钻井水力参数优化方法及应用现状.pdf

2 01 0正 第 7期 第 3 9卷 第 1页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I E LD E QUI P MENT 2 0 1 0， 3 9 7 1 ～4 o o 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 0 0 7 0 0 0 1 0 4 钻井水 力参数优 化方法及应用现状 况雨春 ， 马青松 ， 王勤 ， 杨浩珑 ， 许春堂 1 ． 西南石 油大学 机 电工程学 院， 成都 6 1 0 5 0 0 ； 2 ． 中海 油 田服务 股份有 限公 司 ， 天津 3 0 0 J 4 5 0 摘要 钻井水力参数优化设计对于提高钻井速度有 着非常重要 的意义。总结了 目前在钻井优化软 件 中常用的 3种水力参数优化设计原则及其在钻井工程 中的应用方 法， 并介绍 了这些优化方法的 差异和发展趋势。针对 国外主要钻头生产商提供的水力计算软件及部分钻井仿真软件中的水力学 计算模块进行 了对比分析 ， 指 出了发展具有 自主知识产权的钻井水力优化设计软件需要注意的问 题及解决方法， 对于优化钻井设计具有指导意义。 关键词 钻井水力参数； 优化设计原则； 软件； 喷嘴组合； 钻 井仿真 中图分 类号 TE 9 2 ． 0 1 文 献标 识码 A ． Dr i l l i n g Hy d r a u l i c Pa r a me t e r s Op t i m u m M e t h o d a n d Ap pl i c a t i o n KUANG Yu c h u n 。 MA Qi n g s o n g ， W ANG Qi n ， YANG Ha o l o n g ， XU Ch u n t a n g 1 ． Co l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g， S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， Ch e n g d u 6 1 0 5 0 0， C h i n a； 2 ． Ch i n a Oi l fi e l d Se r v i c e s Li mi t e d Co mp a n y， Ti a n j i n 3 0 0 4 5 0， Ch i n a Ab s t r a c t Dr i l l i n g hy dr a u l i c p a r a me t e r s op t i mum wa s v e r y i m p or t a nt t o i m p r o ve pe n e t r a t i o n r a t e ． I n t hi s p a p e r， t hr e e c ur r e n t l y c ommo n d e s i g n m e t ho ds a b ou t h y dr a u l i c pa r a m e t e r s o pt i m u m we r e s umma r i z e d i n c l u di ng o p t i m u m p r i nc i p l e a nd i t s a ppl i c a t i o n i n d r i l l i ng e ng i ne e r i n g， a n d t h e di f f e r e n c e a nd de v e l o p i ng d i r e c t i on o f t he s e me t h od s ． A c omp a r i s on wa s ma d e f o r s e v e r a l hy dr a u l i c s o f t wa r e whi c h d e v e l o p e d by bi t ma nu f a c t ur e r s a n d