多约束条件下的钻井液排量优选研究.pdf

2 0 1 3年第 4 1 卷第 8期 石 油机械 C HI NA P E TROLE UM MACHI NERY 钻井技术与装备 多约束条件 下的钻 井液排量优选研 究 梁奇敏 侯本权 方丽超。 1 ．中国石油大学 北京石油工程教育部重点实验室2 ．中国石油 北京油气调控 中心3 ．中国石油大学 北京机械与储运工程学院 摘要 在考虑环空携岩、地面机泵额定 压力 、钻 井液 当量循环 密度 、钻 头水功率和 井下动力 钻具等因素的影响前提下对钻井液排量优选进行 了研究。以新垦 6 0 1井的基本数据为基 础，采用 不同约束条件下的钻井液排量计算模型对排量进行 了计算。计算结果表 明，环 空携岩约束条件下 优选 出的排量值最小，地 面机泵条件下确定的排量值最大；E C D可确定一个排量范围，保证井眼 不坍塌、不破裂；井下动力钻具在最佳工作状态 时也可确定一个排量范 围。在实际钻井中，为使 所设计的排量具有使用价值 ，须确保优选的钻井液排量满足所有约束条件。 关键词 钻 井液；排量优选 ；优快钻井；多约束；环空携岩 ；钻头水功率；E C D 中图分类号 T E 2 4 9 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 8 ． 0 0 4 Re s e a r c h o n t he Op t i m i z a t i o n o f Dr i l l i n g Fl ui d Di s p l a c e me nt i n M u l t i ． c o ns t r a i nt Co nd i t i o n s L i a n g Q i mi n Ho u B e n q u a n F a n g L i e h a o 1 ． MO E K e y L a b o r a t o r y o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y ofP e t r o l e u m， B e ifi n g 2 ． C N P C B e r i n g O i l G a s T r a n s p o r - t a t i o n C e n t e r 3 ． C o l l e g e of Me c h a n i c a l a n d T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y ofP e t r o l e u m， B e ij i n g Ab s t r a c t Re s e a r c h o n t h e o p t i mi z a t i o n o f d ril l i n g fl ui d d i s p l a c e me n t wa s c o nd u c t e d c o ns i d e rin g a n n u l a r c u t - t i n g s c a r r y i ng，r a t e d p r e s s u r e o f g r o un d p ump， e qu i v a l e n t c i r c u l a t i o n d e n s i t y o f d r i l l i n g fl ui d，wa t e r p o we r o f d r i l l i n g b i t a n d d o wn ho l e p o we r d ril l t o o 1 ．On t h e b a s i s o f t he b a s i c da t a c o n c e r ni ng W e l l 6 0 1 o f Xi n k e n， t he c a l c u l a t i o n mo d e l o f d ril l i n g flu i d u nd e r d i f f e r e n t c o n s t r a i n t c o n di t i o n s wa s a d o p t e d t o c a l c u l a t e t he d i s p l a c e me n t ． The c a l c u l a - t i o n s h o ws t ha t t h e o p t i mi z e d d i s p l a c e me