一种井底压力预测的方法及系统与流程

本发明涉及石油与天然气钻井技术领域，特别是涉及一种井底压力预测的方法及系统。

背景技术：

大位移井广泛应用于页岩气等非常规地层，大位移井广泛使用的原因是它与产层的长度接触相对较长，在大位移井钻井作业期间，最大的问题之一是预测井底压力，若对井底压力的预测不准确可能导致一些危险的钻井事故，例如井漏、井壁失稳、卡钻等，这些事故表明，在钻井作业的整个过程中井底压力预测是至关重要的。井底压力的可靠预测不仅取决于工程参数，还取决于钻井液的性质，如密度和流变性。尤其是流变学与预测井底压力时摩擦系数的计算直接相关。因此，为了获得可靠的压力损失预测，准确地确定钻井液的流变参数显得很重要。然而钻屑对钻井液流变性的影响几乎没有受到关注，更不用说考虑钻屑对井底压力的影响了。

长期以来，由于含钻屑的钻井液流变参数的量测，油气钻井工程井底压力的预测方法忽略钻屑对环空钻井液流变性质的影响。然而，事实上，在钻井作业中，钻屑必然进入井筒环空，会对钻井液性能产生不同程度的影响。在水平井钻井过程中，由于钻屑与钻井液的长时间相互物理化学作用，钻屑在钻井液中的水化分散、造浆，势必会引起钻井液流变参数的改变，尤其是在页岩地层长水平裸眼段钻进时，更应当考虑钻屑对钻井液的影响。xinli等(2017)公开了一种考虑钻屑的裸眼极限延伸长度预测方法，但也仅仅考虑了钻屑对钻井液密度的影响，并未考虑钻屑对钻井液流变参数的影响。因此，亟需一种综合考虑页岩钻屑对钻井液流变学及密度影响，进而准确预测井底压力。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种井底压力预测的方法及系统，通过考虑钻屑对钻井液流变性的影响，从而提高井底压力预测的准确率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种井底压力预测的方法，所述方法包括：

对所述井进行分段；

计算各段钻屑浓度，所述钻屑浓度为钻屑在环空中的体积浓度；

计算各段钻井液有效密度和钻井液流变参数；

确定各段环空压耗；

根据各段所述环空压耗，计算井底压力。

可选的，所述计算各段钻屑浓度，所述钻屑浓度为钻屑在环空中的体积浓度，具体包括：

根据钻井参数，设定第一钻屑浓度；

根据所述第一钻屑浓度，计算钻井液流速；

根据所述钻井液流速，计算钻井液表观粘度；

根据所述钻井液表观粘度，计算钻屑滑移速度；

根据所述钻井液流速和所述钻屑滑移速度，计算携岩效率；

根据所述携岩效率，计算第二钻屑浓度

其中，cs2j表示第j段第二钻屑浓度，qs表示钻屑流量，ftj表示第j段携岩效率，qm表示钻井液流量；

获取钻屑浓度差值，所述钻屑浓度差值为所述第一钻屑浓度值和所述第二钻屑浓度值之差的绝对值；

判断所述钻屑浓度差值是否小于预设差值；

若是，则所述第一钻屑浓度即为所述钻屑浓度；若否，返回“根据钻井参数，设定第一钻屑浓度”，重新对所述第一钻屑浓度进行设定。

可选的，所述计算各段钻井液有效密度和钻井液流变参数，具体包括：

计算所述钻井液有效密度：

ρej＝ρm(1-csj)+ρscsj

其中，ρej表示第j段钻井液有效密度，ρm表示钻井液密度，ρs表示钻屑密度，csj表示第j段钻屑浓度；

计算所述钻井液流变参数：

其中，nj表示第j段含钻屑钻井液流性指数，no表示不含钻屑钻井液流性指数，a、b和c表示不含钻屑钻井液流性指数的经验系数，kj表示第j段含钻屑钻井液稠度系数，ko表示不含钻屑钻井液稠度系数，d50表示中值粒径，m、p和q表示不含钻屑钻井液稠度系数的经验系数，csj表示第j段钻屑浓度。

