CN109711090B - 一种环空流体综合摩阻系数确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种环空流体综合摩阻系数确定方法及装置，所述方法包括：获取井眼本开次钻柱数据、裸眼段井径系列数据，钻井液数据以及上一开次套管内径、长度；对所述裸眼段井径系列数据进行合并分类，将井径扩大率相差在预设偏差范围内的井段合为一段；钻柱下到井底，启动钻井泵以常用钻井液排量循环泥浆，建立井口压力计算方程；在同一区块搜集与所述井眼地质条件、井身结构、井身质量、钻井液性能、钻柱结构相同的u+1口井，再按同样的方法建立u+1个井口压力计算方程，采用雅克比迭代法求解所述代数方程组；再进行曲线拟合得到不同循环排量条件下井径扩大率对应的环空流体综合摩阻系数。本发明可提高环空流体摩阻系数计算的准确率。

Description

一种环空流体综合摩阻系数确定方法及装置

技术领域

本发明属于石油工程钻井技术领域，特别涉及一种环空流体综合摩阻系数确定方法及装置。

背景技术

在钻井过程中，受地层破碎和非均质性的影响，井径扩大现象十分普遍，井壁表面也不规则，有时扩径不均匀还会形成“大肚子”或“糖葫芦”这种非常规井眼。当流体在环空流动时，扩径及不规则井壁都会对环空流动摩阻产生影响，从而影响环空压力剖面，对于窄密度窗口地层，如果计算不准还容易引发井涌、井漏等事故。因此，准确计算环空流体摩阻系数十分重要。

目前石油天然气行业内的相关标准在计算摩阻系数时假设井壁为规则的平滑井眼，与实际工况存在一定差距，导致计算不够准确。

发明内容

本发明提出一种基于井径扩大率的环空流体综合摩阻系数确定方法及装置，以解决不规则井眼的环空流体摩阻系数计算不准确的问题。

本发明第一方面，提出一种环空流体综合摩阻系数确定方法，所述方法包括：

S1、获取井眼本开次钻柱外径D_po，钻柱内径D_pi，裸眼段井径系列数据，钻井液密度ρ_d，常用钻井液循环排量Q_k，k＝1,2,…,m，m为常用钻井液循环排量个数，以及上一开次套管内径D_ci、长度L₀；所述裸眼段井径系列数据包括测井段长度L_j，井径D_j，井径扩大率η_j，j＝1,2,…,n，j为原始井径测井段序号，n为原始井径测井段的段数；

S2、对所述裸眼段井径系列数据进行合并分类，将井径扩大率相差在预设偏差范围内的井段合为一段，并计算该段的平均井径扩大率，得到合并后的裸眼段井径系列数据；所述合并后的裸眼段井径系列数据包括测井段长度L_g，井径D_g，井径扩大率η_g，g＝1,2,…,u，g为合并后的井径测井段序号，u为合并后井径测井段的段数；

S3、钻柱下到井底，启动钻井泵以所述常用钻井液循环排量Q_k循环泥浆，记录对应的钻井泵压力P_k，k＝1,2,…,m，m为常用钻井液循环排量个数，建立当前井口压力的计算方程；

S4、在同一区块搜集与所述井眼地质条件、井身结构、井身质量、钻井液性能、钻柱结构相同的u+1口井，针对任一常用钻井液循环排量Q_k，按步骤S1至步骤S3的方法再建立u+1个如步骤S3所述井口压力的计算方程，获得u+2个方程，联立所述u+2个方程得到一个代数方程组，采用雅克比迭代法求解所述代数方程组得到循环排量Q_k条件下不同井径扩大率η_g对应的环空流体综合摩阻系数f_gk；

S5、根据步骤S4计算的数据，绘制不同循环排量Q_k条件下环空流体综合摩阻系数f_gk随所述井径扩大率η_g的变化曲线，并拟合不同循环排量Q_k条件下环空流体综合摩阻系数f_gk随所述井径扩大率η_g的变化关系式。

可选的，所述步骤S3中，所述井口压力计算方程为：

其中，k＝1,2,…,m，m为常用钻井液循环排量个数，f_wk为钻柱内壁与流体摩阻系数，f_0k为上层套管环空流体摩阻系数，f_gk为裸眼段内井径扩大率η_g对应井段的环空流体综合摩阻系数，g＝1,2,…,u，g为合并后的井径测井段序号，u为合并后井径测井段的段数。

