使用螺杆钻具条件下钻井水力参数优化设计方法.pdf

第 4 2卷 第 2期 2 0 1 4年 3月 石 油 钻 探 技 术 P ETROLEUM DRI I I I NG TE CHNI QUES Vo 1 ． 4 2 No ． 2 M a r ．， 2 01 4 ． ． “ 9 7 3 ” 计划专题 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 0 7 使用螺杆钻具条件 下钻 井水 力参数优化设计 方法 史玉才 ， 管志川，张 欣，张文斌 中国石油大学 华东 石油工程学院 ， 山东青岛 2 6 6 5 8 0 摘要 螺杆钻具虽然应用广泛， 但使用螺杆钻具条件下的钻井水力参数优化设计方法还不完善。为了指导 钻井现场应用， 以螺杆钻具的推荐工作参数为约束条件， 应用数学规划方法建立了钻井液排量和钻 头压降优选模 型， 给出了实用的钻井水力参数优化设计方法。研究表明， 使用螺杆钻具时， 应在螺杆钻具推荐工作参数 内， 以钻 头水功率与螺杆钻具水功率之和最大为指标优选钻井水力参数； 为了获得最优水力参数， 螺杆钻具工作压降尽可 能采用推 荐工作压 降， 钻头压降尽 可能接近螺杆钻具传动轴 限定 的最大钻 头压降。 关键词 螺杆钻具 水力参数 钻井液排量 钻头压降 中图分 类号 TE 2 2 文 献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 4 0 2 0 0 3 3 0 4 Opt i m i z a t i o n M e t ho d s f o r Dr i l l i ng Hy d r a u l i c Pa r a me t e r s W he n Us i ng Po s i t i v e Di s p l a c e me n t Do wn Ho l e M o t o r S hi Yuc a i ， Gu a n Zhi c hu a n， Zha ng Xi n， Zh a ng W e nb i n S c h o o l o f Pe 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 o f Pe t r o l e u m Hu a d o n g ， Q i n g d a o ， S h a n d o n g， 2 6 6 5 8 0。 C i n a Ab s t r a c t Al t h o u g h p o s i t i v e d i s p l a c e me n t d o wn - h o l e mo t o r P DM i s c o mmo n l y u s e d i n d i r e c t i o n a l d r i l l i n g a t p r e s e n t ， n o t mu c h e f f o r t h a s b e e n ma d e i n r e s e a r c h o n t h e o p t i mi z a t i o n me t h o d s f o r d r i l l i n g h y d r a u l i c p a r a me t e r s wh e n u s i n g a P DM ． An o p t i mi z a t i o n mo d e l i n d r i l l i n g f l u i d r a t e a n d d r i l l b i t n o z z l e p r e s s u r e - d r o p s e l e c t i o n h a s b e e n e s t a b l i s h e d b y ma t h e ma t i c a l p r o g r a mmi n g me t h o d wh i l e t a k i n g P DM ’ S r e c o m me n d e d o p e r a t i n g p a r a me t e r s a s c o n s t r a i n c o n d i t i o n s ． Th