双梯度钻井水力参数计算

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
τ kγ
n
参见第三章
能量方程
井筒温度分布
（1）温度和压力对流变参数的影响
本文用经验公式求钻井液的流变参数
钻杆内流性指数：
0 n 0 . 78 , T 66.08 C p 0 0 n 0 . 63 0 . 00122 T , 49 . 28 C T 150 . 08 C p
钻杆处：
dTp dz

Ta Tp B
dTa Ta Tp T f Ta 环空中： dz B A
AB
d 2Tp dz
2
B
dTp dz
Tp T f 0
（2）
其中：
D ˆ C m k f t Ua p f 2 A Dk f U a
d d (AE m ρ m ) (AE m ρ m V) 0 dt ds
d d (AE s ρ s ) (AE s ρ s Vs ) 0 dt ds
（3）动量方程 A．SMD系统


d d 2 ( A E ρ V ) ( A E ρ V ) d m m m d m m m 钻杆内： dt ds d ( A d p) dP A d g cos α(E m ρ m ) Ad 0 ds ds fr 海底以下环空内：

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
一、前言
录
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
ˆ C p
1.SMD系统的温度分布模型
ˆ T T C m p p p
（2）HGS系统
Ta 0, t Tin
Tc (H, t ) Ta (H, t )
目
一、前言
录
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；
稠度指数：
K p 0.15 0.0007pln T 0.0036p 0.0863 , T 66.080 C
环空内流性指数：
na 0.302 0.000874 T 0.000008 T 2 exp0.000027 p, T 66.080 C
稠度指数：


616 .22 K a 23 .573 , T 66 .08 0 C T
d d (A R E m ρ m ) (A R E m ρ m Va ) 0 dt ds

空心球注入管线内： 泥浆 空心球
d d (A R E s ρ s ) (A R E s ρ s Vs ) 0 dt ds d d (A R E c ρ c ) (A R E c ρ c Vc ) 0 dt ds
2.双梯度钻井概述
双 梯 度 钻 井
海底泵系统
双密度系统
Deep vision 海 底 泵 系 统
SSPS 海 底 泵 系 统
SMD 海 底 泵 系 统
注 空 心 球 钻 井 系 统
注 氮 气 钻 井 系 统
双梯度钻井示意图
3.双梯度钻井的原理
双梯度钻井技术原理
4. 钻井工艺
（1）海底泥浆举升钻井系统（SMD）
z

z z
dU zT
p
p
Tsea
dTp dz

Tsea Tp B
B
（1）
其中：
ˆ C Байду номын сангаас p
dU p
，质量流量，kg/s； m
海底以上钻杆内的 能量平衡
ˆ ，井筒内流体的比热，J/kg℃； C p U p ，钻杆内流体与钻杆的传热系数，W/m℃；
h to ，钻柱内流体同壁面的对流换热系数，W/m℃。
（3）动量方程 B．HGS系统

钻杆内和海底以下环空内：与SMD系统相同。 隔水管内： d (A E ρ V A E ρ V A E ρ V ) R m m m R s s s R C C C dt d 2 (A R E m ρ m Vm A R E s ρ s Vs2 A R E C ρ C VC2 ) ds d ( A R p) dP A R g cos α(E m ρ m E s ρ s E C ρ C ) AR 0 ds ds fr 空心球注入管线内：

Qc E c (S,0) Cc (Qm Qc ) A(s)v c
SMD系统
Em 1 Ec
Q v sc (S,0) c A(S)
，
v m (S,0)
v sm (S,0) E m (S,0)
ph w , t p w
q c H, t q c
1 Ua
D ln( D wb / D) 1 h ac 2k cem
海底以下井眼内的 能量平衡
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℃。
dTrl ˆ Cp m πd rl U p Trl Tsea dz
（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。
目
一、前言
录
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
由隔水管长度和尺寸所产生的巨大的重量和空间需求 隔水管中的巨大泥浆体积和成本 由隔水管尺寸和水深造成的定位困难 破裂压力较低而孔隙压力较高导致井控难度增加
长的起下钻时间
操作成本大
dTrl Trl Tsea dz B
其中： B 返回管线内的能量平衡
（3）
ˆ C m p
d rl U p
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：

d d 2 (AE m ρ m Vm AE s ρ s Vs ) (AE m ρ m Vm AE s ρ s Vs2 ) dt ds d(Ap) dP Ag cos α(E m ρ m E s ρ s ) A 0 ds ds fr
（4）定解条件
A.初始条件 B.边界条件：
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 paper 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 and 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 hydraulics optimization, and then verify this program with simulated data in a foreign document. It’s proved that the calculated results accurately coincide with the data in the literature.
ˆ C m P A D roU a
Ua [ 1 Dins ln(Dins / D ro ) 1 1 ] hac 2kins hsea

3.定解条件
A.初始条件 Tt Ta Tei或Tsea
B.边界条件：
（1）SMD系统
Th w , t Tw
Tp H, t Ta H, t
（2）连续性方程 A．SMD系统

钻杆内：泥浆 海底以下环空内： 泥浆 岩屑
d d (A d E mρ m ) (A d E mρ m Vd ) 0 dt ds
d d (A a E m ρ m ) (A a E m ρ m Va ) 0 dt ds d d (A a E c ρ c ) (A a E c ρ c Vc ) 0 dt ds




缺点：

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。

d d 2 (A a E m ρ m Vm A a E C ρ C VC ) (A a E m ρ m Vm A a E C ρ C VC2 ) dt ds d ( A a p) dP A a g cos α(E m ρ m E C ρ C ) Aa 0 ds ds fr 返回管线内： d d 2 (AE m ρ m Vm AE C ρ C VC ) (AE m ρ m Vm AE C ρ C VC2 ) dt ds d(Ap) dP Ag cos α(E m ρ m E C ρ C ) F A 0 ds ds fr

返回管线内： 泥浆 岩屑
d d (A E m ρ m ) (AE m ρ m V) 0 dt ds
d d (AE c ρ c ) (AE c ρ c Vc ) 0 dt ds
（2）连续性方程 B．HGS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