大温压域钻井液流变参数预测模型

钻井液流变参数的精准预测对于高温高压井水力参数及井筒压力精确计算、保证钻井安全具有重要意义。基于构建的钻井液流变性实验数据库,对不同钻井液体系大温压范围内九种流变模式进行了适用性评价,其中油基钻井液体系优选了赫巴流变模式（中低温低压）和四参数流变模式（高温高压）,水基钻井液体系在大温压范围内优选了双曲流变模式。优选的流变模式是高温高压井井筒压力准确预测的基础。基于实验数据开发与多元非线性拟合,提出了一种新的适用于大温压范围下不同钻井液体系、不同流变模式的流变参数预测模型,并对某高温高压井井筒压力进行了计算验证。计算结果表明：以双曲模式流变参数模型为基础计算的井底压力误差为1.31%,可以满足深层、超深层高温高压井井筒压力精确计算要求。     

基于最小二乘估计算法的钻井液流变模式参数优化

借鉴最小二乘估计的优化思想,推导了流变模式(宾汉流变模式、幂律流变模式和赫-巴流变模式)的参数求解方法,并使用了拟牛顿算法求解,该方法避免了因转化成线性模型过程中的统计误差;根据SSE、RMSE和R2,评价了流变参数拟合效果。对实际流变数据进行拟合,结果表明,该方法拟合精度高,效果好,可应用于钻井液流变参数确定、流变模式优选及钻井液性能调整。     

气制油合成基钻井液低温高压条件下流变模式研究

钻井液流变模式是对钻井液流变特性的定量表征,对钻井过程中的水力学计算具有十分重要的作用。为研究气制油合成基钻井液低温高压条件下的流变模式,用FannIX77全自动钻井液流变仪测定不同油水比的流变参数并进行了分析。试验结果表明,低温条件下气制油合成基钻井液体系的剪切应力随着压力的升高而增大;流变曲线不经过原点,且曲线斜率不断增大。应用最小二乘法和线性回归对两种体系的流变曲线进行了拟合,结果表明,对于不同油水比的合成基钻井液体系,宾汉、卡森、H-B三种流变模式均能较好地反映低温高压条件下钻井液的流变特性,幂律模式相对较差;与宾汉、H-B模式相比,卡森模式的拟合效果最佳。为便于水力学计算,建议用宾汉模式来表征气制油合成基钻井液的流变特性,并进行水力学计算。      

钻井液流变参数相关性研究

钻井液的流变特性常用宾汉塑性模式、幂律模式、卡森模式和赫谢尔-巴尔克莱模式来描述,不同的流变模式所诠释的流变性能不尽相同,其流变参数也不一样。通过实验测得聚合物海水钻井液和聚磺淡水钻井液在不同密度时的4种流变模式的流变参数值,对4种流变模式流变参数值进行分析对比,结果表明,塑性黏度、屈服值、幂律流性指数、卡森屈服值、极限剪切黏度和赫-巴屈服值均有较明确的物理意义;黏度参数之间、屈服值之间有一定对应关系;幂律流性指数与动塑比有密切的相关性。研究钻井液流变参数相关性,对于明确不同流变模式的流变参数的意义、流变参数间的关联以及在钻井液设计中确定流变参数值的范围具有非常重要意义。     

钻井液卡森模式流变参数非线性最小二乘估计新算法

针对卡森流变方程的特点,提出了一种非线性最小二乘估计的新算法.该算法不需要人工给定迭代初始值,迭代过程稳定的收敛到参数允许区域中的唯一最小点,不会陷入极小点陷阱,存储需求量小,收敛速度快.新算法是一个全局优化算法,所得到的流变参数估计具有拟合残差近似无偏性和方差几乎为最小的特征.利用实际钻井液数据计算的实例表明,新方法具有比线性回归方法更小的拟合方差、相近的均值及优良的拟合残差统计特性.该方法可以应用到钻井液卡森流变模式流变参数的确定、钻井液流变模式优选及钻井液性能调整和评价等方面.     

