钻井液物性参数对深水钻井井筒温度压力的影响.pdf

中国石油大学（华东） 硕士学位论文 钻井液物性参数对深水钻井井筒温度压力的影响 姓名宁立伟 申请学位级别硕士 专业油气井工程 指导教师管志川 20080401 摘要 随着世界能源需求的不断增长和陆上石油资源的不断减少，人们把眼光投向了海 洋。海洋油气资源的开发近几年发展迅猛，而且作业水深不断在增加。与此同时，各种 各样的难题出现在人们面前，亟待人们解决。其中深水钻井问题是一大难题，是这几年 研究的热点问题。 深水钻井过程中存在低温、高压、窄密度窗口等问题，经常伴随着井漏等事故的发 生，亟需准确预测井筒内温度和压力的方法。本文根据此需要，建立了深水钻井井筒内 温度和压力计算模型，与其他模型不同的是，此模型把钻井液的密度、粘度等考虑成温 度和压力的函数，引入了岩屑的影响，摩擦生热和压降生热的影响，并把温度和压力进 行了耦合计算，使模型更加贴近实际，计算结果更加精确。根据此模型，编写了深水钻 井井筒温度和压力耦合计算的数值模拟程序。此程序能实时准确的预测循环过程中井筒 内钻井液的温度和压力分布、地层的温度分布；静止过程中井筒内的温度和压力分布、 地层温度分布；对深水钻井、固井、井控、套管层次设计等有重要意义。 本文中，还对井筒内温度和压力进行了敏感性分析，得出了影响温度和压力的重要 与非重要因素，并为深水钻井作业提出了合理化的建议。 关键词深水钻井，温度，压力，数值模拟，敏感性分析 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m T h eE f f e c t so f D r i l l i n gF l u i d ’SP h y s i c a lP r o p e r t i e so n t h eT e m p e r a t u r ea n dP r e s s u r ei nD e e p w a t e r D r i l l i n g N i n gL i w e i O i l G a sW e l lE n g i n e e r i n g D i r e c t e db yP r o f e s s o rG u a nZ h i c h u a n A b s t r a c t T h en e e do fO i la n dG a si si n c r e a s i n gt o d a y , b u tO i la n dG a si sb e c o m i n gl e s sa n dl e s s ． M o r ea n dM o r em a r i n eO i la n dG a si se x p l o r e da n de x p l o i t e d ，a n ds e ad e p t ht e n d st od e e p e r a n dd e e p e r ．A l s ok i n d so fd i f f i c u l t i e sc o m el l p ，n e e dt ob es o l v e ds o o n ．N a t u r a l l y , d e e p w a t e r d r i l l i n gi sb e c o m i n gh o t t e ra n dh o t t e r ． L o wt e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e ，h i g hp o r ep r e s s u r ea n dl o wf r a c t u r ep r e s s u r ec o m m o n l y e x i s ti nd e e p w a t e rd r i l l i n ga n da l w a y sc a u s ea c c i d e n t s ．W ee x p e c tan e wm e t h o dt of o r e c a s t t h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nt h ew e l l b o r e ．