可选的，所述确定各段环空压耗，具体包括：

根据所述钻井液有效密度和钻井液流变参数，计算雷诺数；

根据所述雷诺数计算摩阻系数；

根据所述摩阻系数计算环空压耗。

可选的，所述根据各段所述环空压耗，获取井底压力，具体包括：

计算所述井底压力：

其中pw表示井底压力，ρm表示钻井液密度，g表示重力加速度，h表示井垂深，δpj表示第j段的环空压耗，1≤j≤m，m表示所述井的总段数。

一种井底压力预测的系统，所述系统包括：

分段模块，用于对所述井进行分段；

钻屑浓度计算模块，计算各段钻屑浓度，所述钻屑浓度为钻屑在环空中的体积浓度；

钻井液有效密度和钻井液流变参数计算模块，用于计算各段钻井液有效密度和钻井液流变参数；

环空压耗确定模块，用于确定各段的环空压耗；

井底压力计算模块，用于根据各段所述环空压耗，计算井底压力。

可选的，所述钻屑浓度计算模块，具体包括：

第一计算单元，用于根据钻井参数，设定第一钻屑浓度；

第二计算单元，用于根据所述第一钻屑浓度，计算钻井液流速；

第三计算单元，用于根据所述钻井液流速，计算钻井液表观粘度；

第四计算单元，用于根据所述钻井液表观粘度，计算钻屑滑移速度；

第五计算单元，用于根据所述钻井液流速和所述钻屑滑移速度，计算携岩效率；

第六计算单元，用于根据所述携岩效率，计算第二钻屑浓度

其中，cs2j表示第j段第二钻屑浓度，qs表示钻屑流量，ftj表示第j段携岩效率，qm表示钻井液流量；

钻屑浓度差值获取单元，用于获取钻屑浓度差值，所述钻屑浓度差值为所述第一钻屑浓度值和所述第二钻屑浓度值之差的绝对值；

判断单元，用于判断所述钻屑浓度差值是否小于预设差值；

处理单元，用于处理所述判断单元的结果，若是，则所述第一钻屑浓度即为所述钻屑浓度；若否，返回“根据钻井参数，设定第一钻屑浓度”，重新对所述第一钻屑浓度进行设定。

可选的，所述钻井液有效密度和钻井液流变参数计算模块，具体包括：

钻井液有效密度计算单元，用于计算所述钻井液有效密度：

ρej＝ρm(1-csj)+ρscsj

其中，ρm表示钻井液密度，ρs表示钻屑密度，csj表示第j段钻屑浓度；

钻井液流变参数计算单元，用于计算所述钻井液流变参数：

其中，nj表示第j段含钻屑钻井液流性指数，no表示不含钻屑钻井液流性指数，a、b和c表示不含钻屑钻井液流性指数的经验系数，kj表示第j段含钻屑钻井液稠度系数，ko表示不含钻屑钻井液稠度系数，d50表示中值粒径，m、p和q表示不含钻屑钻井液稠度系数的经验系数，csj表示第j段钻屑浓度。

可选的，所述环空压耗确定模块，具体包括：

雷诺数计算单元，用于根据所述钻井液有效密度和钻井液流变参数，计算雷诺数；

摩阻系数计算单元，用于根据所述雷诺数计算摩阻系数；

环空压耗计算单元，用于根据所述摩阻系数计算环空压耗。

可选的，所述井底压力计算模块，具体包括：

井底压力计算模块，用于计算所述井底压力：

其中pw表示井底压力，ρm表示钻井液密度，g表示重力加速度，h表示井垂深，δpj表示第j段的环空压耗，1≤j≤m，m表示所述井的总段数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的井底压力预测的方法及系统，利用钻屑对钻井液流变性的影响，根据范宁摩阻公式和水力学原理计算各段的环空压耗，确定井底压力，从而提高井底压力预测的准确率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种井底压力预测方法的流程图；

图2为本发明实施例计算钻屑浓度的流程图；

图3为本发明实施例一种井底压力预测系统的结构示意图；

图4为本发明实施例井底压力预测值和实测值分析图；

图5为本发明实施例的只考虑密度所得井底压力和考虑密度和流变性所得井底压力分析图；

图6为本发明实施例不同机械钻速对井底压力影响分析图；

图7为本发明实施例考虑钻屑和不考虑钻屑的条件下钻井液流量对井底压力影响分析图；

图8为本发明实施例不同机械钻速条件下钻井液流量对井底压力影响分析图；

图9为本发明实施例不同机械钻速条件下携岩效率对井底压力影响分析图；

图10为本发明实施例不同钻井液流量条件下携岩效率对井底压力的影响分析图；

图11为本发明实施例钻屑粒径对井底压力的影响分析图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种井底压力预测的方法及系统，通过考虑钻屑对钻井液流变性的影响，从而提高井底压力预测的准确率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例一种井底压力预测方法的流程图。参见图1，实施例一种井底压力预测方法，包括以下步骤：

