CN117764411A - 一种考虑钻柱螺旋屈曲的ecd预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油工程和钻井技术领域，公开了一种考虑井下钻柱螺旋屈曲的钻井液当量循环密度(ECD)预测方法及系统，按照先后顺序包括以下步骤：a.计算井下钻柱受力状态，判断是否存在钻柱螺旋屈曲状态；b.如果井下钻柱存在螺旋屈曲现象，需要考虑垂深测量误差项和井深测量误差项来校正垂深和井深；c.将经过校正后的垂深和井深代入ESD、Pf和Pd计算模型中进行计算；d.将ESD、Pf和Pd代入钻井液当量循环密度ECD计算模型中进行计算；e.如果井下钻柱不发生螺旋屈曲，垂深测量误差项和井深测量误差项数值为0。本发明充分考虑了井下钻柱螺旋屈曲对ECD预测的影响，提高了所构建的模型用于ECD预测的精确性，有效降低了钻井的风险。
Description
技术领域
本发明属于石油工程和钻井技术领域，涉及一种预测ECD(钻井液循环当量密度)的方法，尤其涉及一种考虑井下钻柱螺旋屈曲的ECD预测方法。
背景技术
钻井液在井内循环时，作用于井底的流动压力换算成相应的钻井液密度值即为钻井液当量循环密度(ECD)，ECD预测值高于或者低于真实值都会增加井壁失稳的风险。大位移井应用十分广泛，由于其井深大，井下钻具容易发生螺旋屈曲现象。发生了螺旋屈曲的钻柱长度与正常钻柱长度不同，这会导致测量出的垂深和井深产生误差，进而影响ECD预测结果的精确性。
目前的ECD预测方法中，对于由大位移井钻柱螺旋屈曲带来的井深测量误差和垂深测量误差，并未进行考虑，这会直接影响大位移井ECD预测结果的精确性，增加钻井作业的风险。
与考虑井下钻柱螺旋屈曲的钻井液当量循环密度(ECD)预测方法相关的现有技术中，最接近的是传统的钻井液ECD预测方法。这种方法通常基于经验公式或简化的物理模型，未考虑钻柱的螺旋屈曲现象。以下是对这种现有技术的分析：
现有技术：传统钻井液ECD预测方法
1.技术描述：
使用基于经验公式或简化的流体模型来预测钻井液的ECD。
这些方法通常考虑了井深、钻井液密度、流速等基本参数，但未考虑钻柱的复杂物理状态，如螺旋屈曲。
2.存在的技术问题：
预测准确性不足：不考虑钻柱螺旋屈曲等复杂情况，导致ECD的预测不够准确，特别是在复杂地层或极端钻井条件下。
风险管理局限性：准确度不足的ECD预测增加钻井过程中的风险，如井壁稳定性问题和井漏。
调整反应不及时：在复杂地质条件下，钻柱螺旋屈曲导致实时ECD变化，而传统方法无法及时调整预测，增加了作业的不确定性。
数据利用不充分：传统方法未能充分利用现场实时数据进行动态预测，限制了其在复杂钻井操作中的应用效果。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种大位移井ECD预测方法，针对目前大位移井ECD预测方法中忽略钻柱发生螺旋屈曲后带来的井深测量误差和垂深测量误差，从而导致ECD预测不精准引发井壁失稳的问题，通过引入螺旋屈曲钻柱带来的井深测量误差项和垂深测量误差项来修正ECD计算模型，精准预测ECD，为井下安全钻井作业提供保证。
为解决现有技术中存在的问题，一种用于预测考虑井下钻柱螺旋屈曲的钻井液当量循环密度(ECD)的系统，该系统包括：
一个计算模块，用于计算井下钻柱受力状态，并判断是否存在钻柱螺旋屈曲状态；
一个校正模块，当计算模块判断井下钻柱存在螺旋屈曲时，校正模块考虑垂深测量误差项和井深测量误差项来校正垂深和井深；
一个处理模块，用于接收校正后的垂深和井深数据，并将其代入ESD、Pf和Pd计算模型中进行计算；
一个ECD计算模块，用于将ESD、Pf和Pd代入钻井液当量循环密度ECD计算模型中进行计算；
其中，如果井下钻柱不发生螺旋屈曲，垂深测量误差项和井深测量误差项数值为0。
进一步，所述校正模块包括：