S oi nt h i st h e s i s ，w eh a v ee s t a b l i s h e dam o d e lt o c a l c u l a t et h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nt h ew e l l b o r e ．W em a k es o m ea m e l i o r a t i o no nt h e b a s i so fo t h e r s ’r e s e a r c h ，i n c l u d i n g d e n s i t ya n dt h e o l o g i c a lb e h a v i o ro fd r i l l i n gf l u i da r e d e e m e da saf u n c t i o no ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ；t h ee f f e c to fc u t t i n g s ，f r i c t i o n a lh e a ta n d p r e s s u r e - d r o ph e a ta r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n ；w h a t ’Sm o r e ，t h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei n t h ew e l l b o r ea r ec o u p l e dc a l c u l a t e d ．W eh a v em a d ean e wp r o g r a ma c c o r d i n gt oa l lo ft h e s e m e n t i o n e da b o v ea n dg o tm o r ea c c u r a t er e s u l t s ．T h i sp r o g r a mc a l ls h o w1 l St e m p e r a t u r e p r o f i l e s ，p r e s s u r ep r o f i l e s ，d e n s i t yp r o f i l e s ，v i s c o s i t yp r o f i l e s ，d o w n h o l et e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ec u r v e s ，e q u i v a l e n tc i r c u l a t i n gd e n s i t yp r o f i l e s ，e q u i v a l e n ts t a t i cd e n s i t yp r o f i l e si n t h ew e l l b o r ea n dt e m p e r a t u r ep r o f i l e si nt h ef o r m a t i o nw h e nt h ed r i l l i n gf i u i di se i t h e r c i r c u l a t i n go rn o t , w h i c ha r ei m p o r t a n tf o rd r i l l i n g ，c e m e n t i n g ，w e l lc o n t r o l ，c a s i n gd e p t h d e s i g n ．