本发明第二方面，提供一种环空流体综合摩阻系数确定装置，所述装置包括：

参数获取模块：用于获取井眼本开次钻柱外径D_po，钻柱内径D_pi，裸眼段井径系列数据，钻井液密度ρ_d，常用钻井液循环排量Q_k，k＝1,2,…,m，m为常用钻井液循环排量个数，以及上一开次套管内径D_ci、长度L₀；所述裸眼段井径系列数据包括测井段长度L_j，井径D_j，井径扩大率η_j，j＝1,2,…,n，j为原始井径测井段序号，n为原始井径测井段的段数；

井段合并模块：用于对所述裸眼段井径系列数据进行合并分类，将井径扩大率相差在预设偏差范围内的井段合为一段，并计算该段的平均井径扩大率，得到合并后的裸眼段井径系列数据；所述合并后的裸眼段井径系列数据包括测井段长度L_g，井径D_g，井径扩大率η_g，g＝1,2,…,u，g为合并后的井径测井段序号，u为合并后井径测井段的段数；

压力计算模块：用于钻柱下到井底后，启动钻井泵以所述常用钻井液循环排量Q_k循环泥浆，记录对应的钻井泵压力P_k，k＝1,2…,m，m为常用钻井液循环排量个数，建立井口压力的计算方程；

迭代求解模块：用于在同一区块搜集与所述井眼地质条件、井身结构、井身质量、钻井液性能、钻柱结构相同的u+1口井，针对任一常用钻井液循环排量Q_k，按照所述参数获取模块、井段合并模块、压力计算模块的方法再建立u+1个如压力计算模块所述井口压力的计算方程，共获得u+2个方程，联立所述u+2个方程得到一个代数方程组，采用雅克比迭代法求解所述代数方程组得到循环排量Q_k条件下不同井径扩大率η_g对应的环空流体综合摩阻系数f_gk；

曲线拟合模块：用于绘制不同循环排量Q_k条件下环空流体综合摩阻系数f_gk随所述井径扩大率η_g的变化曲线，并拟合不同循环排量Q_k条件下环空流体综合摩阻系数f_gk随所述井径扩大率η_g的变化关系式。

可选的，所述井口压力计算方程为：

其中，k＝1,2,…,m，m为常用钻井液循环排量个数，f_wk为钻柱内壁与流体摩阻系数，f_0k为上层套管环空流体摩阻系数，f_gk为裸眼段内井径扩大率η_g对应井段的环空流体综合摩阻系数，g＝1,2,…,u，g为合并后的井径测井段序号，u为合并后井径测井段的段数。

本发明提出了一种环空流体综合摩阻系数确定方法及装置，根据不同循环排量条件下井口压力计算方程，迭代求解出不同井径扩大率对应的环空流体综合摩阻系数，最终拟合出在不同循环排量条件下环空流体综合摩阻系数随井径扩大率η_g的变化关系，提高环空流体摩阻系数计算的准确率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的环空流体综合摩阻系数随井径扩大率的变化曲线；

图3为本发明实施例提供的装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图及实验数据对本发明的具体实施方式做详细的说明。

请参见图1，本发明提出一种环空流体综合摩阻系数确定方法，所述方法包括：

S1、获取井眼本开次钻柱外径D_po，钻柱内径D_pi，裸眼段井径系列数据，钻井液密度ρ_d，常用钻井液循环排量Q_k，k＝1,2,…,m，m为常用钻井液循环排量个数，以及上一开次套管内径D_ci、长度L₀；所述裸眼段井径系列数据包括测井段长度L_j，井径D_j，井径扩大率η_j，j＝1,2,…,n，j为原始井径测井段序号，n为原始井径测井段的段数；

S2、对所述裸眼段井径系列数据进行合并分类，将井径扩大率相差在预设偏差范围内的井段合为一段，并计算该段的平均井径扩大率，得到合并后的裸眼段井径系列数据；所述合并后的裸眼段井径系列数据包括测井段长度L_g，井径D_g，井径扩大率η_g，g＝1,2,…,u，g为合并后的井径测井段序号，u为合并后井径测井段的段数；

S3、钻柱下到井底，启动钻井泵以所述常用钻井液循环排量Q_k循环泥浆，记录对应的钻井泵压力P_k，k＝1,2…,m，m为常用钻井液循环排量个数，建立井口压力的计算方程；

