优化钻速的钻井液流变性设计.pdf

国界钻井技术 第十卷1 9 9 7年第 1 期 l_l 一塑 塑堕量 堕 蛳 鹭 磐 两 优 化 钻 速 的 钻 井 液 流 变 性 设 计 E． E． Ma i d a l 等 引 言 现场和实验室观察证明， 钻井液的流变性 是影响钻速的重要参数之一 E ， E ． B e c k等人 论述过控制钻进液性能对钻井作业的经济影 响和重要性 。 其结论是 ； 在钻头一定的条件下， 雷诺数与观察到的钻速关系最大。 他们指出通 过调节钻井液性能， 可能使钻速提高 5 8 ， 5 。 对现场观察的评价 B e c k等人的现场报告指出， 常规水力因 素基本相同时， 钻速随粘度降低因而随雷诺数 增大而提高 。 让我 们分析钻进时的水力流程来解释这 一 现象 。假设在同一流量下， 只有流变性的变 化引起表观粘度变化 ， 则得出下式 Pd十 1 式中A 泵压 磅l， 英寸。 ； p 循环管汇压力损耗， 磅／ 英寸 ； P 钻头处压降， 磅／ 英寸 。 户 一 业 。 式中P 流体密度， 桶， 加仑； Ⅱ流量 ， 加l仑／ 分钟； 钻头喷嘴常数 O ． 9 5 ； 且 ．～ 总过流面积 ， 英寸 。 陈志宏译 夏 月泉稿校 在钻头一定情况下 ‰一 导 一 流变性等 上述公式表 明， 改变流变性可使管汇压降 发生变化 。 即使钻头上水马力 HH p 保持 不变 ， 仍可观察到钻速变化 。 再进一步分析喷嘴出口附近的情况 ， 考虑 ①一个设想的独立固定的喷嘴限制于有限的 喷射空间中 如图 1所示 ； ②一个在喷嘴出 口 半径为 的圆筒形控制面。在控制圆筒内， 离 开端点向外， 对牛顿流体和层流状态 非指喷 嘴内的流体 ， 圆筒内壁上的剪切应力为 e I s 式中C 剪切速率常数 ； 粘度 ； 流速。 控制面内应力的阻力来 自外部的流体 ； 起类似图 1所示的流体运 动模式。最终结果 是 ， 流速降低， 一部分是 由于粘 度的影响。因 此 ， 粘度越高 ， 流速降低越太 ， 以致丧失对井底 表面的冲击力。 钻进时 ， 钻头实际水力情况很难描述 ， 且 尚未有合适的模型。 此外假设在紊流或产生复 杂流向时 ， 存在着由于粘度的影响 ， 而对流体 流动产生的阻力 因此 ， 降低粘度将会增加冲 维普资讯 国外 钻井技 术 3 9 c t 值越接近 1 ， 表明预测 的质量越好 。 图 1 喷嘴出 口流动分 析 向井底岩石表面的能量 ， 改善整个洗井效果， 图2 喷嘴位置分析井眼稳定性 提高钻速 。 占 头 雷 诺 优 化 校 正 嘉 勖删 G “ 钻头 雷诺数” Nr 系指通过钻头 喷嘴 2 钻头雷诺数 已知最大泵压 ， 当流量 的雷诺数 。 小于最大值 q 时， 以下参数可表示为 钻头雷诺数最优值可能出现在钻井过 程 中的不 同时刻， 它取 决于特定时刻的具体 状 一 P d C 7 况 。 ， g ⋯ 1 ．第一种情况的优化 一 ] 7 假设 钻井液流变性保持恒定； 已知将要 d 一8 ． 3 1 1 X i 0 - s p q 二 f 。 1 使用的新钻头参数 ； 则可得到 1 最佳流量 ； J 7 1 4 q ⋯ 2 喷嘴直径 ； 3 检测压力预测的质量 。d 一 √ 1 o 为优化 Ⅳ一， 用 P a s c a l 语言编制 出计算机 程序。 流变模式为幂律模式 下面即此程序的 V n iT 而 1 l ’ 1 正系数已知耙及钻柱 已 ‰一 『 1] 校 正 系 数 已 知 井 型 及 钻 柱 结 构 ； 已 Ⅳ R 一 一 I j 知 上一行程钻头 的资料 如钻头喷嘴、 流变性 L J 循 环泵压和对 比压降 。 