I nt h i sp a p e r , w ea l s oc o m p l e t ep a r a m e t r i cs e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，f i n dt h ep r i m a r y - p a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nt h ew e l l b o r e ，g i v es o m er e a s o n a b l e a d v i c e s ． K e yw o r d s D e e p w a t e rd r i l l i n g ，T e m p e r a t u r e ，P r e s s u r e ，N u m e r i c a ls i m u l a t i o n , P a r a m e t r i cs e n s i t i v i t ya n a l y s i s w w w . b z f x w . c o m 符号表 温度 乙钻柱内钻井液温度，℃ 瓦环空内钻井液温度，℃ ％钻柱内表面温度，℃ 乙钻柱外表面温度，℃ 瓦海水温度，℃ 乃一地层温度，℃ L 一隔水管内表面温度，℃ 乙一隔水管外表面温度，℃ 直径 厶钻柱内径，m n l ‰钻柱外径，l l 砷 以- 地层段井壁内径，姗 九一隔水管内径，t u T T I 厶一隔水管外径，T T m l 吃温度不受扰动的井径，m m 以一隔水管隔热层内径，衄 丸～隔水管隔热层外径，咖 对流换热系数 ％钻柱内表面对流换热系数，W ／ m 2 ．K k 钻柱外表面对流换热系数，W ／ m 2 ．K V 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 以一地层段井壁表面对流换热系数，W ／ m 2 K k ～隔水管内表面对流换热系数，W ／ m 2 K 办m ～隔水管外表面对流换热系数，W ／ m 2 K 密度 砟钻柱内钻井液密度，酌甜 成一环空内钻井液密度，g ／c m 3 乃一地层岩石密度，g ／c m 3 比热容 c ，钻柱内钻井液比热容，J ／ k g ‘K c 口一环空内钻井液比热容，J ／ k g K C ／地层岩石比热容，J ／ k g ’K q 一隔水管隔热层比热容，J ／ k g K 导热系数 ～钻柱导热系数，W ／ m 。K 以一隔水管导热系数，W ／ m I O 以地层岩石导热系数，W ／ m 。K 乃钻井液导热系数，W ／ m K 砧一海水导热系数，W ／ m K ⋯一 五一隔水管隔热层导热系数，W ／ m K w w w . b z f x w . c o m 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学 华东 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名墓童壶日期d o , 尸年，月2 汐日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学 华东 有权使用本学位论文 包括但不限于其印 刷版和电子版 ，使用方式包括但不限于保留学位论文，按规定向国家有关部门 机 构 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印j 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名 日期幽轷年，月增日 日期√以年，月j 护日 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 中国石油大学 华东 硕士学位论文 1 ．1 前言 第一章绪论 随着世界能源需求的不断增长和陆上石油资源的不断减少，我国陆上深层找油找气 力度不断加大，同时，人们把眼光投向了海洋，而且作业水深不断在增加。因此，不可 避免地带来了陆上深井钻井中的高温高压和深水钻井中的低温高压条件下的钻井与完 井问题。 陆上的井愈深，井底压力和温度愈高，技术上的困难也就愈大。在世界上很多地方， 特别是找气的地区，如美国、北海等地区，很多储层压力超过1 0 0 M P a 、井底温度超过 2 0 0 “ C 的地层已被开采；我国陆上的塔西南油田、四川的川东油气田等都存在着不同程 度的高温、高压下的钻井与完井问题。其中主要的问题包括 1 压力过高 原则上，钻这种高压井应采用足够高的钻井液密度，以维持在孔隙压力之上一个合 适的安全范围。