设钻柱内壁与流体摩阻系数为f_wk，上层套管环空流体摩阻系数为f_0k，裸眼段内井径扩大率η_g对应井段的环空流体综合摩阻系数为f_gk，g＝1,2,…,u，g为合并后的井径测井段序号，u为合并后井径测井段的段数；井口压力计算方程为：

m为常用钻井液循环排量个数，以每个常用钻井液循环排量来循环泥浆，可获得一个包括f_wk、f_0k、f_1k、f_2k......f_uk共m(u+2)个未知数的m(u+2)元一次方程组。

S4、在同一区块搜集与所述井眼地质条件、井身结构、井身质量、钻井液性能、钻柱结构相同的u+1口井，针对任一常用钻井液循环排量Q_k，按步骤S1至步骤S3的方法再建立u+1个如步骤S3所述井口压力的计算方程，共获得u+2个方程，联立所述u+2个方程得到一个代数方程组，采用雅克比迭代法求解所述代数方程组得到循环排量Q_k条件下不同井径扩大率η_g对应的环空流体综合摩阻系数f_gk；

S5、根据步骤S4计算的数据，绘制不同循环排量Q_k条件下环空流体综合摩阻系数为f_gk随井径扩大率η_g的变化曲线，并拟合不同循环排量Q_k条件下环空流体综合摩阻系数为f_gk随井径扩大率η_g的变化关系式。

下面结合实验数据对本发明提供的环空流体综合摩阻系数确定方法做进一步说明。

实验获取的某井本开次钻柱外径D_po＝0.127m，钻柱内径D_pi＝0.1086m，裸眼段原始井径系列数据如表1所示，其中，原始井径测井段的段数n＝10，下段深度与上段深度的差值即为对应的每段测井段长度L_j，原始井径为D_j，原始井径扩大率为η_j，j＝1,2,…,n，j为原始井径测井段序号。钻井液密度ρ_d＝1140kg/m³，常用钻井液循环排量Q₁＝0.02m³/s、Q₂＝0.025m³/s、Q₃＝0.03m³/s，上一开次钻井套管内径D_ci＝0.2244m、长度L₀＝500m。

表1裸眼段原始井径数据表

上段深度(m)	下段深度(m)	原始井径Dj(mm)	原始井径扩大率ηj(％)
				500	510	225.9	4.63
510	520	225.8	4.58
				520	530	227.9	5.55
530	540	226.8	5.04
				540	550	225.6	4.49
550	560	237.5	10.00
				560	570	237.4	9.95
570	580	236.3	9.44
				580	590	235.7	9.17
590	600	237.6	10.05
				600	610	250.3	15.93
610	620	248.0	14.86
				620	630	246.2	14.03
630	640	247.2	14.49
				640	650	247.3	14.54

为了实施方便，针对裸眼段井径系列数据进行合并分类，将井径扩大率相差不大(比如±3％)的井段合为一段，比如表1中，前5段井径的原始井径扩大率η_j都在5％左右，因此将前5段井径合并成为一段，并计算得到该段的平均井径扩大率为4.86％，如此可得到合并后的裸眼段井径系列数据如表2所示，测井段长度为L_g，平均井径D_g，平均井径扩大率为η_g，g＝1,2,3为合并后的井径测井段序号，即u＝3。

表2合并处理后的裸眼段井径系列数据表

上段深度(m)	下段深度(m)	平均井径Dg(mm)	平均井径扩大率ηg(％)
				500	550	226.4	4.86
550	600	236.9	9.73
				600	650	247.8	14.78

设钻柱内壁与流体摩阻系数为f_wk，上层套管环空流体摩阻系数为f_0k，裸眼段内井径扩大率η_g对应井段的环空流体综合摩阻系数为f_gk，g＝1,2,3为合并后的井径测井段序号。

钻柱下到井底后，启动钻井泵以Q₃＝0.03m³/s排量循环泥浆，记录钻井泵压力P₃＝810942Pa。建立此刻的井口压力计算方程：

127868786f_w3+20647905f₀₃+1902667f₁₃+1274744f₂₃+872578f₃₃＝810942

此方程是一个包括f_w3、f₀₃、f₁₃、f₂₃、f₃₃共5个未知数的5元一次方程。在同一区块搜集与该井地质条件、井身结构、井身质量、钻井液性能、钻柱结构相同的4口井，对任一个常用钻井液循环排量，按步骤S1至步骤S3的方法建立4个如步骤S3所示的压力方程。针对泥浆循环排量Q₃＝0.03m³/s条件，综合步骤S3和步骤S4可得5口井在Q₃＝0.03m³/s条件下的5元一次方程组，共有5个方程，如下所示：