n t v a l u e i s t h e mi n i mu m i n t he c u t t i n g s c a r r y i ng c o n s t r a i n t c o n d i t i o n wh i l e t he d e t e r mi n e d d i s p l a c e me n t v a l u e i s t h e ma x i mu m i n t h e g r o u n d p u mp c o n s t r a i n t c o n d i t i o n ． Th e ECD c a n d e t e r ． mi n e a d i s p l a c e me n t r a n g e，e n s u ring t h a t b o r e h o l e d o e s n o t c o l l a p s e a n d b r e a k ．T h e d o wn h o l e p o we r d ril l t o o l c a n a l s o d e t e rm i n e a d i s p l a c e me nt r a n g e i n t h e o p t i ma l o p e r a t i n g c o n d i t i o n． I n p r a c t i c a l d r i l l i n g，d i s p l a c e me n t i s c o n s t r a i n e d b y s o me f a c t o r s ． To e n s u r e t h a t t h e d i s p l a c e me n t d e s i g n e d h a s a s e r v i c e v a l u e，t h e o p t i mi z e d d ril l i n g flu i d di s p l a c e me n t s h o u l d me e t a l l c o n s t r a i n t c o nd i t i o n s ． Ke y wor ds d r i l l i ng fl ui d； d i s p l a c e me n t o p t i mi z a t i o n； o p t i ma l a n d r a p i d d ril l i n g； mu l t i p l e c o n s t r a i n t s； a n n u l a r c u t t i n g s c a r r y i n g； wa t e r po we r o f d ril l i n g b i t ； ECD 0 引 言 众所周知 ，提高钻井速度是加快油气勘探开发 步伐的重要途径。多年来 ，国内钻井工作者已经拥 有了一系列优快钻井速度的技术 ，钻井速度也 在逐年提高，但与 国外先 进的钻井速度指标相 比， 仍存在很大差距 。在特定的主客观约束和保证安全 基金项 目国家科技重大专项 “ 复杂结构井优化设计与控制关键技术” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 0 9 0 0 5 ；国家 自然科学基金创新研究群体项 目 5 1 2 2 1 0 0 3 。 石 油机械 2 0 1 3 年第 4 1卷第 8期 的条件下 ，任何一口井 的钻井作业进度都需要提高 到最快 ，称之为优快钻井。在其他条件一定的情况 下 ，钻井参数对于优快钻井起着决定性作用。人们 把限制钻井速度的钻井参数分为 2大类 ，一类是直 接可控参数 ，另一类是间接参数。直接可控参数包 括钻压 、转速和排量 ；问接参数指扭矩 、泵压和返 出量等随着直接可控参数的变化而变化的参数 。在 优快钻井设计与控制中，应根据主观和客观约束条 件 实钻地层特性 和钻井装备条件等对钻井液 排量的定量影响取合理值 一 。笔者的钻井液排量 优选研究只考虑环空携岩 、地面机泵额定压力、钻 井液当量循环密度 E C D 、钻头水功率和井下 动 力钻具等因素的影响，不考虑其他影响因素 ，通过 优选 出的钻井液排量 ，能够完成钻井施工任务，并 可以实现快速钻进。 1 钻 井液排量优选模 型 1 ． 1 环空岩屑携带约束条件下钻井液排量计算模型 最小排量是指钻井液携带岩屑所需 的最低排 量 J 。