步骤s1：对所述井进行分段。

本实施例中采用页岩气水平井，通常对于页岩气水平井分为三种类型的段，第一种段为垂直段和小倾斜段(井斜角小于15°)，第二种段为倾斜段，第三种段为水平段。

步骤s2：计算各段钻屑浓度，所述钻屑浓度为钻屑在环空中的体积浓度。

图2为本发明实施例计算钻屑浓度的流程图，参见图2，所述步骤s1具体包括：

步骤201：根据钻井参数，设定第一钻屑浓度。

步骤202：根据所述第一钻屑浓度，计算钻井液流速：

其中，vaj表示第j段钻井液流速，单位是m/s，aaj表示第j段环空面积，单位是m²，qm表示钻井液流量，单位是m³/s，cs1j表示第j段第一钻屑浓度，单位是％。

步骤203：根据所述钻井液流速，计算钻井液表观粘度：

其中，μaj表示第j段钻井液表观粘度，no表示不含钻屑钻井液流性指数，无量纲，ko表示不含钻屑钻井液稠度系数，doj表示第j段环空外径，单位是m，dij表示第j段环空内径，单位是m。

步骤204：根据所述钻井液表观粘度，计算钻屑滑移速度：

其中，vsj表示第j段钻屑滑移速度，d50表示中值粒径，单位是mm，ρm表示钻井液密度，单位是g/cm³，ρs表示钻屑密度，单位是g/cm³。

步骤205：根据所述钻井液流速和所述钻屑滑移速度，计算携岩效率：

其中，ftj表示第j段携岩效率，单位是％。

步骤206：根据所述携岩效率，计算第二钻屑浓度：

其中，cs2j表示第j段第二钻屑浓度，单位是％，qs表示钻屑流量，单位是m³/s，qm表示钻井液流量，单位是m³/s。

具体的，qs＝ab×rop×(1-φ)，ab表示钻头面积，单位是m²，rop表示机械钻速，单位是m/h，φ表示孔隙度，单位是％。

步骤207：获取钻屑浓度差值，所述钻屑浓度差值为所述第一钻屑浓度值和所述第二钻屑浓度值之差的绝对值δj，δj＝|cs1j-cs2j|。

步骤208：判断所述钻屑浓度差值是否小于预设差值。

步骤209：若是，则所述第一钻屑浓度即为所述钻屑浓度；若否，返回“根据钻井参数，设定第一钻屑浓度”步骤101，重新对所述第一钻屑浓度进行设定。

步骤s3：计算各段钻井液有效密度和钻井液流变参数。

具体的，在钻井过程中，随着钻屑进入环空，环空中就形成了钻井液和钻屑的混合物，因此钻井液有效密度计算公式为：

ρej＝ρm(1-csj)+ρscsj

其中，ρej表示第j段钻井液有效密度，ρm表示钻井液密度，ρs表示钻屑密度，csj表示第j段钻屑浓度。

考虑钻屑对钻井液的流变性影响，由下式计算含钻屑的钻井液流变参数：

其中，nj表示第j段含钻屑钻井液流性指数，no表示不含钻屑钻井液流性指数，a、b和c表示不含钻屑钻井液流性指数的经验系数，kj表示第j段含钻屑钻井液稠度系数，ko表示不含钻屑钻井液稠度系数，d50表示中值粒径，m、p和q表示不含钻屑钻井液稠度系数的经验系数，csj表示第j段钻屑浓度。

步骤s4：确定各段环空压耗。

所述步骤s4具体包括：

步骤401：根据所述钻井液有效密度和钻井液流变参数，计算雷诺数，根据钻井液的流变参数选定为赫巴模式，在赫巴模式流体中，广义雷诺(re)数通常用于区分层流和紊流，re<2100是层流，re≥2100是紊流，赫巴模式流体的雷诺数计算公式如下：

