礦用泥漿泵的設(shè)計【5PS型礦用砂泵】
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附錄1：外文翻譯
調(diào)節(jié)泥漿時安全泥漿泵的管理：當(dāng)建立循環(huán)時復(fù)雜傳熱和重晶石凹陷的不利影響
摘要：對于具有狹窄地壓壓力窗的復(fù)雜鉆井作業(yè)，由于泥漿泵管理錯誤，地層壓裂問題并不少見。為了幫助其鉆井管理循環(huán)，可以在改變流量和實際流量的同時限制泥漿泵的加速度，以避免產(chǎn)生高于開孔的壓裂壓力梯度的井下壓力部分。這種泥漿泵操作限制取決于操作參數(shù)（例如鉆桿軸向和旋轉(zhuǎn)速度）以及井下的原位條件。由于鉆頭和底部孔深度的變化以及溫度，泥漿性質(zhì)和切割濃度的變化，原位條件隨時間而演變。長時間不經(jīng)循環(huán)開始泥漿發(fā)生變化時，溫度的變化可能非常大。此外，在重晶石下垂的情況下，提起含有大量高重力固體的鉆井液可能導(dǎo)致井下壓力的大幅增加。本文提出了一種在自動鉆井控制系統(tǒng)中用于考慮所有這些因素的方法，以便具有安全的泥漿泵管理，包括對泥漿進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況。
關(guān)鍵詞：鉆井自動化，安全防護(hù)，物理模型，泥漿泵管理，泥漿泵加速，最大流量，地層壓裂梯度，泥漿損失，重晶石垂度，熱傳遞。
1、引言
過多的泥漿泵加速度或過大的流量會產(chǎn)生超過開孔形成的壓裂壓力梯度的井下壓力，從而導(dǎo)致泥漿損失，并且在最壞的情況下會造成循環(huán)的損失事件。最大可允許的泵加速度和流速非常依賴于環(huán)境情況（Iversen等人，2009）。鉆井作業(yè)參數(shù)和井下條件都要求使用好的安全防護(hù)裝置。當(dāng)鉆井建立時，這些限制時間依賴性主要受深度變化的影響。但是在長時間調(diào)節(jié)泥漿沒有泥漿循環(huán)的同時，井下條件變化迅速，因為熱交換與冷的新鮮泥漿被泵入井中發(fā)生的結(jié)合效應(yīng)以及泥漿在位置上的位移，這些屬性可能具會在不活動期間被改變。本文介紹了一種試圖執(zhí)行泥漿泵保護(hù)裝置的自動系統(tǒng)，以適應(yīng)當(dāng)前的井下條件。
2、 泥漿泵管理的自動化
在本節(jié)中，我們將首先描述鉆井液壓系統(tǒng)的基本物理特性，然后介紹在鉆井作業(yè)過程中解決泥漿泵管理問題的方法。
2.1 鉆井液壓
在常規(guī)鉆井中，并采用簡單的鉆柱和BHA（底孔組件），鉆井液壓系統(tǒng)由位于鉆頭水平處的兩個分支組成：鉆柱分支和環(huán)形分支（見圖1 ）。 請注意，如果該位位于底部，則環(huán)形分支比鉆桿長度更長。
圖1 鉆井液壓系統(tǒng)可以被視作時連接各分支的網(wǎng)絡(luò)
但是如果在鉆柱中存在諸如循環(huán)槽，開孔器，深水機(jī)，井下電機(jī)等的部件，則可能存在若干連接點，因為這些元件提供從鉆柱內(nèi)部到其它位置處的環(huán)形空間 位。這個的結(jié)果是互連分支網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)要遵守的條件是雙方之間的連接點的壓力相等。