但是，有的地区地层压力系数和地层破裂压力系数相近，钻井液安全密 度范围很窄，有时小于循环压耗，使钻井过程中井漏与溢流经常同时发生；另外，由于 井很深，钻井液密度的变化导致的井底压力降低往往与起钻时所引发的抽吸压力共同作 用，致使并底压力在起钻过程中进一步降低，易于诱发并涌、井喷等事故。因此，需要 建立准确的当量密度模型，确保钻井液静压和动压计算的准确，达到控制钻井液性能和 钻井参数的目的，确保高温高压井的施工安全。 2 温度过高． 过高的温度使钻井液密度不能按常数来处理，而是温度和压力的函数。文献【l 】中给 出了一个例子一种不含加重材料的合成油基钻井液在井口测得密度为0 ．7 9 9 ／e r a 3 ，在 井底4 9 7 6 m 处，温度达2 0 1 “ 1 2 时，密度变成了0 ．6 8 9 ／e l n 3 ，井底密度比井E l 密度减小1 4 ％。 因此，能否确定钻井液的物性随井深的变化规律及其对并下温度、压力的影响，关系到 高温高压井的施工成败。另外，深井中存在的井壁稳定性问题与井筒内的流体温度和井 壁温度有着密切的联系。井内流体温度和井壁温度对以下几方面有着重要影响f 2 1 ①钻 井液的流变性、密度、化学稳定性；②固井水泥浆的流变性、初凝时间、水泥环的强度； ③油层渗透率的温度敏感性和热应力敏感性，油层保护剂和暂堵剂的热稳定性；④注水 过程中的热应力诱发裂缝；⑤热采过程中油管和水泥环的强度 包括界面胶结强度 ；⑥ w w w . b z f x w . c o m 第一章绪论 采油过程中的析气和析蜡；⑦热应力对井壁稳定性的影响；⑧水力和酸化压裂。此外， 井口装置和采油装置的设计、管道的防腐、修井和井控施工 动态压井 、井下测试工具 的设计和测井解释都需要准确预测井内流体温度。因次，井内流体温度和井壁温度的研 究对钻井、固井、油层保护、压裂、热采、注水开采都有实际意义。 海上存在大量的油气资源，人类对海底的油气资源的勘探开发还处在初期。但深水、 超深水钻井技术成了近几年的热点问题。现在，水深5 0 0 m 以下为常规作业，5 0 0 m ．2 0 0 0 m 为深水作业，2 0 0 0 m 以上为超深水作业，但是这些认识会随着技术的进步而改变。水愈 深，钻井的难度愈大，其中主要的问题包括 1 低温引起的问题 海底的温度一般在59 C 左右，有些地区达．3 ℃，海水的低温可以影响到海底泥线以 下约4 5 0 m 的岩层，使它们具有低于正常地温梯度下的温度。低温给钻井带来的主要问 题包括 ◇低温使得井控更加困难； ◇低温使得钻井液液柱压力升高； ．◇低温使得固井质量难以保证； ◇低温下容易形成天然气水合物； 2 浅部水层的井涌 海底浅部地层地质年龄轻、欠压实，因此渗透率较高，使得高压层内的地层水以很 高的流速流向低压区，即浅部水层的井涌。它通常是许多钻井问题的起因，表现为钻井、 下套管固井出现困难等。 3 泥浆过平衡密度窗口狭窄 深水区域上覆岩层相当一部分是由海水所代替，因此上覆岩层压力与陆地上相比要 偏低。地层在这种低的上覆岩层压力下压实，趋向于较低的破裂压力，而孔隙压力没有 很大的变化，这就使得孔隙压力与破裂压力之间的差距变的较小，即所谓的窄密度窗日一 窄密度窗口的存在意味着过平衡泥浆密度窗口很小，势必导致套管层次的增多。因此近 几年出现了双梯度钻井以解决窄密度窗口引起的套管层次增多的问题。如果井比较深， 可能还会有高温、高压环境存在，这样钻井液在海底，处在低温状态，而在井底，处在 高温高压状态。这样低温、高温、高压在同一井中会同时存在，低温、高压会使钻井液 的密度增加，高温会使其密度减小。同时低温、高温、高压还会影响钻井液的流变性。 因次，在深水钻井过程中，如果不考虑各种因素对钻井液物性的影响，就会在计算井底 2 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 中国石油大学 华东 硕士学位论文 温度、压力时出现较大的误差，从而可能引发事故。 另外，大量的研究表明【4 】，热效应会改变井壁应力，而井壁应力的改变对地层的破 裂压力梯度影响很大。深井施工中，下部地层温度较高，上部地层温度较低。钻井液循 环过程中使下部井壁围岩温度降低，上部井壁围岩温度升高。由于受冷收缩，相应的减 小了下部围岩的切向应力，使之变得较为稳定；由于受热膨胀，上部围岩切向应力增大， 当膨胀应力和原地应力引起的井壁围岩重新分布应力和超过岩石强度时，就会导致井壁 失稳破坏。