专利名称：一种卡森模式钻井液流变参数的控制方法
技术领域：
本发明涉及石油天然气钻井领域，涉及一种符合卡森模式的钻井液流变参数的控制方法。
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，符合卡森流变模式的称为卡森流体，卡森模式(Casson Model)由卡森于1959 年提出，是常用的流变模式之一，可适用于各种类型的钻井液(见文献《钻井液工艺学》第
76页，鄢捷年主编，中国石油大学出版社，2000)，流变方程为= ^+』一，其流变参数
τ。称为卡森动切力或卡森屈服值，η =O称为极限高剪切粘度或卡森粘度，常用来近似表示钻井液在钻头喷嘴处紊流状态下的流动阻力，因此也称为水眼粘度。这两个参数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(见文献《钻井手册(甲方)上册》第773 页，《钻井手册(甲方)》编写组，石油工业出版社，1990)，也与钻井液的压降、摩阻计算及优化施工参数紧密相关，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τ。值范围为τ。>4Ρει，η m值范围为3 IOmPa (见文献《SY/T 5234-2004 优选参数钻井基本方法及应用》)。目前，现场调整钻井液流变参数的方法存在一些不足与缺陷，主要体现在两个方面(1)流变参数估计精度不高，导致控制不当，增加工人劳动量， 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估计，得到相应的卡森屈服值估计值t和卡森粘度估计值I，估计方法主要有三种，一是直接估计法，二是线性回归法，另一个是非线性回归法。直接估计法主要是采用旋转粘度计100转读数、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，另一种现场常用方法是线性回归法，对卡森模式流变方程^ =τ|+7 ^进行线性化处理，转换为线性方程，Y = a+bX(其中γ = τ。= τ“ = 7 差，
爿)，根据线性回归法相关公式计算出τ。和Il00，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，结果造成流变参数的估计精度大大降低，对钻井液调整产生“误导”。
非线性回归法由于计算精度要高于线性回归法，越来越受到工程技术人员的重视。目前，利用非线性回归法估计流变参数，通常通过LMF算法 (Levenberg-Marquardt-Fletcher)求解，属于二元函数的极值问题，须设置初始值，进行判断转移次数较多，涉及大量矩阵运算，见文献《最优化原理与方法》(薛毅著，北京工业大学出版社，2001)；文献《钻井液卡森参数非线性最小二乘估计新算法》(鲁港李晓光等，石油学报2008年第3期)提出了一种方法，主要是求解二元非线性方程组，然后判断根的合理性。但是，这两种方法都过于复杂，编程步骤过多，判断转移次数多，计算量大，给实际应用造成较大困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种卡森模式钻井液流变参数的控制方法，以解决现有控制方法中计算量大、方法复杂，不适于现场实时操作的问题。为实现上述目的，本发明的一种卡森模式钻井液流变参数的控制方法包括以下步骤(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，确定钻井液卡森屈服值τ。和卡森粘度Il00的合理取值范围；(2)从振动筛前泥浆槽采集钻井液样本，测量并记录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Y和剪切应力 τ ；(4)根据得到的剪切速率Y和剪切应力τ，估计卡森屈服值、和卡森粘度值 η ，得到卡森屈服估计值(和卡森粘度估计值T^00 ；(5)将卡森屈服估计值(和卡森粘度估计值T^00与步骤(1)确定的取值范围进行比对，判定流变参数是否在合理取值范围内，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( 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O)中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，所述步骤中卡森屈服值τ。和卡森粘度值η 的估计步骤如下步骤41 对卡森模式流变方程进行参数代换，令
j = ^，力=』，基于最小二乘法原理，建立关于变量a的目标函数P(a)，
权利要求
1.一种卡森模式钻井液流变参数的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(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，确定钻井液卡森屈服值τ。和卡森粘度η㈤的合理取值范围；(2)从振动筛前泥浆槽采集钻井液样本，测量并记录N种不同转速Φ下的读数θ，其中 N > 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Y和剪切应力τ；(4)根据得到的剪切速率Y和剪切应力τ，估计卡森屈服值τ。和卡森粘度值η①，得到卡森屈服估计值(和卡森粘度估计值T^00 ；(5)将卡森屈服估计值(和卡森粘度估计值T^00与步骤(1)确定的取值范围进行比对， 判定流变参数是否在合理取值范围内，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( 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所述的一种卡森模式钻井液流变参数的控制方法，其特征在于所述步骤O)中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所述的一种卡森模式钻井液流变参数的控制方法，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所述的一种卡森模式钻井液流变参数的控制方法，其特征在于，所述步骤中卡森屈服值、和卡森粘度值η 的估计步骤如下步骤41 对卡森模式流变方程进行参数代换，令0 = 4，彡，基于最小二乘法原理，建立关于变量a的目标函数
5.根据权利要求4所述的一种卡森模式钻井液流变参数的控制方法，其特征在于所述步骤43中一维搜索法为黄金分割法、二分法、分数法、进退法或插值法。
6.根据权利要求5所述的一种卡森模式钻井液流变参数的控制方法，其特征在于所述步骤(4)可通过EXCEL平台实现。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种卡森模式钻井液流变参数的控制方法，其特征在于所述步骤(5)中若流变参数估计值未在确定的取值范围内，则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
本发明涉及一种卡森模式钻井液流变参数的控制方法，首先确定流变参数合理取值范围，通过旋转粘度计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设定的取值范围内，做现场小型试验，确定钻井液调整处理措施。其中流变参数估计基于最小二乘法，通过数学变换建立关于a的一元目标函数P(a)，利用一维搜索法求解a值，使P(a)取最小值，进而求出卡森屈服值和卡森粘度估计值。本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E21B21/08GK102434119SQ20111028063
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年9月20日
发明者狄伟, 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