喷射钻井水力参数优化方法综述
来源:用户上传
作者: 何 进 郝叶恒 陈 江 马青松 罗 然
摘要:文章对喷射钻井的技术引进、工作方式及水力参数优化进行了介绍,对两个运用工作日志和卡片进行水力参数优选的方法进行了比较;在提高优化精度和方便客户的基础上,引进了编程优化软件,对运用计算机程序进行水力参数优选的各种方法进行了综合概述;并提出了水力参数优化过程中的注意事项及其改进措施,这有助于进一步发展水力参数优选方法。
关键词:钻井水力参数;工作日志;计算机程序;方法比较
一、前言
在钻井实践中发现,尽管使用了大排量洗井,钻井速度仍然得不到显著的提高。后经过大量的分析和研究才认识到,把岩屑从井底举到地面上来需要经过两个过程:首先要把岩屑冲离井底,然后把它们从环形空间内带到地面上来。这两个过程也是两个问题。理论分析和实验室的研究证明,将岩屑从环形空间携带到地面上来,并不是很困难的事情,不需要很大的排量就可以做到,可是要把岩屑冲离井底,则要困难得多。要解决把岩屑及时冲离井底这个问题,就需要新的工艺技术,这就是喷射钻井技术。喷射钻井是将泥浆泵输送的高压泥浆通过钻头喷嘴形成高速冲击射流,它具有很高的喷射速度,具有很大的水功率,它能给予井底岩屑一个很大的冲击力,从而使岩屑及时、迅速地离开井底,始终保持井底干净。这就是喷射钻井能够大幅度提高钻速的主要原因。因此,在钻井过程中,水力因素是影响钻井速度和成本的重要因素。
二、喷射钻井的工作方式
从钻头喷嘴喷出的泥浆射流之所以能有效地清洗井底,是因为射流具有三个工作参数:喷射速度、冲击力、水马力。这三种喷射钻井的工作方式,即射流的三个工作参数,以哪一个为主的问题,长期以来存在着不同的看法。
现将以上三个水力工作参数随着排量Q的变化情况用公式表示如下:
V0――射流喷速,m/s;Fj――射流冲击力,kN;Nj――射流水功率,kW;C――钻头喷嘴流量系数,无因次;ρ――泥浆密度,g/cm3;Ps――泵压,bar;kl――循环系统压耗系数,无因次;Q――泥浆排量,L/s。
经实验可知,随着排量的变化,三个水力参数的变化规律是不相同的。V0随着Q的增大,一直是减少的。Fj和Nj随着Q的增大开始增加,然后又减少,各有一个最高点。但这两个最高点不重合。我们将每种工作方式下主要水力参数达到最大值时的排量称为最优排量。由上可知,选择一个排量不可能使三个参数同时达到最大,那么究竟按照什么标准选择排量呢?于是就出现了上述的三种工作方式。
喷射钻井的工作方式不同,最优排量的确定方法也不同。近年来,有人做过一些实验和研究,认为最大冲击力工作方式最好,最大水马力工作方式次之(但与最大冲击力工作方式的效果很接近),最大喷速工作方式最差。但是,在大多数优化方法中,这三种工作方式都会用到,有三个最优排量可以选择。
三、喷射钻井的水力参数优化
所谓喷射钻井的最优水力参数设计,就是如何合理选择各水力参数,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,合理的分配关系要变化,从而引起了排量和喷嘴直径组合的改变。不难知道,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。也就是说: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损失这一项,由于井中流道的不规则,非牛顿液体流态的难以判断等原因,要通过理论计算其大小是很困难的。为解决这个问题,石油矿场多用水力参数优化设计,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(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。
四、喷射钻井的水力参数优选方法
(一)工作日志和卡片
要实现喷射钻井水力参数优选,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花费很短的时间,准确地求得所需要的水力参数。《美国钻井手册》和休斯工具公司提供了一套水力参数优选方法: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。为了分析方便,将工作日志中的主要内容和各种参数关系转化为流程图。
1、美国钻井手册