e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t h y d r a u l i c p a r a me t e r s s h o u l d b e o p t i mi z e d wi t h i n PDM ’ S r e c o mme n d e d o p e r a t i n g p a r a me t e r s wh i l e t a k i n g ma x i mu m t o t a 1 h y d r a u l i c p o we r d e s i g n a t e d t o d r i l l b i t a n d PDM a s t h e t a r g e t ． To o b t a i n o p t i mu m d r i l l i n g h y d r a u l i c p a r a me t e r s ， t h e PDM ’ S wo r k i n g p r e s s u r e - d r o p s h o u l d b e wi t h i n t h e r e c o mme n d e d wo r k i n g p r e s s u r e d r o p wh i l e b i t n o z z l e p r e s s u r e - d r o p i S c l o s e t o t h e ma x i mu m o f t h a t t r a n s mi s s i o n s h a f t o f t h e d o wn h o l e mo t o r a l l o ws t o ． Ke y wo r d s p o s i t i v e d i s p l a c e me n t d o wn - h o l e mo t o r ； h y d r a u l i c p a r a me t e r ； d r i l l i n g f l u i d r a t e ； b i t n o z z l e pr e s s u r e d r o p 螺杆钻具在定向钻井 、 直井井斜控制和提高深 井钻速等方面应用十分广泛l l 1 ] 。使用螺杆钻具时 ， 钻井泵提供 的钻井液压力和水功率 主要消耗在 钻 头 、 循环系统和螺杆钻具 3个部分 ， 钻井水力参数优 化设计的 目的是合理分配钻井泵传递 的钻井液压力 和水功率， 将钻井泵提供的水功率尽可能多地分配 给钻头和螺杆钻具 ， 减小循环 系统的压耗 。 螺杆钻具对钻井液排量、 工作压降和最大钻头 压降都有要求[ 6 - 8 ] 。使用螺杆钻具时钻井水力参数 设计方法有所不 同， 现有设计方法还不完善。钻井 工程教科书l_ g ] 和相关标准[ 1 0 ] 仅 给出 了常规水力参 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 0 5 ； 改回 日期 2 0 1 4 0 2 2 1 。 作者简介 史玉才 1 9 7 2 ， 男， 河 南南阳人 ， 1 9 9 5年 毕业 于石 油大学 华东 钻井工程 专业， 2 0 0 5年获 中国石油 大学 华 东 油 气井 工程专业博 士学位 ， 副教授 ， 硕 士生导师 ， 主要从 事石 油钻 井工程 方 面的教学与科研工作。 联系方式 1 8 7 5 3 2 0 0 6 9 5 ， s h i y u c a i 2 0 0 8 l 6 3 ． C O I I 1 。 基金项 目 国家重 点基础研 究发展 计划 “ 9 7 3 ” 计划 项 目“ 深 井 复杂地层钻 井设计 平台与风 险控制机制 ” 编号 2 O 1 O C B 2 2 6 7 O 6 、 国 家高技术研 究发展计划 “ 8 6 3 ” 计划 项 目“ 海上大位移 井钻完井关键 技术 开发与 集成” 编号 2 0 1 2 AA0 9 1 5 0 1 和教 育部创 新团队“ 海洋油 气井钻 完井理论与工程” 编号 1 R T1 0 8 6 资助。 石 油 钻 探 技 术 数优选方法 ； 苏义脑 l_ 】 1 ] 给 出了螺杆钻具选型与总体 设计方法 ； G． R o lo e [ 1 o S a mu e l 等人L 1 纠给出了螺杆钻 具工作参数优选方法 ， 但未提及钻头水力参数优选 ； 况雨春等人_ 1 。 