為了描述每個分支中鉆井液的行為，我們可以使用納維葉-斯托克斯方程的橫截面平均。 有三個平衡方程描述質(zhì)量，動量和能量的界面交換。
t是時間，S是曲線橫坐標(biāo)，A是流體元素的橫截面積，ρ是平均密度，v是平均速度，q是源項，每個通過流體元件側(cè)壁的每個長度的質(zhì)量。
I在多階段的情況下，編寫動量平衡比較復(fù)雜。 這里做出的假設(shè)是使用漂移磁通公式，其中不同的相被混合在一起，但每個相位與參考的相位具有滑移速度。 動量平衡可以寫成如下：
p是壓力，k是摩擦壓力損失項，θ是流體元素的平均傾角，g是地球的重力加速度。
最后，能量守恒可以得出（Marshall and Bentsen，1982）：
其中f是每質(zhì)量單位的焓，g是強(qiáng)制對流項，b是導(dǎo)電和自然對流項，c是機(jī)械和液壓摩擦產(chǎn)生的熱量。
強(qiáng)制對流項可表示為：
導(dǎo)電和自然對流術(shù)語沒有一般表達(dá)。 在純對流各向同性材料的情況下，我們可以使用：
其中λ是導(dǎo)熱系數(shù)，T是溫度。
2.2鉆井液密度
偏微分方程（1），（2）和（3）都取決于鉆井液元件的局部密度。 因此，對泥漿的原位密度進(jìn)行精確估計是很重要的。
鉆井液由液體，固體和氣相構(gòu)成。 液相單獨(dú)僅基于鹽水溶液（水基泥漿）或油和鹽水（油基泥漿）的混合物。泥土的固體組分是重力固體（如膨潤土），高重力固體（如重晶石）和巖屑。
除了使用泡沫作為鉆井液的特殊鉆井應(yīng)用（Kuru等人，2005）或使用氣體來減少井環(huán)上部的泥漿密度的特定雙梯度管理壓力鉆井（MPD）解決方案 斯科特，2009年），沒有計劃在泥漿中存在氣體，而是由于表面安裝中的鉆井液與空氣的污染，或者由于井下與鉆井液混合的地層氣體而引起的。 考慮到鉆井液的不同部件，可以將泥漿密度表示為：
其中E是表示鉆井液（即鹽水，油，低重力固體，重力固體，切屑和氣體）的不同成分的一組指標(biāo)，fi是鉆井液的i分量的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ，pi是鉆井液的i分量的密度。
此外，還應(yīng)遵守以下關(guān)系：
在鉆井液中使用的液相（即鹽水和油）的熱膨脹和壓縮性（見圖2）可以通過以下關(guān)系定義的6參數(shù)模型（Ekwere等，1990）很好地近似：
其中x是鉆井液元素的鹽水或油相的密度，y是流體元素的溫度，h是流體元素的壓力，i = 0,1,2和j = 0,1 模型的系數(shù)。
圖2：典型的低粘度油基泥漿的基礎(chǔ)油密度（磅/加侖）（ppg）作為溫度和壓力的函數(shù)。
在高壓下，氣體可能溶解在液相（特別是油基泥漿）中，因此影響液相的壓縮性和熱膨脹（Monteiro等，2010）。 然而，當(dāng)壓力降低到泡點以下時，鉆井液中存在游離氣體。 其密度受理想氣體定律的約束：
其中M是氣體的摩爾質(zhì)量，R是理想的氣體常數(shù)。
通過使用有限差分法（Corre等人，1984）求解偏微分方程（3），估計作為深度和時間的函數(shù)的鉆井液的溫度演變是可能的（見圖3）。
圖3： 這三幅圖顯示了鉆柱和環(huán)形空氣中的流體溫度的變化。
然后沿著鉆柱和環(huán)形物的計算的局部溫度可以與模擬的局部壓力一起使用來估計鉆井液體的液相和氣相的原位密度。
固體顆粒的密度隨著壓力和溫度的變化不會很大。 然而，鉆井液中不同固相的濃度極大地影響了泥漿局部密度。
