CN105386724B - 一种用于导管喷射下入水力参数优化设计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于导管喷射下入水力参数优化设计的方法，其中，水力参数包括钻具的喷嘴尺寸和钻井液排量，包括以下步骤：获取钻井设计参数及作业区域的地层土体参数；绘制水力参数设计图版；依据水力参数设计图版和钻具最大允许排量获取水射流达到临界破土效果时对应的最大地层不排水抗剪强度S_uo；获取对应于导管下入深度内的最大地层不排水抗剪强度S_umax；判断S_uo与S_umax的大小关系以确定钻具的喷嘴尺寸；绘制钻井液排量与地层深度的关系曲线以确定不同地层深度所需的钻井液排量。本发明直观快捷地得到一定地层条件下优化设计的水力参数，可用于指导现场作业设计和施工，具有较强的适用性。

Description

一种用于导管喷射下入水力参数优化设计的方法

技术领域

本发明涉及海洋工程及石油钻井技术领域，具体地说，涉及一种海洋钻井导管喷射下入作业水力参数设计的方法。

背景技术

在海洋工程及石油钻井行业中，喷射下入导管技术能够节约钻井作业的时间，并能降低钻井的风险和成本，是一项广泛应用的技术。在喷射下入导管作业过程中，水射流破土在导管下部地层破碎过程中起到重要作用。在水射流破土过程中，水力参数决定了导管下部地层的破土效果和效率以及土体强度的恢复。水力参数对喷射下入导管作业过程及导管承载力的恢复产生重要影响。

目前，对于水力参数对喷射下入导管作业影响规律方面已经开展了相关研究。在文献“深水表层导管喷射钻进机理研究”(石油天然气学报，2012.08，第34卷，第8期)和“深水表层导管喷射钻井过程中钻井液排量优化研究”(中国海上油气，2012.08，第24卷，第4期)中，对于钻井液排量对导管下入速度、钻井液携岩能力以及导管承载能力的影响进行了实验研究。这些文献中没有考虑喷嘴尺寸及射流速度的影响，没有形成水力参数设计方法和流程。在文献“井口结构套管竖向承载机理研究”(中国石油大学(华东)，2010.05)中，运用理论方法对水力参数对水射流破土效果的影响进行了研究。该文献中没有形成可用于指导现场作业设计和施工的水力参数设计方法和流程。

基于上述情况，亟需一种用于指导现场作业设计和施工的水力参数优化设计方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于指导现场作业设计和施工的水力参数优化设计方法。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于导管喷射下入水力参数优化设计的方法，所述水力参数包括钻具的喷嘴尺寸和钻井液排量，包括以下步骤：

步骤一，获取钻井设计参数及作业区域的地层土体参数；

步骤二，依据所述钻井设计参数及所述地层土体参数绘制水力参数设计图版；

步骤三，依据所述水力参数设计图版和钻具最大允许排量，获取水射流达到临界破土效果时对应的最大地层不排水抗剪强度S_uo；

步骤四，依据所述地层土体参数获取对应于导管下入深度内的最大地层不排水抗剪强度S_umax；

步骤五，判断S_uo与S_umax的大小关系以确定钻具的喷嘴尺寸；

步骤六，依据确定的钻具喷嘴尺寸、所述钻具最大允许排量、所述地层土体参数及所述钻井设计参数绘制钻井液排量-地层深度的关系曲线以确定不同地层深度所需的钻井液排量。

根据本发明的一个实施例，所述钻井设计参数包括导管尺寸参数、钻头水眼出口中心距离钻头中轴线的距离、钻头水眼出口倾角、喷嘴尺寸、喷嘴数量、喷嘴流量系数和钻井液密度。

根据本发明的一个实施例，所述地层土体参数包括不排水抗剪强度和土体在射流冲击下的无因次承载力系数。

根据本发明的一个实施例，在步骤二中，绘制所述水力参数设计图版包括以下步骤：

计算水射流临界切割深度，计算公式为：

其中，L_jo为临界切割深度，d_con为导管内径，L_jc为钻头水眼出口中心距离钻头中轴线的距离，α为钻头水眼出口倾角；

计算临界排量，计算公式为：

其中，Q为临界排量，d_n为喷嘴直径，ε为喷嘴流量系数，n为喷嘴个数，L_jo为临界切割深度，ρ为钻井液密度，N_c为土体在射流冲击下的无因次承载力系数，S_u为不排水抗剪强度；

