一种用于模拟井筒工程建设的计算系统的制作方法

1.本发明涉及石油与天然气钻采工程技术领域，具体来讲，涉及一种用于模拟井筒工程建设的计算系统。


背景技术：

2.随着现代社会对石油不断增长的需求，石油勘探开发呈现全球化特点。钻井施工区域遍布世界各地，并广泛分布于海洋、沙漠、沼泽、丘陵、山区等复杂地表和复杂地下地质条件下，增加了钻井施工的复杂程度和钻井施工过程的不确定性，对钻井工程设计、风险分析与控制技术提出了更高的要求，复杂井的钻井工程数据分析、钻井风险分与控制、钻井方案实时优化等都需要钻井工程软件提供技术支撑。钻井工程软件在提高钻井效益、增强钻井作业安全等方面发挥着越来越重要的作用。
3.例如，于2021年7月20日公开的名称为一种用于钻井仿真的钻井多参数计算系统及方法、公开号为cn113139704a的专利文献记载了一种钻井多参数计算系统，包括：总服务器，其用于获取仿真计算所需的仿真数据，对不同的钻井参数进行计算顺序调配，以及收集并显示各类别钻井参数计算结果；多个针对相应类别参数的计算网络，所述计算网络具备：一级服务器，其用于在接收到该类计算指令后，评估计算当前类别参数所需的计算量，分配相应数量的二级服务器，并对接收到的相应类别原始数据进行任务划分，以及将接收到的计算结果转发至总服务器；多个二级服务器，其用于根据划分好的原始数据计算，得到相应的计算结果。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种用于模拟井筒工程建设的计算系统，以解决实际钻井过程中，钻井基础数据复杂繁琐，无法快速分析钻井数据，提高钻井工程设计、风险分析与控制技术的实时计算效率的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种用于模拟井筒工程建设的计算系统，所述计算系统包括钻井基础数据存储模块、井眼清洁分析计算模块、入井管柱力学分析计算模块、井眼轨迹中靶计算模块、固井施工计算模块、卡钻事故分析计算模块和溢流压井施工计算模块，其中，所述钻井基础数据存储模块被配置为能够获取和存储钻井过程中目标井的实时钻井基础数据；所述井眼清洁分析计算模块与所述钻井基础数据存储模块连接，被配置为能够针对不同斜度的井段进行井眼清洁度计算；所述入井管柱力学分析计算模块与所述钻井基础数据存储模块连接，被配置为能够对不同作业过程中的管柱进行受力分析计算、变形分析计算和安全性评价计算；所述井眼轨迹中靶计算模块与所述钻井基础数据存储模块连接，被配置为能够结合定向井轨迹监控数据和井眼轨迹三维图形进行中靶分析计算；所述固井施工计算模块与所述钻井基础数据存储模块连接，被配置为能够结合实时钻井基础数据分析计算固井参数；所述卡钻事故分析计算模块与所述钻井基础数据存储模块
连接，被配置为能够结合实时钻井基础数据分析计算卡钻参数；所述溢流压井施工计算模块与所述钻井基础数据存储模块连接，被配置为能够结合实时钻井基础数据分析计算压井施工参数。
6.在本发明的一个示例性实施例中，所述井眼清洁分析计算模块可包括筛分子模块、第一输入数据提取子模块、井眼清洁度计算子模块和井眼清洁度确定子模块，其中，所述筛分子模块被配置为能够按照拟计算井段的井斜角，自动筛分确定拟计算井段所属的清洁区，并输出分区结果；所述第一输入数据提取子模块分别与所述钻井基础数据存储模块、所述筛分子模块连接，并被配置为能够基于分区结果从钻井基础数据存储模块中提取拟计算井段的清洁状况计算所需的第一输入数据；所述井眼清洁度计算子模块包括选择单元、第一清洁区计算单元、第二清洁区计算单元和第三清洁区计算单元，其中，所述选择单元与所述筛分子模块连接，并被配置为能够根据拟计算井段的分区结果，控制第一清洁区计算单元、第二清洁区计算单元和第三清洁区计算单元中的一者与所述第一输入数据提取子模块连接，所述第一清洁区计算单元被配置有小斜度井段井眼清洁计算模型，能够计算输出第一计算结果，所述第一计算结果包括钻屑颗粒传输比，所述第二清洁区计算单元被配置有中斜度井段井眼清洁计算模型，能够计算输出第二计算结果，所述第二计算结果包括岩屑床厚度所占井眼直径比和环空止动返速，所述第三清洁区计算单元被配置有大斜度井段井眼清洁计算模型，能够计算输出第三计算结果，所述第三计算结果包括岩屑床厚度所占井眼直径比；所述井眼清洁度确定子模块与所述井眼清洁度计算子模块连接，并被配置为能够根据井眼状况计算模块输出的计算结果，分析确定拟计算井段的清洁效果。
7.在本发明的一个示例性实施例中，所述井眼清洁分析计算模块还可包括井眼清洁分析子模块，所述井眼清洁分析子模块与所述井眼清洁度计算子模块连接，被配置为能够输出目标井的井眼清洁分析曲线以判断井眼清洁度，并包括小斜度钻屑传输比曲线绘制单元、中斜度临界环空返速和环空返速曲线绘制单元、中斜度岩屑床相对厚度曲线绘制单元、大斜度临界环空返速和环空返速曲线绘制单元、临界环空排量曲线绘制单元、以及大斜度岩屑床相对厚度曲线绘制单元。
8.在本发明的一个示例性实施例中，所述小斜度井段井眼清洁计算模型可如式(1)～(3)所示：
[0009][0010][0011][0012]
式(1)～(3)中，v
sx
为钻屑颗粒沉降速度，m/s；ds为钻屑颗粒当量直径，cm；ρs为钻屑颗粒密度，g/cm3；ρm为钻井液密度，g/cm3；为钻屑颗粒形状系数，无量纲；va为钻井液环空返速，m/s；qa为钻井液流量，l/s；dh为井眼直径，mm；d
p
为钻杆外径，mm；rt为钻屑颗粒传输比，无量纲。
[0013]
所述中斜度井段井眼清洁计算模型可如式(4)～(7)所示：
[0014][0015]hzx
＝0.015dh(av+6.15av
0.5
)(1+0.587e)(v
lzx-va)式(5)
[0016]
hzx＝(hzx/dh)
×
100％式(6)
[0017][0018]
式(4)～(7)中，v
lzx
为中斜度井段临界环空返速，m/s；av为钻井液表观粘度，mpa.s；θ为井斜角，度；h
zx
为中斜度井段岩屑床厚度，mm；h
zx
为中斜度井段岩屑床相对厚度，无量纲；v
p
为环空止动返速，m/s；a
bed
为垂直于井眼轴向的岩屑床横截面积，mm2；c为岩屑床内岩屑浓度，无量纲；g为重力加速度，m/s2；e为钻柱偏心度，无量纲；l为岩屑床垂直于井眼轴向的横截宽度，mm；η为岩屑床与下井壁的摩擦系数，一般取0.2；pv为塑性粘度，mpa；yp为动切力，pa；k为稠度系数，pa
·
sn；n为流性指数，无量纲。
[0019]
所述大斜度井段井眼清洁计算模型可如式(15)～(20)所示：
[0020][0021][0022][0023][0024][0025]hdx
＝(h
dx
/dh)
×
100％式(20)
[0026]
式(15)～(20)中，v
ldx
为大斜度井段临界环空返速，m/s；v
sd
为大斜度井段钻屑沉降速度，m/s；v
jx
为机械钻速，m/h；c
ang
为井斜角修正系数，无量纲；c
size
为钻屑尺寸修正系数，无量纲；c
denf
为钻井液密度修正系数，无量纲；c
rpm
为钻柱转速修正系数，无量纲；q
ldx
为无岩屑床临界环空排量，l/s；a'
bed
为岩屑床面积，mm2；h
dx
为大斜度井段岩屑床厚度，mm；qa为钻进液排量，l/s；h
dx
为大斜度井段岩屑床相对厚度，无量纲。
[0027]