一个用于计算垂深测量误差项Hb的子模块，其中Hb的计算基于垂直段井筒中螺旋屈曲钻柱对应的井筒长度Lh，以及在不同稳斜段中发生螺旋屈曲的钻柱所对应的井深长度；
一个用于计算井深测量误差项Lb的子模块，其中Lb的计算方法同样基于垂直段井筒中螺旋屈曲钻柱对应的井筒长度Lh，以及不同稳斜段中的螺旋屈曲钻柱长度；
其中，垂直段井筒中螺旋屈曲钻柱对应的井筒长度Lh的计算基于钻柱螺距、单位周期线长、螺旋线半径和螺旋段钻柱总长。
本发明还公开了一种考虑井下钻柱螺旋屈曲现象的钻井液当量循环密度(ECD)预测方法，包括以下步骤：
a.计算井下钻柱受力状态，判断是否存在钻柱螺旋屈曲状态；
b.如果井下钻柱存在螺旋屈曲现象，需要考虑垂深测量误差项和井深测量误差项来校正垂深和井深；垂深按照(1)式计算，井深按照(2)式计算：
H＝Hg+Hb (1)
式中，H为经过垂深测量误差项和井深测量误差项校正后的垂深，m；Hg为无螺旋屈曲钻柱井段垂深，m；Hb为垂深误差项，m；
L＝Lg+Lb (2)
L为经过垂深测量误差项和井深测量误差项校正后的井深，m；Lg为无螺旋屈曲钻柱井段井深，m；Lb为井深误差项，m；
式(1)中的Hg可以通过式(3)计算得来：
式中，L0为无屈曲钻柱对应的垂直段井筒总长度，m；Ls为正弦屈曲钻柱对应的垂直段井筒总长度，m；为a段圆弧井段对应的垂深，m；/>为在第l段稳斜段中未发生屈曲钻柱长度所对应的井深，m；αl为第l段稳斜段井斜角，°；/>为在第l段稳斜段中发生正弦屈曲钻柱长度所对应的井深，m；
式(1)中的Hb可以通过式(4)计算得来：
式中，Hb为垂深测量误差，m；Lh为螺旋屈曲钻柱对应的垂直段井筒总长度，m；为在第l段稳斜段中发生螺旋屈曲的钻柱长度所对应的井深长度，m；αl为第l段稳斜段井斜角，°。
式(4)中的Lh可以通过式(5)计算得来：
如图3所示，螺旋屈曲钻柱段可根据螺距的不同，划分为v段，式(5)中，Δh′j(j＝1…v)为螺距，m；L′hl为螺距为Δhj′(j＝1…v)的螺旋屈曲钻柱段单位周期线长，m；D为螺旋线半径(通常为井筒半径)，m；Lhj为螺距为Δh′j的螺旋段钻柱总长，m；Δhj为螺距为Δh′j(j＝1…v)的螺旋屈曲钻柱段长度，m；
式(4)中计算第l段稳斜段中螺旋屈曲钻柱对应的稳斜段井深计算方法与式(5)中计算垂直段井筒中螺旋屈曲钻柱对应的井深Lh相同。
式(2)中的Lg可以通过式(6)计算得来：
如图3所示，式中，为a段圆弧井段对应的井深，m；
式(2)中的Lb可以通过式(7)计算得来：
c.将经过校正后的垂深和井深代入ESD计算模型、Pf计算模型和Pd计算模型中进行计算；ESD按照(8)式计算，Pf按照(9)式计算，Pd按照(10)式计算；
将井筒内钻井液沿修正垂深与井深测量误差后的井深L平均分为n个计算节点，选择迭代计算步长ΔL＝L/n。那么修正垂深误差和井深误差后的钻井液静态当量密度ESD可以通过式(8)计算得来：
式中，ESD为井深L处修正垂深误差和井深误差后的钻井液静态当量密度，kg/m3；ρ0为常温常压状态下的钻井液密度，kg/m3；H为式(1)中经过垂深测量误差项和井深测量误差项校正后的垂深，m；ΔLi为第i段井段的长度(ΔLi考虑了垂深与井深测量误差，参考式(2))，m；pi为垂深Hi处的压力,Pa；Ti为垂深Hi处的温度,K；p0为地面压力,Pa；T0为地面温度,K；ξp,ξT,ξpp,ξTT,ξpT——钻井液特性常数，可通过多元非线性回归方法来确定；
考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的环空压耗计算公式为：
式中，Pf为考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的环空压力损耗，Pa；f为摩阻系数，无量纲；ρ为钻井液密度，g/cm3；L为考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的井深(公式(2)计算得到)，m；v为钻井液流速，m/s；DH为环空外径，mm；Dp为环空内径，mm；R为偏心系数；
