双梯度钻井水力参数计算

1、双梯度钻井水力参数计算,专 业：油气井工程,Abstract,Dual gradient drilling(DGD) is a new drilling method in deepwater, which overcomes a series of significant deepwater drilling challenges associated with the relatively high pore pressures and low formation strengths. This technology has a wonderful perspective. This pa

2、per describes the calculations of subsea mudlift drilling(SMD) and DGD with hollow sphere glass(HGS). Firstly, this paper study the key technologies of SMD and HGS. Secondly, it obtain models of temperature distribution, and calculate drilling fluids rheological parameters effected by temperature an

3、d pressure. Thirdly, it develop hydraulics models of SMD and HGS, which been considered effects of temperature and pressure. Fourthly, aimed to the characteristics of DGD, a hydraulics optimization model of power law fluid model is studied. Finally, based on this model, this paper give a program of

4、hydraulics optimization, and then verify this program with simulated data in a foreign document. Its proved that the calculated results accurately coincide with the data in the literature.,目 录,一、前言 二、井筒温度分布 三、双梯度钻井水力参数计算 四、双梯度钻井水力参数计算软件 五、结论,1.深水钻井中存在的问题,2.双梯度钻井概述,双梯度钻井示意图,双梯度钻井技术原理,3.双梯度钻井的原理,4. 钻井

5、工艺,（1）海底泥浆举升钻井系统（SMD）,（2）注空心球（HGS)钻井系统,5.双梯度钻井的优缺点,优点： 可使破裂压力和孔隙压力间的窗口相对增大，使钻井作业中的井涌和井漏事故大大减少。 减少套管层数，节省了套管及下套管的时间和固井时间，从而缩短了建井周期，提高了操作效率。 使隔水导管内、外受力平衡，并且可避免隔水导管内泥浆密度增加，降低了环空流动摩阻。 降低深水钻井作业对钻井平台和钻机等钻井装备的要求，可以用更小、更便宜的钻井设备钻更深的深水井。 减小隔水管内泥浆重量，平台紧急撤离时更为安全，出现井喷等较大事故的可能性及对海洋环境污染的可能性也大大降低；同时减少泥浆的用量，使成本降低。,缺

6、点：,需要增加新的设备，在一定程度上会增加钻井成本； 相关技术不成熟，会带来一定的作业风险； 检测和处理井涌会有一些困难，会出现井控等安全方面的问题。,6.国内外研究现状,在国外，双梯度钻井技术已经投入工业应用，但没有见到系统的对于水力参数计算的研究资料。 中国石油大学（华东）的陈国明教授、长春科技大学的王海、蒋荣庆曾发表过相关的论文，但都没有涉及到水力参数计算的问题。,7.本文研究内容,建立温度分布模型,分析温度和压力对钻井液流变性的影响,针对钻井工艺建立水力参数计算模型,编制水力参数计算软件,目 录,一、前言 二、井筒温度分布 三、双梯度钻井水力参数计算 四、双梯度钻井水力参数计算软件 五

7、、结论,1.SMD系统的温度分布模型,海底以上钻杆内的 能量平衡,（1）,其中：,，质量流量，kg/s； ，井筒内流体的比热，J/kg； ，钻杆内流体与钻杆的传热系数，W/m； ，钻柱内流体同壁面的对流换热系数，W/m。,海底以下井眼内的 能量平衡,环空中：,钻杆处：,（2）,其中：,k c e m，水泥环导热系数，W/m。 h ac，环空内流体同壁面的对流换热系数，W/m2； k f 地层导热系数，W/m。,返回管线内的能量平衡,（3）,其中：,2.HGS系统温度分布模型,海底以下井筒的温度分布与SMD系统相同。 注入管线内的温度分布与SMD系统返回管线内的基本相同。 海底以上井筒与外界的热

8、交换是与海水的热交换，考虑隔水管的保温层，仍可以套用海底以下井筒的温度分布公式，只是其中A的表达式不同：,3.定解条件,A.初始条件 B.边界条件： （1）SMD系统 （2）HGS系统,目 录,一、前言 二、井筒温度分布 三、双梯度钻井水力参数计算 四、双梯度钻井水力参数计算软件 五、结论,基本假设,钻井液为幂律流型； 管流中不考虑钻柱旋转； 井眼为已知直径的圆形井眼； 钻柱处于与井眼同心的位置； 不考虑钻井液的触变性。,1.钻井液流动的基本方程,本构方程,连续性方程,运动方程,能量方程,参见第三章 井筒温度分布,钻杆内流性指数：,稠度指数：,环空内流性指数：,稠度指数：,本文用经验公式求钻井

9、液的流变参数,（1）温度和压力对流变参数的影响,（2）连续性方程,ASMD系统 钻杆内：泥浆 海底以下环空内： 泥浆 岩屑 返回管线内： 泥浆 岩屑,（2）连续性方程,BHGS系统 钻杆内和海底以下环空内：与SMD系统相同。 隔水管内： 泥浆 空心球 岩屑 空心球注入管线内： 泥浆 空心球,（3）动量方程,ASMD系统 钻杆内： 海底以下环空内： 返回管线内：,（3）动量方程,BHGS系统 钻杆内和海底以下环空内：与SMD系统相同。 隔水管内： 空心球注入管线内：,（4）定解条件,B.边界条件： SMD系统 HGS系统,A.初始条件 ， ， ，,2. 静态泥浆密度确定,海底泵入口压力 恒定 井

