作者：（美）郭柏云,（美）刘格非
出版社：石油工业出版社
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实用钻井循环系统：水力学模型和计算试读：
前言
在钻井工程中，钻井循环系统是至关重要的一环，不仅影响着钻井作业的进度，更影响着井眼的施工质量和作业安全。因此，根据不同钻井循环系统的特点，安全高效地完成油气井钻井作业是每个钻井工程师的追求目标。本书从钻井循环系统方面的基础知识出发，系统地介绍了液体、气体和欠平衡钻井循环系统保证安全、高效钻进时的优化设计要求，并详细介绍了以上三种循环系统中水力学模型及关键参数的计算方法及应用。本书包含了丰富的计算实例，给设计人员和现场工程人员提供了参考和指导。本书的翻译、校审工作由中海油研究总院多年从事海上钻完井工作的专家和技术人员承担。参加本书翻译的人员有：第1章1.1—1.3，郝良；第1章1.4—1.5、第2章2.1—2.2，何松；第2章2.3—2.4，岳家平；第3章3.1—3.3，徐国贤；第3章3.4—3.6、第4章4.1—4.2，冯明；第4章4.3—4.4，计勇；第5章、第6章6.1—6.2，贾宗文；第6章6.3—6.6，郑清华；第7章，马良；第8章、第9章9.1，王彬；第9章9.2，闫新江；第9章9.3—9.4，段玉超；第10章，范志利。本书的校审人员有何保生、曹砚锋、范志利。由于译者水平有限，书中难免会存在不足及疏漏之处，恳请读者指正。译者2015年7月前言过去十年，钻井循环系统在油气工业中的应用有了显著的发展。最明显的变化是气体钻井、欠平衡钻井以及传统的液体钻井系统都并入了钻井循环系统。过去几年中，笔者在高等院校和油气行业中讲授钻井工程课程的过程中，意识到很有必要写一本关于现代钻井经验的书。目前已有的书中都没有如何运用工程原理来解决钻井循环系统中频繁遇到的难题，这激发了笔者编写这本书的热情。本书主要适合现场钻井工程师和高年级在校大学生以及研究生使用。笔者没有简单地照抄其他书上的内容，该书凝聚了笔者多年来在油气行业和高校中教授钻井水力学、气体钻井、欠平衡钻井课程所获得的经验。该书的主要目的是给钻井工程师提供一本用于设计、分析和操作钻井循环系统的指导手册。本书涵盖了钻井循环系统的全部范围，根据技术的发展，包含3部分共10个章节。第1部分包括4章，包含钻井液基础，作为对初级钻井工程师和在校学生的第一课。第1章介绍了钻井液循环系统中使用的设备，第2章介绍了钻井液水力学基础，它是钻井泵和钻井液水力工程选择和优化的基础，第3章介绍了钻井泵选型的详细过程，第4章介绍了钻井液水力工程优化技术。第2部分包括3章，主要介绍气体钻井系统的概念、设计和操作的原则。第5章介绍了气体钻井系统使用的设备，第6章介绍了气体压缩机选型的详细过程，第7章为气体钻井作业提供指导。第3部分包括3章，主要介绍欠平衡钻井系统。第8章介绍了欠平衡钻井系统中的设备，第9章介绍了气体流量和液体流量优化程序，第10章为欠平衡钻井作业提供指导。本书的内容在深度上需要省略什么是最大的挑战。笔者相信很多书已经介绍了钻井循环系统方面的基础知识。针对本书可能出现的一些不足，在每章的最后，本书列出了所参考的书目，以便读者能够查阅其他有关信息来进行讨论。本书重点介绍了工程原理在钻井循环系统设计和优化方面的应用，没有对原理进行深入的讨论。本书没有数学模型的推导，而是通过实例来说明解决问题的原理与应用。