[发明专利]一种用于导管喷射下入水力参数优化设计的方法

说明书

技术领域

本发明涉及海洋工程及石油钻井技术领域，具体地说，涉及一种海洋钻井导管喷射下入作业水力参数设计的方法。

背景技术

在海洋工程及石油钻井行业中，喷射下入导管技术能够节约钻井作业的时间，并能降低钻井的风险和成本，是一项广泛应用的技术。在喷射下入导管作业过程中，水射流破土在导管下部地层破碎过程中起到重要作用。在水射流破土过程中，水力参数决定了导管下部地层的破土效果和效率以及土体强度的恢复。水力参数对喷射下入导管作业过程及导管承载力的恢复产生重要影响。

目前，对于水力参数对喷射下入导管作业影响规律方面已经开展了相关研究。在文献“深水表层导管喷射钻进机理研究”(石油天然气学报，2012.08，第34卷，第8期)和“深水表层导管喷射钻井过程中钻井液排量优化研究”(中国海上油气，2012.08，第24卷，第4期)中，对于钻井液排量对导管下入速度、钻井液携岩能力以及导管承载能力的影响进行了实验研究。这些文献中没有考虑喷嘴尺寸及射流速度的影响，没有形成水力参数设计方法和流程。在文献“井口结构套管竖向承载机理研究”(中国石油大学(华东)，2010.05)中，运用理论方法对水力参数对水射流破土效果的影响进行了研究。该文献中没有形成可用于指导现场作业设计和施工的水力参数设计方法和流程。

基于上述情况，亟需一种用于指导现场作业设计和施工的水力参数优化设计方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于指导现场作业设计和施工的水力参数优化设计方法。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于导管喷射下入水力参数优化设计的方法，所述水力参数包括钻具的喷嘴尺寸和钻井液排量，包括以下步骤：

步骤一，获取钻井设计参数及作业区域的地层土体参数；

步骤二，依据所述钻井设计参数及所述地层土体参数绘制水力参数设计图版；

步骤三，依据所述水力参数设计图版和钻具最大允许排量，获取水射流达到临界破土效果时对应的最大地层不排水抗剪强度S_uo；

步骤四，依据所述地层土体参数获取对应于导管下入深度内的最大地层不排水抗剪强度S_umax；

步骤五，判断S_uo与S_umax的大小关系以确定钻具的喷嘴尺寸；

步骤六，依据确定的钻具喷嘴尺寸、所述钻具最大允许排量、所述地层土体参数及所述钻井设计参数绘制钻井液排量-地层深度的关系曲线以确定不同地层深度所需的钻井液排量。

根据本发明的一个实施例，所述钻井设计参数包括导管尺寸参数、钻头水眼出口中心距离钻头中轴线的距离、钻头水眼出口倾角、喷嘴尺寸、喷嘴数量、喷嘴流量系数和钻井液密度。

根据本发明的一个实施例，所述地层土体参数包括不排水抗剪强度和土体在射流冲击下的无因次承载力系数。

根据本发明的一个实施例，在步骤二中，绘制所述水力参数设计图版包括以下步骤：

计算水射流临界切割深度，计算公式为：

其中，L_jo为临界切割深度，d_con为导管内径，L_jc为钻头水眼出口中心距离钻头中轴线的距离，α为钻头水眼出口倾角；

计算临界排量，计算公式为：

其中，Q为临界排量，d_n为喷嘴直径，ε为喷嘴流量系数，n为喷嘴个数，L_jo为临界切割深度，ρ为钻井液密度，N_c为土体在射流冲击下的无因次承载力系数，S_u为不排水抗剪强度；

选择不同的喷嘴直径以得到对应不同喷嘴直径的临界排量；

针对不同的喷嘴直径绘制多组临界排量-不排水抗剪强度的关系曲线以获得所述水力参数设计图版。

根据本发明的一个实施例，在步骤三中，进一步包括：

在所述水力参数设计图版中以所述钻具最大允许排量为基准做平行于不排水抗剪强度所在轴的直线，并将此直线作为钻具最大允许排量基准线，该直线与临界排量-不排水抗剪强度的关系曲线产生多个交点，这些交点对应的不排水抗剪强度的最大值，即为水射流达到临界破土效果时对应的最大地层不排水抗剪强度S_uo。

根据本发明的一个实施例，在步骤五中，进一步包括以下步骤：