10、底压力 恒定,A.SMD系统,B.HGS系统,假设,3.温度和压力对钻井液密度的影响,4.海底泵处的压力,海底泵的入口压力等于海水静压力加上安全压力余量。 海底泵的出口压力是海底处泥浆的静水压力和返出管线中 摩擦压力损失的总和： 通过海底泵的压力差：,5. 空心球的体积浓度和注入泵速,混合泥浆的密度为 空心球的体积浓度为 根据能量守恒定律，在空心球注入处的能量守恒，有 其中：,为隔水管中空心球的体积含量,6.水力参数优化设计,(1)压耗计算,计算压耗首先要根据雷诺数判断流态，然后根据相应的公式计算。 当Re2100时 管内： 为层流 环空： 当Re2100时 管内： 为紊流 环空：,(1)压耗

11、计算,压耗与排量的关系可以简化为： 紊流时， 层流时， 令 ， 则,C1，C2为常数，与井眼的几何特性及流型系数有关,(2)确定最佳排量,SMD系统泵压传递的基本关系式可表示为： 钻头水功率 以最大钻头水功率标准： 同理，以最大射流冲击力标准：,Pr为泵额定功率pr为最大泵压,(2)确定最佳排量,HGS系统压力平衡关系式如下： 钻头水功率： 以最大钻头水功率标准： 同理，以最大射流冲击力标准：,(3)优选实际压耗：确定最佳排量，返回第1部分的内容 计算出实际的最佳压耗 。 (4)优选钻头压耗： (5)优选水力参数： 最优钻头水功率 最优射流冲击力 最优喷速 最优喷嘴面积 最优喷嘴当量直径,目

12、录,一、前言 二、井筒温度分布 三、双梯度钻井水力参数计算 四、双梯度钻井水力参数计算软件 五、结论,基础设施数据输入窗口、井径数据输入窗口、钻具 组合数据输入窗口、温度计算基础数据输入窗口。 水力参数计算窗口、环空水力参数计算与输出窗口、 水力参数优化设计窗口。 得到各个水力参数值，可以输出钻井中的温度、泥浆 密度值，对钻进过程中温度和压力对泥浆流变参数、 泥浆密度的影响进行分析研究。 得到环空的水力参数数据，可以判断钻井液压力是否 大于地层孔隙，小于地层破裂压力以及能否有效携带 岩屑等。 可以选择不同的优化标准对水力参数进行优化，从而 使钻进过程达到最优的的技术和经济指标。,1.软件介绍,

13、数据输入窗口,计算模块,环空水力参数计算 与输出窗口,水力参数计算窗口,水力参数优化 设计窗口,结 构,功 能,软件主窗体,数据输入窗口,计算模块,2.SMD系统程序验证及结果分析,海底以上钻杆内温度分布,海底以下井筒内温度分布,温度降低很快，流速对温度的影响不大，几乎是以相同的速度进入井筒,环空内的最高温度是在距井底一定距离处,返回管线内的温度分布,钻井液密度变化,流速对管线内的温度变化影响不大,海底以上高压低温环境使钻井液密度远大于地面泥浆密度,在排量为28.387L/s时，压耗计算结果见下表,模拟井泵压为11.575MPa，而本软件计算的结果为11.086MPa，两者比较接近，表明本模型

14、计算结果准确。,以最大钻头水功率为优化标准，进行水力参数优化设计，结果如下：,3. HGS系统程序验证及结果分析,注空心球钻井液温度变化,注空心球钻井液密度变化,海底以上钻杆内的泥浆温度降低较少；随着钻井深度的增加，海底以下钻杆内的温度增加越大,在海底处泥浆密度骤然下降,文献中所用的泵压为14.7MPa，空心球注入泵的泵压为12Mpa，与上表中计算的结果相比可以证明该软件的计算比较准确。,以最大钻头水功率为优化标准，进行水力参数优化设计，结果如下：,目 录,一、前言 二、井筒温度分布 三、双梯度钻井水力参数计算 四、双梯度钻井水力参数计算软件 五、结论,结 论,结合SMD、HGS双梯度钻井工艺

15、，分别推导出钻井时各部分的井筒温度场模型。 推导出SMD、HGS两种深水双梯度钻井方法的连续性方程、动量方程、随温度和压力而变化的泥浆密度计算公式，以及水力参数计算模型。 在以上理论的基础上，利用VB.net编制了针对SMD与HGS两种方法的水力参数设计软件，并利用文献数据对程序进行了验证。 通过对计算结果进行分析可知，海底以上高压低温环境使钻井液密度远大于地面泥浆密度，如果计算液柱压力时仍采用不变的泥浆密度，会使井底压力与实际不符，产生危险，因此，在计算水力参数时必须考虑温度和压力的影响。 通过对比可知，软件计算的结果与文献中的数据比较吻合，证明该软件可以用于指导实际工程中水力参数的设计。,建 议,由于能查阅到的国外的现场资料有限，加之我国目前还没有进行深水油气田开发，实际数据无法收集，对于所编制软件的验证并不是很充分，建议将来收集到现场数据后，修正双梯度钻井水力参数计算的理论，为我国今后的海洋