在本发明的一个示例性实施例中，所述入井管柱力学分析计算模块可包括第二输入数据提取子模块、套管受力分析计算子模块和套管强度校核子模块，其中，所述第二输入数据提取子模块与所述钻井基础数据存储模块连接，并被配置为能够从钻井基础数据存储
模块中提取入井管柱力学计算所需的第二输入数据；所述套管受力分析计算子模块与所述第二输入数据提取子模块连接，并被配置有钻具受力计算模型，能够计算并输出套管柱在不同生产时期所受的轴向拉力、抗拉强度、外挤压力、抗挤强度、内压力以及抗内压强度；所述套管强度校核子模块与所述第二输入数据数据提取子模块连接，并被配置有套管强度校核算法，能够校核套管柱设计数据。
[0028]
在本发明的一个示例性实施例中，所述套管强度校核算法可包括以下步骤：(1)获取套管柱设计原始数据；(2)根据设计原始数据计算套管鞋处的有效外挤压力p
ce1
；(3)根据载荷和几何约束选取待校核的第i段套管，1≤i≤m，i＝1时，该段套管位于井底，i＝m时，该段套管位于井口；(4)计算第i段套管的下入深度li；(5)判断第i段套管的抗内压强度和抗拉强度是否符合校核要求，若第i段套管的抗内压强度和抗拉强度符合校核要求，则进入步骤(6)；否则，返回至步骤(2)，并选择高一钢级或者壁厚的套管进行重新设计第i段；(6)判断第i段套管是否到达井口，若第i段套管未到达井口，则返回至步骤(3)，令i＝i+1，计算下一段套管的下入深度，并进行抗内压、抗拉强度的校核；若第i段套管已到达井口，则计算终止，输出所有套管柱的设计结果。
[0029]
在本发明的一个示例性实施例中，所述入井管柱力学分析计算模块还可包括力学分析结果输出子模块，所述力学分析结果输出子模块与所述套管受力情况计算子模块、所述套管强度校核子模块连接，并配置为能够图形化地输出套管柱受力情况和强度校核结果。
[0030]
在本发明的一个示例性实施例中，所述井眼轨迹中靶计算模块可包括第三输入数据提取子模块、防碰分析子模块、井眼轨迹生成子模块、井眼轨迹预测子模块以及井眼轨迹数据输出子模块，其中，所述第三输入数据提取子模块与所述钻井基础数据存储模块连接，并被配置为能够从钻井基础数据存储模块中提取井眼轨迹中靶计算所需的第三输入数据；所述防碰分析子模块与所述第三输入数据提取子模块连接，并被配置为能够计算目标井与临井的井眼轨迹距离；所述井眼轨迹生成子模块与所述第三输入数据提取子模块连接，并被配置为能够根据井眼轨迹数据自动生成三维井眼轨迹图；所述井眼轨迹预测子模块与所述井眼轨迹生成子模块连接，并被配置为能够在输入预计井眼轨迹的井深、井斜角、方位角的情况下，自动生成三维井眼轨迹预测图；所述井眼轨迹数据输出子模块与所述井眼轨迹生成子模块连接，并被配置为能够输出井眼轨迹数据。
[0031]
在本发明的一个示例性实施例中，所述井眼轨迹中靶计算模块还可包括轨迹回放子模块、实时轨迹子模块和二维轨迹图绘制子模块，其中，所述轨迹回放子模块与所述井眼轨迹生成子模块连接，并被配置为能够根据三维井眼轨迹图自动模拟回放钻进井眼产生过程的演示动画；所述实时轨迹子模块与所述井眼轨迹生成子模块连接，并被配置为能够根据三维井眼轨迹图实时生成随钻进井眼产生过程的演示动画；所述二维轨迹图绘制子模块与所述井眼轨迹生成子模块连接，并被配置为能够自动将井眼轨迹绘制为垂直投影图和水平投影图。
[0032]
在本发明的一个示例性实施例中，所述固井施工计算模块可包括第四输入数据提取子模块、固井施工参数计算子模块和固井施工动态模拟子模块，其中，所述第四输入数据提取子模块与所述钻井基础数据存储模块连接，并被配置为能够从钻井基础数据存储模块中提取固井施工计算所需的第四输入数据；所述固井施工参数计算子模块与所述第四输入
数据提取子模块连接，并被配置有固井施工计算模型，能够计算固井施工参数；所述固井施工动态模拟子模块与所述固井施工参数计算子模块连接，并被配置有固井施工数值模型，能够可视化模拟固井施工作业过程。
[0033]
在本发明的一个示例性实施例中，所述卡钻事故分析计算模块可包括第五输入数据提取子模块、扭转圈数计算子模块、卡点位置计算子模块、解卡剂计算子模块、降压计算子模块以及下落时间计算子模块，其中，所述第五输入数据提取子模块与所述钻井基础数据存储模块连接，并被配置为能够从钻井基础数据存储模块中提取卡钻事故分析计算所需的第五输入数据；所述扭转圈数计算子模块与所述第五输入数据提取子模块连接，并被配置有扭转圈数计算模型，能够计算扭转圈数；所述卡点位置计算子模块与所述第五输入数据提取子模块连接，并被配置有卡点位置计算模型，能够根据目标井的井别类型和钻具类型计算卡点位置；所述解卡剂计算子模块与所述第五输入数据提取子模块连接，并被配置有解卡剂用量计算模型和最高泵压计算模型，能够分别计算输出解卡剂总用量和解卡剂泵入最高泵压；所述降压计算子模块与所述第五输入数据提取子模块连接，并被配置有u形管效应降压计算模型，能够计算输出降压参数；所述下落时间计算子模块与所述第五输入数据提取子模块连接，并被配置有下落时间计算模型，能够计算输出投球憋压球体下落时间。
[0034]
在本发明的一个示例性实施例中，所述溢流压井施工计算模块可包括第六输入数据提取子模块、压井施工计算子模块、压井施工单生成子模块、压井施工动态模拟子模块和压井作业绘图子模块，其中，所述第六输入数据提取子模块与所述钻井基础数据存储模块连接，并被配置为能够从钻井基础数据存储模块中提取溢流压井施工计算所需的第六输入数据；所述压井施工计算子模块与所述第六输入数据提取子模块连接，并被配置有压井施工计算模型，能够计算压井施工参数；所述压井施工单生成子模块与所述压井施工计算子模块连接，并被配置为能够根据压井施工参数的计算结果自动生成压井施工表单；所述压井施工动态模拟子模块与所述压井施工计算子模块连接，并被配置有压井施工数值模型，能够可视化模拟井筒压井作业过程；所述压井作业绘图子模块与所述压井施工动态模拟子模块连接，并被配置为能够图形化地输出实时压井数据和理论压井数据的对比结果。
[0035]
在本发明的一个示例性实施例中，所述计算系统还可包括压耗计算模块，所述压耗计算模型与所述钻井基础数据存储模块连接，并包括第七输入数据提取子模块、压耗计算子模块、压耗预测子模块、实际压耗曲线绘制子模块和压耗预测曲线绘制子模块，其中，所述第七输入数据提取子模块与所述钻井基础数据存储模块连接，并被配置为能够从钻井基础数据存储模块中提取压耗计算所需的第七输入数据；所述压耗计算子模块与所述第七输入数据提取子模块连接，并被配置为能够自动计算输出当前井下钻具组合的管内压耗、管外压耗和循环总压耗；所述实际压耗曲线绘制子模块与所述压耗计算子模块连接，并被配置为能够将压耗计算子模块的计算结果自动绘制为实际压耗曲线；所述压耗预测子模块与所述第七输入数据提取子模块连接，并被配置为能够自动计算输出待钻井段在不同工况下的循环压耗预测结果；所述压耗预测曲线绘制子模块与所述压耗预测子模块连接，并被配置为能够将压耗预测曲线绘制子模块的计算结果自动绘制为压耗预测曲线。
[0036]
与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
[0037]
(1)本发明能够实时基于钻井基础数据，快速分析计算钻井参数，这极大的缩短了计算时间，也避免了手动计算的误差；
[0038]
(2)本发明能够利用钻井现场的实时数据和动态数据，实时对钻井工程相关参数进行实时计算分析，为安全钻井提高数据支撑，同时根据分析结果可以优化钻井工程参数，实时指导钻井生产；
[0039]
