CN109598024A - 基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法，包括下列步骤：择取计算模型，输入参数和机械钻速，获取计算岩屑量；判断到计算岩屑量小于预设岩屑量，同时所述计算泵量小于预设泵量，获取到环空压耗最小的结果计算岩屑量；将所述结果计算岩屑量对应的输入参数作为结果参数输出。本发明提供的基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法及设备凭借对地层参数、施工参数等参数按照适当的计算模型进行分析，可采用计算机快速分析出最小环空压耗，得到最优井眼清洁参数，实现对随钻井底环空压力的精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及油气田开发的钻井工程领域，特别是涉及一种基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法。
背景技术
随着全球油气田的勘探开发朝着复杂类型油藏、非常规油气藏以及海洋油气、深层油气等类型发展，钻遇复杂地层和窄安全密度窗口(即地层破裂压力与孔隙压力相差不大)的情况越来越普遍。在复杂地层钻进过程中，如果钻遇松散地层、胶结不良地层，一旦压力控制不好，极易出现井壁失稳、坍塌掉块的问题，而当钻遇地质构造运动造成的破碎、裂隙、断裂性地层时，则存在异常高压或多压力系统，压力敏感，极易导致井喷、井漏等井下生产事故。在窄安全密度窗口作业过程中，井底压力敏感，极易超出窗口范围，从而造成井漏、井涌甚至井喷和又喷又漏的严重井下事故。
大位移井技术能突破地理条件差、单井产能低和油气采收率低等诸多限制，还能降低开发成本，现已成为开采油气资源的重要手段之一。然而，大位移井更易形成岩屑床，影响井筒压力，使井下事故发生几率增大，严重制约安全、快速钻井的进程。
另外，通过控压钻井技术在钻井过程中对井下压力进行有效控制，有利于储层油气的发现和保护，可有效控制溢流、漏失等井下复杂问题对钻井作业的影响，减少非生产时间损失，是缓解前述复杂情况的有效方法。但控压钻井技术主要是通过测量当量循环密度来处理钻井问题的，在复杂地层中，如不进行随钻井底环空测量，在多项流情况下，以目前多相流流动规律研究现状，难以实现真正精确的井下压力控制。
发明内容
基于此，有必要针对上述提到的至少一个问题，提供一种基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法及设备。
一种基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法，包括下列步骤：
择取计算模型，输入参数和机械钻速，获取计算岩屑量和计算泵量；
判断到计算岩屑量小于预设岩屑量，同时所述计算泵量小于预设泵量，获取到最小环空压耗；
将所述最小环空压耗对应的输入参数和机械钻速作为结果参数输出。
在其中一个实施例中，所述择取计算模型选自三层模型、区块模型和分散模型，所述择取步骤至少包括以下至少一种：
判断到井身结构和井眼轨迹为水平井段，择取三层模型作为计算模型；
判断到井身结构和井眼轨迹为造斜段，择取区块模型作为计算模型；
判断到井身结构和井眼轨迹为竖直段，择取基于岩屑滑移速度的分散模型作为计算模型。
在其中一个实施例中，所述参数包括岩屑参数、钻井液参数、井身结构参数、井眼轨迹参数、钻具组合参数和泵量；所述岩屑参数包括岩屑密度、岩屑粒径、岩屑平均圆球度和岩屑床平均孔隙度；所述钻井液参数包括钻井液密度和粘度；所述井眼轨迹参数采集自预定长度的井斜角参数。
在其中一个实施例中，基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法还包括下列步骤：
判断到计算岩屑量大于等于预设岩屑量，或判断到所述计算泵量大于等于所述预设泵量，以预定钻速步长降低机械钻速得新机械钻速；
择取计算模型，输入参数和新机械钻速，重新获取计算岩屑量和计算泵量。
进一步的，以预设次数降低机械钻速，获取与所述预设次数对应的若干个计算岩屑量和计算泵量。
本发明还相应提供了一种基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化装置，包括：
计算模块，用于择取计算模型，输入参数和机械钻速，获取计算岩屑量和计算泵量；
判断模块，判断到计算岩屑量小于预设岩屑量，同时所述计算泵量小于所述预设泵量，获取到最小环空压耗；
输出模块，用于将所述最小环空压耗对应的输入参数和机械钻速作为结果参数输出。
本发明同时提供了一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法。
另外，还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法。
