一种适用于喷射钻井水力参数设计的实验方法与流程

1.本发明涉及石油天然气钻井、地质勘探以及矿山钻探技术领域，特别涉及一种适用于喷射钻井水力参数设计的实验方法。


背景技术：

2.高压喷射钻井是利用钻井液通过井下钻头喷嘴时，所产生的高速射流的水力作用，清洗井底、辅助牙齿破碎岩石进而提高机械钻速的一种钻井方法。自20世纪60年代问世以来，已在国内外诸多油气田进行了多次试验研究，并在改善井眼的净化能力、提高钻头进尺和机械钻速方面均取得了突破性进展，为今后复杂深井高效快速钻井开辟了广阔前景和发展空间。
3.大量研究和实践表明，高压喷射钻井的喷速越高，机械钻速越大，同时钻头进尺越多，但是在现场应用期间，不可避免存在着一些难以解决的技术难题：利用地面设备产生高压并将其输送到井底，这需要投入大量资金增加或更换系列庞杂的设备和易损件，而且与常规钻井设备相比，其性能及安装、拆卸、维护保养要求也要高得多；另外，受柴油机、钻井泵、钻井液性能因素影响，喷射钻井无法连续长时间保持高泵压状态钻进，连续长时间高泵压状态容易导致柴油机、钻井泵发生损坏以及高压管线、水龙头冲管和钻柱刺漏的现象发生，进而增加地面修理时间和井下事故的发生几率。
4.石油钻探技术2012年11月刊发的文献《35mpa高压喷射钻井技术实践》，重点介绍了满足35mpa高压喷射钻井安全需求的70d型钻机动力及循环系统升级改造情况，并且基于大排量、适当钻头压降的水力参数设计思路，开展了高压喷射钻井的技术实践。经分析，文献中所涉及的喷射钻井技术应用思路存在以下几点不足：(1)为实施喷射钻井，开展满足35mpa 甚至更高泵压需求的钻机动力及循环系统升级改造，将会导致大量资金成本的增加；(2)针对不同地区、不同地层均开展35mpa左右高泵压喷射钻井施工，尽管取得一定应用效果，但是个别地层喷射期间容易造成水力能量的极大浪费；(3)考虑到高泵压喷射钻井设备配套及改造费用高、高泵压喷射钻井地面与井下安全隐患问题，严重制约了高压喷射钻井的技术适应性和推广应用前景。
5.石油钻探技术1998年6月刊发的文献《小眼井最优水力学设计及分析》，在充分考虑小眼井钻井特点和合理确定环空压耗基础上，通过将喷射钻井和环空携岩有机结合，提出了最大水功率和最大冲击力两种工作方式下小眼井钻井的水力参数设计理论方法。文献中涉及的水力参数设计方法尽管考虑了现有机泵的工作能力，但是没有考虑不同地层喷射钻井的适应性问题，以及井眼环空围压条件对不同地层岩石强度、喷射钻井难易程度的影响，从而经过该方法优化设计出的水力参数大小，将有可能达不到水力喷射破岩的要求。
6.综上分析，现有技术还不能利用实验手段针对喷射钻井的地层适应性进行深入评价，也不能结合现场钻井泵、高压管线设备能力条件，为今后现场高压喷射钻井的设计与施工提供指导。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种适用于喷射钻井水力参数设计的实验方法。
8.通过利用邻井岩心或区块露头岩石开展模拟井下不同围压条件的门限射流压力实验，获取现有机泵条件下喷射钻井的最优水力参数，结合现场钻井泵、高压管线设备能力条件，为今后喷射钻井的设计与施工提供指导。
9.其技术方案如下：
10.一种适用于喷射钻井水力参数设计的实验方法，包括以下步骤：
11.步骤(一)获取待钻地层喷射钻井的基本参数；
12.步骤(二)利用邻井岩心或区块露头岩石制作标准的圆柱形试件，开展模拟井下不同围压条件的门限射流压力室内实验；
13.步骤(三)绘制门限射流压力随围压的变化规律曲线并拟合，获取任一围压下待钻地层发生射流破坏时的门限射流压力p
cr
(p)计算公式；
14.步骤(四)计算不同井深时待钻地层开展喷射钻井所需的最小地面泵压p
smin
大小；
15.步骤(五)比较待钻地层开展喷射钻井所需的最小地面泵压p
smin
与钻井泵额定泵压pr，对待钻地层是否适合喷射钻井进行判断：
16.若p
smin
＞pr，则现有机泵条件下不适合喷射钻井；
17.若p
smin
≤pr，表明可以实施喷射钻井；
18.步骤(六)开展现有机泵条件下喷射钻井的水力参数设计，获取现有机泵条件下待钻地层开展喷射钻井的最优钻井液排量q
opt
、最优喷嘴直径de以及最大的喷射钻井井深h
max
。
19.本发明的技术方案进一步包括：
20.步骤(一)中待钻地层喷射钻井的基本参数包括钻井液密度、钻井液粘度、井身结构、钻具组合及井径扩大率，主要依据钻井设计资料和邻井实钻数据来获取。
21.步骤(四)中不同井深时待钻地层开展喷射钻井所需的最小地面泵压p
smin
为采用最小钻井液排量qa时的泵压，通过式(1)～式(11)获取：
22.p
smin
＝δpb δpg δp
p
δpcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
23.δpb＝p
cr
(p)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0024][0025][0026][0027][0028]
[0029][0030][0031][0032][0033]
步骤(六)中开展现有机泵条件下喷射钻井的水力参数设计时，现有机泵条件下待钻地层开展喷射钻井的最优钻井液排量q
opt
、最优喷嘴直径de分别通过式(12)式(13)或式(14) 式(15)获取：
[0034]
1.当p
cr
(p)≤0.643pr时