只要确定 了携岩所需 的最低钻井液环空 返 速 ，也就确定 了最小排量。确定最小环空返速的方 法有 2种 ，一种是根据现场工作经验来确定 ，另一 种是用经验公式 计算。通常使用的经验公式为 1 pd ah 式 中 最低环空返速 ，m ／ s ； P d 钻井液密度 ，g ／ c m ； d h 井径 ，c m。 实质上 ，最低环空返速与钻井液的环空携岩能 力有关 ，钻井液 的携岩能力通 常用岩屑举 升效率 或称为岩屑运载 比K 来表示 ，即 K 1一 2 。一 a pd 一 3 ／ z e 丁 式中d 岩屑直径 ，c m； p 岩屑密度 ，g ／ c m ； 钻井液表观黏度 ，P a S 。 可按下式计算 一K 门 ㈩ 式中K 钻井液稠度系数 ，P a S ； d 钻杆外径 ，c m； n 钻井液流性指数 ，无因次。 根据以上各式求 出的 若 大于 0 ． 5 ，则所确 定 的环空最低返速可用 ；若 K 小 于 0 ． 5 ，则需要 适 当调整钻井液性能或者适 当调整最低环空返速 ， 以确保 K I0 ． 5 。 最低返速确定后 ，可根据下式确定携岩所需的 最 小排量 Q IT廿 2 d ； 4 式 中Q 携岩所需的最小排量 ，L ／ s 。 1 ． 2 地面机泵约束条件下钻井液排量计算模型 钻井液循环系统总体上可分为地面管汇 、钻柱 内、钻头喷嘴和环形空间 4部分。钻井液流过这 4 部分时都要消耗部分能量 ，使压力降低。当钻井液 返至地面出口管时，其压力变为 0 。泵压传递 的基 本关系式可表示为 P A p △ p △ p 。卸b卸 5 式 中P 总泵压 ，MP a ； △ p 地面管汇压降 ，MP a ； △ p 。 钻杆内、外压降 ，MP a ； △ p 钻铤 内、外压降，MP a ； △ p b 钻头压降，MP a ； △ p 井下动力钻具压降，MP a 。 其中 △ p 、△ p 和 △ p 的计算公式如下 卸 - 0 ． 5 1 6 5 5 p o．。 Z 2 Z3 Z4 K s Q 6 卸 0．8⋯ 0．2 1r 毒 Q ㈨ Q d d d d 7 h一 。 h 。 L a p ～ Q Qd d d d 8 一 。 式 中 。 钻井液塑性黏度 ，P a s ； ， J 钻杆长度 ，m； 钻铤长度 ，m； d 。 i 钻杆内径 ，c m； d d c 钻铤 内、外径 ，c m； K 、 、K 地面管汇、钻杆和钻铤的压 耗系数 ； 9 钻井液排量 ，L ／ s ； B 常数 ，内平钻 杆 B 0 ． 5 1 6 5 5 ，贯 眼 2 0 1 3年第 4 1 卷第 8期 梁奇敏 等 多约束条件下 的钻 井液排量优选研 究 一1 5一 钻杆 B 0 ． 5 7 5 0 3 。 1 、 2 、L 3 、 4 和 d 1 、d 2 、d 3 、d 4 分别 为地面 高压管线、立管、水龙带和方钻杆的长度及内径， 长度单位为 m，内径单位为 c m。 井下动力钻具 压降 △ p 是根据 螺杆钻具 的级 数来计算 的，每一级螺杆 的压降是 0 ． 8 M P a ；带有 井下动力钻具或者测斜仪时，对钻头的压降 △ p 有 特殊要求 ，一般按照 1 ． 5 MP a 计算。 根据所 用 缸套 的允 许 压 力 和 整个 循 环 系 统 包括地面管汇 、水龙带和水龙头等 耐压能力的 最小值 ，确定钻井过程 中钻井泵 的最大允许压力 ， 计算的总泵压P 不能超过此最大允许的压力值。 1 ． 3 E C D约束条件下钻井液排量计算模型 E C D可 以 定 义 为 钻 井 液 的 当 量 静 态 密 度 E S D与钻井液流动造成的环空压降之和 。 。 佗 ] 。 E S D是表示钻井液在井筒截面任意一点所受液柱压 力的当量密度值 ，用公式可以表示为 Pl 0 ． 0 09 8 1 H 【 J 式中 地面压力 ，MP a ； p 井深 处的静液柱压力 ，MP a ； P 当量静态密度 ； 日 垂深 ，m。 现场当量循环密度 P ， 可以用下式表示为 p p 石 p 1 0 式中p 垂深 日处的环空压力损耗 ，MP a ； 卸 。 、△ p 。 钻杆外环空和钻铤 外环空压 力降，M P a 。 卸 △ p 。 计算式为 △ p pa 1 1 △ p 赫 ， 卸 ‘ 按照井壁稳定 的要求 ，当坍塌压力 P ≤地层 压力 P 时 ，要求 P p 2 J D f ；当地层压力P 坍塌 压力 P 。 时，要求P 。 p p 。P 。 表示地层压力 当量 密度 ；P 表示地层破裂 压力 当量密度 ；P 表示地 层坍塌压力当量密度。 