鉆孔時，作為切屑除去過程的一部分，巖石切屑沿環(huán)形傳送。切割生產(chǎn)僅僅是鉆頭的覆蓋率（如果有的話）中的滲透率（ROP）的產(chǎn)物。切屑運(yùn)輸（參見圖4）估計要復(fù)雜得多，取決于許多參數(shù)，如切屑粒度分布，切屑密度，流體速度和密度，鉆柱的旋轉(zhuǎn)速度，鉆孔（Larsen等，1997）。
然后沿著鉆柱和環(huán)形物計算的局部溫度可以與模擬的局部壓力一起使用以來估計鉆井液體的液相和氣相的原位密度。
固體顆粒的密度隨著壓力和溫度的變化不會很大。 然而，鉆井液中不同固相的濃度極大地影響了泥漿局部密度。
鉆孔時，作為切屑除去過程的一部分，巖石切屑沿環(huán)形傳送。 切割生產(chǎn)僅僅是鉆頭的覆蓋率（如果有的話）中的滲透率（ROP）的產(chǎn)物。 切屑運(yùn)輸（參見圖4）估計要復(fù)雜得多，取決于許多參數(shù)，如切屑粒度分布，切屑密度，流體速度和密度，鉆柱的旋轉(zhuǎn)速度， 鉆孔（Larsen等，1997）。
圖3：這三個圖表顯示了鉆井和鉆井液循環(huán)時沿著環(huán)帶傳輸?shù)那行际侨绾萎a(chǎn)生的。
因此，由于在鉆井過程中執(zhí)行的不同操作，切屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨環(huán)帶而變化。 在給定的深度，當(dāng)前的切屑濃度有助于局部泥漿密度的變化（見圖5），這受到局部溫度和壓力的影響，如前所述。
圖5：壓力，溫度和切屑負(fù)荷對鉆柱和環(huán)中的局部泥漿密度的影響。
鉆井液是觸變性的（即當(dāng)沒有流體運(yùn)動時它們變得更粘稠），以便在循環(huán)停止時保持固體顆粒處于懸浮狀態(tài)。這種觸變懸浮液或膠凝效應(yīng)適用于切屑顆粒和泥漿加重材料。用于加重鉆井液的高比重固體顆粒具有高密度（例如，重晶石的密度通常為4500kg/m3），這意味著如果泥漿發(fā)生，則所加入的重晶石容易與其余的鉆井液分離 不凝膠：這種效果被稱為動態(tài)下垂。
在動態(tài)下垂期間，當(dāng)泥漿流速非常低時，由于流體不處于靜止?fàn)顟B(tài)，不會發(fā)生凝膠化，而流體速度可能不足以抵抗高重力固體顆粒的滑移速度，因此重晶石可能會分離 從其余的流體（Aas等人，2005）。這種效應(yīng)也稱為重晶石凹陷。
在傾斜（即非垂直）井中，當(dāng)流體循環(huán)停止時，由于橫截面積中的泥漿密度的變化，動態(tài)下垂也可能僅僅由于井內(nèi)的自然對流而發(fā)生，這阻礙了膠凝發(fā)生 （Dye等，2001）。由鉆柱內(nèi)部和地層之間的較大溫度差導(dǎo)致的徑向溫度梯度可能引發(fā)傾向于加速重晶石沉降過程的對流。 當(dāng)重顆粒沉降在傾斜鉆孔的下側(cè)時，它們產(chǎn)生一個厚的床，然后可以將井眼向下滑向更深的深度，并在孔的底部產(chǎn)生大濃度的高重力固體，同時泥漿的密度 在較淺的深度相應(yīng)減少。
2.3鉆井液流變學(xué)
壓力損失計算取決于鉆井液的粘度。 鉆井泥漿是非牛頓流體，流體學(xué)遵循赫歇爾 - 巴克利型行為。然而已經(jīng)提出了赫歇爾-巴克利流變學(xué)的變化（Robertson和Stiff，1976），其具有更好的描述鉆井液壓流動的性質(zhì)：