h yd r a ul i c s c a l c ul a t i o n mo du l e i n dr i l l i ng s i m u l a t i o n s o f t wa r e ． At t he e n d， s o m e pr o bl e m s a n d s o l ut i o ns a r e pu t f or wa r d d u r i n g de v e l o pi n g hy d r a u l i c s of t wa r e wi t h i nd e pe nd e n t i nt e l l e c t u a l p r o pe r t y r i gh t s t o gu i de o p t i mum d r i l Ke y wo r d s d r i l l i ng hy d r a ul i c pa r a me t e r； o pt i m u m p r i nc i p l e； s o f t wa r e； n o z z l e s e l e c t i on u l a t i o n 钻 井水力 学 主要研 究井 眼 内钻 井液 流动状 况 和 规律， 解决排除岩屑、 冷却钻头 、 水功率利用、 优化钻 井 等实 际 问题 。随着 钻 井 提速 的需 求 ， 特 别是 提 高 深井超深井的钻井速度 ， 如何从地面管汇设备 、 钻井 水力参数优化以及钻头水力设计等各方面合理确定 i ng de s i gn． d r i l l i n g s i re一 水力参数及设备 ， 对于提高钻井速度具有重要的意 义 。水 力参 数优 化设计 应满 足机 泵能 量充分合 理利 用 、 井壁稳定 、 井眼干净和经济可行 的原则。选择合 理 的钻 井参 数 、 钻井 液性 能 和水力 参数 ， 是提 高钻井 机 械钻 速 的一个重 要 的前提 。 收 稿 日期 2 0 1 0 一 O 1 1 8 基金项 目 四川省青年科技基金项 目“ 基 于实钻数据反演 的钻头破岩性 能仿真技术” 0 7 Z Q0 2 6 0 1 4 ； 教育部 留学 回国人员 科研启动基金“ 山前推 覆体钻具 防断与打快机理研究” 教外 司翻[ 2 0 0 7 ] 2 4号 作者简介 况雨春 1 9 7 1 一 ， 男 ， 四川达州人 ， 研究员 ， 中国系统 仿真学会 会 员． L学博 士 ， 2 0 0 2 2 0 0 4年在法 国石油科学 院 做博士后研究工作 ， 现从事计算 机仿 真、 C A D ／ C A E ／ C F D技术在机械及 石油工程 中的应用等教学 及科研工作 ， E- ma i l s wp i k y c 1 2 6 ． C O rn。 石油 矿场 机 械 2 0 1 0年 7月 l 钻井水 力参数优化原则 井下钻头 的射流有喷射速度 、 冲击力 、 水功率 3 个水力工作参数。将这 3个参数随着排 量 Q的变 化情况用公式表示出来[ 】 ] ， 如式 1 ～ 3 ， 并将这 3 个公式做成曲线 ， 如图 1 。 一 0 1 0 C ／ 一是 l Q 。 1 ’ V 一 2 Nj 一0 ． 1 C Q --k 1 Q 3 式中， 。 为射流喷速， m／ s ； F j 为射流冲击力， k N； Ni 为射流水功率 ， k w ； C为钻 头喷嘴流量 系数， 无 因 次 ； |D 为泥浆密度 ， g ／ c m。 ； 户 为泵压 ， b a r ； 是 】 为循环 系统压耗系数 ， 无 因次 ； Q为泥浆泵排量 ， L ／ s 。 碍 ， 量 ， 罄 杂 排量 ／ L s 。 图 1 3 个水力参数 随排量变化 曲线E 。 ] 由图 1可看 出 ， 随着 排量 Q的变 化 ， 3个水 力 参 数 的变化规 律是 不 相 同 的 。 。随着 Q 的增 大 而 下 降。F ， 和 N， 随着 Q的增大开始上升 ， 然后又下降， 呈抛物 线型 ， 且极 值 点对 应 的排量 不 同。 