(3)本发明实现了钻井工程相关参数的适时计算分析，对满足钻井工程不断增加的需求具有重要意义，在提高钻井效益、增强钻井作业安全等方面发挥着越来越重要的作用；
[0040]
(4)本发明在国内首次实现钻井工程多个分析计算软件在同一工程技术信息平台的集成应用，它能够提供统一的数据库支持、远程通信支持、数值计算支持、图形可视化支持等。
附图说明
[0041]
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：
[0042]
图1示出了本发明一个示例性实施例的用于模拟井筒工程建设的计算系统的结构示意图。
[0043]
附图标记说明：
[0044]
100-钻井基础数据存储模块，200-井眼清洁分析计算模块，210-筛分子模块，220-第一输入数据提取子模块，230-井眼清洁度计算子模块，231-选择单元，232-第一清洁区计算单元，233-第二清洁区计算单元，234-第三清洁区计算单元，240-井眼清洁度确定子模块，250-井眼清洁分析子模块，300-入井管柱力学分析计算模块，310-第二输入数据提取子模块，320-套管受力分析计算子模块，330-套管强度校核子模块，340-力学分析结果输出子模块，400-井眼轨迹中靶计算模块，410-第三输入数据提取子模块，420-防碰分析子模块，430-井眼轨迹生成子模块，440-井眼轨迹预测子模块，450-井眼轨迹数据输出子模块，460-轨迹回放子模块，470-实时轨迹子模块，480-二维轨迹图绘制子模块，500-固井施工计算模块，510-第四输入数据提取子模块，520-固井施工参数计算子模块，530-固井施工动态模拟子模块，600-卡钻事故分析计算模块，610-第五输入数据提取子模块，620-扭转圈数计算子模块，630-卡点位置计算子模块，640-解卡剂计算子模块，650-降压计算子模块，660-下落时间计算子模块，700-溢流压井施工计算模块，710-第六输入数据提取子模块，720-压井施工计算子模块，730-压井施工单生成子模块，740-压井施工动态模拟子模块，750-压井作业绘图子模块。
具体实施方式
[0045]
在下文中，将结合示例性实施例和附图来详细说明本发明的用于模拟井筒工程建设的计算系统。
[0046]
需要说明的是，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0047]
在本发明的一个示例性实施例中，如图1所示，一种用于模拟井筒工程建设的计算系统可包括钻井基础数据存储模块100、井眼清洁分析计算模块200、入井管柱力学分析计算模块300、井眼轨迹中靶计算模块400、固井施工计算模块500、卡钻事故分析计算模块600
和溢流压井施工计算模块700。
[0048]
其中，钻井基础数据存储模块被配置为能够获取和存储钻井过程中目标井的实时钻井基础数据。实时钻井基础数据包括井眼轨迹数据、井径数据、井身结构数据、钻具组合数据、钻井液性能数据、钻井实时数据、套管数据、悬挂套管倒扣时允许的钻具最大扭转圈数数据、低泵冲试验数据、井口试压数据、溢流关键数据、k值系数数据。
[0049]
井眼清洁分析计算模块200与钻井基础数据存储模块100连接，被配置为能够针对不同斜度的井段进行井眼清洁度计算。
[0050]
入井管柱力学分析计算模块300与钻井基础数据存储模块100连接，被配置为能够对不同作业过程中的管柱进行受力分析计算、变形分析计算和安全性评价计算。
[0051]
井眼轨迹中靶计算模块400与钻井基础数据存储模块100连接，被配置为能够结合定向井轨迹监控数据和井眼轨迹三维图形进行中靶分析计算。
[0052]
固井施工计算模块500与钻井基础数据存储模块100连接，被配置为能够结合实时钻井基础数据分析计算固井参数。
[0053]
卡钻事故分析计算模块600与钻井基础数据存储模块100连接，被配置为能够结合实时钻井基础数据分析计算卡钻参数。
[0054]
溢流压井施工计算模块700与钻井基础数据存储模块100连接，被配置为能够结合实时钻井基础数据分析计算压井施工参数。
[0055]
在本实施例中，井眼清洁分析计算模块的设置需求是：结合实时井深、井身结构、井斜角、钻井液参数、钻井排量、岩屑直径实时分析井眼清洁度，参考安全临界值优选钻井参数。
[0056]
因此，如图1所示，井眼清洁分析计算模块200可包括筛分子模块210、第一输入数据提取子模块220、井眼清洁度计算子模块230和井眼清洁度确定子模块240。
[0057]
其中，筛分子模块210被配置为能够按照拟计算井段的井斜角，自动筛分确定拟计算井段所属的清洁区，并输出分区结果。例如，当井斜角为0～30
°
时，拟计算井段为小斜度井段，属于第一清洁区；当井斜角为30～60
°
时，拟计算井段为中斜度井段，属于第二清洁区；当井斜角为60～90
°
时，拟计算井段为大斜度井段，属于第三清洁区。
[0058]
第一输入数据提取子模块220分别与钻井基础数据存储模块100、筛分子模块210连接，并被配置为能够基于分区结果从钻井基础数据存储模块中提取拟计算井段的清洁状况计算所需的第一输入数据。第一输入数据包括：井眼轨迹数据、井径数据、井身结构数据、钻具组合数据和钻井液性能数据。另外，第一输入数据提取子模块还可以通过用户输入的方式获取岩屑参数。
[0059]
井眼清洁度计算子模块230可包括选择单元231、第一清洁区计算单元232、第二清洁区计算单元233和第三清洁区计算单元234。
[0060]
其中，选择单元231与筛分子模块210连接，并被配置为能够根据拟计算井段的分区结果，控制第一清洁区计算单元232、第二清洁区计算单元233和第三清洁区计算单元234中的一者与第一输入数据提取子模块连接。
[0061]
当筛分子模块210输出的分区结果为第一清洁区时，选择单元231控制第一清洁区计算单元232与第一输入数据提取子模块220连接。第一清洁区计算单元被配置有小斜度井段井眼清洁计算模型，能够计算输出第一计算结果，第一计算结果包括钻屑颗粒传输比。针
对第一清洁区，该区域为小斜度井段(0
°
～30
°
)，由于井斜角小，一般不会形成岩屑床，所以将钻屑颗粒的传输比作为井眼清洁的预判标准。
[0062]
可采用小斜度井段井眼清洁计算模型计算钻屑颗粒传输比rt，若rt≥0.5，则确定第一清洁区的清洁度满足清洁效果；若rt《0.5，则确定第一清洁区的清洁度不满足清洁效果，需调整钻井液性能和/或钻井液排量。小斜度井段井眼清洁计算模型可如下式(1)～(3)所示：
[0063][0064][0065][0066]
式(1)～(3)中，v
sx
为钻屑颗粒沉降速度，m/s；ds为钻屑颗粒当量直径，cm；ρs为钻屑颗粒密度，g/cm3；ρm为钻井液密度，g/cm3；为钻屑颗粒形状系数，无量纲；va为钻井液环空返速，m/s；q为钻井液流量，l/s；dh为井眼直径，mm；d
p
为钻杆外径，mm；rt为钻屑颗粒传输比，无量纲。
[0067]
其中，钻屑颗粒当量直径ds可为0.5～3.0cm，例如，钻屑颗粒当量直径可取0.5cm、1.0cm、1.5cm、2.0cm、2.5cm、3.0cm分别计算。
[0068]
钻屑颗粒形状系数可为0.5～1.0，例如，当钻屑颗粒形状为球形时，钻屑颗粒形状系数可为1.0；当钻屑颗粒形状为椭球形时，钻屑颗粒形状系数可为0.9；当钻屑颗粒形状为多角形时，钻屑颗粒形状系数可为0.8；当钻屑颗粒形状为长条形时，钻屑颗粒形状系数可为0.6；当钻屑颗粒形状为片状时，钻屑颗粒形状系数可为0.5。