温度升高1 ℃，对中硬度的岩石会产生0 ．4 M P a 的压应力，对坚硬岩石会产 生1 M P a 的压应力。在一口4 0 0 0 至5 0 0 0 m 深的井中，循环和停止循环的温差会导致2 5 至5 0 M P a 的温差应力产生。所以深井井壁稳定研究必须计入温度变化在井壁上引起的 附加变温应力【5 】。文献【4 】的前景展望中提到，要预测井眼的稳定性，需要把井眼稳定性 与变化的井内温度联系起来，另外还需要建立随温度变化的实时压力剖面。因此说，研 究钻井过程中井筒内的温度和压力对于安全钻进有重大指导意义。 综上所述，不管是陆上的高温高压井，还是海上的低温高压井，钻井液的物性沿井 深方向会发生较大的变化，如果还是把它们按常量处理，计算出的井底压力和温度将有 较大的偏差，这个偏差可能会引发安全问题。因此准确计算井内的温度和压力，建立一 套考虑钻井液物性随温度和压力变化的井筒内温度和压力的计算方法很有必要，对于确 保钻井安全具有重要的工程实际意义。 本论文主要工作是针对深水钻井过程，用数值方法计算深水钻井过程中并筒内的 温度和压力，分析各种因素对温度和压力的影响。准确计算井筒内的温度和压力对固井、 井控、套管层次设计等有重要意义。本文中，以常见的隔水管系统为例进行研究和分析。 3 w w w . b z f x w . c o m 第一章绪论 隔水管钻井系统示意图如下 1 ．2 温度场的研究现状 图1 - 1 隔水管钻井系统示意图 F i 9 1 - 1 R i s e rd r i l l i n gs y s t e m 温度场的研究有数值方法和解析方法两种。 1 数值方法 数值方法中，＆岬n o n d 【6 】提供了一种预测稳态和拟稳态情况下井筒温度剖面的方法。 M a r s h a l l 和B 删7 1 给出了钻柱内、钻柱、一环空内、地层内的四个偏微分能量方程，．以 解决井筒内的非稳态传热问题，并计算出了钻柱的旋转产生的热量，钻头处产生的热量 和由钻井液的粘性产生的热量。B e i r u t e i s ] 提出了另一个瞬态模型，其中考虑了岩石的热 物性随温度的变化，这个模型修正提高了计算的精度。以上方法中，钻井液的物性，如 密度、粘度、比热、导热系数等都是按常量处理的。 2 解析方法 解析方法中，需要把模型简化，得到较为简单的模型方程。黜I m e y 【9 】第一个提出了 4 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 中国石油大学 华东 硕士学位论文 井筒内瞬态传热问题的解析方法。他的解法中假设热流在井眼内的传递很快，更重要 的是，热流流过井眼周围的各种介质 例如钻柱，套管，水泥环 的速率比地层中的传热 速率要快，所以，井筒内的传热可以被看成是稳态传热，而地层内的属于瞬态的导热。 在这种方法中，R a m e y f 9 J 用一个与时间有关的总传热系数来近似描述地层内的传热。后 来，W i l l h i t e t l o 】给出了井筒内钻井液与地层之间传热热阻的详细推导，并给出了总传热 系数的表达式。S a g a r e ta 1 ．I l l 】把R a m e y 和W i l l h i t e 的传热机理由单项流扩展到了多相流， 并加入了流体动能的影响和焦耳一托马斯效应。D u r r a n t 和T h a m b y n a y a g a m [ 1 2 】在计算地 层中的传热时，成功利用L a p l a c e 变换和F o u r i e r 变换得到三维非稳态传热精确解。H a s a n 和K a b i r t 乃J 在R a m e y 和W i l l h i t e 方法的基础上也成功计算了井筒内的稳态两相流动，他 们用不同的方法得到了热扩散方程的解。 1 ．3 井筒压力场的研究现状 钻井过程中，常规的预测井底静液柱压力时用到的钻井液密度p 按常量计算。但是 在深水钻井中，温度低、压力高，因此，对钻井液的密度的影响也就比较大，如果p 还 是按常量来计算，计算出来的井底压力就会与实际的相差较大，容易导致井涌或井漏。 为了解决上述问题，必须准确计算深水钻井时井筒内的压力，提供合理的钻井液密度确 定方法。 