深井钻井随钻测量压力脉冲信号传播规律研究

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1、学兔兔www.xuetutu.com石油天然气学报(江汉石油学院学报)2014年6月第36卷第6期JournalofOilandGasTechnology(J．JPI)Jun．2014Vo1．36No．6深井钻井随钻测量压力脉冲信号传播规律研究朱利，万里平，李红涛李皋，张宇睿(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学)，四川成都。’。。。)唐海波(中石化西南油气分公司工程监督中心，四川德阳618000)[摘要]针对深井钻井过程中面临的随钻测量难题，从井筒钻井液流动基本控制方程出发，综合考虑壁面剪切力、重力和黏性耗散作用，提出了深井钻井随钻测量压力脉冲传播速度和衰减系数

2、的解析计算模型。建立了水平管压力脉冲模拟试验装置，模型计算结果与试验结果吻合较好。研究表明，脉冲频率、钻井液塑性黏度、流速对传播速度和衰减系数的影响明显，较低的脉冲频率、钻井液塑性黏度、流速有利于降低压力脉冲的衰减。深井钻井中，高温高压环境下的钻井液密度动态变化对压力脉冲的传播和衰减有着不可忽视的影响，受密度分布的影响，压力脉冲频率和衰减系数沿井深变化，并随循环时间的不同在下部井段呈现出差异。[关键词]随钻测量；深井钻井；数学模型；传播速度；衰减系数[中图分类号]TE271[文献标志码]A[文章编号]1000—9752(2014)06—0108一o6随着油气勘探向深部地层发展

3、，钻井工程面临着前所未有的技术挑战L1]。深部地层钻井中，由于存在长井深、高温高压等复杂的传输环境，随钻测量压力脉冲信号在传输过程中会发生不可忽视的衰减及波形畸变，造成深井钻井泥浆脉冲遥测困难]。关于深井钻井随钻测量压力脉冲信号传播及衰减规律的研究并不多，Chen等_6]通过数值模拟研究了随钻测量压力脉冲信号的传播规律。刘修善等[7依据非定常流动原理，建立了压力脉冲信号的传播速度计算模型，并分析了含气量、固相含量等对传播速度的影响。王翔等口建立了井筒内压力脉冲信号传输频率相关摩阻模型，并分析了脉冲频率对传播速度的影响。但上述研究主要针对脉冲传播速度，很少涉及脉冲信号的衰减问题

4、，且均未考虑传输介质的黏性耗散作用及高温高压下的钻井液密度动态对压力脉冲信号传输和衰减的影响。’笔者从井筒钻井液流动基本控制方程出发，综合考虑黏性耗散作用和壁面剪切作用，推导了压力脉冲信号传输的控制方程，利用小扰动理论求解出了压力脉冲信号传播速度和衰减系数解析计算模型，解析模型考虑了深井钻井高温高压环境下的钻井液密度动态。1数学模型1．1基本假设建立数学模型过程中，作如下假设：①钻井液流动过程是等熵的；②钻井液流动过程满足连续性假设；③不考虑压力脉冲信号的波形畸变及非线性效应；④考虑刚性管壁；⑤随钻测量压力脉冲是小扰动波。1．2基本控制方程基于以上假设，钻杆内的钻井液一维流动

5、控制方程如下：+lD+(1)[收稿日期]2013—12—13[基金项目]国家自然科学基金项目(51134004)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2o1OcB2267o4)。[作者简介]朱利(1989一)，女，2012年重庆科技学院毕业，硕士生，现主要从事随钻测量与控制技术方面的研究。学兔兔www.xuetutu.com第36卷第6期朱利等：深井钻井随钻测量压力脉冲信号传播规律研究P+一一Pgsin一lD刍。(2)+一詈(+8x)㈤式中：10为钻井液密度，kg／m。；为时间，s；口为速度，m／s；为压力，Pang为重力加速度，9．80m／s；为井斜角，rad；d为钻柱

6、内径，m；为摩擦因数，1；￡为钻井液的体积弹性模量，Pa。压力脉冲的传播过程可以认为是由于介质粒子的集体运动造成介质的交替稠密和稀薄，进而引起下一层介质粒子的运动Ⅲ]。基于小扰动波假设，扰动态与基态流动参量的关系可以统一用如下所示的过渡矩阵变量表示：{：{式中：，=(p，，)，下标“。”表示基态的运动变量；上标“表示扰动态变量，即描述质点振动的运动变量。对上述钻井液一维流动控制方程进行线性化处理，可以得到压力脉冲引起的质点振动控制方程：+ID0弓+弓一o(5)lD。+一gsiID鲁(6)一()㈩质点振动动量方程(6)考虑了重力、壁面剪切力的作用，然而对于钻井液黏性流体，因黏性

7、介质层内摩擦作用，即附加黏滞力引起的黏性耗散作用不能忽略。引用文献[12]关于附加黏滞力引起冲量转移的计算模型，压力脉冲引起的质点振动动量方程可以表示为；P0+p0一一』D'gsin2％／／~0raJV(8)式中：为钻井液的切变黏度，N·s／m。；r．9为压力脉冲的角频率，Hz。式(5)、(7)、(8)构成了描述钻杆内压力脉冲传播的基本控制方程，同时考虑了重力、剪切力以及黏性耗散作用的影响。2模型求解对于压力脉冲，其指数形式可表示为：f一foe‘“一h’(9)志一+i(10)C式中：k为波数，m-。；为