噴射鉆井水力參數(shù)智能設(shè)計(jì)分析軟件的研制與應(yīng)用

于 忠，蘆文彪

(1.西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830011；2.西北油田分公司雅克拉采氣廠，新疆烏魯木齊830011)

噴射鉆井水力參數(shù)智能設(shè)計(jì)分析軟件的研制與應(yīng)用

于 忠*1，蘆文彪2

(1.西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830011；2.西北油田分公司雅克拉采氣廠，新疆烏魯木齊830011)

以Visual Studio 2010為平臺(tái)開發(fā)了噴射鉆井水力參數(shù)智能設(shè)計(jì)分析軟件。該軟件以優(yōu)化鉆井液流變模式為基礎(chǔ)，根據(jù)井身結(jié)構(gòu)和鉆具組合，模擬實(shí)際鉆進(jìn)參數(shù)，進(jìn)行鉆井液水力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算分析。通過圖形和報(bào)表動(dòng)態(tài)輸出計(jì)算結(jié)果，用戶可靈活查看輸出結(jié)果，進(jìn)行對(duì)比分析。

鉆井液；流變模式；水力參數(shù)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 概述

智能鉆井系統(tǒng)的研究是當(dāng)前鉆井技術(shù)的最新研究?jī)?nèi)容之一。鉆井液水力學(xué)的合理設(shè)計(jì)不僅有利于提高巖屑攜帶效率，而且可以發(fā)揮鉆井液的高壓射流作用，提高巖石破碎效率[1]。

本文通過計(jì)算機(jī)語言編制出噴射鉆井水力參數(shù)分析軟件，該軟件能夠自動(dòng)計(jì)算4種流變模式下的流變參數(shù)。根據(jù)相關(guān)系數(shù)，優(yōu)選與實(shí)際情況最為擬合的流變模式；同時(shí)該軟件允許輸入井身結(jié)構(gòu)和鉆具組合，模擬實(shí)際鉆進(jìn)參數(shù)；輸入機(jī)械鉆速和巖屑相關(guān)參數(shù)等可進(jìn)行鉆井液水力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算分析；最后通過圖形和報(bào)表形式動(dòng)態(tài)輸出裸眼井段最優(yōu)排量、最優(yōu)噴嘴面積、壓耗分布、當(dāng)量密度、射流沖擊力和鉆頭水功率等參數(shù)，用戶可靈活查看輸出結(jié)果，進(jìn)行對(duì)比分析。

利用該軟件對(duì)塔河油田現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明該軟件具有較高的計(jì)算精度和優(yōu)化效果，能夠滿足工程應(yīng)用要求。

2 鉆井液流變模式的優(yōu)選

鉆井液水力參數(shù)設(shè)計(jì)的影響因素主要包括兩部分：①鉆井液流變模式的模擬；②不同井段壓力損失的計(jì)算[2]。為了提高鉆井液水力參數(shù)優(yōu)化效果，必須從以上2個(gè)方面著手。

2.1 常用鉆井液流變模式

鉆井液常用的流變模式有賓漢模式、冪律模式、卡森模式和赫謝爾—巴爾克來模式，這4種流變模式的水力參數(shù)都可以根據(jù)范式粘度計(jì)的2個(gè)讀數(shù)進(jìn)行計(jì)算。4種流變模式的流變方程、常規(guī)計(jì)算方法詳見表1。對(duì)于不同的鉆井液類型，其流變模式也不同，能否準(zhǔn)確確定鉆井液流變模式，并計(jì)算出流變參數(shù)是鉆井水力參數(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.2 鉆井液流變模式回歸分析

回歸分析[3]是處理變量間相關(guān)關(guān)系的一種有效工具。通過對(duì)各種流變模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換，采用一元線性回歸分析進(jìn)行鉆井液流變參數(shù)的計(jì)算。賓漢和冪律模式的回歸計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，而卡森和赫巴模式的計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，尤其是赫巴模式，需要進(jìn)行殘差擬合[4]，通過計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算。

3 鉆井液循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計(jì)算

循環(huán)壓耗由地表管匯、鉆具內(nèi)、環(huán)空和鉆頭各部分組成。為了精確計(jì)算各部壓耗，需要根據(jù)回歸分析得出的流變參數(shù)計(jì)算出各個(gè)井段的流態(tài)，根據(jù)不同流態(tài)，不同流變模式計(jì)算出各段的壓耗。4種流變模式循環(huán)壓耗計(jì)算公式見表2。

3.1 水力參數(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)

在進(jìn)行鉆井水力參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，我們通常以鉆頭壓降、鉆頭水功率和射流沖擊力為標(biāo)準(zhǔn)來衡量。根據(jù)水力學(xué)原理[5]，鉆頭噴嘴壓力降為：