一些简单问题不涉及计算迭代过程，而一些复杂问题需要运用计算机程序计算解决，计算机程序可以从出版商的网站上进行下载。本书与计算机程序的结合创建了一个完美的工具箱，它们极大地提高了钻井工程师的日常工作效率。所有的计算机程序编写在微软Excel的电子表格中，可在大多数计算机平台上运行。这些表格方便实用，计算精确。本书使用美制单位和SI单位，在电子表格程序中可以选择美制单位或SI单位。本书是在大量文献的基础上完成的，包括这些年在路易斯安那大学拉斐特分校和Pegasus Vertex公司工作积累的报告和论文，笔者非常感谢学校和公司允许使用这些材料。特别感谢雪佛龙美国公司石油工程领域的教授对编辑该书提供的帮助。同时我们也感谢壳牌美国公司的Yin Guoqiang先生对该书审稿。本书凝结了笔者和审稿人的经验，希望对石油天然气行业的钻井工程师有参考价值。郭柏云博士雪佛龙特聘教授（石油工程）路易斯安那大学拉斐特分校第1部分 液体钻井系统在钻油气井、水井以及地质钻孔和采矿钻孔时，通常使用液体作为循环流体。该类型的钻井液通常是黏土及其他材料在水中的悬浮液，因此在现场也被称为泥浆。它的密度范围通常为8.33～18.33lb/gal（相对密度1.0～2.2），用于钻进正常或异常地层压力梯度（大于0.433psi/ft或0.01MPa/m）的地层。因为井底压力大于地层孔隙压力，因此，钻井液钻井是一个过平衡钻井过程。与气体钻井和欠平衡钻井（见第2部分和第3部分）相比，钻井液钻井可以钻进各种地层，并能更好地控制地层流体，保持井眼稳定。第1部分介绍钻井液循环系统的基本知识和优化钻井液水力参数，获得最大的机械钻速的方法。前4章的主要内容如下：第1章 钻井液循环系统设备；第2章 钻井液水力学基础；第3章 钻井泵；第4章 钻井液水力优化。第1章 钻井液循环系统设备1.1 钻井液循环系统简介图1.1是一个典型的钻井液循环系统（Lyons等，2009）。钻井液循环过程如下：（1）从钻井液罐流入钻井泵；（2）经钻井泵流经立管、方钻杆到钻柱，钻柱由钻杆及井下钻具组合（BHA）组成；（3）通过钻柱到达钻头；（4）经钻头喷嘴后沿钻柱与井眼的环空（包括裸眼段和套管段）到达地面；（5）通过固控设备流入钻井液池。固控设备包括振动筛、除气器、旋流器（除砂器和除泥器）和离心机。除砂器和除泥器集成一个整体单元，被称为钻井液净化器。本章简要介绍了钻井液循环系统的设备。图1.1 典型的钻井液循环系统1.2 钻井泵钻井泵是钻井液循环系统的心脏。钻井泵是往复式活塞泵，广泛用于油气井钻井。往复式容积泵的优点是可泵送具有研磨性的高固相含量液体，易于操作和维护，通过改变缸套和活塞直径可实现压力和排量大范围的调整。活塞冲程可分为单冲程和双冲程两种类型。双缸双冲程的泵被称为双缸泵（图1.2），三缸单冲程的泵被称为三缸泵（图1.3）。三缸泵比双缸泵更轻、更紧凑，输出的压力波动不大，操作简单，价格便宜。由于这些特点，现场大多使用三缸泵。通常情况下，双缸泵可以提供更高的排量，而三缸泵可以提供更高的工作压力。然而，对于功率固定的泵，可以通过改变泵的缸套尺寸来调节排量和工作压力，图1.4所示为不同类型的缸套。改变电机的转速，在一定范围内也可以影响钻井泵排量。图1.2 双缸泵（来自美国）图1.3 三缸泵图1.4 泵缸套1.3 钻柱图1.5是石油和天然气行业使用的钻柱，本节根据入井顺序对钻柱组成进行描述。