专利名称：一种符合幂律模式的钻井液流变参数控制方法
技术领域：
本发明属于石油天然气钻井领域，涉及一种符合幂律模式的钻井液流变参数控制方法。
背景技术：
在石油天然气钻井领域，钻井液被比喻为钻井的血液，它与钻井速度、钻井成本及钻井参数紧密相关，钻井液的性能是钻井成败的重要因素之一。一般情况下，钻井液属于非牛顿流体，其流变性用流变方程来描述，幂律模式(Power Law Model)是最常用的流变模式之一，流变方程为τ =K Yn，其流性指数η和稠度系数K的合理控制对于钻井液有效携岩、安全优快钻井有重要意义，也与钻井液的压降、摩阻计算及优化施工参数紧密相关，因此，根据钻井工艺的要求，确定流变参数的合理范围是十分重要的，因此行业标准推荐η值范围为0. 4 0. 7，K值范围为0. 01915 0. 1915Pa · sn(见非专利文献《SY/T 5234-2004 优选参数钻井基本方法及应用》)。目前，钻井现场钻井液流变参数的方法存在一些不足， 主要体现在(1)流变参数估计精度不高，导致控制不当，浪费钻井液材料，增加钻井成本；通过泥浆大班感官眼看手摸的办法判断钻井液性能，过多的依赖于泥浆大班的经验，缺乏合理的手段和程序。目前，流变参数的估计，通常是采用旋转粘度计测量入井流体不同转速下的读数， 根据这些实测数据选择一定的方法进行计算，得到相应的流性指数估计值和稠度系数估计值。现场钻井液技术员主要采用两种方法，一是直接估计法，另一个是线性回归法。直接估计法主要是采用旋转粘度计300转读数和600转读数进行估计，主要缺陷是计算点单一，仅仅代表某一剪切速率下的流变参数，而钻井液在井内的循环过程从钻杆、 钻铤、环空至返出井口，剪切速率变化范围很大(见非专利文献《钻井液工艺学》第68页， 鄢捷年主编，中国石油大学出版社，2000)，所以这种估计方法不能准确反映各剪切速率下的流变性。为克服直接估计法的不足，另一种现场普遍采用的方法是线性回归法，主要是对幂律模式流变方程τ =K Yn两边取对数进行线性化处理，转换为线性方程Y = a+nX(其中γ = 1ητ，a = InK，X= In Y )，根据线性回归法相关公式估计出流变参数η和K的值，由于对幂律模式流变方程取对数进行线性化转换后，新方程出现方差异性，不再满足 Gauss-Markov假定，参数估计不具有方差一致最小性，结果造成流变参数η和K的估计精度大大降低，对钻井液调整产生“误导”。但是，由于其计算简单，这种方法目前应用较为广泛。目前，学术上还出现了非线性回归法。非线性回归法通常通过LMF算法 (Levenberg-Marquardt-Fletcher)求解，或者转换为一元非线性方程求根，但都没有解析公式，必须进行数值计算，这涉及到初始值的选取、导数运算、确定搜索区间等问题，结果造成循环次数多、计算量偏大、算法复杂且不稳定，给现场实际应用造成较大困难，所以这种方法应用很少。
发明内容
本发明的目的是提供一种符合幂律模式的钻井液流变参数现场控制方法，以解决现有的方法利用线性回归法计算存在方差异性及计算精度较低的问题，克服现场仅凭经验进行钻井液流变参数调整的不足。为实现上述目的，本发明的一种符合幂律模式的钻井液流变参数控制方法步骤如下(1)根据井眼尺寸、井径扩大率、环空间隙、固相颗粒和泥浆泵排量大小，确定符合幂律模式的钻井液流性指数η和稠度系数K的取值范围；(2)从振动筛前泥浆槽内采集钻井液样本，测量并记录钻井液样本在N种不同转速Φ下的读数θ，其中N彡3;(3)将得到的不同转速φ和对应的读数θ转换为相应的剪切速率、和剪切应力 τ ；(4)根据得到的剪切速率Y和剪切应力τ估计流性指数η和稠度系数K的值；(5)将估计的流性指数η和稠度系数K的值与确定的取值范围进行比对，判定流变参数是否在取值范围内，若是未在确定的取值范围内，则对钻井液进行调整，并重复步骤 (2)至(5)，直至钻井液流变参数在确定的取值范围内；若是在确定的取值范围内，则对钻井液进行正常维护。