一種用于導(dǎo)管噴射下入水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及海洋工程及石油鉆井技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種海洋鉆井導(dǎo)管噴 射下入作業(yè)水力參數(shù)設(shè)計(jì)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在海洋工程及石油鉆井行業(yè)中，噴射下入導(dǎo)管技術(shù)能夠節(jié)約鉆井作業(yè)的時(shí)間，并 能降低鉆井的風(fēng)險(xiǎn)和成本，是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用的技術(shù)。在噴射下入導(dǎo)管作業(yè)過(guò)程中，水射流破 ±在導(dǎo)管下部地層破碎過(guò)程中起到重要作用。在水射流破±過(guò)程中，水力參數(shù)決定了導(dǎo)管 下部地層的破±效果和效率^及±體強(qiáng)度的恢復(fù)。水力參數(shù)對(duì)噴射下入導(dǎo)管作業(yè)過(guò)程及導(dǎo) 管承載力的恢復(fù)產(chǎn)生重要影響。
[0003]目前，對(duì)于水力參數(shù)對(duì)噴射下入導(dǎo)管作業(yè)影響規(guī)律方面已經(jīng)開展了相關(guān)研究。在 文獻(xiàn)"深水表層導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)機(jī)理研究"（石油天然氣學(xué)報(bào)，2012. 08,第34卷，第8期）和 "深水表層導(dǎo)管噴射鉆井過(guò)程中鉆井液排量?jī)?yōu)化研究"（中國(guó)海上油氣，2012. 08,第24卷， 第4期）中，對(duì)于鉆井液排量對(duì)導(dǎo)管下入速度、鉆井液攜巖能力W及導(dǎo)管承載能力的影響進(jìn) 行了實(shí)驗(yàn)研究。送些文獻(xiàn)中沒(méi)有考慮噴嘴尺寸及射流速度的影響，沒(méi)有形成水力參數(shù)設(shè)計(jì) 方法和流程。在文獻(xiàn)"井口結(jié)構(gòu)套管豎向承載機(jī)理研究"（中國(guó)石油大學(xué)（華東），2010. 05) 中，運(yùn)用理論方法對(duì)水力參數(shù)對(duì)水射流破±效果的影響進(jìn)行了研究。該文獻(xiàn)中沒(méi)有形成可 用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)設(shè)計(jì)和施工的水力參數(shù)設(shè)計(jì)方法和流程。
[0004] 基于上述情況，亟需一種用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)設(shè)計(jì)和施工的水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)設(shè)計(jì)和施工的水力參數(shù)優(yōu) 化設(shè)計(jì)方法。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種用于導(dǎo)管噴射下入水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方 法，所述水力參數(shù)包括鉆具的噴嘴尺寸和鉆井液排量，包括W下步驟：
[0007] 步驟一，獲取鉆井設(shè)計(jì)參數(shù)及作業(yè)區(qū)域的地層±體參數(shù)；
[0008] 步驟二，依據(jù)所述鉆井設(shè)計(jì)參數(shù)及所述地層±體參數(shù)繪制水力參數(shù)設(shè)計(jì)圖版；
[0009] 步驟H，依據(jù)所述水力參數(shù)設(shè)計(jì)圖版和鉆具最大允許排量，獲取水射流達(dá)到臨界 破±效果時(shí)對(duì)應(yīng)的最大地層不排水抗剪強(qiáng)度S。。；
[0010] 步驟四，依據(jù)所述地層±體參數(shù)獲取對(duì)應(yīng)于導(dǎo)管下入深度內(nèi)的最大地層不排水抗 與強(qiáng)度Sum。、；
[0011] 步驟五，判斷S。。與Sum。、的大小關(guān)系W確定鉆具的噴嘴尺寸；