钻头安装在钻柱的底部，石油和天然气工业中使用的钻头有三种类型：刮刀钻头、牙轮钻头（滚动切削钻头）和PDC钻头。图1.6是两个三牙轮钻头，一个是铣齿钻头，一个是镶齿钻头。图1.7是三牙轮钻头的截面图。大多数钻头设计安装有不同尺寸的喷嘴。钻井液高速通过钻头喷嘴，清洁钻头切削齿，清除井底岩屑。图1.8是不同类型的钻头喷嘴，这些喷嘴由硬质金属组成，可抗冲蚀。钻头喷嘴直径使用表示。例如，如果钻头喷嘴为“12-13-13”，这表示该钻头包含一个直径为和两个直径为的喷嘴。奇数号喷嘴尺寸编号不大于20。图1.5 石油工业中使用的钻柱图1.6 石油工业中典型的三牙轮钻头钻头通过接头与钻铤相连，该接头较短，壁较厚，两端带有内螺纹，用于保护钻铤底部螺纹，由于它与钻头频繁连接会造成磨损。钻铤壁较厚，给钻头施加钻压，使钻头切削齿能够切入地层。底部钻具组合由钻铤和稳定器组成，通过设置稳定器距离钻头位置的远近，可以控制井眼轨迹（图1.9）。底部钻具组合（BHA）中钻铤的数量取决于有效钻进时所需钻压（Bourgoyne等，1991）。对于定向和水平钻进，BHA也包括井下动力钻具和随钻测量（MWD）与随钻测井（LWD）等测量工具。井下动力钻具的主要组成部分如图1.10所示，每平方英寸需要几百磅力的压降来产生扭矩使钻头转动。图1.7 三牙轮钻头剖面图图1.8 钻头喷嘴横截面示意图图1.9 在石油工业中使用的底部钻具组合图1.10 井下动力钻具的主要部分钻杆在BHA的顶部，钻铤连接的螺纹与钻杆接头末端的螺纹不同，它用一种特殊的转换接头连接钻杆和钻铤。钻杆的数量取决于井深，常规钻杆并不适用于受压状态。当起钻换钻头或者测井作业时，钻杆被拆卸扣成立根，垂直放置于钻台与二层台之间（图1.11）。钻杆立根长度取决于所使用的井架类型。一根立根通常包含两到三根钻杆。在钻柱顶部是方钻杆旋塞接头，它是另外一种保护方钻杆底部螺纹的转换接头。方钻杆是一种特殊的钻杆，连接处为方形或六边形。转盘抱住方钻杆外部，为钻柱提供扭矩，使其旋转。随着井深的增加，需要增加钻杆数量。多次重复连接钻杆，会对方钻杆旋塞接头底部的螺纹产生磨损。图1.11 钻杆立根方钻杆上部是保护水龙头的接头。接头上面为水龙头，它分为两部分：底部的旋转部分和顶部的非旋转部分。水龙头的非旋转部分靠游动滑车和提升系统固定在井架上。密封轴承使水龙头底部旋转，顶部固定在游动滑车上，钻井液通过水龙头流入钻柱。正循环时，钻井液从钻柱内部到达钻头，再流经钻头喷嘴，携带钻头处岩屑，向上流入钻柱和井眼的环空，当钻井液到达地面时，通过固控系统净化。1.4 固控系统固控系统用于清除井眼中返出钻井液中的岩屑。一套固控设备主要包括振动筛、除气器、除砂器、除泥器和离心机。这些设备都安装在钻井液罐上面。如图1.12（Moore，1986）所示，依次是振动筛、除气器、除砂器、除泥器和离心机。图1.12 固相清除设备振动筛在其他行业中可能被细分为不同的种类，而在石油和天然气工业中，振动筛包括所有的种类，并没有进行细分。图1.13是振动筛。影响振动筛效率的因素包括：钻井液性能、筛目、振动频率和设计的几何形状。振动筛筛网对颗粒进行分离，不是简单地将大于筛网的颗粒保留，小于筛网的颗粒通过，而是通过筛网的高速振动来阻止许多比筛目小的颗粒通过。岩屑不是球形的，没有很好的方法能测算出它们的尺寸。岩屑尺寸的粒度中值是一半颗粒可以通过的尺寸。粒度中值的尺寸比振动筛的筛目小很多。正方形网格的振动筛网能阻挡大约85%与网眼相同尺寸的岩屑。