进一步的，所述步骤(2)中是用旋转粘度计测量钻井液样本在N种不同转速Φ下的读数θ。进一步的，所述步骤(3)中是依据旋转粘度计仪器常数，将不同转速Φ和对应的读数θ转换为相应的剪切速率Y和剪切应力τ。进一步的，所述步骤中流性指数η和稠度系数K的值估计步骤如下步骤41 把幂律模式流变方程τ = K Yn两边取自然对数，转换为线性方程Y = a+nX，根据剪切速率Y和剪切应力τ，用线性回归法，初步估计流变参数η和K的值，记为步骤42 根据流变参数估计值力和I，计算线性方程Y = a+nX的残差平方和，记为
N
权利要求
1.一种符合幂律模式的钻井液流变参数控制方法，其特征在于，该方法的步骤如下(1)根据井眼尺寸、井径扩大率、环空间隙、固相颗粒和泥浆泵排量大小，确定符合幂律模式的钻井液流性指数η和稠度系数K的取值范围；(2)从振动筛前泥浆槽内采集钻井液样本，测量并记录钻井液样本在N种不同转速Φ 下的读数θ，其中N彡3;(3)将得到的不同转速Φ和对应的读数θ转换为相应的剪切速率γ和剪切应力τ；(4)根据得到的剪切速率Y和剪切应力τ估计流性指数η和稠度系数K的值；(5)将估计的流性指数η和稠度系数K的值与确定的取值范围进行比对，判定流变参数是否在取值范围内，若是未在确定的取值范围内，则对钻井液进行调整，并重复步骤(2) 至(5)，直至钻井液流变参数在确定的取值范围内；若是在确定的取值范围内，则对钻井液进行正常维护。
2.根据权利要求1所述的一种符合幂律模式的钻井液流变参数控制方法，其特征在于，所述步骤O)中是用旋转粘度计测量钻井液样本在N种不同转速Φ下的读数θ。
3.根据权利要求2所述的一种符合幂律模式的钻井液流变参数控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中是依据旋转粘度计仪器常数，将不同转速Φ和对应的读数θ转换为相应的剪切速率Y和剪切应力τ。
4.根据权利要求3所述的一种符合幂律模式的钻井液流变参数控制方法，其特征在于，所述步骤⑷中流性指数η和稠度系数K的值估计步骤如下步骤41 把幂律模式流变方程τ =K Yn两边取自然对数，转换为线性方程Y = a+nX， 根据剪切速率Y和剪切应力τ，用线性回归法，初步估计流变参数η和K的值，记为n~和K~步骤42 根据流变参数估计值n~和k~，计算线性方程Y = a+nX的残差平方和，记为Q~
5.根据权利要求4所述的一种符合幂律模式的钻井液流变参数控制方法，其特征在于，所述步骤41中流变参数η和K的估计值力和尤，计算公式如下
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种符合幂律模式的钻井液流变参数控制方法， 其特征在于，所述步骤(5)中如果流变参数估计值未在确定的取值范围内，根据钻井液基本配方，现场做小型试验，确定钻井液材料加量，对钻井液进行处理。
全文摘要
本发明涉及一种符合幂律模式的钻井液流变参数控制方法,根据井眼尺寸、井径扩大率、环空间隙、固相颗粒及泥浆泵排量大小确定流变参数合理取值范围，测量钻井液不同转速下的读数并转换为相应的剪切速率和剪切应力，对流变参数进行估计，依据其估计值是否在确定的取值范围内，做现场小型试验，确定钻井液调整处理措施。本发明的方法考虑多种因素设定流变参数合理取值范围，通过提高流变参数估计精度，从而对钻井液调整做出合理判断，利用现场小型试验，确定钻井液维护处理措施，节约处理剂用量，降低钻井成本。
文档编号E21B21/08GK102425386SQ20111028009
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年9月20日
发明者侯瑞云, 邓红琳, 郑锋辉, 闫吉曾 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司华北分公司工程技术研究院