由 图 1可 知 ， 选 择一个 排量不 可能 使 3 个 参数 同时达 到最 大 ， 因此 ， 目前有 3种 主要 的水 力参 数优化 设计 方法 ， 即 最大喷射速度 、 最大射流冲击力和最大钻头水功率。 钻井 水力 参数优 化设计 的主要 内容是在 合理选 择各水力参数的基础之上， 通过合理的钻头压降和 循环系统压力损失的分配关系 ， 以达到在满足低返 速要求、 充分利用泵的水功率条件下， 最大可能地提 高 井底 清洗效 果 ， 达 到优质 快速 钻井 的 目的 。 在钻进过程 中， 随着井深 的增加， 合理的钻头压 降和循环系统压力损失分配关系要变化 ， 从而引起 了排量和喷嘴直径组合的改变。合理的分配关系是 靠排量和喷嘴直径的组合在不同井深下不断变化来 实现 的 。在 实际施 工 中 ， 排 量还 应 满 足 泥浆 携 岩 能 力所要求的最低排量， 即排量和喷嘴直径的组合除 满 足不 同井深 时的 合理 分 配 关 系外 ， 还 受 到 最低 排 量 的限制 。 对于合理分配关 系中循环压耗这一项， 由于井 内流道的不规则、 非牛顿液体流态的难 以判断等原 因 ， 计算其实际井况下 的大小是很 困难的。为解决 这个问题 ， 石油矿场多用水力参数计算及优化设计 。 这是 指在一 口井施 工 以前 ， 根 据水 力 参 数 优选 的 目 标， 对钻进时所采取的钻井泵工作参数 排量 、 泵压 、 泵功率等 、 钻头和射流水力参数 射流喷速 、 射流冲 击力、 钻头水功率等 进行设计和安排 。分析钻井过 程中与水力因素有关的各变量 ， 可以看出， 当地面机 泵设备 、 钻具结构、 井身结构 、 钻井液性能和钻头类 型确定 以后 ， 真正对 各 水 力参 数 大 小 有影 响 的可控 制参数就是钻井液排量和喷嘴直径 ， 因此 ， 水力参数 优化设计的主要任务也就是确定钻井液排量和选择 喷嘴直径L 3 ] 。 2 钻 井水力参数优选应用 在进 行 钻井 水 力参 数 优选 时 ， 最 复 杂 的一 步是 计算循环系统压力损失， 这也是优化过程 中提高准 确性最关键的一步。压耗计算是否准确与流态模型 的选择以及钻具组合、 井身结构 、 井 眼轨迹、 钻井液 属性等等因素有着较为复杂的关系， 本文不做论述， 这里 主要讨 论水 力参数 优化 设计 方法 。 由于循 环系 统压力损失的计算公式繁多而冗长 ， 实际计算起来 费工费时 。为解决这个 问题 ， 人们设计 了许多喷射 钻井水力参数优选的工作 日志和卡片以及采用软件 来实 现水力 参数 优化 。 2 ． 1工作 日志和 卡片 要 实 现钻 井 水 力参 数优 选 ， 就 必 须根 据 现场 施 工的具体条件和一些经验数据， 进行一系列水力参 数计算 。为了简化计算程序 ， 便于广大钻井工人 、 技 术人员在现场设计和施工中准确地求得所需要的水 力参数 ， 美国钻井手册 [ 和休斯工具公 司嘲提供 了一套水力参数优选方法 ， 即提供一个工作 日志 ， 通 过查表而得工作 日志 中所需 的各种数据 ， 从而完成 水力参数的优选。 ， 美国钻井手册 在工作 日志和卡片的基础上 ， 为了分析方便 ， 将工作 日志中的主要 内容以及各参 数之间的相互关系转化为流程图 如图 2 。 第 3 9卷第 7期 况 雨春 ， 等 钻井水力参数优化方法及应用现状 地面设备尺寸I I 钻具组合、井身结构尺寸 最小环空流速及排量 最小缸套尺寸及对应的排量和环空流速 地面设备和钻铤压力损失 I l 钻杆压力损失 泥 浆 质 量 校 正 后 } - I 钻 头 和 钻杆 的 压 力 泵 的 额 定 压 力l L _ ] 一 喷嘴组合及压力降 、流速 钻杆 的余压力及可增加的钻 杆长度 望 l 是 图 2 用于查表的水 力参数优选流程 休斯工具公司的水力参数优选方法涉及到工作 日志和卡片的使用。设计井的有关数据直接填人工 作 日志 ， 地面装备、 钻铤、 钻杆的压力损耗 通过查表 而得 以及 泥浆泵 的主 要 技术 特 性 也 要填 人 工 作 日 志。对这些数据进行简单计算 ， 就可求得相应 的各 种压力损耗变量 。