大位移钻井环空岩屑床高度分布和井底压力实时变化的计算方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及石油与天然气开技术领域，更为具体地，设及一种大位移钻井大斜度 井段和水平井井段（W下W长斜段统称)钻井时环空岩屑床高度分布和井底压力实时变化 的简便计算方法。
【背景技术】
[0002] 大位移井本质上是水平位移较长的定向井，目前，其水力学计算现场多是直接使 用定向井研究成果。运在大斜度井段和水平井段不太长时，误差可W接受。但在应用于高水 垂比大位移井，尤其是海上超高水垂比大位移井时，将会产生较大误差。其原因如下：一方 面，海上很多大位移井其大斜度井段和水平井段长达3000-5000米，在此井段钻井时，地层 破裂压力基本不变，而井底压力则随着环空压耗的增加而逐渐增加，两者差值越来越小，极 易诱发井下事故。运就要求对于井底压力(环空压耗)的计算和预测必须足够准确和精确。 另一方面，研究表明，大斜度井段和水平井段岩屑易下沉形成岩屑床，岩屑床对环空压耗的 影响很大，要精确计算环空压耗就必须首先了解环空岩屑床分布。随着大位移井井深的增 加，大斜度井段越来越长，钻井时岩屑床从形成到铺满整个环空需要很长时间，再加上一些 施工操作的影响，在此过程中，环空岩屑床分布是实时变化的，稳态模型仅能计算环空达到 稳定后最终形成的岩屑床高度，而无法计算整个过程中岩屑床的分布变化。岩屑床分布未 知，环空压降自然也无法精确计算，无法满足大位移井井眼清洁和水力参数设计的需要。目 前，国内外已建立了多个岩屑床动态运移模型，运些模型均是复杂的非线性方程组，求解难 度高、速度慢，不适合工程应用，很难为工程设计提供直接帮助。
【发明内容】
[0003] 鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种大位移钻井环空岩屑床高度分布和井底 压力实时变化的计算方法，W解决现有复杂非线性岩屑床动态移动模型的缺陷的问题，此 方法快速、准确的计算钻井时环空岩屑床高度和井底压力的实时分布变化，为长斜段钻井 水力参数设计及计算提供帮助，减少井下事故、提高钻井效率。
[0004] 本发明提供一种大位移钻井环空岩屑床高度分布和井底的压力实时变化计算方 法，包括：
[0005] 根据获取的钻井基本参数，获取环空稳态岩屑床高度；
[0006] 根据所述环空稳态岩屑床高度，获取岩屑床推移速度和悬浮岩屑沉降成床速度；
[0007] 根据所述岩屑床推移速度和悬浮岩屑沉降成床速度，获取环空岩屑床动态运移速 度；
[000引根据所述环空岩屑床动态运移速度，获取环空岩屑床动态运移距离；
[0009]根据所述环空稳态岩屑床高度和所述环空岩屑床动态运移距离，获取环空岩屑床 高度分布；
[0010] 根据所述钻井基本参数和所述岩屑床高度，获取不同时刻的环空压耗；
[0011] 根据所述不同时刻的环空压耗和井底的垂直深度，获取不同时刻的井底压力。
[0012] 此外，优选的方案是，根据钻井设计和实测数据，获取钻井基本参数;其中，所述钻 井基本参数包括段井眼内径、钻柱外径、泥浆排量、泥浆密度、泥浆流变参数、钻柱转速、钻 柱偏屯、度、机械钻速、井斜角、岩屑密度、岩屑粒径和井底的垂直深度。
[0013] 此外，优选的方案是，在根据获取的钻井基本参数，获取环空稳态岩屑床高度的过 程中，采用如下公式获取：
[0014]
[001引其中，出为岩屑床高度；
[0016] dw、dp。和山分别为井眼内径、钻杆外径和钻头直径；
[0017] Pf和Ps分别为泥浆和岩屑密度；
[001引iie为有效粘度;Ua为环空返速;ROP为机械钻速；
[0019] RPM为钻杆转速;目为井斜角;山为岩屑直径;e为偏屯、度。
[0020] 此外，优选的方案是，在根据所述环空稳态岩屑床高度，获取岩屑床推移速度和悬 浮岩屑沉降成床速度的过程中，其中，所述岩屑床推移速度计算公式为：
[0021]
[0022] 所述悬浮岩屑沉降成床速度计算公式为：
[0023]
[0024] 其中，Ucm为岩屑床推移速度；
[0025] 化d为悬浮岩屑沉降成床速度；
[00%] fhd为悬浮层与移动层界面摩擦系数；
[0027] Cd为移动岩屑浓度；
[002引 d)为颗粒内摩擦角，tan d)相当于颗粒动摩擦系数，当Cd = 0.3~0.52时，tan d)= 0.7 ~0.8;
[0029] 化为入口岩屑体积流量；
[0030] Qf为入口泥浆体积流量；
[00川 kl、k2为修正系数;k3为比例系数。
[0032] 此外，优选的方案是，在根据所述岩屑床推移速度和悬浮岩屑沉降成床速度，获取 环空岩屑床动态运移速度的过程中，其中，所述环空岩屑床动态运移速度的计算公式为：
[0033]
-
[0034] 其中，U。为环空岩屑床动态运移速度；
[0035] k3为比例系数；
[0036] U?为岩屑床推移速度；
[0037]化d为悬浮岩屑沉降成床速度。
[0038] 此外，优选的方案是，在根据所述环空岩屑床动态运移速度，获取环空岩屑床动态 运移距离的过程中，其中获取所述环空岩屑床动态运移距离的公式如下：
[0039] Lc = tUc
[0040] 其中，U。为环空岩屑床动态运移速度；
[0041 ] t为岩屑床开始形成所经历的时间；
[0042] Lc为经过t时间后，稳态岩屑床运移的距离。