[0012] 步驟六，依據(jù)確定的鉆具噴嘴尺寸、所述鉆具最大允許排量、所述地層±體參數(shù)及 所述鉆井設(shè)計(jì)參數(shù)繪制鉆井液排量-地層深度的關(guān)系曲線W確定不同地層深度所需的鉆 井液排量。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述鉆井設(shè)計(jì)參數(shù)包括導(dǎo)管尺寸參數(shù)、鉆頭水眼出口 中必距離鉆頭中軸線的距離、鉆頭水眼出口傾角、噴嘴尺寸、噴嘴數(shù)量、噴嘴流量系數(shù)和鉆 井液密度。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述地層±體參數(shù)包括不排水抗剪強(qiáng)度和±體在射流 沖擊下的無(wú)因次承載力系數(shù)。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在步驟二中，繪制所述水力參數(shù)設(shè)計(jì)圖版包括W下步 驟：
[0016] 計(jì)算水射流臨界切割深度，計(jì)算公式為：
[001引其中，L,。為臨界切割深度，d。。。為導(dǎo)管內(nèi)徑，L,。為鉆頭水眼出口中必距離鉆頭中軸 線的距離，a為鉆頭水眼出口傾角；
[0019] 計(jì)算臨界排量，計(jì)算公式為：
[0021] 其中，Q為臨界排量，屯為噴嘴直徑，e為噴嘴流量系數(shù)，n為噴嘴個(gè)數(shù)，L,。為臨界 切割深度，P為鉆井液密度，N。為±體在射流沖擊下的無(wú)因次承載力系數(shù)，S。為不排水抗剪 強(qiáng)度；
[0022] 選擇不同的噴嘴直徑W得到對(duì)應(yīng)不同噴嘴直徑的臨界排量；
[0023] 針對(duì)不同的噴嘴直徑繪制多組臨界排量-不排水抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線W獲得所 述水力參數(shù)設(shè)計(jì)圖版。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在步驟H中，進(jìn)一步包括：
[0025] 在所述水力參數(shù)設(shè)計(jì)圖版中W所述鉆具最大允許排量為基準(zhǔn)做平行于不排水抗 剪強(qiáng)度所在軸的直線，并將此直線作為鉆具最大允許排量基準(zhǔn)線，該直線與臨界排量-不 排水抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線產(chǎn)生多個(gè)交點(diǎn)，送些交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不排水抗剪強(qiáng)度的最大值，即為 水射流達(dá)到臨界破±效果時(shí)對(duì)應(yīng)的最大地層不排水抗剪強(qiáng)度S。。。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在步驟五中，進(jìn)一步包括W下步驟：
[0027] 如果Su"〉Sum。,，則在所述鉆具最大允許排量基準(zhǔn)線W下，W 為基準(zhǔn)繪制平行于 鉆具臨界排量的直線，選擇該直線與臨界排量-不排水抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線的交點(diǎn)中對(duì)應(yīng) 臨界排量最大的噴嘴直徑；
[002引如果8。。< =Sum。、，則選擇與鉆具最大允許排量基準(zhǔn)線產(chǎn)生交點(diǎn)的臨界排量-不排 水抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線中對(duì)應(yīng)的最小的噴嘴直徑。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在步驟六中，進(jìn)一步包括W下步驟：
[0030] 依據(jù)地層±體參數(shù)繪制不排水抗剪強(qiáng)度-地層深度的關(guān)系曲線；
[0031] 基于鉆具最大允許排量、臨界排量計(jì)算公式與不排水抗剪強(qiáng)度-地層深度的關(guān)系 曲線獲得確定噴嘴直徑條件下的鉆井液排量-地層深度關(guān)系曲線W確定不同地層深度所 需的鉆井液排量。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，基于所述鉆井液排量-地層深度關(guān)系曲線W確定不同 地層深度所需的鉆井液排量，包括：
[0033] 在噴嘴直徑確定的條件下，如果臨界排量小于或等于鉆具最大允許排量，則取臨 界排量為設(shè)計(jì)排量，如果臨界排量大于鉆具最大允許排量，則取鉆具最大允許排量為設(shè)計(jì) 排量。
[0034] 本發(fā)明帶來(lái)了W下有益效果：
[0035] 本發(fā)明在采用噴射方法下入導(dǎo)管作業(yè)時(shí)，綜合考慮水射流破±效果、環(huán)空鉆井液 攜巖效果及鉆具性能等因素，直觀快捷地得到一定地層條件下的水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可用 于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)設(shè)計(jì)和施工，具有較強(qiáng)的適用性。