将 变量描绘于水力参数卡片上 ， 并用 曲线把 各井 段 的这些变 量 点 连接 起 来 ， 如 图 3 。 应用水力参数卡片并进行简单计算 ， 就可求得各种 井深时的最优排量 、 钻头喷嘴尺寸以及钻头射流喷 速、 钻头射流冲击力 、 钻头射流水马力和驱动泥浆泵 所需 的功率 。 越 枢 ＼ 世 耳 K 按 图 3 最优排量和喷嘴组合选择 曲线 S 毒 品 王 值 磐 螫 休斯工具公司的优选方法与 美 国钻井手册 提 到 的方 法类 似 ， 不 同之处 在 于先预选 缸 套尺寸 ， 然后 确定排量； 喷嘴的组合由水力参数卡片的喷嘴数一 喷 嘴直径曲线确定， 该曲线表示离井段起点井深线和 表示最 大排量 的垂 线之交 点最 近 的线 。 2 ． 2 水 力参 数优化 设计 软件 随着计算机的普及 和发展， 为了达到 比用工作 日志和卡片进行水力参数优选更方便 、 更准确 的目 的， 不少生产厂根据水力参数优化计算方法编制出 了相应的计算机软件 ， 这些优化软件只需用户输入 基 本钻 井水 力参数 ， 就 可迅 速 地 得 到相 应 的 优化 结 果 。图 4列出了大多数计算机软件所采用的水力参 数 优化 流程 。 钻井液属性 l J 地面设备、井身结构及钻具组合 计算最低环空返速及最小排量 Q i 选 择缸套直径、额定排量及泵压 选择工作方式 ，计算对应排量 Qo p t Qmi n Qo p t Q Qo p t 根据选择的Q计算钻头压降及 喷嘴直径 计算钻头、射流水力参数 图 4 用 于编程 的水力参数优化流程 在 图 4中 ， 确定 最低环 空返 速有 多种方 法 ， 一种 方法是 根 据现场 工 作经 验 来 确 定 ； 另一 种 方 法是 用 经验公式计算 需校核岩屑举升效率 。选择缸套直 径有 2个原 则 ① 该 缸套 的额 定 排 量应 大 于 携带 岩 屑所需 的最 小排 量 ； ② 缸套 的允 许 压力 应 该 与整 个 循环系统的耐压能力相适应 。工作方式的选择代表 了根据不 同的优 化 目标 函数 来选 择排 量 和 喷嘴 直径 。 Va r e l 公 司 的 Va r e l Hy d r a u l i c s r 7 水 力 参 数 优 化软件是通过输入钻井 限制条件、 地 面装备 、 泥浆 泵 、 钻井液属性 、 井身结构 、 下部钻具总成 、 钻头等参 数 ， 计算出循环系统各个部分的压耗 ， 再绘制出沿井 深不 同部分的压降分布以及压降随排量变化曲线进 行排量优选， 得出不同井深下的最优排量曲线， 最后 再根据最优排量选择最优喷嘴组合 。该优化软件还 包括了 4 个单位制系统以及套管、 钻杆、 钻铤、 下部 钻具总成和泥浆泵数据库 ， 泥浆泵数据库提供 了各 种型号 的钻 井设 备 尺 寸 ， 便 于 用户 选 择 。软 件优 化 结果界 面如 图 5 。 石油 矿场 机 械 2 0 1 0年 7月 图 5 Va r e l Hy d r a u l i c s 软件优化结果界面 Re e d Hy c a l o g公 司 的 Re e d Hy c a l o g Hy d r a u l i e s [ 。 水力参数 优化软件与 Va r e l Hy d r a u l i c s软件 在结构上基本一致 ， 但它是通过直接作 目标函数 钻 头水功率和射流冲击力 与排量 曲线而得 出不同 目 标函数下的最优排量 ， 即不同工作方式下 的最优排 量 ， 然 后再计算 出 T F A 喷 嘴 过流 面 积 ， 即最 优 喷 嘴直径 。软件 优化结 果界 面如 图 6 。 图 6 Re e d Hy c a l o g Hy d r a u l i c s 软件优化结果界面 S P T Gr o u p 公 司 的 钻 井 仿 真 软 件D r i l l B e n c h [ 叼的水力参数优化模块除了能进行钻井水力 参数优选 ， 还包括全面的钻井工程水力分析、 激动及 抽吸分析、 最大允许起下钻速度计算 、 参数敏感性分 析模块。其中能够作参数敏感性分析的参数包括 流速 、 旋转 速 度 、 密 度 、 粘 度 和 屈 服 强 度 。