1 ． 4 井下动力钻具约束条件下钻井液排量计算模型 井下动力钻具一般接在钻铤之下 ，钻头之上 ， 在钻井液循环通过动力钻具时 ，驱动动力钻具转动 并带动钻头旋转破碎岩石 ，提高钻井速度 。螺杆钻 具的结构如 图 1 所示_ 9 J ，包括与外壳做成一体 的定 子和与主轴做成一体的转子。转数 n与流量 Q成正 比，扭矩 与流量 Q的平方成正 比，压力降 却 与 流量 Q的平方成正比，功率与流量的三次方成正比。 图 1 螺杆钻具 结构 示意图 F i g ．1 S t r uc t u r a l d i a g r a m o f s c r e w d r i l l 螺杆钻具的工作特性曲线如图 2所示。 图 2螺杆钻具工作特性曲线 Fi g ． 2 Op e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c c ur v e o f s c r e w d r i l l 显然 ，足够的流量是井下动力钻具提供足够功 率和扭矩的前提 ，但是考虑其寿命和井下安全 ，排 量不能太大。为 了使 动力 钻具达到最佳 的工作状 态 ，不同规格的动力钻具对钻井液排量有不 同的要 求 。因此 ，井下动力钻具可 以确定一个排量范围， 各大石油机械厂生产的不同尺寸螺杆钻具出厂时技 术参数已在使用手册中给定 。 1 ． 5 钻头水功率约束条件下钻井液排量计算模型 当钻井泵处在额定泵功率状态时 ，由水功率的 传递关系可得钻头水功率的表达式为 P bP 一P LP 一K L Q 1 3 式 中P 泵 的输 出功率 ； P ． 钻井液循环时管汇的水功率损失 ； P 额定泵功率 ； KI ．钻井液循环过程 中管汇的压耗 系数 ， 即 K I ． K 。 随着 Q的增 大 ，P 总 是减小 ；随着 Q 的减 小 ，P 总是 增大 。因此 在额定 功率 工作状 态下 ， 获得最大钻头水功率 的条件应是 Q尽可 能小。由 于在额定泵功率状态下 ，钻井液排量不可能 比额定 排量 Q 更小 ，实际获得最大钻头水功率 的条件是 最优排量等于额定排量 Q 。 当钻井泵处在额定泵压状态时，由水功率传递 关系可得钻头水功率的表达式为 J P bP 一P LP QK L Q 1 4 求解上式 ，可得最优钻井液排量为 2 0 1 3年第4 1 卷第8期 余利军等Z J 3 O D B X斜井钻机的研制 一 2 7一 随着非常规油气勘探开发的不断深入 ，越来越 多的斜井钻机将投入 国、内外市场 。澳大利亚某石 油公 司还于 2 0 1 2年在南 阳二机石油装备 集 团 有限公司采购了 4台 HH一 7 5斜井钻机 ，先期 已交 货 1台。预计 到 2 0 1 5年 ，国内、外对斜井钻机 的 需求量约为 3 0台，市场前景广阔。 4 结束语 自行研制的 Z J 3 0 D B X斜井钻机 为交流变频 电 驱动钻机 ，绞车、顶驱、钻井泵等均由变频 电机驱 动 ，结构简单 ，性能先进 ；机械手 、钻杆盒 、排管 架 、防喷器 吊装调整及井架调斜装置等均采用液压 控制 ，操作简便 ，自动化程度高；整机结构合 理， 技术先进 ，性 能优越 ，具 有 良好 的市场应用前景。 但是 ，与国外 同类产品相 比，还需在以下几个方面 进行改进 1 提高该类钻机结构件 的设计 和制造水平 。 井架和底座是该类钻机的关键结构 ，其性能直接影 响整机的使用性能 ，提高井架和底座的制造水平 ， 有利于改变国内斜井钻机空缺的现状。 2 提高关键配套设备 的研 发水平 ，如机械 手、铁钻工等。国内还没有相对成熟、 自动化程度 高的井 口设备 ，提高机械手与铁钻工等井 口设备 的 研发水平 ，将会使斜井钻机的研发水平进一步提高。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 参考文献 王进全 ，王维旭 ．国外钻 机技术现 状及我 国的发展 策略 [ J ]．石油机械，2 0 1 1 ，3 9 6 6 5 6 9 ． 雷群，王红岩，赵群，等 ．国内外非常规油气资源 勘探开发现状及建议 [ J ]．天然气工业，2 0 0 8 ，2 8 1 2 71 0 ． 张连 山 ． 2 0 1 0年世界石 油钻机技 术发展水 平 [ J ]． 钻采工艺 ，1 9 9 8 ，2 1 3 4 0 4 4 ． 赵淑兰，李文彪，聂永晋，等 ．动力猫道技术 国内 外现状和发展趋势 [ J ]．石油矿场机械，2 0 1 0 ，3 9 2 1 31 5 ． 