考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的岩屑附加压力计算公式为：
pd＝(ρc-ρ)CagL (10)
式中，Pd为考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的岩屑附加压力，Pa；ρc为岩屑密度，kg/m3；Ca为岩屑浓度，％；L为式(2)中考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的井深，m。
d.将ESD、Pf和Pd代入钻井液当量循环密度ECD计算模型中进行计算；考虑了由钻柱螺旋屈曲引起的垂深测量误差和井深测量误差的ECD可由下式计算得来：
式中，ECD为井深L处考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的钻井液循环当量密度，kg/m3；ESD为井深L处修正垂深误差和井深误差后的钻井液静态当量密度(由式(8)计算得来)，kg/m3；Pf为考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的环空压力损耗(由公式(9)计算得来)，Pa；Pd为考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的岩屑附加压力(由公式(10)计算得来)，Pa；H为式(1)中考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的垂深，m。
如果井下钻柱不发生螺旋屈曲，那么式(4)中，垂深测量误差Hb为0，代入后续的计算步骤中。
如果井下钻柱不发生螺旋屈曲，那么式(7)中，井深测量误差Lb为0，代入后续的计算步骤中。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
在工业应用中，考虑井下钻柱螺旋屈曲现象的钻井液当量循环密度(ECD)预测方法取得了显著的技术进步，主要表现在以下几个方面：
1)提高预测准确性：通过计算和校正由于钻柱螺旋屈曲导致的垂深和井深测量误差，该方法能够更准确地预测ECD。这种增强的准确性对于指导安全有效的钻井操作至关重要。
2)增强作业安全：准确的ECD预测有助于避免由于压力控制不当导致的井下事故，如井漏或井喷等，从而提高整个钻井作业的安全性。
3)优化钻井操作：准确的ECD预测使得工程师能够更好地调整钻井液密度和循环参数，减少非生产时间，提高钻井效率。
4)降低经济成本：通过减少因预测不准确而引起的问题，如钻井液损失、设备损坏或停工时间，该方法有助于降低整体钻井成本。
5)适应复杂地质条件：在具有复杂地质结构的钻井作业中，该方法能够有效应对由于地质条件引起的钻柱螺旋屈曲，确保更稳定的钻井过程。
6)数据驱动的决策支持：该方法提供了基于数据的精确分析，支持工程师做出更为明智的决策，特别是在面对复杂或不确定的钻井环境时。
本发明提供的考虑井下钻柱螺旋屈曲的ECD预测方法在提高预测准确性、增强作业安全、优化钻井操作、降低经济成本、适应复杂地质条件以及提供数据驱动的决策支持等方面，为工业应用带来了显著的技术进步。
附图说明
图1是本发明的实施流程示意图。
图2(a)为大位移井钻井过程中井下钻柱发生螺旋屈曲示意图；(b)为同一井段内未发生螺旋屈曲(Ⅰ)和已发生螺旋屈曲(Ⅱ)的钻柱对比图。
图3为大位移井钻柱发生螺旋屈曲后的井深计算示意图