选择不同的喷嘴直径以得到对应不同喷嘴直径的临界排量；

针对不同的喷嘴直径绘制多组临界排量-不排水抗剪强度的关系曲线以获得所述水力参数设计图版。

根据本发明的一个实施例，在步骤三中，进一步包括：

在所述水力参数设计图版中以所述钻具最大允许排量为基准做平行于不排水抗剪强度所在轴的直线，并将此直线作为钻具最大允许排量基准线，该直线与临界排量-不排水抗剪强度的关系曲线产生多个交点，这些交点对应的不排水抗剪强度的最大值，即为水射流达到临界破土效果时对应的最大地层不排水抗剪强度S_uo。

根据本发明的一个实施例，在步骤五中，进一步包括以下步骤：

如果S_uo>S_umax，则在所述钻具最大允许排量基准线以下，以S_umax为基准绘制平行于钻具临界排量的直线，选择该直线与临界排量-不排水抗剪强度的关系曲线的交点中对应临界排量最大的喷嘴直径；

如果S_uo<＝S_umax，则选择与钻具最大允许排量基准线产生交点的临界排量-不排水抗剪强度关系曲线中对应的最小的喷嘴直径。

根据本发明的一个实施例，在步骤六中，进一步包括以下步骤：

依据地层土体参数绘制不排水抗剪强度-地层深度的关系曲线；

基于钻具最大允许排量、临界排量计算公式与不排水抗剪强度-地层深度的关系曲线获得确定喷嘴直径条件下的钻井液排量-地层深度关系曲线以确定不同地层深度所需的钻井液排量。

根据本发明的一个实施例，基于所述钻井液排量-地层深度关系曲线以确定不同地层深度所需的钻井液排量，包括：

在喷嘴直径确定的条件下，如果临界排量小于或等于钻具最大允许排量，则取临界排量为设计排量，如果临界排量大于钻具最大允许排量，则取钻具最大允许排量为设计排量。

本发明带来了以下有益效果：

本发明在采用喷射方法下入导管作业时，综合考虑水射流破土效果、环空钻井液携岩效果及钻具性能等因素，直观快捷地得到一定地层条件下的水力参数优化设计，可用于指导现场作业设计和施工，具有较强的适用性。

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或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1为根据本发明的一个实施例的方法流程图；

图2为根据本发明的一个实施例的临界排量-不排水抗剪强度关系图(水力参数设计图版)；

图3为根据本发明的一个实施例的不排水抗剪强度-地层深度关系图(不排水抗剪强度剖面)；以及

图4为根据本发明的一个实施例的钻井液排量-地层深度关系曲线图(钻井液排量指导曲线)。

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。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在海洋石油钻井过程中，水力参数优化设计概念是随着喷射式钻头的使用而提出来的。水力参数是表征钻头水力特性、射流水力特性和地面水力设备性质的量。水力参数主要包括钻井泵的功率、排量、泵压、钻头水功率、钻头喷嘴直径及钻头喷嘴个数等。喷射下导管作业水力参数优化设计的目的为寻求合理的水力参数配合，使导管能够快速顺利下入的同时，保证导管下入后具有较大的承载能力。。

如图1所示为本发明的一个实施例的方法流程图。

在步骤S001中，获取钻井设计参数及作业区域的地层土体参数。在该步骤中，需要获取的钻井设计参数包括：导管尺寸参数、钻头尺寸、钻头水眼出口中心距离钻头中轴线的距离、钻头水眼出口倾角、喷嘴尺寸、喷嘴流量系数、钻井液密度。地层土体参数包括不排水抗剪强度及土体在射流冲击下的无因次承载力系数。

在喷射下入导管水力参数设计中，临界破土效果即水射流破土深度恰好达到导管内径位置，对应的水射流破土深度为临界切割深度，对应的钻井液排量为临界排量。

在步骤S002中，依据钻井设计参数及地层土体参数绘制水力参数设计图版。在该步骤中，首先依据获取的钻井设计参数通过以下公式计算临界切割深度，该公式为：

其中，L_jo为临界切割深度，d_con为导管内径，L_jc为钻头水眼出口中心距离钻头中轴线的距离，α为钻头水眼出口倾角。

然后依据以下公式计算临界排量：

其中，Q为临界排量，d_n为喷嘴直径，ε为喷嘴的流量系数，n为喷嘴个数，ρ为钻井液密度，N_c为土体在射流冲击下的无因次承载力系数，S_u为不排水抗剪强度。

然后对应确定的一个喷嘴直径，得到一条临界排量-不排水抗剪强度的关系曲线。选择不同的喷嘴直径以得到多条临界排量-不排水抗剪强度的关系曲线。多条临界排量-不排水抗剪强度的关系曲线构成水力参数设计图版。如图2所示为根据本发明的一个实施例的水力参数设计图版。在该图版中，对应不同的喷嘴直径分别获得一条临界排量-不排水抗剪强度的关系曲线，其中，喷嘴直径由喷嘴1至喷嘴6按顺序依次增大。