其中，rej表示第j段雷诺数，vaj表示第j段钻井液流速，doj表示第j段环空外径，dij表示第j段环空内径，ρej表示第j段钻井液有效密度，τo表示钻井液剪切应力。

步骤402：根据所述雷诺数计算摩阻系数。

若第j段为第一种段，摩阻系数的计算公式如下：

其中，

若第j段为第二种段或第三种段，摩阻系数的计算公式如下：

步骤403：根据所述摩阻系数计算环空压耗。

若第j段为第一种段，环空压耗的计算公式如下：

其中，δpj表示第j段环空压耗，faj表示第j段摩阻系数，lj表示第j段的长度，单位是m。

若第j段为第二种段或第三种段，钻屑沉降堆积形成钻屑床，因此需要对使用的范宁压降公式进行修正，环空压耗的计算公式如下：

其中，δpj表示第j段环空压耗，fbj表示第j段摩阻系数，s表示钻屑密度和钻井液密度的比值hcj表示第j段钻屑床厚度，δpjo表示j段不考虑钻屑床时的环空压耗。

其中，n表示转柱旋转速度，vac表示钻屑产生速度，εj表示第j段无因次偏心度，μavj表示第j段钻井液有效粘度，具体的，

其中，e表示偏心距，单位是m。

钻井液有效粘度计算公式：

不考虑钻屑床时的环空压耗计算公式：

其中，lj表示第j段的长度，单位是m，g表示重力加速度，单位是m/s，rj表示第j段偏心系数，在层流和紊流情况下的偏心系数分别由下式计算得到：

层流情况时：

紊流情况时：

步骤s5：根据各段所述环空压耗，计算井底压力。

所述步骤s5具体包括：计算所述井底压力：

其中pw表示井底压力，ρm表示钻井液密度，g表示重力加速度，h表示井垂深，δpj表示第j段的环空压耗，1≤j≤m，m表示所述井的总段数。

图3为本发明实施例一种井底压力预测系统的结构示意图。参见图3，实施例一种井底压力预测的系统，所述系统包括：

分段模块301，用于对所述井进行分段；

钻屑浓度计算模块302，计算各段钻屑浓度，所述钻屑浓度为钻屑在环空中的体积浓度；

钻井液有效密度和钻井液流变参数计算模块303，用于计算各段钻井液有效密度和钻井液流变参数；

环空压耗确定模块304，用于确定各段的环空压耗；

井底压力计算模块305，用于根据各段所述环空压耗，计算井底压力。

可选的，所述钻屑浓度计算模块，具体包括：

第一计算单元，用于根据钻井参数，设定第一钻屑浓度；

第二计算单元，用于根据所述第一钻屑浓度，计算钻井液流速；

第三计算单元，用于根据所述钻井液流速，计算钻井液表观粘度；

第四计算单元，用于根据所述钻井液表观粘度，计算钻屑滑移速度；

第五计算单元，用于根据所述钻井液流速和所述钻屑滑移速度，计算携岩效率；

第六计算单元，用于根据所述携岩效率，计算第二钻屑浓度

其中，cs2j表示第j段第二钻屑浓度，qs表示钻屑流量，ftj表示第j段携岩效率，qm表示钻井液流量；

钻屑浓度差值获取单元，用于获取钻屑浓度差值，所述钻屑浓度差值为所述第一钻屑浓度值和所述第二钻屑浓度值之差的绝对值；

判断单元，用于判断所述钻屑浓度差值是否小于预设差值；

处理单元，用于处理所述判断单元的结果，若是，则所述第一钻屑浓度即为所述钻屑浓度；若否，返回“根据钻井参数，设定第一钻屑浓度”，重新对所述第一钻屑浓度进行设定。

可选的，所述钻井液有效密度和钻井液流变参数计算模块，具体包括：

钻井液有效密度计算单元，用于计算所述钻井液有效密度：

ρej＝ρm(1-csj)+ρscsj

其中，ρm表示钻井液密度，ρs表示钻屑密度，csj表示第j段钻屑浓度；

钻井液流变参数计算单元，用于计算所述钻井液流变参数：

其中，nj表示第j段含钻屑钻井液流性指数，no表示不含钻屑钻井液流性指数，a、b和c表示不含钻屑钻井液流性指数的经验系数，kj表示第j段含钻屑钻井液稠度系数，ko表示不含钻屑钻井液稠度系数，d50表示中值粒径，m、p和q表示不含钻屑钻井液稠度系数的经验系数，csj表示第j段钻屑浓度。

