1.一种减小钻井起钻抽吸压力的钻井液循环系统,其特征在于,包括:钻具组件、正常钻进循环通道以及起下钻循环通道,所述钻具组件用于钻开地层,包括钻柱和钻头,所述钻柱呈两端开口的中空设置,用于将钻井液从地面输送到井底,所述钻头固定设置在所述钻柱的一端;
所述正常钻进循环通道包括依次相连通的第一旋流阀、固相控制装置、泥浆罐以及泥浆泵,所述第一旋流阀与环空通过管道连通,所述固相控制装置用于清除泥浆中的固相颗粒,所述泥浆罐用于回收经过所述固相控制装置处理后的泥浆,所述泥浆泵的入口与所述泥浆罐连通,所述泥浆泵的出口通过管道与所述钻柱连通;
所述起下钻循环通道包括依次相连通的第二旋流阀、起下钻泵、起下钻泥浆罐以及第三旋流阀,所述第二旋流阀通过管道与所述钻柱连通,所述起下钻泵用于驱动所述起下钻泥浆罐中的泥浆流入到所述钻柱内,所述第三旋流阀与所述环空通过管道连通;
通过所述钻井液循环系统减小钻井起钻抽吸压力的方法为:
S11 在起钻操作之前,关闭所述第一旋流阀和所述泥浆泵,打开所述第二旋流阀和所述第三旋流阀;
S12 根据相关参数确定起下钻泵排量,所述相关参数包括:起钻速度、钻柱相关参数、井筒和环空相关参数以及钻井液相关参数;
S13 启动所述起下钻泵,使所述起下钻泵的排量逐渐达到并稳定在步骤S12中所确定的起下钻泵排量值;
步骤S12中所述起下钻泵排量采用如下方法确定:
S21 预估一起下钻泵排量;
S22 根据起钻速度、钻柱相关参数、井筒和环空相关参数以及钻井液相关参数计算当前情况下的井筒总压力,所述井筒总压力的计算方法是:通过雷诺公式判断环空钻井液流态为层流或紊流状态,并根据当前状态选用对应的方法计算摩擦效应造成的井筒压力,再计算惯性效应和凝胶效应造成的井筒压力,最后将摩擦效应、惯性效应以及凝胶效应造成的井筒压力相加即可得到所述井筒总压力;
S23 将步骤S22中得到的所述井筒总压力与预先设置的一井筒安全压力范围进行比较,如果所述井筒总压力高于所述井筒安全压力范围的上限,则减少所述起下钻泵排量的预估值并重复步骤S21–S23,如果所述井筒总压力低于所述井筒安全压力范围的下限,则提高所述起下钻泵排量预估值并重复步骤S21–S23,如果所述井筒总压力在所述井筒安全压力范围之内,则将该起下钻泵排量预估值作为起下钻泵排量确定值。
2.如权利要求1所述的一种减小钻井起钻抽吸压力的钻井液循环系统,其特征在于,所述钻柱包括依次相连通的钻铤、至少一钻杆以及顶驱,所述钻铤与所述钻头连接,并带动所述钻头旋转,所述钻杆用于带动所述钻铤旋转,所述顶驱用于带动所述钻杆旋转。
3.如权利要求1所述的一种减小钻井起钻抽吸压力的钻井液循环系统,其特征在于,所述正常钻进循环通道还包括泥浆混合池,所述泥浆混合池与所述泥浆罐连接,用于向所述泥浆罐中加入混合料。
4.如权利要求1所述的一种减小钻井起钻抽吸压力的钻井液循环系统,其特征在于,所述正常钻进循环通道还包括废泥浆处理池,所述废泥浆处理池与所述泥浆罐连接,用于收集并处理所述泥浆罐中的废泥浆。
5.如权利要求1所述的一种减小钻井起钻抽吸压力的钻井液循环系统,其特征在于,步骤S22中,环空钻井液流态为层流时,摩擦效应造成的井筒压力的计算方法是:S31 根据以下公式计算环空总流量:Qt=VA,其中,Qt为环空总流量,V为起下钻速度,A为环空截面面积;
S32 预测摩擦效应造成的压力梯度
S33 利用以下公式对所有参数进行无量纲转换:
其中,y1和y2为速度变换区分点的距离值;m为流性指数,H为钻柱到井壁的距离;
S34 判断步骤S31中环空总流量Qt的数值是否小于零,若是,则根据以下方程求得再将 代入以下公式,求得否则,根据以下方程求得
再将 代入以下公式,求得
S35 通过以下公式计算当前预测压力梯度下环空总流量:
其中,Qt_guess为环空总流量,W为系统参数;
S36 比较实际环空总流量Qt和当前预测压力梯度下的环空总流量Qt_guess,若差值大于预先设定的容忍值,则返回到步骤S32改变压力梯度,然后重复步骤S32–S36,否则,系统收敛并输出压力梯度。
6.如权利要求1所述的一种减小钻井起钻抽吸压力的钻井液循环系统,其特征在于,步骤S22中,环空钻井液流态为紊流时,摩擦效应造成的井筒压力的计算公式是:其中,ρ为钻井液密度,f为摩擦系数,fi为钻柱摩擦系数,f0为井壁摩擦系数,g为重力加速度,Q为钻井液流量,A为环空截面面积,di为环空内径;d0为环空外径,V为起钻速度。
7.如权利要求1所述的一种减小钻井起钻抽吸压力的钻井液循环系统,其特征在于,步骤S22中,惯性效应造成的井筒压力的计算公式是:其中,ρ为钻井液密度,αp为加速度,Dp为钻柱外径,Di为钻柱内径,Dw为井眼直径,g为重力加速度。
8.如权利要求1所述的一种减小钻井起钻抽吸压力的钻井液循环系统,其特征在于,步骤S22中,惯性效应造成的井筒压力的计算公式是:其中,Dp为钻柱外径,Dw为井眼的直径,ζ为钻井液胶体强度,即静止的钻井液流动前所需要克服的强度。