鉆頭水功率：

Pb=0.833×ΔpbitQ

射流沖擊力：

表1 各種流變模式參數(shù)計(jì)算表

表2 不同流變模式循環(huán)壓耗計(jì)算表

式中：Q——流量，L/s；

ρ——鉆井液密度，kg/cm3；

Q——泵排量，L/s；

C——噴嘴流量系數(shù)，無因次；

pbit——鉆頭噴嘴面積，mm2。

3.2 最優(yōu)水力參數(shù)求取路線

根據(jù)范式粘度計(jì)數(shù)據(jù)回歸分析出最優(yōu)流變模式，利用鉆井液密度、排量、井身結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算出循環(huán)各段的流速及有效粘度[6]，計(jì)算雷諾數(shù)判斷流態(tài)，最后利用表2中壓降模型求出各段壓耗。運(yùn)用最優(yōu)化原理，優(yōu)選出最優(yōu)水力參數(shù)。水力參數(shù)優(yōu)化分析技術(shù)路線見圖1。

圖1 水力參數(shù)優(yōu)化分析技術(shù)路線

4 水力參數(shù)設(shè)計(jì)分析軟件的研制

鉆井液流變模式的回歸和水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算十分繁瑣，有時(shí)甚至是人工無法完成的。為了提高工作效率，編制了鉆井水力參數(shù)智能設(shè)計(jì)分析軟件。

軟件主要包括鉆井液流變模式回歸、鉆井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入、水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和水力參數(shù)分析4大模塊。

（1）鉆井液流變模塊主要功能是根據(jù)輸入的范式粘度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，求出最優(yōu)流變模式和最優(yōu)流變參數(shù)。

（2）鉆井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入模塊主要是錄入鉆機(jī)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并生成井深結(jié)構(gòu)圖。

（3）水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊根據(jù)鉆井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和最優(yōu)流變參數(shù)求出最優(yōu)排量，最優(yōu)噴嘴面積以及最優(yōu)排量下的壓耗分布，并生成壓耗分布餅圖。根據(jù)噴嘴個(gè)數(shù)，計(jì)算出噴嘴直徑。

（4）優(yōu)化設(shè)計(jì)分析模塊是本軟件的核心模塊，主要功能包括裸眼井段不同排量壓耗分布計(jì)算、裸眼井段井底壓力及當(dāng)量密度計(jì)算、裸眼井段全井段最優(yōu)水力參數(shù)計(jì)算以及裸眼井段噴嘴面積及排量變化對(duì)水力參數(shù)的影響分析。

5 應(yīng)用分析

5.1 軟件計(jì)算精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該軟件在計(jì)算循環(huán)壓耗時(shí)的準(zhǔn)確性，利用該軟件計(jì)算了塔河油田TK517井不同井深的循環(huán)壓耗，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

TK517井為三級(jí)結(jié)構(gòu)直井，其二開井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表3。二開鉆具組合為PDC鉆頭+197螺桿鉆具+7″鉆鋌×9+6-1/4″鉆鋌×9+5″加重鉆桿×15+5″鉆桿；噴嘴組合為17mm×4+16mm×3。

表3 TK517井二開井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

利用軟件分別計(jì)算了TK517井二開1600～4000m井段不同井深的循環(huán)壓耗，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表4。

表4 TK517井現(xiàn)場(chǎng)立壓數(shù)據(jù)與軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表4中可以看出，在1600～4000m井段，軟件計(jì)算出的立壓與現(xiàn)場(chǎng)錄井實(shí)測(cè)立壓的誤差很小，最大誤差為0.57MPa，計(jì)算得出絕對(duì)平均誤差為1.84%，計(jì)算精度能夠滿足工程應(yīng)用要求。

5.2 水力參數(shù)優(yōu)化分析

以TK517井4000m井深為例，利用軟件計(jì)算該井深的最優(yōu)水力參數(shù)，并與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，見表5。

從表5中可以看出，相比于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的噴嘴面積減小，鉆井泵排量減小。但是在鉆井泵負(fù)荷相同的情況下，射流速度、射流沖擊力和鉆頭水功率均有大幅的提高。經(jīng)計(jì)算分別提高了116%、105%和343%。由此可見，利用該軟件進(jìn)行水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可大幅提高水力破巖效率，對(duì)鉆井提速具有明顯的意義。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)研發(fā)了噴射鉆井水力參數(shù)智能設(shè)計(jì)分析軟件。該軟件通過鉆井?dāng)?shù)據(jù)的輸入，進(jìn)行鉆井液流變模式的自動(dòng)優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)選的流變模式計(jì)算出最優(yōu)水力參數(shù)，并分析裸眼井段最優(yōu)水力參數(shù)隨井深的變化規(guī)律以及噴嘴面積的變化對(duì)水力參數(shù)的影響，最后輸出鉆井水力參數(shù)變化曲線。結(jié)合數(shù)據(jù)報(bào)表的輸出，使鉆井技術(shù)人員可以方便地進(jìn)行比較和分析，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加以修改，以得到現(xiàn)場(chǎng)最優(yōu)水力參數(shù)組合，對(duì)于提高機(jī)械鉆速具有明顯意義。

TE243

A

1004-5716(2015)01-0048-04

2014-02-26

于忠（1985-），男（漢族），安徽宿州人，助理工程師，現(xiàn)從事鉆井工藝研究工作。