图4为ECD实测值和本发明预测结果，与不考虑钻柱螺旋屈曲的ECD预测结果对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实施方式做进一步的详细说明，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。
基于考虑井下钻柱螺旋屈曲的钻井液当量循环密度(ECD)预测方法，以下是具体的工业应用实施例及其实现方案：
实施例1：非常规油气藏水平钻井
1)钻柱受力计算软件计算：在非常规油气藏的水平钻井作业中应用成熟商业软件监测井下钻柱受力状态，并根据获得的钻柱轴向力分布，计算出井下钻柱是否存在屈曲，以及屈曲后的几何特征参数(如钻柱螺距、单位周期线长、螺旋线半径等)；
2)误差分析与校正：计算并校正由于钻柱螺旋屈曲引起的垂深和井深测量误差。
3)模型计算与应用：利用ESD、Pf和Pd模型计算ECD，并根据结果调整钻井液参数。
4)作业优化：根据ECD结果调整水平钻井操作策略，以减少作业过程中的问题，如井漏。
应用效果：
针对非常规油气藏大位移井的特殊条件，提供了更准确的ECD预测，确保大位移井钻井作业的安全和效率。
该实施例展示了在典型大位移井钻井作业中应用这种ECD预测方法的过程，以提高钻井作业的安全性和效率，减少风险和成本。
本实施例结合区块实际情况，轴向摩阻系数设为0.15，周向摩阻系数设为0.25，该井三开的钻进参数为：钻压90KN，平均机械钻速4.21m/h，转速120r/min。
如图1所示，一种考虑井下钻柱螺旋屈曲现象的钻井液当量循环密度(ECD)预测方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
a.计算井下钻柱受力状态，判断是否存在钻柱螺旋屈曲状态：由管柱力学模型计算结果可知，该井3589-3712m处的钻柱处于螺旋屈曲状态，其余井深位置处的钻柱未发生螺旋屈曲。
b.如果井下钻柱存在螺旋屈曲现象，需要考虑垂深测量误差项和井深测量误差项来校正垂深和井深：将3589-3712m井深处的螺旋屈曲钻柱带来的垂深测量误差Hb和井深测量误差Lb代入式(1)和式(2)中，可以得知，如果不考虑钻柱屈曲所带来的误差，井深为4217m，垂深为2916m；考虑钻柱屈曲所带来的误差，井深为3923m，垂深为2904。
c.将经过校正后的垂深H和井深L代入ESD计算模型、Pf计算模型和Pd计算模型中进行计算：将经过校正后的垂深和井深，以及表1.1所示的计算参数代入ESD计算式(8)、Pf计算式(9)与Pd计算式(10)中进行计算。
表1.1计算案例井ESD、Pf和Pd各参数值
| 参数 | 值 |
| 井口温度 | 30℃ |
| 地温梯度 | 4.0℃/100m |
| 海水深度 | 87m |
| 循环时间 | 30min |
| 钻头直径 | 212.73mm |
| 钻杆外径 | 139.7mm |
| 钻杆内径 | 121.36mm |
| 钻铤长度 | 200m |
| 钻铤外径 | 165.1mm |
| 钻铤内径 | 121.36mm |
| 增压泵排量 | 1500L/min |
| 钻井液传导系数 | 1.45W/(m·℃) |
| 钻井液热容： | 2000J/(kg.℃) |
d.将ESD、Pf和Pd代入钻井液当量循环密度ECD计算模型式(11)中进行计算：图4和表1.2显示了本发明的案例井ECD预测结果，与现场实测值，以及不考虑钻柱螺旋屈曲的ECD预测结果之间的对比。从表1.2和图4可以看出，当大位移井井下钻柱发生螺旋屈曲时，本发明的ECD预测值与现场实测结果更为接近，预测方法更为精确。
表1.2本发明案例井ECD预测结果与现场实测值，未考虑钻柱螺旋屈曲的ECD预测结果对比
e.如果井下钻柱不发生螺旋屈曲，式(4)垂深测量误差项Hb和式(7)井深测量误差项Lb数值为0，带入后续模型中进行计算。