[0036] 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書中變 得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在說(shuō)明書、權(quán)利 要求書W及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要的附圖做簡(jiǎn)單的介紹：
[0038] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法流程圖；
[0039]圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的臨界排量-不排水抗剪強(qiáng)度關(guān)系圖（水力參數(shù) 設(shè)計(jì)圖版）；
[0040]圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的不排水抗剪強(qiáng)度-地層深度關(guān)系圖（不排水抗 剪強(qiáng)度剖面）；W及
[0041] 圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的鉆井液排量-地層深度關(guān)系曲線圖（鉆井液排 量指導(dǎo)曲線）。
【具體實(shí)施方式】
[0042]W下將結(jié)合附圖及實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，借此對(duì)本發(fā)明如何應(yīng)用 技術(shù)手段來(lái)解決技術(shù)問(wèn)題，并達(dá)成技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)過(guò)程能充分理解并據(jù)W實(shí)施。需要說(shuō)明 的是，只要不構(gòu)成沖突，本發(fā)明中的各個(gè)實(shí)施例W及各實(shí)施例中的各個(gè)特征可W相互結(jié)合， 所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0043] 另外，在附圖的流程圖示出的步驟可W在諸如一組計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)中執(zhí)行，并且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可WW不同于此處 的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟。
[0044] 在海洋石油鉆井過(guò)程中，水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)概念是隨著噴射式鉆頭的使用而提出 來(lái)的。水力參數(shù)是表征鉆頭水力特性、射流水力特性和地面水力設(shè)備性質(zhì)的量。水力參數(shù) 主要包括鉆井泉的功率、排量、泉壓、鉆頭水功率、鉆頭噴嘴直徑及鉆頭噴嘴個(gè)數(shù)等。噴射下 導(dǎo)管作業(yè)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的為尋求合理的水力參數(shù)配合，使導(dǎo)管能夠快速順利下入 的同時(shí)，保證導(dǎo)管下入后具有較大的承載能力。。
[0045] 如圖1所示為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法流程圖。
[0046] 在步驟SOOl中，獲取鉆井設(shè)計(jì)參數(shù)及作業(yè)區(qū)域的地層±體參數(shù)。在該步驟中，需 要獲取的鉆井設(shè)計(jì)參數(shù)包括：導(dǎo)管尺寸參數(shù)、鉆頭尺寸、鉆頭水眼出口中必距離鉆頭中軸線 的距離、鉆頭水眼出口傾角、噴嘴尺寸、噴嘴流量系數(shù)、鉆井液密度。地層±體參數(shù)包括不排 水抗剪強(qiáng)度及±體在射流沖擊下的無(wú)因次承載力系數(shù)。
[0047] 在噴射下入導(dǎo)管水力參數(shù)設(shè)計(jì)中，臨界破±效果即水射流破±深度恰好達(dá)到導(dǎo)管 內(nèi)徑位置，對(duì)應(yīng)的水射流破±深度為臨界切割深度，對(duì)應(yīng)的鉆井液排量為臨界排量。
[0048] 在步驟S002中，依據(jù)鉆井設(shè)計(jì)參數(shù)及地層±體參數(shù)繪制水力參數(shù)設(shè)計(jì)圖版。在該 步驟中，首先依據(jù)獲取的鉆井設(shè)計(jì)參數(shù)通過(guò)W下公式計(jì)算臨界切割深度，該公式為：
(1-0
[0050] 其中，L,。為臨界切割深度，d。。。為導(dǎo)管內(nèi)徑，L,。為鉆頭水眼出口中必距離鉆頭中軸 線的距離，a為鉆頭水眼出口傾角。
[0051] 然后依據(jù)W下公式計(jì)算臨界排量：
(1-2)
[00