第十九章 欠平衡钻井水水参数计算模型
19.1背景介绍
欠平衡钻井水力参数计算(UBD)，空气/雾化/泡沫水力计算模型，最初是由莫尔科技公司开发。作为空气/雾化/泡沫和欠平衡钻井技术与DEA-101联合工业项目的一部分。对于欠平衡流体计算的水力参数来说，UBD是业界最广泛和容易使用的钻井工程的软件程序。这个程序被全球广泛使用，他是为设计和监控欠平衡钻井和完井作业而使用的。
泡沫已经被石油工业使用几十年。他作为一个循环流体已经被证明，他在井眼清洁和钻井作业过程中是十分经济和高效的一种流体。他同样也用于水力压裂中，因为他具有粘度好的优点。泡沫钻井与常规泥浆钻井相比的重要优势在于他有高的渗透率、高的岩屑传输比和降低对地层的伤害。在低的井底压力或者是钻井液配置缺水的区域，需要使用较轻的流体，例如泡沫等。
尽管他有很多优点，但是在泡沫操作的复杂性和独特的流体机理时，常使钻井现场操作者在液体和气体喷射速率最优化的组合上感到迷惑。其他问题的解决也同样不清楚，如：如何预测井底压力以及如何监测和修改可控的参数来获得最优化的结果。泡沫钻井设计的方法有很大部分依赖于现场操作的图表或者使用一台电脑主机来计算。在过去的20年中，在泡沫流变性特性上和影响泡沫在油井中循环的因素上的广泛的研究中，已经能够使我们建立一个完整的计算机应用程序，以满足泡沫钻设计的要求。
MTI/Petris开发的UBD是基于现有的泡沫流变模型和稳定的机械能量平衡方程。这项工作的目标是用公式表示出泡沫流的难题，并且用数值来解释三维井中可压缩的非牛顿流体。状态方程描述了压力、排量和可压缩泡沫的相互作用下的温度也被包括在内。流态被认为是从层流想湍流变化。分析的方法依赖于输入和类似于敏感性分析设计的方法，同样也被结合到这个程序中。
空气和其他的气体也被广泛用于全球的油气井钻探当中。在设计空气、燃气或者充气流体钻井作业中，也考虑到的其中最重要的因素之一是必要的气体排量。程序使用空气/雾状流体方程和标准的空气流速来保证以3000 ft/min来计算空气和气体钻井中的井眼清洁所需要的排量。
UBD同样可以用于常规泥浆钻井的设计和水力参数的分析中。
19.2DrillNET软件的新的特性
UBD已经完全的升级和加强了。程序的“外观和感觉”变的与用户友好和直观。实用的图标和标签可以用于快速的在整个程序中导航。简单的文件管理功能、自定义图形和专业风格的打印输出也被包含在其中。
一些重要的功能已经被添加到这个版本中。他们包括：
1、一个完整、全新的输入/输出界面。
2、一个实用的程序来协助使用PI来计算评估地层流体的流入率。
3、钻杆、套管、钻铤增加后的数据库(Grant Prideco提供钻杆数据库，Lone Star Steel提供套管数据)。
4、便捷的二维井眼轨迹设计功能已经被添加，为简单或者复杂的井快速创建井眼轨道测量数据，这样可以使用他们来进行设计分析使用。
5、输出结果可以被直接作为Word文档、Excel工作簿和PPT演示文稿导出。
平常的在线帮助是可用的，他可以解释程序的作业流程和结构，并且提供模块的基本理论背景。
19.3一般功能
UBD是在欠平衡钻井/完井技术前沿的设计软件的重要组成部分。模型包括以下重要的技术特性：
1、模型提供两相流的相关性，为可压缩流体得到更准确的结果。
2、寄生管柱和喷射接头可以组合在一起。
3、计算出对于每组条件下进行燃烧的最低氧气量的要求。
4、计算各种配置文件：(1)压力；(2)泡沫质量(空气/气体体积分数)；(3)混合物的密度；(4)混合物和岩屑环空速率；(5)岩屑传输比；(6)摩擦系素；(7)气体偏差；(8)气体偏差系数。
5、设计操作窗口允许用户更改可控制的参数，使用户发现他们是如何影响压力、泡沫和岩屑的环空返速、泡沫质量和环空密度。
6、提供了三种流变模型选项来描述泡沫。
7、提供了五种模型来描述两相流体。
8、提供描述64种常见气体类型和他们的属性数据。对于多组分气体，可以使用一个功能窗口来从64种成分气体中选择，来组成一种混合气体。混合气体的分子量会根据每种气体成分的百分比自动计算。
