[發明專利]一種卡森模式鉆井液流變參數的控制方法

有效

• 申請號: 201110280632.4
• 申請日: 2011-09-20
• 公開（公告）號: CN102434119A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 閆吉曾;鄭鋒輝;狄偉;鄧紅琳
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司華北分公司工程技術研究院
• 主分類號: E21B21/08
• 分類號: E21B21/08
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 陳浩

技術領域

本發明涉及石油天然氣鉆井領域，涉及一種符合卡森模式的鉆井液流變參數的控制方法。

背景技術

在石油天然氣鉆井領域，鉆井液被比喻為鉆井的的血液，它與鉆井速度、鉆井成本及鉆井參數緊密相關，鉆井液的性能是鉆井成敗的重要因素之一。一般情況下，鉆井液屬于非牛頓流體，符合卡森流變模式的稱為卡森流體，卡森模式(Casson?Model)由卡森于1959年提出，是常用的流變模式之一，可適用于各種類型的鉆井液(見文獻《鉆井液工藝學》第76頁，鄢捷年主編，中國石油大學出版社，2000)，流變方程為其流變參數τ_c稱為卡森動切力或卡森屈服值，η_∞稱為極限高剪切粘度或卡森粘度，常用來近似表示鉆井液在鉆頭噴嘴處紊流狀態下的流動阻力，因此也稱為水眼粘度。這兩個參數的合理控制對于鉆井液有效攜巖、安全優快鉆井有重要意義(見文獻《鉆井手冊(甲方)上冊》第773頁，《鉆井手冊(甲方)》編寫組，石油工業出版社，1990)，也與鉆井液的壓降、摩阻計算及優化施工參數緊密相關，根據鉆井工藝的要求，確定流變參數的合理范圍是十分重要的，因此行業標準推薦τ_c值范圍為τ_c≥4Pa，η_∞值范圍為3～10mPa·s(見文獻《SY/T?5234-2004優選參數鉆井基本方法及應用》)。目前，現場調整鉆井液流變參數的方法存在一些不足與缺陷，主要體現在兩個方面：(1)流變參數估計精度不高，導致控制不當，增加工人勞動量，浪費鉆井液材料，增加鉆井成本；(2)通過泥漿大班感官眼看手摸的辦法判斷鉆井液性能，過多的依賴于泥漿大班的經驗，缺乏合理的手段和程序。

目前，流變參數的估計，通常是采用旋轉粘度計測量入井流體不同轉速下的讀數，根據這些實測數據選擇一定的方法進行估計，得到相應的卡森屈服值估計值和卡森粘度估計值估計方法主要有三種，一是直接估計法，二是線性回歸法，另一個是非線性回歸法。

直接估計法主要是采用旋轉粘度計100轉讀數、300轉讀數和600轉讀數進行估計，主要缺陷是計算點單一，僅僅代表某一剪切速率下的流變參數，而鉆井液在井內的循環過程從鉆桿、鉆鋌、環空至返出井口，剪切速率變化范圍很大(見文獻《鉆井液工藝學》第68頁，鄢捷年主編，中國石油大學出版社，2000)，所以這種估計方法不能準確反映各剪切速率下的流變性。

為克服直接估計法的不足，另一種現場常用方法是線性回歸法，對卡森模式流變方程進行線性化處理，轉換為線性方程，Y＝a+bX(其中：)，根據線性回歸法相關公式計算出τ_c和η_∞，轉換后新方程出現方差異性，不再滿足Gauss-Markov假定，參數估計不具有方差一致最小性，結果造成流變參數的估計精度大大降低，對鉆井液調整產生“誤導”。

非線性回歸法由于計算精度要高于線性回歸法，越來越受到工程技術人員的重視。目前，利用非線性回歸法估計流變參數，通常通過LMF算法(Levenberg-Marquardt-Fletcher)求解，屬于二元函數的極值問題，須設置初始值，進行判斷轉移次數較多，涉及大量矩陣運算，見文獻《最優化原理與方法》(薛毅著，北京工業大學出版社，2001)；文獻《鉆井液卡森參數非線性最小二乘估計新算法》(魯港李曉光等，石油學報2008年第3期)提出了一種方法，主要是求解二元非線性方程組，然后判斷根的合理性。但是，這兩種方法都過于復雜，編程步驟過多，判斷轉移次數多，計算量大，給實際應用造成較大困難。

發明內容

本發明的目的是提供一種卡森模式鉆井液流變參數的控制方法，以解決現有控制方法中計算量大、方法復雜，不適于現場實時操作的問題。

為實現上述目的，本發明的一種卡森模式鉆井液流變參數的控制方法包括以下步驟：

(1)根據井眼尺寸、井徑擴大率、環空間隙、固相顆粒和泥漿泵排量大小，確定鉆井液卡森屈服值τ_c和卡森粘度η_∞的合理取值范圍；

(2)從振動篩前泥漿槽采集鉆井液樣本，測量并記錄N種不同轉速Φ下的讀數θ，其中N≥3；

(3)將得到的不同轉速Φ和對應的讀數θ轉換為相應的剪切速率γ和剪切應力τ；

(4)根據得到的剪切速率γ和剪切應力τ，估計卡森屈服值τ_c和卡森粘度值η_∞，得到卡森屈服估計值和卡森粘度估計值