基于改进黄金分割法的钻井液流变模式优选

钻井液流变参数的计算和流变模式的优选对于钻井作业的顺利进行至关重要。结合数值计算方法、回归分析和最优化的理论,在穷举法的基础上,引入相关指数、残差平方和以及残差方差3个评价标准,利用黄金分割法加快有根区间的收缩速度,提出了改进的黄金分割搜索算法。利用该方法,不用给定迭代初始值,收敛性好,克服了已有钻井液流变模式优选算法的缺点,同时适用于2参数、3参数、4参数流变方程的参数计算与流变模式优选。借助MATLAB语言编制相应计算程序对大量数据进行计算,并与前人的计算结果进行比较,结果表明:所采用的3种回归评价标准是有效的,与改进的黄金分割搜索算法相结合,能够回归出钻井液的流变参数,并准确地优选出流变模式,残差方差的计算结果平均降低了19.70%,计算结果精度更高。      

钻井液幂律模式非线性最小二乘参数估计的新算法

钻井液的幂律流变模式的流变参数估计问题大多使用线性回归方法进行求解,然而,线性回归方法改变了测量误差的统计特征,使得所得到的流变参数估计不具有无偏性和方差最小等特点.针对幂律流变方程的特点,提出了一个非线性最小二乘估计的新算法,该算法不需要人工给定迭代初始值,迭代过程稳定收敛到最小点,不会陷入极小点陷阱,收敛速度很快.新算法是一个全局优化算法,所得到的流变参数估计具有拟合残差近似无偏性和方差几乎最小的优良统计特征.大量的实际钻井液算例表明,新方法具有比线性回归方法更小的拟合方差和相近的均值,拟合残差统计特性优于线性回归方法.该方法可以应用到钻井液幂律流变模式中流变参数的确定、钻井液流变模式优选、钻井液性能调整和评价等许多问题中.     

钻井液流变模式的探讨

介绍了几种钻井液流变模式及其流变参数,宾汉模式已被证明不适合大多数钻井液,幂律模式不能反映钻井液具有静切应力的特性,卡森模式、赫谢尔-巴尔克莱模式和罗伯特逊-斯蒂夫模式应用范围较广;介绍了优选钻井液流变模式的几种数学分析方法,其中回归分析方法和最小二乘法准确度较高,应用较为广泛;探讨了钻井液流变模式现场应用中存在的问题,对钻井液流变模式现场应用的发展趋势做了展望。     

不同因素下钻井液流变特性研究

利用ＲＶ２０旋转粘度计对不同粘土含量的钻井液的流变特性进行了研究，发现随粘土含量增加，其最拟合的流变模式有所变化；对不同剪切时间及温度对钻井液流变特性的影响方法进行了探讨，寻找其所适应的流变模式，研究结果对钻并液的流变控制技术具有指导意义。     

水包油钻井液高温高压流变性研究

用7400型高温高压流变仪对“八五”期间研制的华北任平1井低密度水包油乳化钻井液高温高压流变性进行了实验研究。系统地测试了温度、压力对该钻井液流变性的影响;运用宾汉模式、幂律模式、卡森模式和赫-巴模式对该钻井液高温高压流变数据进行了系统拟合分析,得出赫-巴模式是描述该钻井液高温高压流变性的最佳模式,就工程应用而言,二参数的卡森模式也可以用于描述水包油乳化钻井液高温高压流变性。并研究了赫-巴流变方程中各参数随温度和压力的变化规律;还对该钻井液高温高压流变数据进行了回归分析,建立了预测低密度水包油乳化钻井液高温高压流变性能的模式。     

High temperature and high pressure rheological properties of high-density water-based drilling fluids for deep wells

To maintain tight control over rheological properties of high-density water-based drilling fluids, it is essential to understand the factors influencing the rheology of water-based drilling fluids. This paper examines temperature effects on the rheological properties of two types of high-density water-based drilling fluids (fresh water-based and brine-based) under high temperature and high pressure (HTHP) with a Fann 50SL rheometer. On the basis of the water-based drilling fluid systems formulated in laboratory, this paper mainly describes the influences of different types and concentration of clay, the content of a colloid stabilizer named GHJ-1 and fluid density on the rheological parameters such as viscosity and shear stress. In addition, the effects of aging temperature and aging time of the drilling fluid on these parameters were also examined. Clay content and proportions for different densities of brine-based fluids were recommended to effectively regulate the rheological properties. Four rheological models, the Bingham, power law, Casson and H-B models, were employed to fit the rheological parameters. It turns out that the H-B model was the best one to describe the rheological properties of the high-density drilling fluid under HTHP conditions and power law model produced the worst fit. In addition, a new mathematical model that describes the apparent viscosity as a function of temperature and pressure was established and has been applied on site.     