本发明的考虑钻柱螺旋屈曲的大位移井ECD预测方法，包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，都在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于预测考虑井下钻柱螺旋屈曲的钻井液当量循环密度(ECD)的系统，其特征在于，该系统包括：
一个计算模块，用于计算井下钻柱受力状态，并判断是否存在钻柱螺旋屈曲状态；
一个校正模块，当计算模块判断井下钻柱存在螺旋屈曲时，校正模块考虑垂深测量误差项和井深测量误差项来校正垂深和井深；
一个处理模块，用于接收校正后的垂深和井深数据，并将其代入ESD、Pf和Pd计算模型中进行计算；
一个ECD计算模块，用于将ESD、Pf和Pd代入钻井液当量循环密度ECD计算模型中进行计算；
其中，如果井下钻柱不发生螺旋屈曲，垂深测量误差项和井深测量误差项数值为0。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述校正模块包括：
一个用于计算垂深测量误差项Hb的子模块，其中Hb的计算基于垂直段井筒中螺旋屈曲钻柱对应的井筒长度Lh，以及在不同稳斜段中发生螺旋屈曲的钻柱所对应的井深长度；
一个用于计算井深测量误差项Lb的子模块，其中Lb的计算方法同样基于垂直段井筒中螺旋屈曲钻柱对应的井筒长度Lh，以及不同稳斜段中的螺旋屈曲钻柱长度；
其中，垂直段井筒中螺旋屈曲钻柱对应的井筒长度Lh的计算基于钻柱螺距、单位周期线长、螺旋线半径和螺旋段钻柱总长。
3.一种考虑井下钻柱螺旋屈曲的钻井液当量循环密度(ECD)预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.计算井下钻柱受力状态，判断是否存在钻柱螺旋屈曲状态；
b.如果井下钻柱存在螺旋屈曲现象，需要考虑垂深测量误差项和井深测量误差项来校正垂深和井深；
c.将经过校正后的垂深和井深代入ESD、Pf和Pd计算模型中进行计算；
d.将ESD、Pf和Pd代入钻井液当量循环密度ECD计算模型中进行计算；
e.如果井下钻柱不发生螺旋屈曲，垂深测量误差项和井深测量误差项数值为0。
4.根据权利要求3所述的考虑井下钻柱螺旋屈曲现象的钻井液当量循环密度(ECD)预测方法的构建方法，其特征在于，步骤b中垂深测量误差项Hb如下式所示：
式中，Hb为垂深测量误差项，m；Lh为垂直段井筒中螺旋屈曲钻柱对应的井筒长度，m；为在第l段稳斜段中发生螺旋屈曲的钻柱所对应的井深长度，m；αl为第l段稳斜段井斜角；
垂直段井筒中螺旋屈曲钻柱对应的井筒长度Lh如下式所示：
螺旋屈曲钻柱段可根据螺距的不同，划分为v段，式中，Δh′j(j＝1…v)为螺距，m；L′hl为螺距为Δh′j(j＝1…v)的螺旋屈曲钻柱段单位周期线长，m；D为螺旋线半径，m；Lhj为螺距为Δh′j的螺旋段钻柱总长，m；Δhj为螺距为Δh′j(j＝1…v)的螺旋屈曲钻柱段长度，m；
第l段稳斜段中发生螺旋屈曲的钻柱所对应的井深长度和垂直段井筒中螺旋屈曲钻柱对应的井筒长度Lh计算方法相同。
5.根据权利要求3所述的考虑井下钻柱螺旋屈曲现象的钻井液当量循环密度(ECD)预测方法的构建方法，其特征在于，步骤b中井深测量误差项Lb如下式所示：
Lb为井深测量误差项，m；
考虑垂深测量误差项和井深测量误差项校正后的垂深H如下式所示：
H＝Hg+Hb
式中，H为经过垂深测量误差项和井深测量误差项校正后的垂深，m；Hg为无螺旋屈曲钻柱井段垂深，m；Hb为垂深测量误差，m。
无螺旋屈曲钻柱井段垂深Hg如下式所示：
式中，Hg为无螺旋屈曲钻柱井段垂深，m；L0为无屈曲钻柱对应的垂直段井筒总长度，m；Ls为正弦屈曲钻柱对应的垂直段井筒总长度，m；为a段圆弧井段对应的垂深，m；为在第l段稳斜段中未发生屈曲钻柱长度所对应的井深，m；αl为第l段稳斜段井斜角，°；为在第l段稳斜段中发生正弦屈曲钻柱长度所对应的井深，m。