对 比分析了现有钻井水力参数优化 方法 ； 翟文涛_ 1 探讨了螺杆钻具复合钻进条件 下的 钻进参数优选方法 ， 但未建立相应 的水力参数优选 模型 。为了充分发挥螺杆钻具的技术优势 ， 笔者参 考常规钻井水力参数优选方法， 给出了使用螺杆钻 具条件下钻井水力参数优选的思路和方法 。 1 水力参数优化设计难点分析 根据螺杆钻具的结构和工作原理[ 6 吨 ] ， 可知螺杆 钻具的输 出参数 马达压降、 转速 、 扭矩和功率等 均 随钻压变化 ， 当钻压过大使马达压降逐渐增大到临 界值时， 马达 的输 出转速会 降低到零 ， 出现“ 制动现 象” 。为了避免螺杆钻具出现制动现象而提前失效， 要求螺杆钻具的工作排量 、 马达压降及钻压等均不 能超过规定值， 并尽可能采用推荐工作参数。因为 钻头水眼压降会作用到传动轴总成的下部推力轴承 上 ， 该处是螺杆钻具易损坏的部位之一， 所 以螺杆钻 具还对最大钻头水眼压 降有要求 ， 该值取决 于螺杆 钻具的传动轴类型。 上述分析表明， 使用螺杆钻具条件下 ， 设计钻井 水力参数时， 不仅受最小携岩排量、 钻井泵的额定工 作参数 额定功率、 额定泵压、 额定排量等 和地面管 汇耐 压能力的限制 ， 还受螺杆钻具 的额定工作参数 钻井液排量、 马达压降、 许用钻头水眼压降 限制， 只 能在螺杆钻具限定的工作参数范围内优选水力参数。 2 水力参数优化设计方法 使用螺杆钻具时 ， 需要合理分配钻井泵传递的钻 井液压力和水功率。基于该认识 ， 以钻头水功率与螺 杆钻具水功率之和最大为优选指标， 以螺杆钻具的推 荐工作参数为约束条件 ， 应用数学规划方法建立了钻 井液排量和钻头压降优选模型。参考文献[ 9 ] 和E 1 0 3 给出的常规水力参数优选方法， 给出了使用螺杆钻具 时的钻井水力参数优化设计方法。 2 ． 1 确定最小携岩排量 计算最小环空返速并校核岩屑举升效率 ， 确定 出最小携岩排量 Qa o 。 2 ． 2 选择螺杆钻具型号并确定最小工作排量 螺杆钻具选型及使用方法可参考文献[ 1 1 ] 。其 中， 与水力参数优化设计相关的螺杆钻具推荐工作 参数有最 小工作 排量 Q 、 最大 工作 排量 Q H m 、 工作压降 A p 、 最大工作压降 A p 以及最大钻头 水眼压降 A p 一等 。综合考虑最小携岩排量 Q1 。 和 螺杆钻具最小工作排量 。 ， 确定出满足钻井要求 的最小排量 Qa ， 即 Q a ma x { Q 。 ， Q } 。 2 ． 3 计算不同井深对应的循环压耗系数 根据循环压耗系数 K ， 计算 出给定井深对应 的 循环压耗系数 K 。 2 ． 4 选择缸套并确定额定泵压和额定排量 选择缸套时应遵循以下原则 综合考虑最小携 岩排量、 螺杆钻具的最小工作排量和最大工作排量 、 循环系统的最高耐压能力 ， 尽可能选择额定工作排 量与实际工作排量接近 、 额定工作压力与实际工作 压力接近的缸套 。 设缸套的额定工作 排量为 Q 、 额定工作压力 为 P ， 循环系统的最高耐压能力为 P ～ ， 钻井泵的 额定工作排量为 Q 、 额定工作压力为 P 。取钻井泵 的上水效率为 9 0 ， 所选缸套的额定排量应 同时满 足 Qr o 1 ． 1 Qa 0 、 Q 1 ． 1 Qm 和 Q △ ， 说 明该条件下钻井泵不能按额定泵压方式 工作 ， 取 △ 声 b 2 一A P b 。 4 综合上述分析 ， 选择最优工作排量 Q 和钻 头压降 A p 。计 算 出钻头 与螺杆钻具 的水功率 之 和 ， 即 A p b l △ Q lo p l 和 △ b 2 △ p l 2 。若 A p b 1 △ Q o p l l ≥ A p b 2 A p Q。 p 【 2 ， 选择最优工 作排量 Q 。 一Q 。 p t 1 、 钻头压降 △ b A p b ； 反之 ， 选择 最优工作排量 Q 。 一Q l0 p 、 钻头压降 A p A p z 。 5 计算喷嘴直径 d 。 2 ． 6 计算全部水力参数 全部水力参数包括钻头水力参数 钻头压降 、 循 环压耗和钻头水功率 、 射流水力参数 射流速度 、 射 流冲击力和射流水功率 、 螺杆钻具水功率等。 