则校正系数可以下式 u 嘉； 3 钻头雷诺数由此成为最大 4 注意 输入到程序中的喷嘴尺寸是定 一 义允许使用的最小值。 一 ■ 一 2 ． 第二种情况的优化 式 中 p 井场实测泵压 由实际流体 的 设 钻井液流变性保持一定 ； 设计某一井 流变性和流量定 ； 段。 ． 一 根据 实际经过 钻头 的流体、 喷 得到的结果是 泵 压 活塞 尺寸 ； 最佳流 嘴尺寸 取 0 ． 9 5 及流量计量 ； 总流通面积。 此情况下无实际压力读数 ， 故 算出的压力降。 c 设为 1 实 际现 场计算 的地 面 管汇 压 1 程序开始 ， 输入最高泵压和最大流量 ， 降 如表 l中的 5 0 0 0磅／ 英寸 、 4 4 4加仑／ 分钟 。 维普资讯 4 0 国弭钻井技术 第十二 卷1 9 9 7年第 1期 ‘{ I 一 图 I 3 脉冲压力渗 透情 况 表 1 泵 的特性 活塞尺寸 最大压力 最大流量 英寸 碚 ／ 英寸0 加仑， 分钟 5 5 0 0 0 4 4 4 6 4 66 9 5 29 6 3 91 8 6 Z 0 7 3 43 0 7 2 0 7 2 9 8 8 8 2 7 8 2 62 6 9 4 0 t表 中敦据基于 1 0 0 ％窖积系致和 9 0 的机械教率． 注意 5 ,1 4 英寸活塞水马力与其它活塞尺 寸的水马力类似 。 2 优化雷诺数 ．d -如果昂优雷诺数 Ⅳ 是在实际流量 小于或等于给定活塞尺寸的最大流量 q 下 得到的 ， 则最佳条件即可确定 。 b ．如果 g - ， 则程序只在低于压力曲线 的双 曲部分 以下运行 假定 9 o 的水功率可 利用 ， 否则由公式 9 得到的 A． 将趋于无寄 。 并 以此确定最佳 Ⅳ 。 此后 ， 开始检查下一个可能的昂低 泵压， 并再次在新的活塞尺寸下进行优化 。 按上述过程不断循环 ， 直到在一特定活塞 尺寸下， 吼 或达到最大活塞尺 寸的流量时 的泵限。 3 ．第三种情况的优化 钻一E l 井， 分析流变性对钻速的影响 。结 果 得 到 公 式 1 4 中 应 用 的 钻 速 经 验 常 数 C R 。 1 程序计算 给出与钻速有关的流 量和流变 参数 ， 得 出 低于 2 0 0 0 0和高于 5 0 0 0 0 0 及 ME T小于或等于 9 的钻速值。 f ROP 1 C 一 N R e一 ㈤ 一 _ ‘ 注意 应 已知泵的特性值和钻头喷嘴 资料 。 假如 已知与钻速变化 有关 的流变参数及 流量变化数据 ， 则在计算 C m 时可采用最小二 乘法。利用 按 下式计算钻速 ROP,一 ROP, l 0 { ～ R e b 3 1 4 案 例 1 ． 第一种情况 此程序应用现场数据进行 了测试 。 输 出最优流 量 4 8 5加仑／ 分 ， 总流通面积 0 ． 4 5 7英寸 。实际现场达 到最高钻速的流量 为 4 8 2加仑／ 分 ， 总流通 面积为 0 ． 4 5 1英寸 。 可见理论晟优值和现场最佳情况很接近 用校正系数 1 ． 2 4 ， 可使计算 结果更接近 现场实际 。对低估 1 9 的地面管汇压耗也要 计算 出来 。 大部差异是由于现状下泥浆马达的 维普资讯 国外钻井技求 4 1 2 0 fl 基l 0 0 O I O静 选 西孔 隙压 力 l ∞ 0 醅 ／ 英 - F I I 正井眼中 的径向距 离 的孔隙压力可用无限大油藏径向流公式计算 ， 其结果如图 4 、 5所示 对图 3的评价 ； 考虑到地层表面的压力脉冲数， 主要包括 但不限于以下因素 a ．