在步骤S003中，以钻具最大允许排量Q_max为基准，绘制平行于不排水抗剪强度所在轴的直线，该直线称为最大允许排量基准线，如图2所示。最大允许排量基准线与临界排量-不排水抗剪强度的关系曲线相交产生多个交点，这些交点对应不排水抗剪强度的最大值，即为在钻具性能允许条件下水射流达到临界破土效果时对应的最大地层不排水抗剪强度S_uo。钻具最大允许排量与所选的钻具相关，钻具确定则钻具的最大允许排量确定。

在步骤S004中，依据地层土体参数得到不排水抗剪强度剖面，从而得到导管下入深度范围内的最大地层不排水抗剪强度S_umax。如图3所示，在不排水抗剪强度剖面中显示了不排水抗剪强度-地层深度的关系，其中S_umax为该地层导管下入深度内的最大地层不排水抗剪强度。

在步骤S005中，判断是否S_umax<S_uo。

当S_umax<S_uo时对应地层强度较小的情况，则进入到步骤S006。在本发明的一个实施例中，如图2所示，S_umax由S_umax1表示。此时，以S_umax1为基准，在最大允许排量基准线下，做平行于临界排量所在轴的直线。在最大允许排量基准线以下，S_umax1与喷嘴1、喷嘴2及喷嘴3对应的临界排量-不排水抗剪强度关系曲线分别相交。如果出现这种情况则说明在最大允许排量范围内，使用这三种尺寸的喷嘴均可达到最佳破岩效果，对应的临界排量分别为Q_a1、Q_a2、Q_a3，且Q_a1<Q_a2<Q_a3。

在这种情况下选择喷嘴尺寸时，主要考虑钻井液的携岩能力。钻井液的携岩能力与钻具的排量有关，钻具的排量越大则钻井液的携岩能力越强。考虑到钻井液携岩能力的需要，应使用尽可能大的钻具排量，因此选择喷嘴3。

当S_umax>＝S_uo时对应地层强度较大的情况，则进入到步骤S007。在本发明的一个实施例中，如图2所示，S_umax由S_umax2所示。此时，在最大允许排量基准线下，以S_umax2为基准绘制平行于临界排量所在轴的直线。该直线与临界排量-不排水抗剪强度关系曲线没有交点，说明在该地层强度条件下，在最大允许排量范围内，使用上述喷嘴都无法对导管以内地层进行完全破碎。此时选择喷嘴尺寸时主要考虑水射流破岩效果，应当选择最小尺寸的喷嘴，因此选择喷嘴1。

在步骤S008中，获取钻井液排量随地层深度变化的关系曲线以确定不同地层深度所需的钻井液排量，并将该关系曲线作为喷射下导管作业的钻井液排量指导曲线。

在该步骤中，如图3所示，依据不排水抗剪强度剖面得到不排水抗剪强度-地层深度的关系式。

基于临界排量计算公式(1-2)与不排水抗剪强度-不同地层深度的关系式获得在确定喷嘴直径条件下的临界排量-地层深度关系曲线。

在确定喷嘴直径的条件下，如果临界排量小于或等于钻具最大允许排量时，则取临界排量为设计排量；如果临界排量大于钻具最大允许排量，则取钻具最大允许排量为设计排量。

如图4所示为根据本发明的一个实施例得到的钻井液排量指导曲线。在临界排量小于或等于钻具最大允许排量时，选取临界排量为设计排量，如4图中设计排量与临界排量重合部分。在临界排量大于钻具最大允许排量时选取钻具最大允许排量为设计排量，如图4所示设计排量与临界排量分离部分。设计排量与临界排量的分离点为钻具最大允许排量。

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 (8)

1.一种用于导管喷射下入水力参数优化设计的方法，所述水力参数包括钻具的喷嘴尺寸和钻井液排量，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，获取钻井设计参数及作业区域的地层土体参数；