6.根据权利要求3所述的考虑井下钻柱螺旋屈曲现象的钻井液当量循环密度(ECD)预测方法的构建方法，其特征在于，步骤b中考虑垂深测量误差项和井深测量误差项校正后的井深L如下式所示：
L＝Lg+Lb
式中，L为经过垂深测量误差项和井深测量误差项校正后的井深，m；Lg为无螺旋屈曲钻柱井段井深，m；Lb为井深测量误差，m；无螺旋屈曲钻柱井段井深Lg如下式所示：
式中，为a段圆弧井段对应的井深，m。
7.根据权利要求3所述的考虑井下钻柱螺旋屈曲现象的钻井液当量循环密度(ECD)预测方法的构建方法，其特征在于，步骤c中考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的钻井液静态当量密度ESD如下式所示：
式中，ESD为井深L处修正垂深误差和井深误差后的钻井液静态当量密度，kg/m3；ρ0为常温常压状态下的钻井液密度，kg/m3；H为经过垂深测量误差项和井深测量误差项校正后的垂深，m；将井筒内钻井液沿修正垂深与井深测量误差后的井深L平均分为n个计算节点，选择迭代计算步长ΔL＝L/n，ΔLi为第i段井段的长度，m；pi为垂深Hi处的压力,Pa；Ti为垂深Hi处的温度,K；p0为地面压力,Pa；T0为地面温度,K；ξp,ξT,ξpp,ξTT,ξpT——钻井液特性常数，可通过多元非线性回归方法来确定。
8.根据权利要求3所述的考虑井下钻柱螺旋屈曲现象的钻井液当量循环密度(ECD)预测方法的构建方法，其特征在于，步骤c中考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的环空压力损耗Pf如下式所示：
式中，Pf为考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的环空压力损耗，Pa；f为摩阻系数，无量纲；ρ为钻井液密度，g/cm3；L为考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的井深，m；v为钻井液流速，m/s；DH为环空外径，mm；Dp为环空内径，mm；R为偏心系数。
9.根据权利要求3所述的考虑井下钻柱螺旋屈曲现象的钻井液当量循环密度(ECD)预测方法的构建方法，其特征在于，步骤c中考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的岩屑附加压力Pd如下式所示：
pd＝(ρc-ρ)CagL
式中，Pd为考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的岩屑附加压力，Pa；ρc为岩屑密度，kg/m3；Ca为岩屑浓度，％；L为考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的井深，m。
10.根据权利要求3所述的考虑井下钻柱螺旋屈曲现象的钻井液当量循环密度(ECD)预测方法的构建方法，其特征在于，步骤d中考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的钻井液当量循环密度ECD如下式所示：
式中，ECD为井深L处考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的钻井液当量循环密度，kg/m3；ESD为井深L处修正垂深误差和井深误差后的钻井液静态当量密度，kg/m3；Pf为考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的环空压力损耗，Pa；Pd为考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的岩屑附加压力，Pa；H为考虑垂深测量误差项和井深测量误差项的垂深，m。
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