张东涛，秦晓峰，廖 昌建，等 ． z J 5 0 ／ 3 1 5 0 D B型低 温石油钻机设计 [ J ]．石油矿场机 械，2 0 0 9 ，3 8 9 8 4 8 7 ． 汪金桃 ．低温钻机金属材 料性能与工艺 研究[ J ]． 石油机械 ，2 0 0 8 ，3 6 9 1 1 71 2 0 ． 第一作者简介余利军，高级工程师，生于 1 9 6 9年， 2 0 0 7年毕业于中国石油大学 北京机械工程专业，现从 事石油机械产品设计及开发工作。地址 4 7 3 0 0 6 河南省南 阳市 。 电 话 0 3 7 76 3 5 7 7 6 6 9 。 E m a i l y l j z y m 6 9 7 0 1 63 ．c o rn 。 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 0 8 本文编辑王刚庆 上接 第 1 6页 [ 4 ] 唐志军 ，梁希魁 ． 胜利油 田浅海优快钻井技术探讨 [ J ]．石油钻探技术，1 9 9 5 ，2 7 5 3 2 3 3 ． [ 5 ] 董礼亮 ． 钻井液排量优选及其应用 [ J ]．西部探矿 工程 ，2 0 0 9 ，2 1 3 9 2 9 4 ． [ 6 ] 周建良．深水表层导管喷射钻进过程中钻井液排量 优化研究 [ J ]．中国海上油气，2 0 1 2 ，2 4 4 5 0 5 2． [ 7 ] 路保平 ．钻井液排量 可行 区间的确定 [ J ]．钻采 工 艺 ，1 9 9 3 ，1 6 4 9 71 0 0 ． [ 8 ] 鄢捷年 ．泥浆 工 艺学[ M]．东 营 石 油大 学 出版 社 ，2 0 0 1 ． [ 9 ] 陈庭根，管志川 ．钻井工程理论与技术 [ M]．北 京 中国石油大学 出版社 ，2 0 0 6 ． [ 1 0 ]Ho b e r o c k L L ． B o t t o m h o l e mu d p r e s s u r e v a r i a t i o n s d u e t o c o m p r e s s i b i l i t y a n d t h e r ma l e f f e c t s[ C]． P a p e r p r e s e n t e d a t t h e 1 9 8 2 I ADC Dr i l l i n g T e c h n o l o g y C o n f e r e nc e， Ho u s t o n， 1 98 29 1 1 ． [ 1 1 ] K u t a s o v I M． E m p i r i c a l c o r r e l a t i o n d e t e r mi n e s d o w n h o l e m u d d e n s i t y [ J ] ． O i l G a s J o u r n a l ，1 9 8 8 ，2 2 1 26 16 3 ． Ha rri s O O， Os i s a ny a S O． Ev a l ua t i o n o f e q u i va l e n t e l’ 一 r c u l a t i n g d e n s i t y o f d r i l l i n g f l ui d s u nd e r h i g h pr e s s u r e ／ h i g h t e mp e r a t u r e c o n d i t i o n s [R ] ． S P E 9 7 0 1 8 ， 20 0 5． 杜文军，蒋金宝，冯伟伟，等．塔里木盆地中上部 地层防阻卡优快钻井技术 [ J ]．钻采工艺，2 0 1 2 ， 3 5 2 9 7 9 8 ． 谢水祥，蒋官澄，陈勉 ，等 ．破解塔里木盆地群库 恰克地区井壁失稳难 题 的钻井液 技术[ J ]．天 然 气工 业 ，2 0 1 1 ，3 1 1 0 6 87 2 ． 第一作者简介梁奇敏，生于 1 9 8 5年 ，2 0 0 8年毕业于 中国石油大学 北京 自动化专业，现为在读硕士研究 生 ，研究方向为定向钻井与控制技术。地址 1 0 2 2 4 9 北京 市 昌平 区。Em a i l l i a n g q i mi n 9 1 6 3 ． s o re。 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 0 9 本文编辑王刚庆 ] j 1 J 1 j B l l ． 1