鉆井水力學分析軟件的研發和應用

趙玉杰 陳克霞 馬同新 周勇

[摘 要] 充分考慮鉆井現場應用的特點，從水力學分析軟件的研發思路、流程設計、研發和應用情況來說明，如何將流變模式優選、水力學分析、水力學優化和提下鉆抽汲波動分析等現代鉆井工程理論和現代信息技術有機地結合在一起，讓用戶方便、快速、準確地分析鉆井作業情況，便于用戶高效、科學、安全地進行鉆井作業。

[關鍵詞] 鉆井液；流變模式；抽汲波動分析；水力學分析；水力學優化

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 04. 026

[中圖分類號] F272.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）04- 0049- 03

1 概 述

鉆井作業是石油勘探作業中重要的一環，盡管鉆井工程技術不斷發展，但是如何高效、科學、安全地鉆井必須依賴精確的水力參數計算。現在不管是垂直鉆井，還是大位移水平鉆井，計算出比較準確的鉆井水力學參數，都是必要的。鉆井液是鉆井的血液，鉆井液在鉆井過程中是否能有效攜帶鉆井巖屑，平衡地層壓力，既不會發生井漏，也不會造成井涌就必須進行水力學分析計算，進一步分析、優化鉆井液性能，和鉆井設備有效配合，科學地指導鉆井作業。

2 設計思路

2.1 流變模式優選

鉆井作業中常用的水力學流變模式有5種：牛頓、賓漢、冪率、卡森和赫謝爾-巴爾克萊模式，流變模式不同，計算的水力學參數將會有較大的差異，所以優選流變模式非常重要。因為不同的流變模式有自己比較適用的剪切速率范圍，所以導致流變模式的選擇不僅和泥漿性能有關，還和當時所處的鉆井狀態有關，所以軟件設計中為了適應鉆井作業的各種情況：鉆進、循環、接單根、提下鉆、下套管等，在軟件中提供自動優選流變模式和手動選擇流變模式兩種方式進行水力學分析計算。

自動優選流變模式采用最小二乘法優選出與鉆井液性能擬合程度最高的流變模式。離散數據點（Xi，Yi），i=1，2，…，n，離散的數據點就是鉆井液性能參數，依據節點值，構造逼近函數y= f（x），繪制擬和曲線，5種流變模式對應的方程就是逼近函數，基于構造函數Y軸坐標值f（xi）和相應的實驗數值y（xi）的差稱為殘差δxi=y（xi）-f（xi），最小二乘法就是要殘差的平方和為最小，即剩余標準差最小。剩余標準差最小的曲線所代表的就是最優的流變模式。剩余標準差S的計算公式：

S=■[y（xi）-f（xi）]2

剩余標準差S越小，表示相關程度越大，即表示所選流變模式為鉆井液最優化的流變模式。

2.2 水力學分析軟件國內現狀

目前國內幾家研發綜合錄井軟件系統的廠家和院校有研發的鉆井水力學分析軟件，但是和國外的軟件比較存在較大的差距，主要存在以下問題：

（1）功能單一：考慮不全面，計算方法單一，功能比較簡單，一般只有鉆井水力學分析功能，沒有抽汲波動分析功能和鉆井水力學優化功能。

（2）適應性差：專業化程度低，輸出的參數比較單一，不全面，考慮因素較少，軟件和現場脫節，可借鑒的功能太少，往往無法滿足國外錄井工作的需要。

（3）靈活性差：報表格式單一，用戶單位單一，語言單一，無法適應國內外錄井工作的需要。

2.3 軟件功能設計

針對國內軟件存在的問題，并借鑒國外軟件的特點，鉆井水力學分析軟件主要具有3種功能：鉆井水力學分析、提下鉆抽汲波動分析和鉆井水力學優化。

（1）鉆井水力學分析功能主要完成鉆進過程中的水力學參數的計算，計算不同井段的循環壓力、鉆具壓力損失、流型、鉆井液體積、流速、循環時間、泵沖數、鉆頭噴速等參數，便于用戶分析和調整鉆井液性能和鉆具結構。

（2）提下鉆抽汲波動分析功能計算提下鉆時產生的抽汲波動壓力、當前速度下產生的抽汲波動壓力，不同提下鉆速度產生的抽汲波動壓力，便于用戶確定安全提下鉆速度，避免井噴井涌的危險。

（3）水力學優化功能主要用來優選鉆頭水眼大小和泵排量。

2.4 軟件流程設計

根據軟件功能設計，3種軟件功能的流程設計如下：