在 Va r e l Hy d r a u l i c s和 Re e d Hy c a l o g Hy d r a u l i c s软 件 中考 虑 的是 直井 、 钻柱 未旋 转 以及 偏 心 情 况下 的水 力 参 数优化 ， 而 D r i l l B e n c h是在 任意 的井 眼轨 迹 和井 身 结构以及钻柱在偏心和旋转情况下对水力参数进行 优化， 更接近钻井工程实 际情况。并且对工具接头 的压力损耗分开计算， 提高了对钻井水力参数优化 影 响最 大的循 环系统 压耗 的计算 精度 。软件优 化结 果 界面 如图 7 。 图 7 Dr i l l B e n c h软件优化结果 界面 除 了以上 3 种 水力参 数 优化 软件 以外 ， S I I Hy d r a u l i c s 、 We l l Hy d r a u l i c s s i mu l a t o r 、 Hy d r a P s i 等 公司也有水力参数优化软件 。另外 ， 在较为著名的 钻井优化 设计软 件 中均有 水力参 数计 算模块 ， 如 D r i l l O f f i c e 、 S y s d r i l l 、 L a n d ma r k等 。 3 结 语 从 目前 的钻井 水力参 数优 化方法 来看 ， 从 2 0世 纪的通过图表实现水力参数优选 ， 到现在的通过优 化软件来进行水力参数优化 ， 它们 的优化路线 比较 一 致。针对钻井水力学计算 问题 ， 各类计算方法较 多 ， 计算 模式 各异 ， 而且 大多 只应用 了一种 流变模 式 进行计算， 往往会造成很大误差； 开发 的计算软件也 很多 ， 但大多数处于低水平重复阶段 ， 计算单位 公 制或英制 还不完全统一 ， 国内很多软件往往只简单 地进行了流变参数的分析， 对 于钻井水力参数的优 化设计意义不大。为了使软件预测结果与钻井现场 的工况更接近， 建模过程中尤其要考虑钻柱偏心、 井 眼轨迹和工具接头对压力损耗 的影响。总之， 钻井 水力参数优化软件将进一步根据钻井条件和用户需 要 而发展 。 参 考文献 [ 1 ] 刘希圣．钻井工艺 原理 中册 钻 井技术E M] ．北京 石油工业 出版社 ， 1 9 8 8 ． E 2 ] 谭力 ， 毛莉 君 ， 田佳 弋 ， 等．空气 冲旋钻 头井底流场 研究现状[ J ] ．石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 8 8 5 8 8 ． [ 3 ] 黄志强 ， 周 已， 李 琴 ， 等．刮刀钻头 喷嘴直径对井 底流场的影 响研究 [ J ] ．石油 矿场 机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 3 1 7 1 9． [ 4 ] 杜春常．喷射钻井水力设计 的条件与方法 [ J ] ． 石油钻 采工艺 ， 1 9 8 3 ， 2 4 7 - 1 7 ． [ 5 ] 陈 理 中． 美 国 钻 井 手 册 [ K] ． 北 京 石 油 工 业 出 版 社 ， 1 9 8 0 ． [ 6 ] 美国休斯公 司． 钻井实 用水力 参数 [ M] ．隆 天友 ， 译． 北京 石油工业出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 7 ] Va r e 1 ． Hy d r a u l i c s [ K] ． Ve r s i o n 1 ． 5 ． 0 ． Va r e l i n t e r n a t i o na l ， 2003． E 8 ] R e e d Hy c a l o g ． Hy d r a u l i c s [ K] ． Ve r s i o n 2 ． 2 ． 3 ． R e e d Hy c a l o g， 20 0 7 ． [ 9 ] S P T G r o u p ． D r i l l B e n c h [ K] ． Ve r s i o n 5 ． 0 ． 1 ， 2 0 0 9 ．