井筒内的温度和压力受各种因素的影响，比如环境温度、地温梯度、井身结构、 钻井液性能、水泥浆性能、循环参数等。要精确计算并筒内的压力，需要与井筒内的温 度进行耦合计算。其中钻井液的物性要按变量来计算。另外，还要有精确计算井筒内 摩擦压降的方法。 压力场的计算主要包括两个方面当量静态密度和当量循环密度。 1 当量静态密度计算方法 通常；计算井底静液柱压力的公式为 p p g 日 1 1 式中，P 为井底压力，M P a ；户为钻井液密度，g ／c m 3 ；日为井深，k m 。 浅井中，户可以视为常数。实际上钻井液是多相流体，既具有可压缩性，又具有热 膨胀性，即一方面p 会随压力升高而增大，又会随温度升高而减小，所以，在深井中， p 不能视为常数。H o b e r o c k t l 4 】等的研究结果表明，在井深6 1 0 0 m 处 温度1 9 1 ℃，压力 5 第一章绪论 1 0 3 ．4 M P a 纯水流体密度由常温常压下的1 0 0 0 k g ／m 3 降至9 3 6 k g ／m 3 ，而某种水基钻井液 密度由常温常压下的16 2 0 k g ／m 3 降至15 3 0 k g ／m 3 。此时，井底钻井液液柱压力实际值要 比p 当作常数求得的值减少2 ．1 4 M P a ，这样大的误差足以给井控带来严重问题，甚至可 能导致井喷事故的发生。 所以说，计算深井井筒内的压力时，密度p 不能按常量计算，否则，有可能导致危 险的发生。而要准确计算井筒内的压力，只需要准确计算当量密度见。当量密度成又 分为当量静态密度肠和当量循环密度肠。肠可以通过分段求解后叠加，求出肠后， 利用公式肠 肠 等可求得肠，其中卸是摩擦压降。 g l I 为准确计算井底静态压力及循环压力，必须首先建立在高温高压条件下，钻井液密 度的精确预测模型。随着深度的增加，井筒内的温度不断升高，压力不断增大。温度的 升高会使钻井液的密度减小，压力的升高会使钻井液的密度增大。所以说，两者对钻井 液密度的影响是相反的。现场实测数据表明，在高温高压井中，井底的钻井液的密度与 地面上的钻井液的密度有明显的不同。K e e l 缸A d a m s o n f l 】等人特别提到了高温高压对钻 井液密度的影响，认为这种影响足以使高温高压井的井眼稳定出现问题；M e M o r d i ee t “1 7 1 研究了温度和压力对水基、油基钻井液的密度的影响，实验数据表明钻井液的密 度的变化是温度和压力的函数，而且与初始密度无关；相同状况下，相同密度的油基钻 井液和水基钻井液，油基钻井液受温度和压力的影响更大。H o b e r o c ke ta l t l 4 1 给出了预测 水基、油基钻井液密度的组分模型，密度为2 ．1 5 7 9 ／e r a 3 的油基钻井液，升温到2 0 4 “ 2 ， 1 0 3 ．4 M P a ，钻井液的密度改变了O ．1 8 9 ／e r a 3 。如果在计算井底压力时这个变化不记入在 内，可能会导致井控问题，为了井控安全、防漏失，必须考虑温度和压力对钻井液的密 度的影响。K u t a s o v t l 8 】提出了确定井下钻井液密度的经验模型，并回归了模式中的经验 ．系数。 归纳起来，上述对钻井液密度随温度和压力的变化的模型研究可分为两种方法，即 所谓的“复合模型一和“经验模型’’。 “复合模型“ 认为钻井液是由水、油、固相、加重物质和添加剂等所组成，而每种 组分的性能随温度和压力而改变的情况是不同的。在确定了这些单一组分的随温度、压 力变化规律后，便可以得到预测钻井液密度变化的“复合模型”。以H o b e r o c k 【1 4 】等人的 模型为代表，其模型如下 6 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 中国石油大学 华东 硕士学位论文 p p ，r ．p 幛l o 七p “{ ． p s { s 七p c l 其中【1 9 】 p p ，r - 温度压力为 P ，T 条件下的钻井液的密度； 几，几参比条件下的油、水的密度； 岛，岛韫度压力为 P ，D 条件下的油、水的密度； 六，兀，Z ，Z 参比条件下油、水、固相、添加剂的体积分数； 用经验方程来表征公式 1 - 2 中的见，几。