3 水力参数优化设计实例 某井使用 2 1 5 ． 9 mm钻 头钻 进 喷 嘴流量 系 数C一0 ． 9 8 ， 下 部钻 具使 用 1 7 7 ． 8 mm 钻 铤 内 5 L Z 1 7 2 7 ． 0型螺杆钻具推荐工作参数为 最小 工作排量 Q 一1 8 ． 9 3 L ／ s ， 最大工作排量 一 3 7 ． 8 5 L ／ S ， 工作压降 △ 一3 ． 2 MP a ， 最大钻头水眼 压降 △ b 一7 ． 0 MP a 。综 合考虑最小携岩排量和 螺杆钻 具 最 小工 作 排 量 ， 取 最 小工 作 排 量 Qa 一 1 8 ． 9 3 I ／ s 3 ． 3 计算不 同井深对应的循环压耗系数 计算出井 深 4 0 0 0 m 处对应 的循环 压耗系数 KL 一0 ． 0 2 8 MP a L ／ s 。 。 3 ． 4 选择缸套并确定额定泵压和额定排量 综合考虑最小携岩排量、 螺杆钻具的推荐工作排 量 ， 选择 1 5 0 ． 0 mm缸套 比较合适 ， 与之对应的额定 排量 Qo 3 1 ． 1 0 L ／ s 、 额定压力 2 1 ． 2 MP a 。 计算出钻井泵的额定工作排量 Qr 一2 7 ． 9 9 L ／ s ， 额定工作压力 P 一1 9 ． 0 8 MP a 。 循环系统最高耐压能力为 1 8 ． 0 MP a ， 实取钻井 泵的额定工作压力 P 一1 8 ． 0 MP a 。 3 ． 5 计算最优工作排量、 钻头压降和喷嘴直径 螺杆钻具的工作压降取推荐值 △ △ 乡 3 ． 2 M Pa 。 以额定功率工作时 ， 最优工作排量 Q 一Q 2 7 ． 9 9 L ／ s ， 钻头 压降 A p b 1 3 ． 5 3 MP a ， 钻头水 功 率与螺 杆 钻 具 水 功 率 之 和 A p b △ Q o p t 一 3 6 石 油 钻 探 技 术 2 O l 4年 3月 1 8 8 ． 3 7 k W 。 以额 定 泵 压 工 作 时 ， 最 优 工 作 排 量 Q 。 。 。 一 2 0 ． 4 9 L ／ s ， 钻头压降 A p h 2 一A p b 一7 ． 0 0 MP a ， 钻 头水功率与螺杆钻具水功率之和 A p b △ Q 一 2 0 9 ． O 0 k W 。 综合上述 分析 ， 最终 选择 螺杆 钻具 工作 压 降 A p 一3 ． 2 MP a ， 最优工作排量 Q。 。 一2 O ． 4 9 L ／ s ， 钻 头压降 A p b 一7 ． 0 0 MP a ， 计算得到出钻头喷嘴 当量 直径 d 。 一1 ． 7 O c m。 3 ． 6 计算全部水力参数 泵压 。 1 6 ． 6 3 MP a ， 循环压耗 △ I 一6 ． 4 3 MP a ； 钻 头 压 降 A p b 一 7 ． 0 0 MP a ， 钻 头 水 功 率 Nb 一 1 4 3 ． 4 3 k w ； 射流速度 一9 0 ． 2 7 m／ s ， 射流冲击力 F3 ． 0 3 k N， 射 流水 功率 Ni 一1 3 6 ． 9 2 k W ； 螺 杆 钻具 的 工 作 压 降 A p 一 3 ． 2 MP a ， 输 人 水 功 率 Nm一 6 5 ． 5 7 k W 。 实例计算分析表明， 在螺杆钻具限定 的工作排量 范围内， 可以参考常规水力参数设计方法优选钻井液 排量； 螺杆钻具工作压降尽可能采用推荐工作压降、 钻头压降尽可能接近螺杆钻具传动轴对应的最大钻 头压降时 ， 钻头水功率与螺杆钻具水功率之和最大。 4 结论与认识 1 使用螺杆钻具时， 钻井水力参数优选受螺杆 钻具工作参数 钻井液排量 、 马达压 降、 最大钻头压 降等 制约， 应在螺杆钻具 的推荐工作参数范围内优 选钻井水力参数。 2 使用螺杆钻具时， 以钻头水功率与螺杆钻具 水功率之和最大为评价指标优选水力参数是可行的。 其中， 不仅要优选钻井液排量， 还需要选择钻头压降。 3 螺杆钻具工作压降尽可能采用推荐工作压降、 钻头压降尽可能接近螺杆钻具传动轴限定的最大钻头 压降， 以便使钻头水功率与螺杆钻具水功率之和最大。 [ 1 ] [ 2 ] 参考文献 Re f e r e nc e s 刘谦． 复合钻进技术在吐哈油田的应用[ J ] ． 