[0069]
井眼直径dh可通过井径测井获取，对于还未进行井径测井的井段，可根据钻头直径，按照5％～10％的扩大系数计算井眼直径。
[0070]
当筛分子模块210输出的分区结果为第二清洁区时，选择单元231控制第二清洁区计算单元233与第一输入数据提取子模块220连接。第二清洁区计算单元被配置有中斜度井段井眼清洁计算模型，能够计算输出第二计算结果，第二计算结果包括岩屑床厚度所占井眼直径比和环空止动返速。针对第二清洁区，该区域为中斜度井段(30
°
～60
°
)，易形成岩屑床，可将岩屑床厚度所占井眼直径比和环空止动返速作为井眼清洁的预判标准。
[0071]
可采用中斜度井段井眼清洁计算模型计算中斜度井段岩屑床相对厚度(也就是岩屑床厚度所占井眼直径比)h
zx
和环空止动返速v
p
，若h
zx
≤10％且v
p
≥va，则确定第二清洁区的清洁度满足清洁效果；若h
zx
》10％或v
p
《va，则确定第二清洁区的清洁度不满足清洁效果，需调整钻井液性能和/或钻井液排量。中斜度井段井眼清洁计算模型可如式(4)～(7)所示：
[0072][0073]hzx
＝0.015dh(av+6.15av
0.5
)(1+0.587e)(v
lzx-va)(5)
[0074]hzx
＝(h
zx
/dh)
×
100％(6)
[0075][0076]
式(4)～(7)中，v
lzx
为中斜度井段临界环空返速，m/s；av为钻井液表观粘度，mpa.s；θ为井斜角，度；h
zx
为中斜度井段岩屑床厚度，mm；h
zx
为中斜度井段岩屑床相对厚度，无量纲；v
p
为环空止动返速，m/s；a
bed
为垂直于井眼轴向的岩屑床横截面积，mm2；c为岩屑床内岩屑浓度，无量纲；g为重力加速度，m/s2；e为钻柱偏心度，无量纲，默认值为2100000；l为岩屑床垂直于井眼轴向的横截宽度，mm；η为岩屑床与下井壁的摩擦系数，一般取0.2；pv为塑性粘度，mpa；yp为动切力，pa；k为稠度系数，pa
·
sn；n为流性指数，无量纲。
[0077]
其中，中斜度井段井眼清洁计算模型中的相关参数可采用下式(8)～(14)计算。
[0078][0079][0080][0081][0082][0083][0084][0085]
式(8)～(14)中，l为岩屑床垂直于井眼轴向的横截宽度，mm；dh为井眼直径，mm；h
zx
为中斜度井段岩屑床厚度，mm；a
bed
为垂直于井眼轴向的岩屑床横截面积，mm2；av为钻井液表观粘度，mpa.s；为旋转粘度计600转读数；pv为塑性粘度，mpa
·
s；为旋转粘度计300转读数；yp为动切力，pa；k为稠度系数，pa
·
sn；n为流性指数，无量纲。
[0086]
当筛分子模块210输出的分区结果为第三清洁区时，选择单元231控制第三清洁区计算单元234与第一输入数据提取子模块220连接。第三清洁区计算单元被配置有大斜度井段井眼清洁计算模型，能够计算输出第三计算结果，第三计算结果包括岩屑床厚度所占井眼直径比。针对第三清洁区，该区域为大斜度井段(60
°
～90
°
)，是岩屑床的稳定区域，可将岩屑床所占井眼直径百分比作为井眼清洁的预判标准。
[0087]
可采用大斜度井段井眼清洁计算模型计算大斜度井段岩屑床相对厚度h
dx
，若h
dx
≤10％，则确定第三清洁区的清洁度满足清洁效果；若h
dx
》10％，则确定第三清洁区的清洁度不满足清洁效果，需调整钻井液性能和/或钻井液排量。大斜度井段井眼清洁计算模型如式(15)～(20)所示：
[0088][0089][0090][0091][0092][0093]hdx
＝(h
dx
/dh)
×
100％(20)
[0094]
式(15)～(20)中，v
ldx
为大斜度井段临界环空返速，m/s；v
sd
为大斜度井段钻屑沉降速度，m/s；v
jx
为机械钻速，m/h；c
ang
为井斜角修正系数，无量纲；c
size
为钻屑尺寸修正系数，无量纲；c
denf
为钻井液密度修正系数，无量纲；c
rpm
为钻柱转速修正系数，无量纲；q
ldx
为无岩屑床临界环空排量，l/s；a'
bed
为岩屑床面积，mm2；h
dx
为大斜度井段岩屑床厚度，mm；qa为钻井液排量，l/s；h
dx
为大斜度井段岩屑床相对厚度，无量纲。
[0095]
其中，大斜度井段井眼清洁计算模型中的相关参数可采用下式(21)～(24)计算。
[0096]cang
＝0.0342θ-0.000233θ
2-0.213(21)
[0097]csize
＝1.286-0.04094448ds(22)
[0098][0099][0100]
式(21)～(24)中，c
ang
为井斜角修正系数，无量纲；c
size
为钻屑尺寸修正系数，无量纲；c
denf
为钻井液密度修正系数，无量纲；c
rpm
为钻柱转速修正系数，无量纲；θ为井斜角，度；ds为钻屑颗粒当量直径，cm；ρm为钻井液密度，g/cm3；n为钻柱转速，r/min。
[0101]
井眼清洁度确定子模块240与井眼清洁度计算子模块230连接，并被配置为能够根据井眼状况计算模块输出的计算结果，分析确定拟计算井段的清洁效果。
[0102]
另外，井眼清洁分析计算模块200还可包括井眼清洁分析子模块250。井眼清洁分析子模块250与井眼清洁度计算子模块230连接，被配置为能够输出目标井的井眼清洁分析曲线以判断井眼清洁度，并包括小斜度钻屑传输比曲线绘制单元、中斜度临界环空返速和环空返速曲线绘制单元、中斜度岩屑床相对厚度曲线绘制单元、大斜度临界环空返速和环
空返速曲线绘制单元、临界环空排量曲线绘制单元、以及大斜度岩屑床相对厚度曲线绘制单元。
[0103]
在本实施例中，入井管柱力学分析计算单元的设置需求是：对各类不同工况作业过程中钻井管柱的受力、变形进行分析和安全性进行评价。因此，如图1所示，入井管柱力学分析计算模块300可包括第二输入数据提取子模块310、套管受力分析计算子模块320和套管强度校核子模块330。
[0104]
其中，第二输入数据提取子模块310与钻井基础数据存储模块100连接，并被配置为能够从钻井基础数据存储模块中提取入井管柱力学计算所需的第二输入数据。第二输入数据包括：井身结构数据、钻具组合数据、钻井实时数据、钻井液性能数据和井眼轨迹数据。另外，第二输入数据提取子模块可以通过手动输入的方式获取钻具钢级与强度数据。
[0105]
套管受力分析计算子模块320与第二输入数据提取子模块310连接，并被配置有钻具受力计算模型，能够计算并输出套管柱在不同生产时期所受的轴向拉力、抗拉强度、外挤压力、抗挤强度、内压力以及抗内压强度。
[0106]
需要说明的是，钻柱在井下的工作条件随钻井方式(转盘转或井下动力钻井)、钻井工序(如正常钻进、起下钻等)的不同而异。在不同的工作条件下，钻柱具有不同的工作状态，受到不同的作用力。包含有：轴向拉力产生的拉应力、扭矩产生的剪切应力、钻柱弯曲产生的弯曲应力、钻柱屈曲产生的附加应力、钻井液内压力产生的拉应力等。经分析可知，钻压跟拉力的作用方向是相反的，摩擦力作用方向跟钻具运动轨迹有关，动载荷数值相对较少，为便于分析方便，这里只考虑钻具浮重产生的轴向拉力。
[0107]
故，钻具受力计算模型如下式(25)～(37)所示。
[0108]
①
钻柱浮重产生的轴向力。