如下 岛2 4 4 r 4 P ，几2 骂 垦丁 马户 其中 ’4 7 ．2 4 0 3 2 ， 垦 8 ．6 3 1 8 6 1 2 4 - 2 ．8 4 3 8 3 x 1 0 。3 ， 垦 一3 ．3 1 9 7 7 1 0 句 4 2 ．7 5 6 6 0 1 0 。5 ， 马 2 ．3 7 1 7 0 1 0 。 如果水相是盐水【2 0 1 ，则 成 1 口1 6 其中 a - 2 ．2 5 9 7 x 1 0 - ．9 T 3 1 ．7 2 6 8 x 1 0 _ 6 T 2 5 ．9 0 1 x T b 一8 ．9 7 7 1 x 1 0 1 1 P 2 1 ．2 8 8 4 x 1 0 ．6 P 2 T 2 7 ．3 5 x 1 0 1 0 P 丁一1 ．8 7 9 2 x 1 0 ．6 T 0 ．0 0 1 3 4 1 9 这种模型使用起来较为复杂，需要对钻井液的不同成分 水、油、固相等 分别进行 实验，掌握其规律才能应用。 “经验模型“ 是根据大量的实验数据分析得到的经验模型，因而有不同的数学表达 式，使用精度也各有不同。该模型只需对所用钻井液进行有限的几组试验，以确定模式 中的常数。其中具有代表性的为 管志j t i t 2 1 】 7 第一章绪论 p o 1 一以 p P 。 一所 丁一瓦 1 - 3 P 。 鄢捷年[ 2 2 1 p T ，P P o e 口‘r 一2 6 朋H 6 村’p 14 汪海阁圆 p T ，p p o e 。 p - 凡 6 r 喝m r 一而 2 1 ．5 张金波f 2 4 】 p 2 P o P r ‘p ，’ ’1-6 其中 r p ，D ％ p 一夕。 7 ．矽 p - p o 2 7 ， r 一瓦 厂玎 丁一死 2 7 p l “ P - P o T - T o 以上各式中，p T ，p 为温度r 、压力P 时的钻井液密度；P o 为温度死、压力p 。时 的钻井液密度；口、b 、c ，7 ，，，刀，7 “ r ，厂仃，抽为钻井液特性常数。 在实际应用中【2 5 1 ，一般情况下，确定钻井液密度有两种方法第一种方法根据地 层孔隙压力破裂压力值，使钻井液密度保持和地层孔隙压力相平衡，再加一个附加值卸，， 附加值可用系数表示，也可用绝对值表示。使用绝对值表示油井为1 ．5 M P a “ - - ．3 ．5 M P a ， 气井为3 ．0 M P a - - ．- 5 ．O M P a 。用系数表示为油井0 ．0 5 “ - - - 0 ．1 0 ，气井为0 ．0 7 “ - - 0 ．1 5 。第二种方 法考虑影响钻井液密度的一些因素，经过详细计算求出钻井液密度，再加一个附加值。 影响钻井液密度的因素有环空流动阻力、环空岩屑量、温度、压力以及抽吸压力等。 2 当量循环密度计算方法【1 5 】 ．摩擦压降是流动期间钻井液与流动管壁相接触所造成的压力损耗。由于钻井液的流 动，管壁表面可形成边界层，即钻井液的粘度特性会使与流动方向相垂直的流速发生变 化。钻井液流速的这一变化表现为产生动量损耗和流动阻力。由此造成的压降与流动管 壁的长度、钻井液密度、钻井液流速的平方成正比，与管壁的直径成反比。用公式表示 为 嵋 孕址 1 - 7 式中，P 为钻井液密度；D 为钻井液流速；缸为流动管壁的长度；d 为管柱直径； 8 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 中国石油大学 华东 硕士学位论文 N g , ．9 ．2 ．．8 ．．p ．．v ．．d ．0 - 8 6 钻井液平均流速； 其中宾汉流体的表观粘度可用式 2 - 4 8 ， 2 - 4 9 计算。 嵋 净割缸 m 功 嵋 岛 刮址 小∞ 式中，盔环空内径；d - 环空外径； 万1 4 1 0 9 l o ％历_ o ．3 9 5 1 1 1 9 第一章绪论 哆 孕址 1 - 1 2 另外，褚元林【1 6 】等针对直井钻进过程中环空内岩屑的运移特点，对环空中固液两相 流动压降进行了理论分析，采用因次分析的方法综合考虑了影响压降的诸多因素，导出 了固相摩阻系数与傅劳德数之间的关系，提出了总摩阻系数的理论计算公式，修正了过 去计算环空压降时忽略固相引起的压降，为准确进行水力优化设计提供了参考依据。 褚元林认为匀速段固液两相流压降印。