钻头喷嘴位置、 角度、 射流扩散性等的 _I肇 讣I ． b ．钻速及钻头转动 4 0 因而认为3 ～6 次脉冲最适合这时的钻井 图 5 6次脉冲压力渗透 情况 实际水马力不知道而造成。 然而对接近用来计 算校正系数的流量 ， 预测是相当准确的。 2 ．第二种情况 此程序是按垂直井的数据进行计算的。 设 定泵的特性资料如表 1所示 。 输出结果为 最佳流量 4 0 5 加仑／ 分， 操作 泵压 3 4 3 0磅／ 英 寸 相当于 7 恬 塞尺寸 ， 总 流通面积 0 ． 4 5 8英寸 。 最终结果是用 5 0 0 0磅／ 英寸 的最大泵 压和流量 6 5 0加仑／ 分得到的 ， 即大于 一4 4 4 加仑／ 分和泵压为 3 7 9 7磅／ 英寸。 。注 ； H 一 1 6 0 0 0 ． 9下． 泵压 3 4 3 9磅／ 英寸 ， 也是用来 计算最终结果的。 ‘ 井 眼稳定性问题 优化的钻头雷诺数， 提高了钻速 ， 而井眼 稳定性可能会发生问题 。 C h e me r i n k i 等人观察到 了油基和水基钻 井液的井眼稳定问题。 利用他们的资料讨论如 r 钻过一页岩层段， 其孔隙度为 3 0 ， 渗透 率为 l O ．u d 钻头 直径 为 2 0 0毫米 7 ’， 设 液 柱压力与地层压力之差为 1 0 0磅／ 英寸 { 钻速 为 6 0英尺／ 小时 ， 转盘转速为 6 0 1 0 0转／ 分 ； 钻头使用三个 1 2 ／ 3 2 的喷嘴 ； 泥浆密度为 1 O 磅／ 力 口 仑 ； 排量为 2 7 0 ～4 8 o 加仑／ 分 ； 喷嘴位置 和冲击面积如图 2所示 ； 使用水基钻井液。 利用上述资料， 并考虑到井底压力变化， 钻井液压力渗透分析如图 3所示， 靠近井壁处 情况a 对 图 4和图 5的评价 图 4为压力渗过特定页岩层的径向深度， 是时间的函数 它显示了第三次脉冲后 1 、 2 、 3 秒种的压力分布。任选 1 、 2 秒后的结果作参 数， 以比较并绘出压力侵入韵影 响 由此例 可见 ， 孔隙压力在三次 1 0 0 0磅／ 英寸z 压差脉 冲 1秒种后 ， 孔隙压力大于或等 于 1 0 0磅／ 英 寸。 超平衡压力， 至径向深度 0 ． 0 6 英寸 。 从 图 5看 出， 在 6次 1 0 0 0磅／ 英寸 压 力 脉冲 ， 两秒 钟后， 孔 隙压 力提 高 了 i 0 0磅／ 英 寸 ， 径向深度为 O ． 2 4英寸。 6次 3 0 0磅／ 英寸 压力脉冲在两秒种后 ， 径向深度为 0 ． 0 4英寸， 可看出孔隙压力增大。 井眼不稳定问题 ， 根据达西定律可部分解 释为 由泥浆液流作用于井底的高脉冲压力渗 透到地层中而产生的。 压力渗透 的径向探度取 决 于岩性 强度、 孔 敷度、 渗透率 ， 地层 的非均 匀性 ； 微裂缝的存在、 过滤性等 。 结 论 根据第一优化情况分析 ， 计算 出的最优流 量和总流通面积与现场检澍的结果一致 ， 说 明 理论计算程序有助于优化钻头水力条件 ， 以获 得最大的钻速 。 关 于井眼稳定性 ， 从 l O微达西的 页岩压 力渗透模拟说明， 不稳定问题可部分解释为由 于泥浆桂作用于井底极高的脉冲压力 而失去 对井壁的有教支撵造成的。 译 自 I AD c ／ s E P 3 5 0 6 2 1 9 9 6 维普资讯