9、计算气体/注入液体的适当组合的比率，来得到在地面想要配置成的泡沫质量。
10、钻柱和套管数据可以从在线数据库中直接导入，数据库可以在UBD中修改。结果、数据和图形可以被输出道屏幕、打印机和磁盘文件中。
11、支持英制和公制单位，以及自定义的用户组合单位(比如：钻头用英制，深度用米)。
19.4输入
19.4.1项目页面
欠平衡钻井水力参数计算模型的项目输入页面与典型的DrillNET软件的项目页面很相似。
19.4.2轨迹数据页面
欠平衡钻井水力参数计算模型的轨迹数据输入页面与典型的DrillNET软件的轨迹数据页面很相似。
19.4.3管柱数据页面
欠平衡钻井水力参数计算模型的管柱数据输入页面与典型的DrillNET软件的管柱数据数据页面很相似。
19.4.4井身数据页面
欠平衡钻井水力参数计算模型的井身数据输入页面与典型的DrillNET软件的井身数据数据页面很相似。
19.4.5地层数据页面
欠平衡钻井水力参数计算模型的地层数据输入页面与典型的DrillNET软件的地层数据数据页面很相似。
19.4.6注入/寄生管柱页面
多达50组地层流体或者寄生管柱数据可以被输入。输入所有需要的数据到这个表单中来描述每一种流体。如果这种流入流体完全是气体，那么输入零作为这一行中的油流流入率。如果需要输入数据，则点选可用的
选项图标，如果不需要输入数据，则点选
图标，所对应表单中的内容被成灰色。
19.4.7钻井页面
欠平衡的水力参数计算模型的钻井输入页面允许马达/BHA、岩屑和地面设备数据的输入。
1)马达/BHA数据。通过马达(如果钻具中包含)和BHA的压力降是难以计算的，并且要非常具体的来选择设备。为了结果的准确，最好为压力降输入一个测定值，可以通过制造商的建议值作为他的规定值。在文本框中输入设备的具体数据。
马达速率是一个井下马达的制造商提供的说明书中的性能数据。他的测量单位是rpm/gpm(英制单位)和rpm/lpm(公制单位)，DrillNET软件使用这些参数加上气体的喷射速率和液体的喷射速率来计算井底马达的旋转速度。
默认的选项是“无”马达，如果您希望是选择无选项来或者压力降数据的话。
2)岩屑数据。岩屑类型用于分析岩屑的举升速率。如果您希望假设岩屑被循环流体完全的举升，那么就选择“无滑落”(没有滑落发生和岩屑不会从流体中落下来)。页岩/石灰岩和砂岩选项允许地层的选项具有不同的岩屑密度。
机械钻速、岩屑密度和岩屑尺寸用于计算单个岩石岩屑产生的密度和速率，他必须通过循环流体举升到地面。井眼清洁效率在输出的图形中进行总结。
3)地面设备。环空限流数据。循环路径的最后的阶段是在这里被指定，以便压力降可以被软件计算出来。点击【地面泡沫品质】来填入一个地面泡沫的估计值，这个值是基于井口回压、当前输入的流体/气体注入速率和钻机类型来确定的。这里有四种钻机类型可以从下拉列表框中选择。
如果您需要帮助计算地面泡沫的质量，点击【分析】按钮来打开环空泡沫品质分析窗口。在这个窗口中：(1)输入气体注入的速率范围，这是范围是实际执行时使用的；(2)输入在环空顶部您渴望得到的泡沫质量；(3)点击【计算】按钮。气体注入速率将会与相对应的液体注入速率所配伍，这样将会得到您指定的泡沫质量。该输出项可以被看做趋势图形提供给用户浏览，或者从数据表单中直接作为数值结果。
19.4.8流体页面
欠平衡水力参数计算模型的流体输入页面允许注入数据、基液、气体和流体模型数据的输入。
1)注入数据。为液体和气体输入注入速率。点击【帮助..】按钮来帮助设计流体。这将会打开井眼净化所要求的流速窗口。这个窗口允许您快速估算气体和液体注入速率来保持井眼的清洁。当这个窗口被访问时，当前显示的数据是继承于流体页面的。点击【计算】按钮来显示更新后的气体和液体注入的速率。计算出的参数会以灰色背景显示，这表示他们在这里不能被改变，因为他会影响几个方面的数据。返回至流体页面，更改您需要的选项，然后重新打开这个帮助窗口。
2)基液数据。输入属性来描述这个液体，这个液体用于形成充气的流体、雾或者泡沫。