主要包括流体本身产生的摩擦压降印工，固相 颗粒运动引起的摩擦压降卸，，以及固相颗粒自重引起的压降卸曲，即 印席 卸工 卸， 印曲 1 1 3 跟据范宁方程，流体引起的压降印工为 虹d L 辔DD 1 - 1 4 一 D 、 仿照流体引起的压降卸上的形式，固相颗粒引起的压降肇，的表达式形式可写为 差 鬻DD m 均 比 一， 、’ 固相颗粒自重引起的压降印曲实际为L 长管路单位截面积上固相颗粒的重量，对于 等速段来讲，卸曲的表达式为 盟成移口1-16dL ●j uq 其中C a 为环空中无因次岩屑浓度，表达式为 厶 尺{ [ t 二 鲁] 2 ] b 一2 ．9 5 足’一】 _ c - - 乃 其中P ，，岛分别为岩屑和泥浆密度，k ／m 3 ；g 为重力加速度，m 詹；R 为机械 钻速，毗；以为岩屑颗粒直径，m ；K ’为速度系数，无因次；吩为洗井液返速，m ／s 。 1 0 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 中国石油大学 华东 硕士学位论文 兰氅 2 f , p , o D 一缉 一l 2 z 岛砰 D p P 一l g 只c 口 2 石 z 岛彳 D p P 一l g 几乞 a L 1 - 1 8 令f - - f , 六为总无因次摩阻系数，则上式变为 百d P ． 2 扔砰 。一珥 一l g P , c 口 ‘ 1 - 1 9 褚元林最后推导出了总无因次摩阻系数／的表达式为 似熹竿南 等] l l 专 m 2 ∞ 其中毛为修正系数；R e 为颗粒雷诺数；E ，s 为相关待定常数；9 生；{ f ， 旦； U lp s d ，为颗粒直径。 第二章深水钻井井筒温度压力计算方法 2 ．1 解决方案 第二章深水钻井井筒温度压力计算方法 在传统的计算方法中，井筒内的温度基本是用地温梯度进行估算，静液柱压力是用 公式P 昭日计算，其中夕是常量。用传统的方法得到的井筒内的温度和压力的精度 不高，特别是在深井、超深井钻井过程中，存在较大的误差。随着钻井技术的日益提高， 已经不满足工程的需要，需要用一种新的方法来精确的计算井筒内的温度和压力，以解 决钻井过程中遇到的相关问题并保证钻井作业的安全顺利进行。 井筒内的流动与传热是同时发生的，所以，温度和压力是相互关联、相互耦合的， 计算时需要作为一个整体进行研究。下图是温度和压力的耦合关系。箭头“一“ 表示“受 制于“ 。 图2 - 1 温度- 压力耦合关系图 F i 9 2 - 1T e m p e r a t u r e - P r e s s u r er a l a t i o n s h i p 由上图可见，求压力只需知道当量循环密度；当量循环密度又受制于温度和压力； 其中温度与当量循环密度、钻井液导热系数、钻井液比热容、钻井液粘度相关；而当量 循环密度、钻井液导热系数、钻井液比热容、钻井液粘度等又受制于温度和压力。所以 说，钻井过程中，钻井液的密度、粘度、导热系数、比热都是温度和压力的函数，即 可用数学形式表达为 见 p 。o ，丁 丑 丑 p ，D q c ， p ，n ∥ ∥ p ，Z 本文利用能量守恒定律推导模型方程，下面是钻井过程中的外部能量的转换关系 1 2 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 中国石油大学 华东 硕士学位论文 摩擦生热 摩擦生热 图2 - 2 能量转换关系图 F i 9 2 - 2E n e r g yc o n v e r t i o nr a l a t i o n s h J p ， 由上图可见，对于整个钻井系统，输入系统的能量主要包括钻井泵提供的压力水头 和钻机提供的机械能，这两部分能量最终都将以热量的形式提供给钻井液。另外还有一 部分是钻井液与地层的换热。这些过程将在本章以数学模型的形式给出并求解。 2 ．2 基本假设 在模型建立之前，应先在不违背实际问题的前提下做一些必要的假设，把实际问题 进行简化。对于本文中求解井筒内的温度和压力这一问题，做如下假设 1 钻井液的物性随温度和压力是变化的； 2 钻井过程为正常钻进，没有井漏、气侵等的发生； 3 钻柱内、环空内的流体温度为一维分布； 4 地层岩石、钻柱、隔水管的导热系数和比热不变； 5 不