[0109][0110][0111]
式中，fm为浮重产生的轴向力，n；kb为钻井液的浮力系数，无量纲；l
dp
为钻杆长度，m；q
dp
为单位长度钻杆在空气中的重量，kg/m；lc为钻铤长度，m；qc为单位长度钻铤在空气中的重量，kg/m；ρs为钻屑颗粒密度，g/cm3；ρm为管外钻井液密度，g/cm3。
[0112]
②
钻柱所受的外挤压力。
[0113]
p
oc
＝hγ
m-(h-l)γf(27)
[0114]
γm＝ρmg(28)
[0115]
γf＝ρfg(29)
[0116]
式中，p
oc
为计算点的外挤压力，pa；h为计算点深度，m；γm为管外钻井液的重度，n/m3；γf为管内钻井液的重度，n/m3；l为管内液体距井口的距离，m；ρm为管外钻井液的密度，kg/m3；ρf为管内钻井液的密度，kg/m3。
[0117]
③
钻柱抗拉强度。
[0118]
就钻杆而言，通常接头的抗拉强度远大于钻杆本体的抗拉强度，所以钻杆的抗拉强度通常可以钻杆本体的抗拉强度为准。
[0119]
钻杆本体的抗拉强度为：
[0120]
p＝yma/103(30)
[0121]
式中，p为最小抗拉强度，kn；ym为钻柱屈服强度，mpa；a为钻柱本体的横截面积，mm2。
[0122]
④
钻杆抗挤强度。
[0123]
无轴向载荷和内压作用下管体最小抗挤强度由材料规定最小屈服压力和管体横截面几何尺寸确定。
[0124]
套管强度校核子模块330与第二输入数据提取子模块310连接，并被配置有套管强度校核算法，能够校核套管柱设计数据。
[0125]
需要说明的是，套管强度校核的方式为：先按抗挤强度自下而上进行设计，同时进行抗拉强度和抗内压强度校核。当设计到抗拉强度或抗内压强度不满足要求时，选择比上一段高一级的套管，改为抗拉强度或抗内压强度设计，并进行抗挤强度校核，一直到满足设计要求为止。
[0126]
因此，套管强度校核算法可包括以下步骤：
[0127]
(1)获取套管柱设计原始数据。套管柱设计原始数据可包括钢级、壁厚、螺纹类型、段重、段长、抗拉系数、抗挤系数和抗压系数。
[0128]
(2)根据设计原始数据计算套管鞋处(也就是套管底深处)的有效外挤压力p
ce1
。
[0129]
其中，有效外挤压力p
ce1
的计算公式如下。
[0130]
a)直井
[0131]
①
表层套管和技术套管
[0132]
对非塑性蠕变地层：p
ce
＝0.00981[ρ
m-(1-km)ρ
min
]h(31)
[0133]
对塑性蠕变地层：
[0134]
②
生产套管和生产尾管
[0135]
对非塑性蠕变地层：p
ce
＝0.00981[ρ
m-(1-km)ρw]h(33)
[0136]
对塑性蠕变地层：
[0137]
式中，p
ce
为有效外压力，mpa；ρ
min
为下次钻井最小钻井液密度，g/cm3；ρm为固井时钻井液密度，g/cm3；ρw为完井液密度，g/cm3；υ为地层岩石泊松系数，取值为0.3～0.5，无量纲；gv为上覆岩层压力梯度，mpa/m；km为掏空系数，取值为0～1，1表示全掏空；h为计算点井深，m。
[0138]
b)定向井
[0139]
定向井有效外应力应将弯曲度和斜直段的测量井深换算为垂直井深计算。
[0140]
(3)根据载荷和几何约束选取待校核的第i段套管，1≤i≤m，i＝1时，该段套管位于井底，i＝m时，该段套管位于井口。
[0141]
(4)计算第i段套管的下入深度。
[0142]
需要说明的是，下入深度h是指井深，下入长度是指两个井深之间的差值，例如，l1＝h
1-h2。
[0143]
例如，然后选择第2段套管，计算第2段套管的可下深度h2，从而确定第1段套管的下入长度l1。由于第1段套管的下入长度l1取决于第2段套管的可下深度h2，因此，第2段套管
应选择比第1段套管的抗外挤强度低一级的。
[0144]
第2段套管的下入深度h2用下式确定。
[0145][0146]
其中，b＝c1c2+2c2c3；；
[0147]
第1段套管的下入长度l1为：l1＝h
1-h2。
[0148]
当n》3时，第2段套管的下入深度h2用下式确定。
[0149][0150]
其中，b＝c1c2+2c2c3；；
[0151][0152]
式中，h2为第2段套管的下入深度，m；g
ce
为套管有效外压力梯度，mpa/m；sc为规定的抗挤系数；p
con
为第n段套管抗挤强度，mpa；t
yn
为第n段套管屈服强度，kn；kf为浮力系数；qi为设计段以下第i段套管单位长度质量，kg/m；hi为第i段套管的下入深度，m；ρ
min
为下次钻井最小钻井液密度，g/cm3；km为掏空系数，取值为0～1，1表示全掏空；an为第n段套管内截面积，mm2。
[0153]
(5)判断第i段套管的抗内压、抗拉强度是否符合校核要求，若第i段套管的抗内压强度和抗拉强度符合校核要求，则进入步骤(6)；若第i段套管的抗内压强度和抗拉强度不符合校核要求，则返回至步骤(2)，并选择高一钢级或者壁厚的套管进行重新设计第i段。
[0154]
以第1段套管为例，对于第1段套管，根据p
ca1
≥sc
×
p
ce1
的原则(sc为规定的抗挤系数)，选择第1段套管的钢级和壁厚，用套管强度公式计算或查出套管强度，列出套管性能参数表。
[0155]
一、对第1段套管顶部进行抗挤强度校核的方式如下：
[0156]
根据选择套管，计算第1段套管的三轴抗挤强度值，若p
ca1
≥sc
×
p
ce1
，则认为第1段套管的抗挤强度校核正常。sc为规定的抗挤安全系数。
[0157]
三轴抗挤强度的计算公式为：
[0158][0159]
式中，p
ca
为三轴抗挤强度，mpa；p
co
为抗挤强度，mpa；σa为轴向应力，mpa；pi为管内
液柱压力，mpa；y
p
为管材屈服强度，mpa。
[0160]
二、对第1段套管顶部进行抗内压强度校核的方式如下：
[0161]
按三轴抗内压强度公式计算第1段套管顶部的三轴抗内压强度p
ba1
，按有效内压力公式计算第1段套管的有效内压力p
be1
，则第1段套管的抗内压安全系数为：si1＝p
ba1
/p
be1
，若si1≥si，则认为第1段套管的抗内压强度满足要求；若si1《si，则认为第1段套管的抗内压强度不满足要求，应选择高一级的套管进行抗拉设计。si为规定的抗内压安全系数。
[0162]
三轴抗内压强度的计算公式为：
[0163][0164]
式中，p
ba
为抗内压强度，mpa；p
bo
为抗内压强度，mpa；σa为轴向应力，mpa；po为管外液柱压力，mpa；ro为套管外半径，mm；ri为套管内半径，mm；y
p
为管材屈服强度，mpa。
[0165]
有效内压力的计算公式如下：
[0166]
a)气井
[0167]
①
表层套管和技术套管
[0168]
表层套管和技术套管可按下一次使用的最大钻井液密度计算套管鞋处的最大内压力，然后根据最大内压力计算任意井深处套管最大内压力和有效内压力。
[0169]
套管鞋处的最大内压力：p
bs
＝0.00981ρ
maxhs
(38)
[0170]
任意井深处套管最大内压力：
[0171]
有效内压力：p
be
＝p
bh-0.00981ρch(40)
[0172]
②
生产套管和生产尾管
[0173]
生产套管和生产尾管可按管内全充满天然气考虑，先计算任意井深的最大内压力，再根据任意井深的最大内压力计算有效内压力。
[0174]
任意井深处套管最大内压力：p
bh