3)气体数据。用于欠平衡钻井的几种常用的气体属性，他们可以从下拉列表框中选择。选择其中一种气体将会更新气体的属性值。如果您喜欢，您可以直接输入气体的属性。点击【气体分析..】按钮来为混合气体计算属性。
1)气体组分数据表。被用作循环流体的气体明确的组分描述。首先，在表单上方的列表中选择第一个组件，然后点击
按钮来移动选中的气体数据到表单中。您必须输入的其他参数是这项气体占全部气体的体积百分数(摩尔百分数)。继续输入其他的气体组分直到累积的百分数达到100%。在所有数据输入完成后，点击【应用】来更新在流体页面中的值。使用
按键可以把成分从例表中删除。
2)气体混合类性。您指定的气体的混合类型可以显示在这个文本框中。输入一个混合气体名称(可选项)。
3)气体分析控制按钮。点击【实例】按钮来分析一个混合气体的实例，【清除】按钮来清除所有的数据，【应用】按钮来更新流体页面中的数据。或者【取消】按钮来从气体分析选项中退出，同时没有任何结果输出。
4)喷射接头。是钻柱位于钻头处的喷嘴，他允许钻井液直接通过钻具内流入环空。如果存在一个喷射接头，勾选这项，并且指定喷射接头的深度(测量深度)和喷嘴的内径。
5)气体定律。考虑到气体分子间的互相作用，使得他不同于理想气体状态的一个数学模型。选择工程模型时，使用系数(Z)来描述一种气体如何不同于理想气体，或者选择Virial模型，他使用泰勒展开式级数来描述一种气体与理想气体的不同。
6)流体模型。为起泡的流体选择泡沫流或者为充气的流体或者雾选择多项流。根据所选择的流体类型，模型的选项将会是启用或者是禁用。
对于泡沫材料，选择一种模型来描述他的水力参数(宾汉塑性、幂律或者Chevron的模型)。Chevron的模型是基于泡沫具有一个恒定的屈服点的宾汉塑性流体的假设。这个模型理论的基础部分将会在后面的章节进行讨论。
对于多项流体的选项，选择其中之一的模型。不同的多项流体的相关性可用于预测管柱/环空压力降。虽然在一些条件下，给出好的结果中，其中的每一个(例如在油井中的稳定流)，没有一个能准确超出流速的范围，GOR和水是在油气井中发现的新成员。
Beggs-Brill和Duns-Ros承认了滑动现象和流体形态。Gray最初从气体凝析油的直井中得到。Hagedorn-Brown从管子尺寸范围从1-4英寸外径的现场数据中得到，并且被认为有滑脱效应。最新的相关性是Hasan-Kabir。最新的方法在消除经验的关系中更近了一步。特别是，不同流体流态的范围被使用机械因素来定义。
通常，在油井中给予良好效果的传统相关性却在气井中给予了很差的效果。新的机械因素的相关性在油气井中给出了合理的结果。
19.5输出
一旦数据输入完成后，执行输出操作来生成应用的输出结果。初始的小结屏幕显示如下图，还有一个图形/表格的标签项。
输出图形和表格。对于当前输入的参数计算出的结果，可以同时以图形和表格的形式显示出来。
输出的数据能够以任何顺序进行浏览，并且可以通过在图形上双击鼠标来全屏放大浏览图像。
图形的输出是可以单独的浏览的，或者通过使用Ctrl或者Shift键从列表中选择多幅图形输出到界面上进行浏览。
图形的输出报告包括：
压力剖面
压力剖面。该压力剖面对于确定在环空中，井筒的压力与破裂和孔隙压力之间的关系是必不可少的图形。
环空速度曲线
由于泡沫流体的性质，在大多数情况下是在环空中，由于气体的膨胀，泡沫的速度在接近于地面时是最快的。
对于计算岩屑速度的计算法则是基于一个垂直井眼的假设得来(或者接近垂直)。计算结果在垂直井筒有井斜的部分可能不准确。
泡沫品质
钻井人使用欠平衡流体系统时，对于泡沫的质量非常感兴趣，这是因为这个参数控制着泡沫举升岩屑的能力。现场经验告诉我们需要维持井底的泡沫质量大于0.55。
混合物密度
轻质流体的密度受到井深的影响。
岩屑运移比
岩屑运移比作为岩屑速度除以平均环空返速来得到的。他是一个不错的钻井液承载能力的测量方法。
范式摩擦系数
范式摩擦系数对于钻井工程师感兴趣的水利参数超出预测压力时是可用的。
气体压缩因子
气体压缩因子Z是从理想气体定律中，流体行为分离出的测量方式。
管柱数据
一些不同的管柱数据的浏览选项是可用的，他们有：
总汇表
岩屑运移
流型
天然气压缩
《本章结束》