可选的，所述环空压耗确定模块，具体包括：

雷诺数计算单元，用于根据所述钻井液有效密度和钻井液流变参数，计算雷诺数；

摩阻系数计算单元，用于根据所述雷诺数计算摩阻系数；

环空压耗计算单元，用于根据所述摩阻系数计算环空压耗。

可选的，所述井底压力计算模块，具体包括：

井底压力计算模块，用于计算所述井底压力：

其中pw表示井底压力，ρm表示钻井液密度，g表示重力加速度，h表示井垂深，δpj表示第j段的环空压耗，1≤j≤m，m表示所述井的总段数。

本实施例中是对页岩气水平井井底压力的预测，图4为本发明实施例井底压力预测值和实测值分析图，从图4中可知，考虑钻屑时，计算结果与实测结果的取值范围非常吻合，最大误差不超过4.6％，当不考虑钻屑时，计算结果就与实测值相差很大。图5为本发明实施例只考虑密度所得井底压力以及考虑密度和流变性所得井底压力分析图，从图5中可知，考虑钻屑对密度和流变性的影响下井底压力值比只考虑钻屑对密度的影响下计算的井底压力值高。图6为本发明实施例不同机械钻速对井底压力影响分析图，从图6中可知，随着机械钻速的增加，井底压力也跟着增加，并且在机械钻速相同的情况下，钻井液流量越高，井底压力越大。图7为本发明实施例考虑钻屑和不考虑钻屑的条件下钻井液流量对井底压力影响分析图，从图7中可知，不考虑钻屑时，井底压力随钻井液流量的增加而一直增加，考虑钻屑的影响时，只考虑钻屑对密度的影响，考虑钻屑对钻井液密度和流变性的影响两种情况时都呈低流量减少高流量增大的变化趋势，在相同钻井液流量时，考虑密度和流变性对钻井液的影响得到的井底压力值比只考虑钻屑对密度的影响得到的井底压力值大。图8为本发明实施例不同机械钻速条件下钻井液流量对井底压力影响分析图，从图8可知，在低机械钻速时，井底压力随钻井液流量的增加和增加；在高机械钻速时，井底压力随钻井液流量的增加先减小再增加。图9为本发明实施例不同机械钻速条件下携岩效率对井底压力影响分析图，从图9可知，随着携岩效率的增加，井底压力的值一直减小，在相同的携岩效率情况下，机械钻速越大，井底压力值越高。图10为本发明实施例不同钻井液流量条件下携岩效率对井底压力的影响分析图，从图10可知，随着携岩效率的增加，井底压力的值一直减小，在相同的携岩效率情况下，钻井液流量越大，井底压力值越高。图11为本发明实施例钻屑粒径对井底压力的影响分析图，从图11中可知，井底压力随钻屑粒径的增加而降低，在相同钻屑大小情况下，机械钻速越高，井底压力越大。

通过上述能够看出，本发明实施例中通过考虑钻的屑影响对页岩气水平井井底压力进行预测，能够有效解决常规模型不能计算含钻屑的钻井液流变参数的缺陷，计算方法简单，通过对不同钻井参数的计算，阐明了钻屑影响下的井底压力随不同参数的变化。但是，钻井领域的工作人员应当理解，对于本发明实施例，还可以在不脱离本发明内容的基础上进行各种改进，使得本发明的预测结果更为精确，本发明提出的井底压力预测方法和系统能够促进石油和天然气领域钻井技术的发展。

本发明实施例适用于泥页岩地层，不依赖于传统的钻井液流变参数的获取方式来进行井底压力的计算，该方法考虑钻屑对钻井液流变性的影响，能够实时定量分析钻屑对钻井液流变参数的影响规律，相比其它井底压力预测模型更加贴近实际情况，计算误差更小。本发明实施例相比于常规预测模型，具有计算简便速度快等特点，非常适合现场工程应用，填补了钻屑对井底压力影响无法被直接用于工程计算的空白，为工程计算提供了一个有效手段。随着页岩气大位移井钻井数量的增加，该方法预测井底压力将会在钻井过程中发挥巨大的作用，产生巨额经济效益。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。