本发明提供的基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法及设备凭借对地层参数、施工参数等参数按照适当的计算模型进行分析，可采用计算机快速分析出最小环空压耗，得到最优井眼清洁参数，实现对随钻井底环空压力的精确控制。
附图说明
图1为本发明一实施例中基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法的方法流程图；
图2为本发明泵量对环空压耗的影响示意图；
图3为本发明一实施例中三层模型几何结构示意图；
图4为本发明一实施例中区块模型简化结构示意图；
图5为本发明一实施例中基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化装置的模块结构图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明一实施例中提供了一种基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法，包括下列步骤：
步骤S100：择取计算模型，输入参数和机械钻速，获取计算岩屑量和计算泵量。
步骤S200：判断到计算岩屑量小于预设岩屑量，同时计算泵量小于预设泵量，获取到最小环空压耗。系统通过与预设岩屑量和预设泵量的比较，获取到一结果计算岩屑量，而该结果计算岩屑量对应的环空压耗即为最小环空压耗。
步骤S300：将最小环空压耗对应的输入参数和机械钻速作为结果参数输出。最大泵量是钻井泵的额定泵量，为已知参数。通过上述方法可以计算给定变量组合下的环空压耗，不同的钻井液流变性和泵量两变量组合可以计算不同的环空压耗，得到最小的环空压耗后即找到优选最小环空压耗对应的参数组合。
如图2所示，在大位移井和水平井中由于岩屑的存在，环空压耗并非随着流量的增加而一直增加，而是存在一个临界值。在流量低于临界值时，环空压耗随着流量的增加而减小，而当流量超过临界值时，环空压耗有个明显转折，环空压耗损失开始增加。临界值(拐点)存在是由于岩屑对钻井液密度、有效环空面积和摩擦系数之间的综合作用。首先，岩屑和钻井液的混合改变了井筒内流体的密度；其次，在井眼的倾斜段或水平段，岩屑可能会沉降在环空的下侧，减小环空的有效流动面积，使钻井液流速增大，从而增加了井筒中的摩擦损失；再次，井筒岩屑床的存在增加了环空表面粗糙度，这也增加了井筒中的压力损失。在流速较低时，岩屑由于重力作用便会在井眼下侧堆积形成岩屑床，减小了环空当量面积并且增加了钻井液与环空表面的摩擦系数和钻井液的密度，增大了井眼摩擦阻力，从而导致了较大的环空压耗。但随着流量的增加，岩屑床高度降低，岩屑悬浮在钻井液中被循环到井外，环空压耗随之减小。但流量超过一定值后，因为流速的增加引起的摩擦损失将会很明显，相对的岩屑浓度和岩屑床的影响变得不是很明显，因此环空压耗又开始增加。
在步骤S100中，择取的计算模型选自三层模型、区块模型和分散模型中的至少一种，其择取步骤至少包括以下至少一种：
步骤S110：判断到井身结构和井眼轨迹为水平井段，择取三层模型作为计算模型；
步骤S120：判断到井身结构和井眼轨迹为造斜段，择取区块模型作为计算模型；
步骤S130：判断到井身结构和井眼轨迹为竖直段，择取基于岩屑滑移速度的分散模型作为计算模型。当井身结构和井眼轨迹较为复杂，则根据实际分段情况复合择取计算模型。
步骤S100中的参数包括岩屑参数、钻井液参数、井身结构参数、井眼轨迹参数、钻具组合参数和最大泵量。岩屑参数包括岩屑密度、岩屑粒径、岩屑平均圆球度和岩屑床平均孔隙度。钻井液参数包括钻井液密度和粘度。井眼轨迹参数采集自预定长度的井斜角参数。将钻井液参数和泵量当成变量，其他输入参数为固定量，带入计算模型进行计算得到环空压耗损失，改变变量组合可以得到不同的环空压耗损失。
本发明中对于井身结构和井眼轨迹为水平段或结晶水平段的，选用三层模型，根据岩屑的分布，井眼横截面可以分成3部分，如图3所示。
在给定的钻速和流量下，固相质量守恒公式为：
液相质量守恒公式为：
ρLAsdUsd+ρLAmb(1-Cmb)Umb+ρLAsb(1-Csb)＝ρLQ (2)
式中U为速度，m/s；C为岩屑浓度；ρ为密度，g/cm3；A为流动截面积，mm2；Q为流量，L/s；Ut为ROP，m/s；下标sb代表固定岩屑床，mb代表移动岩屑床，s代表固相，L代表液相。
对于上层分散层，动量守恒方程为：
式中为压力梯度，单位MPa/m；τsdmb为液层与移动床层之间的剪切应力，单位MPa；Ssd为井眼和钻杆与液层之间的湿周，单位m；Ssdmb为液层与移动床层之间的湿周，单位m。
移动床层动量守恒方程为：