[0035][0036][0037]
2.当p
cr
(p)＞0.643pr时
[0038][0039][0040]
其中，c为钻头喷嘴流量系数，与喷嘴的阻力系数有关。
[0041]
现有机泵条件下待钻地层的最大喷射钻井井深h
max
由式(16)获取：
[0042][0043]
以上公式中，δpb为喷射钻井期间的钻头压力降；δpg、δp
p
和δpc分别为地面管汇、钻杆内外及钻铤内外的循环压耗；kg、k
p
、kc分别为地面管汇、钻杆内外及钻铤内外的压耗系数；l1、l2、l3、l4及l
p
、lc分别为地面高压管线、立管、水龙带、方钻杆及井下钻杆、钻铤的长度；d1、d2、d3、d4及d
pi
、d
ci
分别为地面高压管线、立管、水龙带、方钻杆及井下钻杆、钻铤的内径；d
p
、dc分别为钻杆和钻铤的外径；dh为考虑井眼扩大率后的井眼直径；ρd、μ
pv
分别为钻井液的密度和塑性粘度；va为井眼环空的最低返速；p为待钻地层不同井深处的井底围压；c为钻头喷嘴流量系数，与喷嘴的阻力系数有关。
[0044]
本发明的有益效果是：
[0045]
(1)本发明的实验方法，能够利用实验手段针对喷射钻井的地层适应性进行深入评价，既可针对待钻地层在现有机泵条件下是否适合喷射钻井做出判断，而且能够指导开展待钻地层喷射钻井的水力参数优化设计。
[0046]
(2)本发明的实验方法，计算简单、准确可靠，便于现场技术人员使用。
附图说明
[0047]
图1为本发明的适用于喷射钻井水力参数设计的实验方法的流程示意图。
[0048]
图2为本发明的适用于喷射钻井水力参数设计的实验方法的门限射流压力随围压的变化规律拟合曲线示意图。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
[0050]
参照说明书附图1和2，本发明提供的一种适用于喷射钻井水力参数设计的实验方法，主要包括以下步骤：
[0051]
步骤(一)获取待钻地层喷射钻井的基本参数
[0052]
收集正钻井工程设计资料和邻井实钻数据，获取待钻地层喷射钻井的基本参数，主要包括钻井液密度、钻井液粘度、井身结构、钻具组合及井径扩大率，主要依据钻井设计资料和邻井实钻数据来获取。
[0053]
步骤(二)开展模拟井下不同围压条件的门限射流压力室内实验
[0054]
收集邻井岩心资料或采集区块露头岩石，利用取芯钻具制作出直径≥10cm、长度 15～20cm的圆柱形试样，并在地面高压泵上开展模拟井下不同围压条件的门限射流压力实验 3组以上。
[0055]
步骤(三)绘制门限射流压力随围压的变化规律曲线，并拟合得到门限射流压力的计算公式
[0056]
绘制门限射流压力随围压的变化规律曲线并拟合，参照附图2，进而可以获取任一围压下待钻地层发生射流破坏时的门限射流压力p
cr
(p)计算公式。
[0057]
步骤(四)计算待钻地层开展喷射钻井所需的最小地面泵压大小
[0058]
不同井深时待钻地层开展喷射钻井所需的最小地面泵压p
smin
为采用最小钻井液排量qa时的泵压，分别通过式(1)～式(16)获取：
[0059]
p
smin
＝δpb δpg δp
p
δpcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0060]
δpb＝p
cr
(p)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0061][0062][0063][0064]
[0065][0066][0067][0068][0069][0070]
步骤(五)判断待钻地层是否适合喷射钻井
[0071]
比较待钻地层喷射钻井的最小地面泵压p
smin
与钻井泵额定泵压pr，针对待钻地层是否适合喷射钻井进行判断：
[0072]
若p
smin
＞pr，则现有机泵条件下不适合喷射钻井；
[0073]
若p
smin
≤pr，表明可以实施喷射钻井。
[0074]
步骤(六)开展现有机泵条件下喷射钻井的水力参数设计
[0075]
现有机泵条件下待钻地层开展喷射钻井的最优钻井液排量q
opt
、最优喷嘴直径d
ε
分别通过式(12)式(13)或式(14)式(15)获取：
[0076]
1.当p
cr
(p)≤0.643pr时
[0077][0078][0079]
2.当p
cr
(p)＞0.643pr时
[0080][0081][0082]
另外，可得现有机泵条件下待钻地层的最大喷射钻井井深h
max
为：
[0083][0084]
公式符号说明：式(1)～式(16)中，δpb为喷射钻井期间的钻头压力降；δpg、δp
p
和δpc分别为地面管汇、钻杆内外及钻铤内外的循环压耗；kg、k
p
、kc分别为地面管汇、钻杆内外及钻铤内外的压耗系数；l1、l2、l3、l4及l
p
、lc分别为地面高压管线、立管、水龙带、方钻杆及井下钻杆、钻铤的长度；d1、d2、d3、d4及d
pi
、d
ci
分别为地面高压管线、立管、水龙带、方钻杆及井下钻杆、钻铤的内径；d
p
、dc分别为钻杆和钻铤的外径；dh为考虑井眼扩大率后的井眼直径；ρd、μ
pv
分别为钻井液的密度和塑性粘度；va为井眼环空的最低返速；p为待钻地层不同井深处的井底围压；c为钻头喷嘴流量系数，与喷嘴的阻力系数有关。
[0085]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。