图1.13 振动筛钻井液通过除砂器中的离心泵除砂，然后再进入除气器中脱气。如果钻井液中存在气体，泵的2效率会显著降低。除气器是去除稠浆中固相的一个重要环节。当钻井液屈服值低于10lbf/100ft时，振2动筛去除气侵钻井液中的大部分气体。如果钻井液屈服值小于6lbf/100ft，通常不使用除气器。如果是真空型除气器（图1.14），则钻井液由真空泵吸入，经过处理后，再由离心泵喷射器将处理后的钻井液从真空处理室抽吸出来。当除气器工作时，如果不满足上述条件，钻井液将不经过除砂器和除泥器。在钻井液钻井中也使用传统的气液分离器（图1.15）。图1.14 真空除气器除砂器（图1.16）、除泥器（图1.17）以及它们的组合，称为钻井液清洁器（图1.18），它们都属于水力旋流装置。如果操作适当，对于未加重钻井液，在全速流动时，水力旋流器能够分选出一级分离设备中出来的最小颗粒。了解常规水力旋流器的设计原理有助于合理的操作使用。水力旋流器（图1.19）有一个锥形体，大部分的沉降过程在此完成。上部壳体呈圆筒状，形成进口腔，侧部有一切向进口管。顶部中心有一涡流导管，构成溢流孔，壳体下部呈圆锥形，底部为底流孔，固体从该孔排出。钻井液沿切向（在平面上垂直于水力旋流器的中心轴）由进口管进入内部，并获得离心力场。图1.15 气液分离器图1.16 除砂器图1.17 除泥器图1.18 钻井液清洁器图1.19 水力旋流器钻井液离开进料室环空所形成的轴向冲击力会产生轴向速度，导致反向螺旋速度，如图1.19中的S，其中，T和A分别代表切向和轴向速度。其中的空心圆柱体，也叫涡流导管，从顶部轴向扩展，通过入口进入水力旋流器的内部。钻井液在涡流导管内部形成溢流流出。溢流孔远大于底流孔。水力旋流器名义尺寸是圆锥形部分的最大内径。所有参数对于旋流器的操作和设计都至关重要。沉降式离心机（图1.20）是一个固液分离装置，用来去除钻井液中的固相，从自由液体中分离固相颗粒，只留吸附水。吸附水中不含有可溶性物质（例如氯化物）或胶状悬浮物（例如膨润土）。可溶的、悬浮颗粒与来自沉降式离心机的连续自由液相及惰性颗粒结合在一起。如果需要，分离出的固相中的吸附水只能通过蒸发的方法分离。图1.20 沉降式离心机1.5 小结本章主要对钻井液循环系统设备进行了简要的说明，钻井泵、钻柱、钻铤和钻头喷嘴是影响钻井液水力参数和钻井性能的主要部分，因此，我们将在后面的章节中讨论。参考文献Bourgoyne Jr. A. T., Millheim K. K., Chenevert, M. E., Young Jr. F. S., 1991. Applied Drilling Engineering. SPE Textbook Series.Lyons, W. C., Guo, B., Graham, R. L., Hawley, G. D., 2009. Air and Gas Drilling Manual. Gulf Professional Publishing.Moore. P. L., 1986. Drilling Practices Manual, second ed. Penn WellBooks.思考题（1）利用钻井泵如何调整钻井液排量？（2）16号喷嘴的直径是多少英寸？（3）在钻井液循环系统中除气器的作用是什么？第2章 钻井液水力学基础2.1 简介钻井液水力学是影响钻井液钻井性能最重要的参数之一。