595\×{10}^{-4}(D_{c2}^2-D_1^2)\×V_c$

可得出防止水力冲蚀的最大排量Q₄＝67.17L/s。

⑤Q₅的计算：

根据以下计算公式：

$Q_5=\frac{\mathrm{\π}}{4000}({D_2}^2-{D_1}^2)V_a$

可得出防止压漏地层的最大排量Q₅＝31.12L/s。

⑥Q₆的获取：

可根据实际的环境、设备等因素得出(或假定)井段所能提供的最大排量Q₆＝48L/s。

根据上述所Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆的值，可得出

(Q₁，Q₂，Q₃)_max＝23.19L/s。

(Q₄，Q₅，Q₆)_min＝31.12L/s。

因为(Q₁，Q₂，Q₃)_max＜(Q₄，Q₅，Q₆)_min，所以存在可用的钻井液的排量值，而且流型指数n和稠度系数K也能够满足当前的性能要求。

然后可以在23.19L/s至31.12L/s之间选取一钻井液的排量值Q，并以该排量值Q使用钻井液。

如果所计算出的(Q₁，Q₂，Q₃)_max＞(Q₄，Q₅，Q₆)_min，则需要向钻井液中加入助剂，以调节钻井液的流型指数和稠度系数，并重新获取钻井液的流型指数和稠度系数，再对Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆进行计算和判断。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种钻井液的控制方法，包括：

步骤1，获取钻井液当前的流型指数和稠度系数；

步骤2，判断在当前的流型指数和稠度系数的情况下，是否存在可用的钻井液的排量值，如果不存在则进行步骤3，如果存在则进行步骤4；

步骤3，向钻井液中加入助剂，以调节钻井液的流型指数和稠度系数，并返回步骤1；

步骤4，选取可用的钻井液的排量值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中：

根据当前的流型指数和稠度系数，获得钻井液的排量值的一个或多个下限值，以及钻井液的排量值的一个或多个上限值；

判断是否存在某一可用的排量值，该可用的排量值大于等于所有所述下限值，且小于等于所有所述上限值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或多个下限值包括，有效携带岩屑的最小排量、冲刷井壁所需的最小排量、冷却钻头所需的最小排量中的一个或多个。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述有效携带岩屑的最小排量为，使岩屑的携带比的比值在0.5以上的最小排量。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或多个上限值包括，防止水力冲蚀的最大排量、防止压漏地层的最大排量、井段所能提供的最大排量中的一个或多个。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中：

利用旋转粘度计测量钻井液，记录所述旋转粘度计的转速和扭转角度；

根据所述旋转粘度计的转速和扭转角度，计算钻井液当前的流型指数和稠度系数。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述助剂为提切剂或降粘剂。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述提切剂为聚丙烯酰胺钾盐KPAM或生物聚合物XC。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述降粘剂为磺化褐煤SMC或磺化单宁SMT。