在以上流程图中:最小环空流速需根据经验选择;在确定最小缸套尺寸时选直径为21/4英寸的活塞杆;地面设备、钻铤及钻杆的压力损失都是根据地面设备、钻具组合及井身结构尺寸和排量查表求得;由于为了简化表格,所有压力损失都是根据使用10磅重的泥浆进行计算的,所以泥浆重量校正后泵的额定压力是用泵的额定压力再乘以假定的泥浆重量10之后,再除以实际泥浆重量而得;钻头和钻杆的压力是泥浆重量的校正减去地面设备、钻铤内及环空压力损失;喷嘴组合根据缸套相应的排量,参照三个喷嘴组合的三牙轮钻头表格,选择一个压力紧靠但不超过钻头和钻杆压力的喷嘴组合;钻杆的余压力是钻头和钻杆的压力减去经过喷嘴的压力降;可增加钻杆的长度是钻杆的余压力除以钻杆的压力损失;泵满载时的井深是可增加钻杆的长度和钻铤长度之和。
此水力参数计算方法的依据是:假定地面泵压仅受额定泵压的限制,且泵速必须保持恒定。如果上述假定与实际不符,那么可以重新设计更好的水力参数。精确的优化设计程序应以泵运转的条件以及钻头功率或冲击力是否最大为根据。
此流程图是设计和检查水力系统各部分的一个简单的方法,以便更有效地使用现有设备。如果发现在达到预定井深前泵已超载,就应该检查每个计算步骤,并且重新选择泵的排量。
2、休斯工具公司
这种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入工作日志,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,也要填入工作日志。对这些数据作简单计算,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。应用水力参数卡片,并作简单计算,就可求得:各种井深时最优的排量、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。
与《美国钻井手册》上提到的方法类似,但它们的不同之处在于: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―喷嘴直径线确定,此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。
(二)计算机程序
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化更准确的目的,不少厂家根据水力参数优化计算方法编制出了相应的计算机程序,这种方法只需用户输入基本参数,就可迅速地求得相应的优选参数。
在以上流程图中,确定最低环空返速的方法有多种:一种方法是根据现场工作经验来确定,另一种是用经验公式计算(需校核岩屑举升效率)。选择缸套直径的原则是:一方面该缸套的额定排量应大于携带岩屑所需的最小排量,另一方面缸套的允许压力应该与整个循环系统的耐压能力相适应。工作方式的确定代表了根据不同的优化目标函数(如喷射钻井的工作方式所述)优化排量和喷嘴直径。
五、结束语
第一,在工程实践中,如果我们能始终保持最优排量和最优喷嘴直径,则钻头水力参数将始终保持最大值。然而,目前这是很难做到的,这是因为最优排量和最优喷嘴直径都与井深有关,可是井深不是固定不变的,而是随着钻头的钻进而变化的,所以最优排量和最优喷嘴直径也在不断变化。而钻头下井后,就无法再随意改变喷嘴直径。一般采用分段设计,并且按每段最深井深作为设计井深。
第二,在确定了最优喷嘴直径之后,还得考虑什么样的喷嘴组合才能最大限度地发挥钻头的水力破岩、清岩作用,需要进行井底的流场研究。研究井底流场是用流体力学的理论和试验方法来研究井底水力能量的合理分布。即在一定的条件下,在最合理地分配整个循环系统水力能量的基础上,通过科学地设计钻头喷嘴组合布置方案,把钻头喷嘴所能得到的井底总水力能量最合理进行分布,从而在井底获得最好的净化和破岩效果,提高钻井速度。
第三,循环系统中的钻井液具有不同的流变模式。这给流变模式的选择和水力参数的计算带来了麻烦。然而大多数钻井液往往更加符合卡森和赫-巴流变模式。由于卡森流变模式的流变参数意义不是很明确,而赫-巴流变模式的三个参数不但能较好地反映钻井液的流变性和具有明确含义,而且能较好地描述钻井液在低、中、高剪切速率下的流变行为,因此推荐优先考虑赫-巴流变模式。
参考文献:
1、刘希圣.钻井工艺原理[M].石油工业出版社,1988.
2、陈理中.译美国钻井手册[M].石油工业出版社,1980.
3、隆天友.校钻井实用水力参数[M].石油工业出版社,1988.
4、Clem Armstrong.Well Hydraulics Simulator[M].Smith company,2002.
(作者单位:何进,西南石油大学机电工程学院;郝叶恒,中国石油西南油气田川东北气矿;陈江,中国石油西南油气田川东北气矿;马青松,重庆铁马工业集团;罗然,中国石油西南油气田)
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-434691.htm