[0043] 此外，优选的方案是，在根据所述环空稳态岩屑床高度和所述环空岩屑床动态运 移距离，获取环空岩屑床高度分布的过程中，其中，
[0044] 若X > MD-Lc,则出X =出
[0045] 若x<MD-Lc，贝帖X公式如下：
[0046]
[0047] 其中，出为岩屑床高度；
[004引 MD为井总测深；
[0049] X为欲求位置的测深，在井底为MD，在井口为0;
[0050] 出X为X位置处岩屑床高度。
[0051] 此外，优选的方案是，在根据所述钻井基本参数和所述岩屑床高度，获取不同时刻 的环空压耗的过程中，获取所述环空压耗的公式如下：
[0化2]
[0053] 其中，A P。为有岩屑床存在时的环空压耗；
[0054] A Pa为无岩屑床存在时的环空压耗；
[0化日]打为达西-韦斯己赫系数，层流时
素流时
[0056] 出为岩屑床高度；
[0057] dw、dp〇分别为井眼内径、钻杆外径；
[005引 Pf和Ps分别为泥浆和岩屑密度；
[0059] Qf为入口泥浆体积流量。
[0060] 此外，优选的方案是，在根据所述不同时刻的环空压耗和井底的垂直深度，获取不 同时刻的井底压力的过程中，获取所述井底压力的公式如下：
[0061 ] Pw=化gh+A Pc
[0062] 其中，Pw为井底压力；
[0063] 化为泥浆密度；
[0064] h为井底的垂直深度；
[0065] A P。为有岩屑床存在时的环空压耗。
[0066] 从上面的技术方案可知，本发明提供的大位移钻井环空岩屑床高度分布和井底压 力实时变化的计算方法，能够取得W下有益效果：
[0067] (1)该方法考虑岩屑床的形成过程，能够实时计算不同时刻环空岩屑床高度分布， W及对应的井底压力，相比稳态模型更加贴近实际情况，计算误差更小。
[0068] (2)通过计算岩屑动态运移速度，并利用几何曲线描述环空岩屑床高度分布，将稳 态岩屑床高度计算模型与岩屑床高度分布动态变化结合起来，扩展了现有稳态岩屑运行模 型的应用范围。
[0069] (3)本发明的方法相比于现有的岩屑动态运移模型（复杂非线性方程组），计算简 便、速度快，非常适合工程应用，填补了复杂岩屑动态运移模型无法直接应用于工程实际的 缺陷，为工程设计提供一种有效手段。
[0070] 为了实现上述W及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在 权利要求中特别指出的特征。下面的说明W及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。 然而，运些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明 旨在包括所有运些方面W及它们的等同物。
【附图说明】
[0071] 通过参考W下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面 理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
[0072] 图1为根据本发明实施例的大位移钻井环空岩屑床高度分布和井底压力实时变化 的计算方法流程示意图。
[0073] 在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
【具体实施方式】
[0074] 在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐 述了许多具体细节。然而，很明显，也可W在没有运些具体细节的情况下实现运些实施例。
[0075] W下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
[0076] 为了说明本发明提供的大位移钻井环空岩屑床高度分布和井底压力实时变化的 计算方法，图1示出了根据本发明实施例的大位移钻井环空岩屑床高度分布和井底压力实 时变化的计算方法流程。
[0077] 如图1所示，本发明提供的大位移钻井环空岩屑床高度分布和井底压力实时变化 的计算方法包括：
[0078] Sl 10:根据获取的钻井基本参数，获取环空稳态岩屑床高度；
[0079] S120:根据环空稳态岩屑床高度，获取岩屑床推移速度和悬浮岩屑沉降成床速度；
[0080] S130:根据岩屑床推移速度和悬浮岩屑沉降成床速度，获取环空岩屑床动态运移 速度；
[0081 ] S140:根据环空岩屑床动态运移速度，获取环空岩屑床动态运移距离；
[0082] S150:根据环空稳态岩屑床高度和环空岩屑床动态运移距离，获取环空岩屑床高 度分布；
[0083] S160:根据钻井基本参数和所述岩屑床高度，获取不同时刻的环空压耗；
[0084] S170:根据不同时刻的环空压耗和井底的垂直深度，获取不同时刻的井底压力。
[0085] 上述为大位移钻井环空岩屑床高度分布和井底压力实时变化的计算方法的具体 流程，在获取环空稳态岩屑床高度之前，首先要获取钻井基本参数，根据钻井设计和实测数 据，获取钻井基本参数，钻井基本参数包括计算段井眼内径、钻柱外径、泥浆排量、泥浆密 度、泥浆流变参数、钻柱转速、钻柱偏屯、度、机械钻速、井斜角、岩屑密度、岩屑粒径、井底的 垂直深度。
[0086] 在上述步骤SllO中，环空稳态岩屑床高度可W根据W下公式（1)计算，也可根据其 它稳态岩屑床高度模型计算。
[0087] (1)
[00则其中，Hc为岩屑床高度，单位为mm;d