其中z是剪切應(yīng)力，h是剪切速率，A，B和C是模型的系數(shù)。
但是與任何其他流體一樣，鉆井泥漿的流變學(xué)依賴于溫度。 此外，隨著壓力的增加，泥漿粘度呈指數(shù)增長，這在任何溫度下都是正確的（Houwe和Geehan，1986），遵循Arrhenius定律（見圖6）。
圖6：當(dāng)溫度升高時，鉆井液的粘度降低，而當(dāng)壓力增加時鉆井液的粘度增加。
因此，鉆井液的流變性隨深度和時間而變化，因為沿著鉆柱和環(huán)的溫度和壓力的變化（見圖7）。
圖7：鉆井液在環(huán)空中的局部流變性
2.4連續(xù)井筒狀態(tài)評估
如圖所示。 如圖5所示，沿著環(huán)帶的切屑濃度取決于執(zhí)行的鉆井操作順序（例如鉆井，從底部循環(huán)等）。
對于對于正常井深的井（例如長度幾公里），可能需要數(shù)小時才能將鉆屑移位到表面。
類似地，井眼內(nèi)的溫度根據(jù)所使用的不同鉆孔參數(shù)（例如鉆頭深度，鉆柱旋轉(zhuǎn)速度，循環(huán)速率，是否鉆孔）的函數(shù)而變化。 經(jīng)過一段時間的鉆井，井眼內(nèi)的溫度可能需要很多天才能回到周圍的地?zé)釛l件。 如上所述，在這樣的溫度均衡期間，可能發(fā)生重晶石下垂，因此即使在井上沒有進(jìn)行鉆井動作，也改變井下條件。
因此，有必要不間斷地監(jiān)測整個鉆井過程，以便評估目前的井下條件，從開始到鉆井作業(yè)是唯一可以合理估計初始條件的時刻，而不必制造 引用時間上下文。 這是通過連續(xù)計算表征井下條件的物理參數(shù)的演變來進(jìn)行的。 這個過程涉及三個主要的操作：
1.物理量的連續(xù)計算。
2.熱液壓模型的實時校準(zhǔn)，以解決不明確或未知的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
3.井下條件的連續(xù)估計，以解釋未知和不可測數(shù)量的演變。
因此，井眼狀態(tài)的建?？梢詫崟r提供大多數(shù)測量物理值的估計，而不是過程的命令（過程命令的示例包括流量，串速度的頂部，旋轉(zhuǎn)的頂部 速度）。 該估計與取決于模型校準(zhǔn)的當(dāng)前質(zhì)量和實際測量的預(yù)期精度的公差（參見圖8）相關(guān)聯(lián)。 因此，可以將實際測量與其計算的對應(yīng)物進(jìn)行比較，以確定是否存在井下異常情況。
圖8：藍(lán)色曲線表示實際測量值。 綠色曲線和半透明綠色區(qū)域表示基于物理過程的校準(zhǔn)物理模型的估計物理量及其相關(guān)公差。
如果長時間沒有任何測量，則需要額外的校準(zhǔn)困難，例如當(dāng)需要拔出鉆孔（POOH）鉆桿以執(zhí)行下一次鉆孔操作時，或者更換有缺陷的部件BHA。 在這種情況下，仍然有可能連續(xù)計算井筒的內(nèi)部狀態(tài)，但是由于缺乏實際情況，不可能校準(zhǔn)物理模型，所以關(guān)于真實井下狀況的誤差或不確定性急劇增加 - 時間井下測量。 此外，在這些情況下，自然對流和重晶石垂度模型中的熱傳遞都遠(yuǎn)不準(zhǔn)確，從而增加了當(dāng)鉆柱回到孔中時實際井下條件的不確定性。
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