＝p
p
(41)
[0175]
有效内压力：p
be
＝p
bh-0.00981ρch(42)
[0176]
b)油井
[0177]
①
表层套管和技术套管
[0178]
任意井深处套管最大内压力：
[0179]
有效内压力：
[0180]
②
生产套管和生产尾管
[0181]
不用油管生产的套管鞋处最大内压力：p
bs
＝g
phs
(45)任意井深处套管最大内压力：
[0182]
用油管生产的最大内压力：p
bh
＝g
phs
+0.00981ρwh(47)
[0183]
有效内压力：p
be
＝p
bh-0.00981ρch(48)
[0184]
式中，p
bs
为套管鞋处的最大内压力，mpa；hs为套管鞋处的井深，m；g
p
为套管外压力
梯度，mpa/m；p
bh
为任意井深处套管最大内压力，mpa；ρg为钻井时所用的最高钻井液密度气体，g/cm3；ρw为完井液密度，g/cm3；h为计算点井深，m；p
be
为有效内压力，mpa；ρc为套管内的介质(即石油或者天然气)，g/cm3；ρ
max
为下次钻井最大钻井液密度，g/cm3。
[0185]
三、对第1段套管顶部进行抗拉强度校核的方式如下：
[0186]
按三轴抗拉强度公式计算出第1段套管顶部的三轴抗拉强度t
a1
，按有效拉力公式计算第1段套管的有效拉力t
e1
，则第1段套管抗拉安全系数为：st1＝t
a1
/t
e1
，若st1≥st，则认为第1段套管的抗拉强度满足要求；若st1《st，则认为第1段套管的抗拉强度不满足要求。st为规定的抗内压安全系数。
[0187]
三轴抗拉强度的计算公式为：
[0188][0189]
式中，ta为三轴抗拉强度，mpa；po为管外液柱压力，mpa；pi为管内液柱压力，mpa；ro为套管外半径，mm；ri为套管内半径，mm；to为抗拉强度，mpa。
[0190]
有效拉力的计算公式如下：
[0191]
a)直井
[0192][0193][0194]
式中，t
en
为第n段套管顶部的有效拉力，mpa；li为第i段套管的下入长度，m；ρs为钢材密度，g/cm3；ρm为钻井液密度，g/cm3。
[0195]
b)二维井眼
[0196]
①
造斜井段，管柱和下井壁接触(n》0，n为限制扭转圈数)
[0197][0198][0199]
②
造斜井段，管柱和上井壁接触(n《0)
[0200][0201]
③
降斜井段
[0202][0203]
④
稳斜井段
[0204]
t
ei+1
＝t
ei
+q
ei
(cosα+μsinα)(li+l
i+1
)(55)
[0205]
式中，t
ei+1
为第i+1段套管顶部的有效拉力，mpa；t
ei
为第i段套管顶部的有效拉力，mpa；li为第i段套管的下入长度，m；l
i+1
为第i+1段套管的下入长度，m。
[0206]
四、重新设计第n段套管的方式如下：
[0207]
若上述抗挤设计到第n段套管时，如果抗拉强度或抗内压强度不满足，则应选用高一级的套管，改为抗拉强度设计该段套管，按套管抗拉强度计算该段套管的下入长度l
on
。
[0208]
第n段套管的下入长度l
on
由下式计算获得：
[0209][0210]
还需计算三轴应力下第n段套管的下入长度l
an
，其计算方式如下：
[0211]
由三轴抗拉强度计算出第n段套管的三轴抗拉强度t
an
，由t
an
及拉力公式计算出l
an
后，如果则ln＝l
an
；否则重复上述计算，直到为止。然后进行该段套管抗内压和抗挤强度校核，直到满足设计井深为止。
[0212]
(6)判断第i段套管是否到达井口，若第i段套管未到达井口，则返回至步骤(3)，令i＝i+1，计算下一段套管的下入深度，并进行抗内压、抗拉强度的校核；若第i段套管已到达井口，则计算终止，输出所有套管柱的设计结果。
[0213]
另外，入井管柱力学分析计算模块300还可包括力学分析结果输出子模块340，力学分析结果输出子模块340与套管受力分析计算子模块320、套管强度校核子模块330连接，并配置为能够图形化地输出套管柱受力情况和强度校核结果。
[0214]
在本实施例中，井眼轨迹中靶分析计算单元的设置需求是：结合定向井轨迹监控数据和井眼轨迹三维图形实时进行中靶分析计算。
[0215]
因此，如图1所示，井眼轨迹中靶计算模块400可包括第三输入数据提取子模块410、防碰分析子模块420、井眼轨迹生成子模块430、井眼轨迹预测子模块440以及井眼轨迹数据输出子模块450。
[0216]
其中，第三输入数据提取子模块410与钻井基础数据存储模块100连接，并被配置为能够从钻井基础数据存储模块中提取井眼轨迹中靶计算所需的第三输入数据。第三输入数据包括：井眼轨迹数据。
[0217]
防碰分析子模块420与第三输入数据提取子模块410连接，并被配置为能够计算目标井与临井的井眼轨迹距离。
[0218]
井眼轨迹生成子模块430与第三输入数据提取子模块410连接，并被配置为能够根据井眼轨迹数据自动生成三维井眼轨迹图。
[0219]
井眼轨迹预测子模块440与井眼轨迹生成子模块430连接，并被配置为能够在输入预计井眼轨迹的井深、井斜角、方位角的情况下，自动生成三维井眼轨迹预测图。
[0220]
井眼轨迹数据输出子模块450与井眼轨迹生成子模块430连接，并被配置为能够输出井眼轨迹数据。
[0221]
可采用最小曲率法计算井眼轨迹，其中，最小曲率法计算公式见式(57)～(63)。
[0222][0223]
[0224][0225]
当δα＝0，时，按下式计算：
[0226]
垂深增量：δhi＝δlicosαi(60)
[0227]
分段位移：δsi＝δlisinαi(61)
[0228]
n坐标增量：
[0229]
e坐标增量：
[0230]
式中，δhi为垂深增量，m；δsi为分段位移，m；δni为n坐标增量，m；δei为e坐标增量，m；αi为第i个测点的井斜角，度；δα为井斜角增量，度；为第i个测点的方位角，度；为方位角增量，度。
[0231]
另外，井眼轨迹中靶计算模块400还可包括轨迹回放子模块460、实时轨迹子模块470和二维轨迹图绘制子模块480。其中，轨迹回放子模块460与井眼轨迹生成子模块430连接，并被配置为能够根据三维井眼轨迹图自动模拟回放钻进井眼产生过程的演示动画。实时轨迹子模块470与井眼轨迹生成子模块430连接，并被配置为能够根据三维井眼轨迹图实时生成随钻进井眼产生过程的演示动画。二维轨迹图绘制子模块480与井眼轨迹生成子模块430连接，并被配置为能够自动将井眼轨迹绘制为垂直投影图和水平投影图。
[0232]
在本实施例中，固井施工计算模块的设置需求是：结合井深、固井设计、下入固井管串进行固井施工参数优化设计，为固井设计提供理论依据，并指导现场实时施工。
[0233]
因此，如图1所示，固井施工计算模块500可包括第四输入数据提取子模块510、固井施工参数计算子模块520和固井施工动态模拟子模块530。
[0234]
其中，第四输入数据提取子模块510与钻井基础数据存储模块100连接，并被配置为能够从钻井基础数据存储模块中提取固井施工计算所需的第四输入数据。第四输入数据包括：套管数据、钻具组合数据、井身结构数据和悬挂套管倒扣时允许的钻具最大扭转圈数数据。第四输入数据提取子模块还可以通过手动输入的方式获取悬挂套管钢球下落时间数据。
[0235]