通过优化水力参数来大幅提高机械钻速，降低钻井成本。优选目标是最大程度的利用泵功率，实现钻头高效钻进。这个目标可以通过减小因摩擦阻力引起的循环系统能量损失，利用节约的能量来提高钻头水功率。本章为钻井工程师选泵（第3章）和水力参数优选（第4章）提供必要的钻井液水力学基础。2.2 钻井液性能不同流变性的钻井液适用于不同条件下的钻井施工过程。本节介绍了在油气行业使用的钻井液分类、流变性以及性能测量方法。2.2.1 钻井液分类在石油行业中，使用的钻井液类型很多。在钻进循环过程中不同类型的钻井液，其性能也不相同。流道中的压降（本例中为钻柱和环空）取决于流动阻力。对于一个沿着流道壁面流动的流体质点，流动阻力来自于它和管壁的摩擦力。此摩擦力作用于质点上，方向与流动方向相反，因此，降低了质点流动的速度。同样，沿着管壁流动的相邻质点之间也存在有摩擦力。这种流体质点与管壁以及流体质点之间的摩擦力（流动阻力），取决于流体的性能和流体质点的流速。对这种流动阻力现象的研究称为流变学。流变学主要研究物质的流动和变形特征，描述物质在一定剪切速率和剪切应力下的流动和变形。剪切速率是垂直于流动方向上的流速梯度。剪切速率越高，流体质点之间的摩擦力便越高。质点间的摩擦力通过剪切层上单位面积的剪切力或剪切应力来计量。基于流体的流变性能，流体在流变研究中被分为不同种类。图2.1给出了五种在石油行业中常见的流体。曲线a描述了自然界中最常见的一类流体。剪切力与剪切速率成正比，即流体的流动阻力随着流动变形呈线性增加。油和水即为此类流体，这类流体被称为牛顿流体。曲线b表明在低剪切速率区域外，剪切应力和剪切速率呈线性关系，剪切速率为零时，剪切应力非零，此时的剪切应力叫做胶凝强度，即是指需要一个初始力使流体变形流动。由于这种塑性性能的存在，此类流体被称为塑性流体或者宾汉塑性流体。通过向牛顿流体中加入黏土类颗粒便可以得到塑性流体。曲线c描述了剪切速率和剪切应力的一种非线性关系。随着形变增加，流动阻力的增加量小于线性增加量。此类流体被称作假塑性流体，或者幂律流体。聚合物溶液通常属于此类流体。图2.1 钻井过程中不同种类的流体曲线d描述了在零剪切速率和非零剪切应力下剪切速率和剪切应力的非线性关系。同样，此类流体需要一个初始力来使流体变形流动。随着形变增加，流动阻力的增加量小于线性增加量。Herschel和Bulkley（1926）首先模拟出流体的这种特性，因此，此此类流体也被叫做赫—巴（Herschel-Bulkley）流体。曲线e也描述了剪切速率和剪切应力之间的一种非线性关系。随着形变增加，流动阻力的增加量大于线性增加量。这类流体被称为膨胀性流体，通过向牛顿流体中加入淀粉类物质便可以获得此类流体。2.2.2 流变模型不同流变模型用来描述流体的流动特性。牛顿流体用牛顿模型加以描述：2式中 ——剪切应力，lbf/100ft或Pa； μ——黏度，cP或Pa·s；-1 ——剪切速率，s。宾汉塑性模型用于描述宾汉塑性流体的流动特性。模型表述为：2式中 ——动切力（YP），lbf/100ft或Pa；y μ——塑性黏度（PV），cP或Pa·s。p显然，宾汉塑性模型是一种线性模型，它没有描述宾汉塑性流体在低剪切速率区域下的流动特性，这种差异如图2.2所示。动切力（）大于流体胶凝强度（）。假塑性和膨胀性流体的特性可以用幂律模型来表达：试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]