可采用雅克比迭代法求解该代数方程组，如此可求解得到在循环排量Q₃＝0.03m³/s条件下不同井段井径扩大率η_g对应的环空流体综合摩阻系数f_gk，如表3所示。

表3环空流体综合摩阻系数计算结果

整理表3的数据，绘制循环排量Q₃条件下环空流体综合摩阻系数为f_g3随井径扩大率η_g的变化曲线，如图2所示。并拟合循环排量Q₃＝0.03m³/s条件下环空流体综合摩阻系数为f_g3随井径扩大率η_g的变化关系式：y＝-0.000007x²+0.0003x+0.004，以便为其它同类型井提供数据参考。同理，以Q₁、Q₂循环泥浆，分别得到循环排量Q₁、Q₂条件下环空流体综合摩阻系数f_g3随井径扩大率η_g的变化曲线，并拟合得到Q1、Q2条件下环空流体综合摩阻系数为f_gk随井径扩大率η_g的变化关系式。

请参阅图3，本发明还提供一种环空流体综合摩阻系数确定装置，所述装置包括：

参数获取模块310：用于获取井眼本开次钻柱外径D_po，钻柱内径D_pi，裸眼段井径系列数据，钻井液密度ρ_d，常用钻井液循环排量Q_k，k＝1,2,…,m，m为常用钻井液循环排量个数，以及上一开次套管内径D_ci、长度L₀；所述裸眼段井径系列数据包括测井段长度L_j，井径D_j，井径扩大率η_j，j＝1,2,…,n，j为原始井径测井段序号，n为原始井径测井段的段数；

井段合并模块320：用于对所述裸眼段井径系列数据进行合并分类，将井径扩大率相差在预设偏差范围内的井段合为一段，并计算该段的平均井径扩大率，得到合并后的裸眼段井径系列数据；所述合并后的裸眼段井径系列数据包括测井段长度L_g，井径D_g，井径扩大率η_g，g＝1,2,…,u，g为合并后的井径测井段序号，u为合并后井径测井段的段数；

压力计算模块330：用于钻柱下到井底后，启动钻井泵以所述常用钻井液循环排量Q_k循环泥浆，记录对应的钻井泵压力P_k，k＝1,2…,m，m为常用钻井液循环排量个数，建立井口压力的计算方程；所述井口压力计算方程为：

其中，f_wk为钻柱内壁与流体摩阻系数，f_0k为上层套管环空流体摩阻系数，f_gk为裸眼段内井径扩大率η_g对应井段的环空流体综合摩阻系数，g＝1,2,…,u，g为合并后的井径测井段序号，u为合并后井径测井段的段数；

迭代求解模块340：用于在同一区块搜集与所述井眼地质条件、井身结构、井身质量、钻井液性能、钻柱结构相同的u+1口井，按照所述参数获取模块310、井段合并模块320、压力计算模块330的方法再建立u+1个如压力计算模块所述井口压力的计算方程，共获得u+2个方程，联立所述u+2个方程得到一个代数方程组，采用雅克比迭代法求解所述代数方程组得到不同循环排量Q_k条件下不同井径扩大率η_g对应的环空流体综合摩阻系数f_gk；

曲线拟合模块350：用于绘制不同循环排量Q_k条件下环空流体综合摩阻系数为f_gk随井径扩大率η_g的变化曲线，并拟合不同循环排量Qk条件下环空流体综合摩阻系数为f_gk随井径扩大率η_g的变化关系式。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种环空流体综合摩阻系数确定方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、获取井眼本开次钻柱外径D_po，钻柱内径D_pi，裸眼段井径系列数据，钻井液密度ρ_d，常用钻井液循环排量Q_k，k＝1,2,…,m，m为常用钻井液循环排量个数，以及上一开次套管内径D_ci、长度L₀；所述裸眼段井径系列数据包括测井段长度L_j，井径D_j，井径扩大率η_j，j＝1,2,…,n，j为原始井径测井段序号，n为原始井径测井段的段数；