固井施工参数计算子模块520与第四输入数据提取子模块510连接，并被配置有固井施工计算模型，能够计算固井施工参数。固井施工参数可包括套管伸长量、钻具伸长量、顶替量、允许最大套管下放速度、悬挂套管钢球下落时间和悬挂套管倒扣时允许的钻具最大扭转圈数。
[0236]
固井施工动态模拟子模块530与固井施工参数计算子模块520连接，并被配置有固井施工数值模型，能够可视化模拟固井施工作业过程。
[0237]
在本实施例中，卡钻事故分析计算模块的设置需求是：结合井深、钻具组合、水力参数等实时数据，分析计算卡点，对井下状态做出判断，为下一步处理卡钻或其他操作提供参考依据。
[0238]
因此，如图1所示，卡钻事故分析计算模块600可包括第五输入数据提取子模块
610、扭转圈数计算子模块620、卡点位置计算子模块630、解卡剂计算子模块640、降压计算子模块650以及下落时间计算子模块660。
[0239]
其中，第五输入数据提取子模块610与钻井基础数据存储模块100连接，并被配置为能够从钻井基础数据存储模块中提取卡钻事故分析计算所需的第五输入数据。第五输入数据包括：钻具组合数据、井身结构数据和k值系数数据。第五输入数据提取子模块还可以通过手动输入的方式获取钻具强度数据。
[0240]
扭转圈数计算子模块620与第五输入数据提取子模块610连接，并被配置有扭转圈数计算模型，能够计算扭转圈数。扭转圈数计算的步骤如下：
[0241]
(1)选择钻具扭转状态，计算扭转圈数。钻具扭转状态包括：大钩悬重等于正常钻进悬重、大钩悬重小于正常钻进悬重、大钩悬重小于正常钻进悬重。每种状态对应一个公式。
[0242]
a)大钩悬重等于自由钻具在钻井液中的重量时，计算限制扭转圈数的公式如下：
[0243][0244]
式中，n为限制扭转圈数；h为卡点深度，即卡点以上钻柱长度，m；d为卡点以上钻柱外径，cm；g为剪切系数，等于8
×
104mpa；τ为限制剪切力，mpa；σ1为钢材屈服强度，mpa；σ2为钻柱危险断面处所受的实际拉应力，mpa；q为每米钻柱在钻井液中的重量，kg/m；f为管体切面积，cm2；s为安全系数，取1.5。
[0245]
b)大钩悬重小于自由钻具在钻井液中的重量时，可以应用式(64)计算限制扭转圈数，但自由钻具长度应以中和点以上的钻具长度来计算。
[0246]
c)大钩悬重大于自由钻具在钻井液中的重量时，计算限制扭转圈数的公式如下：
[0247][0248]
式中，w为大钩悬重，kn；其他符号与式(64)相同，此时不能应用扭转圈数标准表所列数据。
[0249]
(2)通过钻杆限制扭转圈数表，反推出扭转圈数计算值对应的不同钢级不同外径钻杆的σ1值和q值，加入钻杆的数据库。
[0250]
卡点位置计算子模块630与第五输入数据提取子模块610连接，并被配置有卡点位置计算模型，能够根据目标井的井别类型和钻具类型计算卡点位置。卡点位置计算步骤如下：
[0251]
(1)通过井基础数据判断目标井的井别类型和钻具类型，确定卡点位置计算公式。井别类型包括直井和斜井(包括水平井)，钻具类型包括单一钻柱和复合钻柱。
[0252]
(2)使用对应的计算公式确定卡点位置。
[0253]
a)若卡点处在直井段，且井内是单一钻柱，可根据钻柱在一定拉力下的弹性伸长来计算卡点位置，其计算公式如下：
[0254][0255]
式中，l为自由钻柱的长度，m；k＝ea，为计算系数；a为自由钻柱的横截面积，cm2；e
为钢材的弹性系数，2.1
×
105mpa；
△
x为自由钻柱在
△
f力作用下的伸长，cm；
△
f为自由钻柱所受的超过其自身悬重的两次拉力的差值，kn。
[0256]
如果把接头和加厚部分的影响考虑进去，则形成如下公式：
[0257][0258]
式中，s为钻杆本体、接头及加厚部分影响系数；aa为钻杆本体横截面积cm2；ab为接头横截面积cm2；ac为加厚部分横截面积cm2。
[0259]
b)若卡点处在斜井段，且井内是单一钻柱，则卡点应按式(68)计算：
[0260][0261]
式中，s为钻杆本体、接头及加厚部分影响系数；μ为钻柱与井壁摩擦系数，输入2～4之间；δα为到第n段为止井斜角计算平均值，度。
[0262]
c)若卡点处在直井段，且井内是复合钻柱，则需根据钻具的外径和壁厚的不同，分为若干段，每段的长度分别是l1、l2、l3……
，在一定的拉力
△
f的作用下，计算每段自己的拉升值
△
x1、
△
x2、
△
x3……
。因此，复合钻柱的卡点位置的计算方式如下：
[0263]
先利用式(69)分别求出自井口开始的各段钻具的伸长量
△
xi，式(69)如下所示：
[0264][0265]
式中，
△
xi为第i段钻柱在拉力
△
f作用下的伸长量，cm；
△
f为复合钻柱所受的超过其自身悬重的两次拉力的差值，kn；k为计算系数；li为第i段钻柱的长度，m。
[0266]
然后将实测值
△
x分别与计算值∑δxi、∑δx
i+1
比较，i＝1,2,3，
……
，直到∑xi＜δx＜∑δx
i+1
，确定卡点位置在第i+1段钻具上。
[0267]
若实测值
△
x小于计算值
△
x1，则卡点在第一段钻具上，可直接用式(66)或(67)求卡点，此时的k值是第一段钻具的k值。
[0268]
若实测值
△
x大于计算值∑δxi，且小于∑δx
i+1
，则卡点在第i+1段钻具上，使用式(70)计算卡点位置。
[0269]
l＝∑li+k
i+1
(δx-∑δxi)/δf(70)
[0270]
式中，l为卡点位置，m；li为第i段钻柱的长度，m；k
i+1
为第i+1段钻柱的计算系数；
△
x为复合钻柱在拉力
△
f作用下的伸长量实测值，m；
△
xi为第i段钻柱在拉力
△
f作用下的伸长量，m；
△
f为复合钻柱所受的超过其自身悬重的两次拉力的差值，kn。
[0271]
d)若卡点处在斜井段，且井内是复合钻柱，则卡点位置的计算方式如下：
[0272]
先分别求出自井口开始的各段钻具的伸长量
△
xi，然后将实测值
△
x分别与计算值∑δxi、∑δx
i+1
比较，i＝1,2,3，
……
，直到∑xi＜δx＜∑δx
i+1
，确定卡点位置在第i+1段钻具上。
[0273]
若实测值
△
x小于计算值
△
x1，则卡点在第一段钻具上，可直接用式(68)求卡点，此时的k值是第一段钻具的k值。
[0274]
若卡点在第i+1段而且又是斜井段，则卡点的位置按(71)计算；
[0275][0276]
式中，s
i+1
为第i+1段钻杆本体、接头及加厚部分影响系数；μ为钻柱与井壁摩擦系数，输入2～4之间；δα为到第n段为止井斜角计算平均值，度。
[0277]
解卡剂计算子模块640与第五输入数据提取子模块610连接，并被配置有解卡剂用量计算模型和最高泵压计算模型，能够分别计算输出解卡剂总用量和解卡剂泵入最高泵压。
[0278]
解卡剂用量的计算步骤如下：
[0279]
先获取钻头位置、卡点深度、以及每日钻具组合数据的内外径和长度，其中，钻头位置和卡点深度用于计算粘卡段钻柱长度，每日钻具组合数据的内外径、长度用于计算粘卡段环空容量和粘卡段管内容量。
[0280]
然后计算解卡剂总用量，解卡剂总用量等于预计要浸泡的环空容量和钻柱内容量两部分。环空容量为钻头至卡点位置的环空容量，还要增加一定的附加量，因此解卡剂总用量可用下式计算：
[0281][0282]
式中，q为解卡剂总用量，m3；q1为粘卡段环空容量，m3；q2为粘卡段管内容量，m3；q3为预留顶替量，m3；k为附件系数，一般取1.2；h为粘卡段钻柱长度，m；d为钻头直径，m；d1为钻铤或钻杆外径，m；d2为钻铤或钻杆内径，m。