步骤二，依据所述钻井设计参数及所述地层土体参数绘制水力参数设计图版；

步骤三，依据所述水力参数设计图版和钻具最大允许排量，获取水射流达到临界破土效果时对应的最大地层不排水抗剪强度S_uo；

步骤四，依据所述地层土体参数获取对应于导管下入深度内的最大地层不排水抗剪强度S_umax；

步骤五，判断S_uo与S_umax的大小关系以确定钻具的喷嘴尺寸；

步骤六，依据确定的钻具喷嘴尺寸、所述钻具最大允许排量、所述地层土体参数及所述钻井设计参数绘制钻井液排量-地层深度的关系曲线以确定不同地层深度所需的钻井液排量，

其中，在步骤二中，绘制所述水力参数设计图版进一步包括：

计算水射流临界切割深度，计算公式为：

<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，L_jo为临界切割深度，d_con为导管内径，L_jc为钻头水眼出口中心距离钻头中轴线的距离，α为钻头水眼出口倾角；

计算临界排量，计算公式为：

<mrow> <mi>Q</mi> <mo>=</mo> <mi>n</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;pi;d</mi> <mi>n</mi> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mn>4</mn> <mi>&amp;epsiv;</mi> </mrow> </mfrac> <msqrt> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>N</mi> <mi>c</mi> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mi>n</mi> </msub> </mrow> <mi>&amp;rho;</mi> </mfrac> </msqrt> </mrow>

其中，Q为临界排量，d_n为喷嘴直径，ε为喷嘴流量系数，n为喷嘴个数，L_jo为临界切割深度，ρ为钻井液密度，N_c为土体在射流冲击下的无因次承载力系数，S_u为不排水抗剪强度；

选择不同的喷嘴直径以得到对应不同喷嘴直径的临界排量；

针对不同的喷嘴直径绘制多组临界排量-不排水抗剪强度的关系曲线以获得所述水力参数设计图版；

在步骤五中，进一步包括以下步骤：

如果S_uo>S_umax，则在所述钻具最大允许排量基准线以下，以S_umax为基准绘制平行于钻具临界排量的直线，选择该直线与临界排量-不排水抗剪强度的关系曲线的交点中对应临界排量最大的喷嘴直径；

如果S_uo<＝S_umax，则选择与钻具最大允许排量基准线产生交点的临界排量-不排水抗剪强度关系曲线中对应的最小的喷嘴直径。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钻井设计参数包括导管尺寸参数、钻头水眼出口中心距离钻头中轴线的距离、钻头水眼出口倾角、喷嘴尺寸、喷嘴数量、喷嘴流量系数和钻井液密度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地层土体参数包括不排水抗剪强度和土体在射流冲击下的无因次承载力系数。

4.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤三中，进一步包括：

在所述水力参数设计图版中，以所述钻具最大允许排量为基准做平行于不排水抗剪强度所在轴的直线，并将此直线作为钻具最大允许排量基准线，该直线与临界排量-不排水抗剪强度的关系曲线产生多个交点，这些交点对应的不排水抗剪强度的最大值，即为水射流达到临界破土效果时对应的最大地层不排水抗剪强度S_uo。

5.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤六中，进一步包括以下步骤：

依据地层土体参数绘制不排水抗剪强度-地层深度的关系曲线；

基于钻具最大允许排量、临界排量计算公式与不排水抗剪强度-地层深度的关系曲线获得确定喷嘴直径条件下的钻井液排量-地层深度关系曲线以确定不同地层深度所需的钻井液排量。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤六中，进一步包括以下步骤：

依据地层土体参数绘制不排水抗剪强度-地层深度的关系曲线；

基于钻具最大允许排量、临界排量计算公式与不排水抗剪强度-地层深度的关

系曲线获得确定喷嘴直径条件下的钻井液排量-地层深度关系曲线以确定不同地层深度所需的钻井液排量。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，基于所述钻井液排量-地层深度关系曲线以确定不同地层深度所需的钻井液排量，包括：

在确定喷嘴直径的条件下，如果临界排量小于或等于钻具最大允许排量，则取临界排量为设计排量，如果临界排量大于钻具最大允许排量，则取钻具最大允许排量为设计排量。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述钻井液排量-地层深度关系曲线以确定不同地层深度所需的钻井液排量，包括：

在确定喷嘴直径的条件下，如果临界排量小于或等于钻具最大允许排量，则取临界排量为设计排量，如果临界排量大于钻具最大允许排量，则取钻具最大允许排量为设计排量。