式中τmb为移动床层与壁面(包括井眼和钻杆)之间的剪切应力，单位MPa；τsdmb为液层与移动床层之间的剪切应力，单位MPa；τmbsb为移动床层与固定床层之间的剪切应力，单位MPa；Smb为移动床层与壁面(包括井眼和钻杆)之间的湿周，单位m；Ssdmb为液层与移动床层之间的湿周，单位m；Smbsb为移动床层与固定床层之间的湿周，单位m；Fmbsb为作用在固定床和移动床界面上的干摩擦力，单位N；Fmb为作用在移动床层和壁面上的干摩擦力，单位N。
在岩屑床静止的情况下，有6个未知量：Cmb、umb、usd、hsb、hmb和我们可以通过2个质量守恒方程、2个动量守恒方程、1个临界速度方程和1和悬浮岩屑分布方程可以求解出未知数。
在岩屑床运动的情况下，有7个未知量：Cmb、umb、usd、usb、hsb、hmb和我们可以通过2个质量守恒方程、3个动量守恒方程、1个临界速度方程和1个悬浮岩屑分布方程可以求解出未知数。
其中，岩屑临界速度方程和悬浮岩屑分布方程已在文献中得到详细推导。模型求解之后根据悬浮岩屑浓度Cmb和岩屑床高度即可自动求解出有效的岩屑浓度，即为要求的环空压耗梯度。
对于区块模型，如图4所示，为了模拟这种流动模式的岩屑输送，提出了简化的区块模型。在这个模型中，我们假设两个相邻段塞之间的切削完全分散，并且没有切削膜。
将切屑段定义为块段，薄膜部分定义为分散段。切屑落入块段末端的分散段，并在分散段结束时再次充填。在前一部分中，分散率和填充率定义为Msliding和Maccumulating累积相同。在这种分散和充填中，分散段向前移动。岩屑降落速度、分散区域速度和充填速度均为：
质量守恒：在稳定状态下，进入试验段的岩屑等于从出口离开试验段的岩屑。对于一个流动单元(一个岩屑块段、一个分散段以及他们上面的流体流动部分)，在上部流动区域中，岩屑向前输送；在岩屑块区域中，岩屑是静止的；在分散区域中，岩屑向后滑动。
通过上部区域的岩屑质量流速为ρsvuAuCu，vu为上部流体流速Au为上部流体过流断面面积，Cu为局部岩屑浓度。对于整个单元，对于固体质量守恒是：
ρsvuAuCu+ρsvdAdCd＝λρsROPAbit (6)
对于液体质量守恒，有：
ρLvuAu(1-Cu)+ρLvdAd(1-Cd)＝ρLQ (7)
动量守恒：作用在一个单位长度流体流动区域的力由压力梯度引起的力、流体与井壁(包括井筒和钻杆)之间的剪应力、流体流动与岩屑块之间的剪应力、流体流动区与分散区的剪应力和重力组成。
上部的动量方程为：
式中Au是上层过流断面面积；τuw是上层流动区和井壁之间的剪应力；τub是上层流动层和岩屑块之间的剪应力；τud是上层流动层和分散区域之间的剪应力；Suw是上层流动层和井壁之间的湿周。ρu是上层区域的平均密度，ρu＝Cu·ρs+(1-Cu)·ρl；Cu是上层区域的岩屑浓度。
分散区域的动量方程为：
式中Ad是分散层过流断面面积；τdw是分散区域和井壁之间的剪应力；Sdw是分散区域和井壁之间的湿周；ρd是上层区域的平均密度，ρd＝Cd·ρs+(1-Cd)·ρl；Cd是分散区域的岩屑浓度。
从实验观察中，岩屑块是固定的。因此，岩屑块上的力满足如下关系：
式中Ab式岩屑块过流断面面积；τbw是岩屑块和井壁之间的剪应力；fbw是岩屑块和井壁之间的干摩擦系数；L是单元长度。
在该模型中，我们有6个未知数：Uu、Ud、Cu、Cd和Au。从质量守恒，可以得到2个方程；从动量守恒，可以得到2个方程；其他2个方程可以从封闭关系中得到。因此，我们有6个方程6个未知数，该模型可以被数值求解。
对于分散模型，在竖直段或接近竖直段和高流速条件下，井筒中的岩屑可能被完全分散。井筒局部岩屑浓度与岩屑滑移速度直接相关，所以选用基于岩屑滑移速度的分散模型。
表层液体流速为：
表层岩屑流速为：
式中Q为流量；Aannulus为环空过流断面面积；Aw为井眼横切面面积。
岩屑进料浓度为：
断面平均岩屑浓度为：
式中A＝Aannulus和εc为岩屑的局部原位体积分数。
岩屑和钻井液之间的平均滑移速度为：
混合方程为：
式中 是直井段岩屑滑移速度；对于蠕变流(Re＜1)中的岩屑移动，通过斯托克斯定理可得：
式中ds为岩屑直径；μ为流体粘度。
然而，在大多数情况下，在钻井时，环空中Re是远远大于1的。可以通过下式计算：
在过渡区(1＜Re＜800)
对于湍流(Re＞800)
利用新的混合流密度计算井筒中的压力梯度：
ρm＝ρl·(1-CC)+ρs·CC (21)
分散沙丘流中固体浓度很低，在计算中忽略了固体对混合物粘度的影响。
作为一个优选的方案，基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法还包括下列步骤：
步骤S210’：当判断到计算岩屑量大于等于预设岩屑量，或判断到计算泵量大于等于预设泵量，以预定钻速步长降低机械钻速得新机械钻速。改变步骤S100中的机械钻速的数值之后再按照步骤S220’中的方法计算岩屑量和泵量。
