定向井钻井屑传输综述.doc

定向井钻井屑传输综述在油田矿场，定向井钻井过程中的井眼净化工作是一个相对重要的问题，该过程在整个钻井操作期间必须得到有效的检测和适当的控制。并不充分的钻井岩屑清除工作会导致大量的可能会为之付出昂贵代价的问题。循环流体速度低，缺乏有效的钻杆旋转，以及不适宜的泥浆性能都是导致井眼净化工作失效的主要的因素。整篇文章对以前的井眼净化研究进行了一次系统的回顾，并着手探讨寻找一种更加适用于监控井眼净化问题的途径。介绍旋转钻井的过程包括由岩石切削刀具（钻头）施加向下的力（加载在钻头上的重量）和旋转方向施加的扭矩。由钻头所产生的钻井岩屑随着由地面流至井底再到回地面循环的钻井液一起移动（岩屑传输）。在定向井钻井期间，钻井岩屑的运输将会变得更加困难。，如果控制不得当，将会导致一系列严重的问题。例如机械缩孔附着（“钓鱼”或者井眼丢失），过大的摩擦力矩（随着旋转功率的要求增大）和摩擦阻力（无法到达目标），进而导致在下套管、注水泥固井时通道流通性、录井工作等相关问题上出现一系列困难。已知的影响井眼净化效果的因素包括环形离心率，倾斜角度，钻杆旋转，流体速度（环状流速和水流动态），地层的渗透率，泥浆的流变性能和密度，以及岩屑的尺寸，形状和密度。据相关文献资料研究证实，流速和钻杆旋转是影响井眼净化的两大最主要因素。然而，随着流量的增加，会引起摩擦压力损耗的增加，而摩擦压力损耗的增加会反过来导致当量循环密度和泵压要求的增加，加剧潜在的孔侵蚀。钻柱旋转的增加可能会导致由于存在诱发的周期性的应力而引起过早的管柱疲劳失效。钻井岩屑运输问题相对于其他工业过程，在钻井行业的钻井岩屑运输问题更为复杂，因为其中所涉及的许多参数的联系是非线性相关的。在简化的过程中，其中的有些步骤是可以忽略的。从以下相关性方面来比较设计计划和实际的钻进效果：流程钻进过程涉及参数ECD限制，泵的功率限制，井眼冲蚀，ROP的限制，地质目标的限制，旋转功率的限制过程输入流速，转/分，大钩负荷过程输出压力，ROP，扭矩内在状态WOB，偏心率，清孔监测/控制井漏（循环液漏失），阻力，扭矩，钻屑返回，ROP，循环立管压力对于一个完整并且可靠的自动化设计过程，必须采取以下的步骤：信号测量临界参数的监控建模管理设计参数在任何一个系统里，包括钻探工程，有各种设计参数要考虑。有些参数被称作为“有效参数”或者是“控制信号”，是过程输入（参数）；有些“受影响的参数”，是“内部进程状态”或“输出”。任何有效参数的变化都将会引起受影响参数的变化。受影响的参数被分成内部状态参数和输出参数两组，输出参数为测量参数，如循环立管压力；而诸如环空岩屑床高度或管道偏心率等在钻井进行时无法被测量出的参数为内部状态参数。在钻井过程中，有必要将某些确定的参数控制在适当一个的范围内。任何受影响的参数的期望值将被指定作为“参考”。将信号所测量的值与参考值相比，控制器将自动调整有效参数的大小，使得测量值与参考值相吻合。在大多数情况下，需要用控制器最优化参数，以便它们在某一特定的操作范围。例如，作为输入参数，流量的值是不能大于泵的特征所确定的特定数值的。控制器和一些监控方法是基于实时或者某一离线模式之上的。一个已经被证实的通用模型可以在“运行参数的物理关系”或者“被测量的工艺参数数据集。”的基础上进行相关模拟演示。不同钻井工艺的混合建模方法也已经提交。如果内在状态没有相关限制，监测的过程将会简单多了。