[0283]
如果使用的是复合钻柱，阶梯式井眼，则应按不同的井径和不同的管柱内外径分段进行计算，累加后即可得总用量。
[0284]
解卡剂泵入最高泵压的计算步骤如下：
[0285]
判断解卡剂密度是否小于钻井液密度，若是，再判断解卡剂总用量与钻柱内容积的大小关系，结合每日钻具组合数据，得出不同情况的解卡剂在钻柱内的液柱高度，从而计算最高泵压。
[0286]
如果解卡剂密度与钻井液相近，泵压不会有大的变化，可不必计算。如果解卡剂密度低于钻井液密度，在顶替时会有压差存在，最高泵压即为循环泵压与管内外液柱压差之和。若解卡剂总用量小于钻柱内容积，则解卡剂完全泵入钻柱时即达最高泵压。若解卡剂总用量大于钻柱内容积，则解卡剂到达钻头时即达最高泵压。最高泵压可用下式求得：
[0287]
p＝p1+p2＝p1+0.01(ρ
1-ρ2)h(73)
[0288]
式中，p为最高泵压，mpa；p1为循环泵压，mpa；p2为解卡剂与钻井液的液柱压差，mpa；ρ1为钻井液密度，g/cm3；ρ2为解卡剂密度，g/cm3；h为解卡剂在钻柱内的液柱高度，m。
[0289]
降压计算子模块650与第五输入数据提取子模块610连接，并被配置有u形管效应降压计算模型，能够计算输出降压参数。u形管效应降压法计算步骤如下：
[0290]
粘吸卡钻中压差是造成卡钻的主要原因，认为降低压差甚至负压差即可解卡。这种方法在施行时受到以下条件的制约：必须是下过技术套管的井，而且要有完整的井控设备；在裸眼井段不能有高压层或坍塌层；钻柱上未接回压阀，能够进行反循环；没有堵塞钻头水眼的可能。
[0291]
在通过反循环泵入低密度钻进液后，放回压后达到内外平衡的情况下，钻柱内外
压力平衡时有如下关系：
[0292]
低密度钻井液m2的液柱高度：
[0293]
h1＝(ρ
1-ρ3)h/(ρ
1-ρ2)(74)
[0294]
m2在环空的液柱体积：
[0295]
q1＝v1h1/1000(75)
[0296]
钻杆内空气柱a的高度：
[0297]
h2＝(ρ
1-ρ3)h/ρ1(76)
[0298]
钻杆内空气的体积：
[0299]
q2＝v2h2/1000(77)
[0300]
需要泵入的低密度钻井液m2的总体积：
[0301]
q0＝q1+q2(78)
[0302]
泵入低密度钻井液的最大压差：
[0303]
p＝(ρ
1-ρ2)h/100(79)
[0304]
式中，m1为井中原浆；m2为替入得低密度钻井液；h为目的层垂直深度；h1为放回压至钻柱内外压力平衡时，m2钻井液在环空的液柱垂直高度，m；ρ1为m1钻井液的密度，g/cm3；ρ2为m2钻井液的密度，g/cm3；ρ3为目的层地层压力的当量密度或者设计所达到的当量密度，g/cm3；q1为m2钻井液在放回压后达到内外平衡的情况下的体积，m3；v1为环空每米容积，l/m；v2为钻柱内每米容积，l/m；h2为放回压至钻柱内外压力平衡时，钻柱内的空气柱垂直高度，m；q2为空气a在放回压后达到内外平衡的情况下的体积，m3；q0为反循环泵入低密度钻井液的最后阶段情况中m2钻井液的体积，m3；p为泵入低密度钻井液的最大压差，mpa。
[0305]
下落时间计算子模块660与第五输入数据提取子模块610连接，并被配置有下落时间计算模型，能够计算输出投球憋压球体下落时间。投球憋压球体下落时间计算步骤如下：
[0306]
球体在钻杆内只允许自由下落，不可泵送的情况，下落时间计算公式为：
[0307][0308]
式中，t为铜球下落时间，s；v为铜球下落速度，m/s；g为重力加速度，取980cm/s2；d为铜球直径，cm；ρ1为铜球密度，g/cm3；ρ2为钻井液密度，g/cm3；μ为钻井液的塑性黏度，10mpa.s；h为球座深度，m；k2为时间附加系数，取k2为1.5～2.0。
[0309]
在本实施例中，溢流压井施工计算模块的设置需求是：结合井筒内实时钻具组合、井身结构，钻井液性能，选择相关参数、压井方式，一键生成压井施工单。
[0310]
因此，如图1所示，溢流压井施工计算模块700可包括第六输入数据提取子模块710、压井施工计算子模块720、压井施工单生成子模块730、压井施工动态模拟子模块740和压井作业绘图子模块750。
[0311]
其中，第六输入数据提取子模块710与钻井基础数据存储模块100连接，并被配置为能够从钻井基础数据存储模块中提取溢流压井施工计算所需的第六输入数据。第六输入数据包括钻具组合数据、井身结构数据、低泵冲试验数据、井口试压数据和溢流关键数据。
[0312]
压井施工计算子模块720与第六输入数据提取子模块710连接，并被配置有压井施工计算模型，能够计算压井施工参数。
[0313]
压井施工单生成子模块730与压井施工计算子模块720连接，并被配置为能够根据
压井施工参数的计算结果自动生成压井施工表单。
[0314]
压井施工动态模拟子模块740与压井施工计算子模块720连接，并被配置有压井施工数值模型，能够可视化模拟井筒压井作业过程。
[0315]
压井作业绘图子模块750与压井施工动态模拟子模块740连接，并被配置为能够图形化地输出实时压井数据和理论压井数据的对比结果。
[0316]
在本实施例中，所述计算系统还可包括压耗计算模块，压耗计算模型与钻井基础数据存储模块连接，并包括第七输入数据提取子模块、压耗计算子模块、压耗预测子模块、实际压耗曲线绘制子模块和压耗预测曲线绘制子模块。
[0317]
其中，第七输入数据提取子模块与钻井基础数据存储模块连接，并被配置为能够从钻井基础数据存储模块中提取压耗计算所需的第七输入数据。第七输入数据包括：钻具组合数据、井身结构数据、钻井实时数据和钻井液性能数据。
[0318]
压耗计算子模块与第七输入数据提取子模块连接，并被配置为能够自动计算输出当前井下钻具组合的管内压耗、管外压耗和循环总压耗。
[0319]
实际压耗曲线绘制子模块与压耗计算子模块连接，并被配置为能够将压耗计算子模块的计算结果自动绘制为实际压耗曲线。
[0320]
压耗预测子模块与第七输入数据提取子模块连接，并被配置为能够自动计算输出待钻井段在不同工况下的循环压耗预测结果。
[0321]
压耗预测曲线绘制子模块与压耗预测子模块连接，并被配置为能够将压耗预测曲线绘制子模块的计算结果自动绘制为压耗预测曲线。
[0322]
综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
[0323]
(1)本发明能够实时基于钻井基础数据，快速分析计算钻井参数，这极大的缩短了计算时间，也避免了手动计算的误差；
[0324]
(2)本发明能够利用钻井现场的实时数据和动态数据，实时对钻井工程相关参数进行实时计算分析，为安全钻井提高数据支撑，同时根据分析结果可以优化钻井工程参数，实时指导钻井生产；
[0325]
(3)本发明实现了钻井工程相关参数的适时计算分析，对满足钻井工程不断增加的需求具有重要意义，在提高钻井效益、增强钻井作业安全等方面发挥着越来越重要的作用；
[0326]
(4)本发明在国内首次实现钻井工程多个分析计算软件在同一工程技术信息平台的集成应用，它能够提供统一的数据库支持、远程通信支持、数值计算支持、图形可视化支持等。
[0327]
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。