石油钻探技术， 2 0 0 2， 3 0 2 3 8 4 0 ． L i u Qia r L Ap p l i c a t i o n s o f c o mp le x d r i l l i n g t e c h n i q u e s i n T u h a Oi l f i e l d [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i ng T e c h n i q u e s ， 2 0 0 2 ， 3 0 2 3 8 4 0 ． 王希勇， 朱礼平 ， 胡大梁 ， 等． 复合钻 井技术在川 东北地 区的应 用[ _I ] ． 天然气工业， 2 0 0 8 ， 2 8 1 1 7 7 7 9 ． Wa n g Xi y on g， Zh u Li p i n g，Hu Da l i a n g，e t a 1 ．Ap p l i c a t i o n o f c o mp o u n d d r i l l i n g t e c h n o l o g y i n No r t h e a s t S i c h u a n B a s i n [ J ] ． Na t u r a l Ga s I n d u s t r y， 2 0 0 8， 2 8 U 7 7 7 9 ． [ 3 ] Ma t t h i a s Re i c h， Ae i n t P i c k s a k ， Wo l f g a n g J o h n ．C o mp e t i t i v e p e r f o r ma n c e d r i l l i n g wi t h h i 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3 4 --2 0 0 4 B a s i c me t h o d s f o r o p t i mi z e d d r i l l i n g a n d a p p l i c a t i o n [ S ] ． [ 1 1 ] 苏义脑． 导向钻具选型与 总体设计 的原则和 方法[ J ] ． 石油钻 采工艺 ， 1 9 9 9 ， 2 1 3 1 8 2 7 ． S u Yi n a o ．Th e p r i n c i p l e a n d me t h o d f o r s e l e c t i o n a n d ma s t e r d e s i g n o f g u i d e d r i l l t o o l [ J ] ． Oi l D r i l l i n g＆ P r o d u c t i o n Te c h n o l o g y， 1 9 9 9， 2 1 3 1 8 2 7 ． [ 1 2 ] S a mu e l G R o b e l l o ， Mi s k a S t e f a n ． Op t i mi z a t i o n o f d r i l l i n g p a r a m e t e r s wi t h t h e p e r f o r m a n c e o f mul t i l o b e p o s it i v e d i s p l a c e me n t mo t o r P D M J R] ． S P E 4 7 7 9 1 ， 1 9 9 8 ． [ 1 3 ] 况雨春 ， 马青松 ， 王勤 ， 等． 钻井水 力参数优化方法及应用现状 _ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 1 0 ， 3 9 7 1 - 4 ． Ku a n g Y u c h u n， M a Qi n g s o n g ， W a n g Qi n ， e t a 1 ． D r i l l i n g h y d r a u l ic p a r a me t e r s o p t imu m me t h o d a n d a p p l i c a t i o n [ J ] ． Oi l Fie l d Eq u i p me n t ， 2 0 1 0 ， 39 7 卜 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