因为在钻进过程中无法被测量的一些重要钻井参数都必须保持在特定的范围内，所以在钻井过程中的实时监控就显得尤为重要。监测在设立报警系统方面也显得尤为重要，以便出现突发状况时发出报警提示。在钻井过程中的实时测量和监控已经实行了很长的一段时期了。然而，以确保系统的控制过程，首要执行的是利用内部状态的自动监测。在整篇论述中，重点是被监控的作为内部状态的井眼清洗。岩屑清除在钻进过程中清除环空中的钻井岩屑的课题研究已经存在几十年了。为了解决清孔这一问题，不同的研究人员采取了多种不同的处理方法。作为对当前所做工作的前期准备或基础研究，钻井工艺参数的总结非常重要，这项工作将会引导我们对过去的研究进行一个详细的回顾审查。在过去的研究中，人们一部分或者大多是调查研究清孔岩屑浓度等过程输入参数对井眼净化的影响。他们所得到的结论概括起来包括：泥浆流速（对清孔）有显著的积极作用。泥浆流变性能有一个温和的正面或负面影响，主要取决于钻井岩屑的大小， 钻杆的旋转，井斜大小，环空的偏心率。孔的角度随着倾角的增大会产生显著的负面影响。泥浆比重，存在较小的积极作用。泥浆类型有小到中度的积极作用。在相同的环形流体速度下，孔径的大小存在小到可以忽略不计的影响。旋转速度有一个显著的积极作用。偏心率有显着的负面影响。ROP有温和的负面影响。由于对所产生的岩屑存在二次粉粹作用，钻头的类型存在未知的影响。钻井岩屑尺寸存在一个小的正面或负面的影响，正负取决于几个条件。参数组合参数组合敏感性的研究结果如下：钻孔倾角，泥浆环流速度，钻杆的旋转是最重要的参数。流体的速度和泥浆的流变参数组合的综合考虑表明，在垂直井中，低粘度 的紊流与高粘度的紊 流具有相同的结果。动荡的扁平流平面在倾斜井筒中更加有效。在最低的流速情况下增加流体 的粘度将会形成一峰值。低流速和在水平井中的高速旋转使得钻屑运输加强。为了寻找一个在全球条件下的充分的井眼净化方法，介绍了水基的，凝胶强度低，循环低粘度 的泥浆。结论和建议下面列出了一些额外增加的建议，从而为以后进一步的研究指明相关研究的优劣:目前还没有发展较为成熟的、具有广泛适用性的、成体系的井眼净化设理 论模式，因此，发展 一种 具有普遍性的模式对整个领域是大有裨益的。一些关于灵敏性分析的重点的研究已经在进行了，确切的证实了可以利用输入特征向量来控制 井眼净化效果的结论。先前，曾发生过对“输入”的误解。增加并定义更多的参数作为输入，内部状态，输出将会概括井眼净化过程的结构。一些在以前的实验研究中所获得数据集因为在使用数据分析法的过程中无法被筛选而引起了一些不确定因素。在新的井眼净化体系模型中，现场和试验所获得的完整数据集合将会被大量的或者频繁的用于敏感性分析或检验。不同的数据挖掘方法诸如主成分分析法可以用来对基于数学的敏感性分析测量进行证实。此前提出的井眼净化模型是在一些特殊情况下的钻进或有限的实验数据的基础上得到证实的。因为钻进过程是高度非线性相依附的，该过程的一个广义模型，或者只是广义模型的一部分，可以通过一个混合式数据-/基于物理学的方法获得，例如模糊建模。为了设计一个用于井眼净化的自动监控模型，包含不同故障点或者包含不同故障点的一个完整的模型和它们输出的结果的数据集是必不可少的。一个可靠的监控系统必须具备一套自动的在线井眼净化控制程序包。井眼净化过程的自动化操作开始于发现所有的能对结果产生影响的和重要的受影