步骤S220’：择取计算模型，输入参数和新机械钻速，重新获取计算岩屑量和计算泵量。即得出新的岩屑量和泵量之后再同钻井实际参数范围作比较，选出最优解。进一步的，以预设次数降低机械钻速，获取与预设次数对应的若干个计算岩屑量。为保证敏感分析的精确度，因此采取多次数计算的方式找到尽量接近实际最小的岩屑量，次数少则意味着步长大，可能会错过最优区间，例如将预设次数设置为100次，从而获取到至少100个计算得到的岩屑量。
本发明提出的方法通过计算井眼中钻屑分布的方法来获取钻井过程中的最小化环空压耗损失，以降低石油钻井工程井下事故为核心目标，结合考虑井斜角、钻井液性能参数、环空尺寸、机械钻速和转速等钻井参数，建立了最小环空当量密度的计算方法，从而找出钻井作业的合理参数，规避井下事故，促进钻井工程作业的安全、快速进行。本发明的方法根据机理研究紧密结合实验数据，形成了一套完整的可商用的基于现场实际的最小化环空当量密度的计算方法，具有效率高，易实现的特点。
本发明还相应提供了一种基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化装置，包括计算模块、判断模块和输出模块，其中计算模块用于择取计算模型，输入参数和机械钻速，获取计算岩屑量。判断模块用于判断到计算岩屑量小于预设岩屑量，同时所述计算泵量小于所述预设泵量，获取到最小环空压耗。输出模块用于将所述最小环空压耗对应的输入参数和机械钻速作为结果参数输出。
基于计算机系统的思想，本发明同时提供了一种终端设备，如图4所示，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行程序时实现上述的基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法。
另外，还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前文所述的基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法，其特征在于，包括下列步骤：
择取计算模型，输入参数和机械钻速，获取计算岩屑量和计算泵量；
判断到计算岩屑量小于预设岩屑量，同时所述计算泵量小于预设泵量，获取到最小环空压耗；
将所述最小环空压耗对应的输入参数和机械钻速作为结果参数输出。
2.根据权利要求1所述的基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法，其特征在于，所述择取计算模型选自三层模型、区块模型和分散模型，所述择取步骤至少包括以下至少一种：
判断到井身结构和井眼轨迹为水平井段，择取三层模型作为计算模型；
判断到井身结构和井眼轨迹为造斜段，择取区块模型作为计算模型；
判断到井身结构和井眼轨迹为竖直段，择取基于岩屑滑移速度的分散模型作为计算模型。
3.根据权利要求1所述的基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法，其特征在于，所述参数包括岩屑参数、钻井液参数、井身结构参数、井眼轨迹参数、钻具组合参数和泵量；所述岩屑参数包括岩屑密度、岩屑粒径、岩屑平均圆球度和岩屑床平均孔隙度；所述钻井液参数包括钻井液密度和粘度；所述井眼轨迹参数采集自预定长度的井斜角参数。
4.根据权利要求1所述的基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法，其特征在于，还包括下列步骤：
判断到计算岩屑量大于等于预设岩屑量，或判断到所述计算泵量大于等于所述预设泵量，以预定钻速步长降低机械钻速得新机械钻速；
择取计算模型，输入参数和新机械钻速，重新获取计算岩屑量和计算泵量。
5.根据权利要求4所述的基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法，其特征在于，以预设次数降低机械钻速，获取与所述预设次数对应的若干个计算岩屑量和计算泵量。
6.一种基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化装置，其特征在于，包括：
计算模块，用于择取计算模型，输入参数和机械钻速，获取计算岩屑量和计算泵量；
判断模块，判断到计算岩屑量小于预设岩屑量，同时所述计算泵量小于所述预设泵量，获取到最小环空压耗；
输出模块，用于将所述最小环空压耗对应的输入参数和机械钻速作为结果参数输出。
7.一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-5任一项所述的基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-5中任一项所述的基于井眼清洁与环空压力耦合的钻井水力优化方法。
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