考虑滑移效应的高密度水基钻井液流变特性

壁面滑移效应会影响高密度水基钻井液流变测量的准确性。基于同轴圆筒旋转黏度计的测量原理,从合理假设壁面滑移现象出发,提出了钻井液流变测量中壁面滑移效应的检测与校正方法,得出了有滑移效应的高密度水基钻井液真实流变特性的确定方法。采用两个不同环形间隙尺寸的圆筒测量系统,开展了考虑滑移效应的高密度水基钻井液流变测量实验,并分析了高密度水基钻井液流变特性与滑移特性。理论与实验研究表明,高密度水基钻井液流动时易出现壁面滑移现象,应消除滑移效应对流变测量的影响;无黏土高密度水基钻井液流变特性符合宾汉模式,其真实流变参数与不考虑滑移效应的表观流变参数存在显著差异;滑移速度与壁面剪切应力呈直线关系,且发生滑移的临界剪切应力很小。     

四参数流变模式及其水力计算模型

提出了一种四参数流变模式,该模式能够精确地描述各种无时间依存关系的钻井液体系。利用多组测量数据评价了四参数流变模式对不同流体的拟合效果。根据管流特性参数法,并扩展应用到环空中,推导了管内与环空的层流压降计算公式,同时给出了紊流计算的半经验公式。通过引入广义流性指数的方法,给出了流态判别模型,使层流与紊流计算一致。根据四参数水力计算模型编制了计算机程序,利用一组不同来源的实验数据(包括管内与环空各种钻井液下的层流和紊流流动),验证了四参数模式的水力计算模型。与实测数据的对比表明,该模型计算结果与测量数据吻合得很好。说明该模式的水力计算模型要优于当前可用的流变模式。     

四参数模式流变参数准确计算方法及其应用

通常根据牛顿流体所得剪切速率计算非牛顿流体流变参数,计算结果存在误差,不利于准确描述钻井液流变性及提高水力计算精度,因此需要修正其剪切速率。根据四参数流变模式本构方程,运用幂级数展开理论推导,得出了流体在水平旋转运动中的流变规律及剪切速率表达式。编制了流变参数计算程序,根据剪切速率计算式迭代修正剪切速率,再利用修正的剪切速率回归计算流变参数。应用不同类型钻井液数据及一组水力实测数据对文中计算方法进行了流变分析及水力计算评价。结果表明：未修正的剪切速率误差较大,修正剪切速率后所得流变参数能够更好地描述钻井液流变性;运用剪切速率修正后所得流变参数进行水力计算,压降计算精度提高0.5 MPa,井底附加循环当量密度（ECD）与实测数据吻合更好,表明该方法具有一定的理论与应用价值。     

温度对O/W水平井钻井液流变特性的影响

为了解O/W水平井钻井液在井筒内的流变性能,对胜利油田所使用的O／W水平井钻井液体系在温度作用下的流变性进行了试验研究,规定了该体系钻井液在不同温度下的流变特性,对试验数据进行回归处理,得出了O／W水平井钻井液在井下温度条件下流变参数的计算模式,为现场监测水平井钻井液的流变特性,采取相应的处理措施提供了科学依据。     

水基钻井液高温高压流变动力学研究

钻井液性能受深井超深井高温高压的影响会产生较大变化,为确保安全高效钻井作业,必须准确掌握钻井液在井底高温高压条件下的流变行为。针对一类典型的抗高温聚磺水基钻井液,开展了广域温压（～180℃,～100 MPa）下流变性能评价研究,定量评价了其流变参数随温度压力的变化规律。结果表明:聚磺水基钻井液流变参数受压力的影响明显小于温度的影响;在温压组合条件下,钻井液流变模式拟合效果排序为:赫-巴>罗-斯>宾汉>卡森>幂律。以赫-巴模式为基础,采用直接拟合方法从（T,P）、（T,1/P）、（T,lnP）、（1/T,P）、（1/T,1/P）、（1/T,lnP）、（lnT,P）、（lnT,1/P）、（lnT,lnP）9种组合中构建了其流变参数随温压变化的最佳拟合方程,建立了聚磺水基钻井液高温高压流变动力学预测模型,模型预测精度高,相对误差率98%集中在-7.15%～11.46%之间,平均误差仅为1.03%。      

用于冻土区天然气水合物钻探的聚合物钻井液低温流变响应

陆域天然气水合物（以下简称水合物）主要赋存于高原冻土区,为保证顺利钻探,要求钻井液既能够有效抑制水合物分解、 维持其相态平衡,又能在低温环境下具有良好的流变性能。为此,以新研制的低失水抗低温聚合物钻井液配方为研究对象,对其在 低温条件下的流变性能进行了测试,并利用回归分析法和最小二乘法对试验数据进行计算与分析。结果表明：①赫谢尔-巴尔克莱 模式是描述该钻井液体系低温流变性能的最佳模式;②应用该模式计算得到了低温条件下钻井液流变性能参数,其变化规律表现出 随着温度降低,钻井液动切力呈近似波动变化,钻井液的稠度系数和流性指数均大致呈线性增长的趋势,但增长幅度较小。结论认为： 所建立的钻井液表观黏度低温响应数学模型拟合精度高,可准确预测井内钻井液在低温下的流变性能。