S2、对所述裸眼段井径系列数据进行合并分类，将井径扩大率相差在预设偏差范围内的井段合为一段，并计算该段的平均井径扩大率，得到合并后的裸眼段井径系列数据；所述合并后的裸眼段井径系列数据包括测井段长度L_g，井径D_g，井径扩大率η_g，g＝1,2,…,u，g为合并后的井径测井段序号，u为合并后井径测井段的段数；

S3、钻柱下到井底，启动钻井泵以所述常用钻井液循环排量Q_k循环泥浆，记录对应的钻井泵压力P_k，k＝1,2,…,m，m为常用钻井液循环排量个数，建立当前井口压力的计算方程；

S4、在同一区块搜集与所述井眼地质条件、井身结构、井身质量、钻井液性能、钻柱结构相同的u+1口井，针对任一常用钻井液循环排量Q_k，按步骤S1至步骤S3的方法再建立u+1个如步骤S3所述井口压力的计算方程，获得u+2个方程，联立所述u+2个方程得到一个代数方程组，采用雅克比迭代法求解所述代数方程组得到循环排量Q_k条件下不同井径扩大率η_g对应的环空流体综合摩阻系数f_gk；

S5、根据步骤S4计算的数据，绘制不同循环排量Q_k条件下环空流体综合摩阻系数f_gk随所述井径扩大率η_g的变化曲线，并拟合不同循环排量Q_k条件下环空流体综合摩阻系数f_gk随所述井径扩大率η_g的变化关系式。

2.根据权利要求1所述环空流体综合摩阻系数确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述井口压力计算方程为：

其中，k＝1,2,…,m，m为常用钻井液循环排量个数，f_wk为钻柱内壁与流体摩阻系数，f_0k为上层套管环空流体摩阻系数，f_gk为裸眼段内井径扩大率η_g对应井段的环空流体综合摩阻系数，g＝1,2,…,u，g为合并后的井径测井段序号，u为合并后井径测井段的段数。

3.一种环空流体综合摩阻系数确定装置，其特征在于，所述装置包括：

参数获取模块：用于获取井眼本开次钻柱外径D_po，钻柱内径D_pi，裸眼段井径系列数据，钻井液密度ρ_d，常用钻井液循环排量Q_k，k＝1,2,…,m，m为常用钻井液循环排量个数，以及上一开次套管内径D_ci、长度L₀；所述裸眼段井径系列数据包括测井段长度L_j，井径D_j，井径扩大率η_j，j＝1,2,…,n，j为原始井径测井段序号，n为原始井径测井段的段数；

井段合并模块：用于对所述裸眼段井径系列数据进行合并分类，将井径扩大率相差在预设偏差范围内的井段合为一段，并计算该段的平均井径扩大率，得到合并后的裸眼段井径系列数据；所述合并后的裸眼段井径系列数据包括测井段长度L_g，井径D_g，井径扩大率η_g，g＝1,2,…,u，g为合并后的井径测井段序号，u为合并后井径测井段的段数；

压力计算模块：用于钻柱下到井底后，启动钻井泵以所述常用钻井液循环排量Q_k循环泥浆，记录对应的钻井泵压力P_k，k＝1,2，…,m，m为常用钻井液循环排量个数，建立井口压力的计算方程；

迭代求解模块：用于在同一区块搜集与所述井眼地质条件、井身结构、井身质量、钻井液性能、钻柱结构相同的u+1口井，针对任一常用钻井液循环排量Q_k，按照所述参数获取模块、井段合并模块、压力计算模块的方法再建立u+1个如压力计算模块所述井口压力的计算方程，共获得u+2个方程，联立所述u+2个方程得到一个代数方程组，采用雅克比迭代法求解所述代数方程组得到循环排量Q_k条件下不同井径扩大率η_g对应的环空流体综合摩阻系数f_gk；

曲线拟合模块：用于绘制不同循环排量Q_k条件下环空流体综合摩阻系数f_gk随所述井径扩大率η_g的变化曲线，并拟合不同循环排量Q_k条件下环空流体综合摩阻系数f_gk随所述井径扩大率η_g的变化关系式。

4.根据权利要求3所述环空流体综合摩阻系数确定装置，其特征在于，所述井口压力计算方程为：

其中，k＝1,2,…,m，m为常用钻井液循环排量个数，f_wk为钻柱内壁与流体摩阻系数，f_0k为上层套管环空流体摩阻系数，f_gk为裸眼段内井径扩大率η_g对应井段的环空流体综合摩阻系数，g＝1,2,…,u，g为合并后的井径测井段序号，u为合并后井径测井段的段数。

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