噴射鉆井水力參數智能設計分析軟件的研制與應用

于 忠，蘆文彪

(1.西北油田分公司工程技術研究院，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)

噴射鉆井水力參數智能設計分析軟件的研制與應用

于 忠*1，蘆文彪2

(1.西北油田分公司工程技術研究院，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為平臺開發了噴射鉆井水力參數智能設計分析軟件。該軟件以優化鉆井液流變模式為基礎，根據井身結構和鉆具組合，模擬實際鉆進參數，進行鉆井液水力學設計計算分析。通過圖形和報表動態輸出計算結果，用戶可靈活查看輸出結果，進行對比分析。

鉆井液；流變模式；水力參數；優化設計

1 概述

智能鉆井系統的研究是當前鉆井技術的最新研究內容之一。鉆井液水力學的合理設計不僅有利于提高巖屑攜帶效率，而且可以發揮鉆井液的高壓射流作用，提高巖石破碎效率[1]。

本文通過計算機語言編制出噴射鉆井水力參數分析軟件，該軟件能夠自動計算4種流變模式下的流變參數。根據相關系數，優選與實際情況最為擬合的流變模式；同時該軟件允許輸入井身結構和鉆具組合，模擬實際鉆進參數；輸入機械鉆速和巖屑相關參數等可進行鉆井液水力學設計計算分析；最后通過圖形和報表形式動態輸出裸眼井段最優排量、最優噴嘴面積、壓耗分布、當量密度、射流沖擊力和鉆頭水功率等參數，用戶可靈活查看輸出結果，進行對比分析。

利用該軟件對塔河油田現場數據進行分析，結果表明該軟件具有較高的計算精度和優化效果，能夠滿足工程應用要求。

2 鉆井液流變模式的優選

鉆井液水力參數設計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算[2]。為了提高鉆井液水力參數優化效果，必須從以上2個方面著手。

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都可以根據范式粘度計的2個讀數進行計算。4種流變模式的流變方程、常規計算方法詳見表1。對于不同的鉆井液類型，其流變模式也不同，能否準確確定鉆井液流變模式，并計算出流變參數是鉆井水力參數設計的關鍵。

2.2 鉆井液流變模式回歸分析

回歸分析[3]是處理變量間相關關系的一種有效工具。通過對各種流變模型進行適當的數學變換，采用一元線性回歸分析進行鉆井液流變參數的計算。賓漢和冪律模式的回歸計算相對簡單，而卡森和赫巴模式的計算相對復雜，尤其是赫巴模式，需要進行殘差擬合[4]，通過計算機迭代計算。

3 鉆井液循環系統壓耗的計算

循環壓耗由地表管匯、鉆具內、環空和鉆頭各部分組成。為了精確計算各部壓耗，需要根據回歸分析得出的流變參數計算出各個井段的流態，根據不同流態，不同流變模式計算出各段的壓耗。4種流變模式循環壓耗計算公式見表2。

3.1 水力參數設計目標參數

在進行鉆井水力參數設計時，我們通常以鉆頭壓降、鉆頭水功率和射流沖擊力為標準來衡量。根據水力學原理[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 各種流變模式參數計算表

表2 不同流變模式循環壓耗計算表

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，無因次；

pbit——鉆頭噴嘴面積，mm2。

3.2 最優水力參數求取路線

根據范式粘度計數據回歸分析出最優流變模式，利用鉆井液密度、排量、井身結構基礎數據計算出循環各段的流速及有效粘度[6]，計算雷諾數判斷流態，最后利用表2中壓降模型求出各段壓耗。運用最優化原理，優選出最優水力參數。水力參數優化分析技術路線見圖1。

圖1 水力參數優化分析技術路線

4 水力參數設計分析軟件的研制

鉆井液流變模式的回歸和水力參數優化設計的計算十分繁瑣，有時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智能設計分析軟件。

軟件主要包括鉆井液流變模式回歸、鉆井基礎數據錄入、水力參數優化設計和水力參數分析4大模塊。

（1）鉆井液流變模塊主要功能是根據輸入的范式粘度計數據進行回歸分析，求出最優流變模式和最優流變參數。

（2）鉆井基礎數據錄入模塊主要是錄入鉆機基礎數據以及井身結構數據，并生成井深結構圖。

（3）水力參數優化設計模塊根據鉆井基礎數據和最優流變參數求出最優排量，最優噴嘴面積以及最優排量下的壓耗分布，并生成壓耗分布餅圖。根據噴嘴個數，計算出噴嘴直徑。

（4）優化設計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算、裸眼井段井底壓力及當量密度計算、裸眼井段全井段最優水力參數計算以及裸眼井段噴嘴面積及排量變化對水力參數的影響分析。

5 應用分析

5.1 軟件計算精度驗證

為了驗證該軟件在計算循環壓耗時的準確性，利用該軟件計算了塔河油田TK517井不同井深的循環壓耗，并與現場實鉆數據進行對比分析。

TK517井為三級結構直井，其二開井身結構數據見表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井二開井身結構數據表

利用軟件分別計算了TK517井二開1600～4000m井段不同井深的循環壓耗，并與現場實測數據進行對比，結果見表4。

表4 TK517井現場立壓數據與軟件計算結果對比

從表4中可以看出，在1600～4000m井段，軟件計算出的立壓與現場錄井實測立壓的誤差很小，最大誤差為0.57MPa，計算得出絕對平均誤差為1.84%，計算精度能夠滿足工程應用要求。

5.2 水力參數優化分析

以TK517井4000m井深為例，利用軟件計算該井深的最優水力參數，并與現場數據進行對比分析，見表5。

從表5中可以看出，相比于現場實測數據，優化設計后的噴嘴面積減小，鉆井泵排量減小。但是在鉆井泵負荷相同的情況下，射流速度、射流沖擊力和鉆頭水功率均有大幅的提高。經計算分別提高了116%、105%和343%。由此可見，利用該軟件進行水力參數優化設計，可大幅提高水力破巖效率，對鉆井提速具有明顯的意義。

6 結論

本文設計研發了噴射鉆井水力參數智能設計分析軟件。該軟件通過鉆井數據的輸入，進行鉆井液流變模式的自動優化，根據優選的流變模式計算出最優水力參數，并分析裸眼井段最優水力參數隨井深的變化規律以及噴嘴面積的變化對水力參數的影響，最后輸出鉆井水力參數變化曲線。結合數據報表的輸出，使鉆井技術人員可以方便地進行比較和分析，并根據經驗加以修改，以得到現場最優水力參數組合，對于提高機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，現從事鉆井工藝研究工作。