油气井水力学讲义6钻井水力优化设计与计算

1、6钻井水力优化设计与计算 深井水力设计时主要应考虑两方面的因素。一是应该充分发挥地面泵的功率，使钻头获得尽可能大的水力能量；二是要尽量减少钻井过程中的井底压力差，以减少压持效应及保护好油气层。本报告的第二部分已详细介绍了以井底压差最小为目标的设计合理排量的方法及过程。但是使井底压差保持较小数值的排量并不一定都能使钻头获得最大水力能量。因而这一部分对常规最大水马力工作方式中设计最优排量的有关计算模式进行了修正，使其更加准确。然后将两种设计排量的方法结合起来使用，以使设计的排量更加便理，另外也利于更有效的估算和预测钻井过程中与排有关的各种钻井参数。6.1 最大水马力工作方式理论模式修正 国外在50

2、年代开始应用喷射钻井技术。经过几十年的发展，目前已于泛为钻井界所接受。我国在60年代初开始研究喷射钻井，并且进行了一些现场应用性试验。便由于各种原因未能继续进行下来。直到 1978年后才开始全国推广喷射钻井技术，接着经过六五攻关，出现了高压大功率泥浆泵、高效钻头、良好的固控设备以及相应的泥浆体系等配套技术。在全国各油田都取得了显著的成就。 喷射钻井水力程序设计中常用的工作方式有四种：钻头最大水马力工作方式、射流最大冲击力工作方式、最大射流喷速工作方式和经济水马力工作方式。前两种工作方式是Kendall和Goins首先提出来的。实践证明最大钻头水马力工作方式效果比较显著，而且应用也较为广泛。下面

3、首先对最大钻头水马力工作方式进行简单的分析。一、最大钻头水马力工作方式综述 最大钻头水马力工作方式是以钻头获得最大水马力为目标函数，以泵功率或高管压力为约束条件的。按钻头最大水马力工作方式设计水力参数，在第一临界井深以前最优排量即为泵缸套的额定排量；第一临界井深后，为保证钻头获得最大水马力，最优排量随井深增加而逐渐变小，其表达式为： (美) (苏)式中：额定泵压， ; 循环压耗系数。 对应于最优排量时钻头压降和水马力与泵压和泵功率有如下关系： (美) (苏) 当最优排量随井深增加而降至一定值时，为保证环空携岩要求，需保持排量不变，直至完钻井深。以上就是常用的钻头最大水马力工作方式的基本原理。

4、最大钻头水马力工作方式尽管在我国各油田被广泛应用，但我们认为在具体水力计算和水力程序设计时仍存在不少问题，归纳起来有以下几条：(1). 假设的流变模式为宾汉模式，流态是管内外均为紊流。(2). 在求最优排量时，将摩阻系数看作常数处理。(3). 计算环空压耗时没有考虑岩屑浓度及钻杆旋转的影响。(4). 没有考虑钻杆接头及井径扩大的影响。(5). 紊流摩阻系数计算公式均为经验公式，各家差别很大，到目前尚无一致看法。(6). 环空合理携岩泥浆返速都是凭经验估计的，缺乏理论依据。 上述问题，有的已引起不少学者的注意，而且也进行了一些理论分析和实验研究工作。取得了一定的进展。但由于问题的复要性，并没有得

5、到很好的解决。 签于目前现有的资料和条件，我们从以下几个方面对最大钻头水马力设计方法的有关模式进行修正：(1). 合理选择流变模式及钻柱内外流动状态。(2). 考虑环空内岩屑固相眼度的影响。(3). 考虑井径扩大及钻柱内外尺寸不均一性的影响。(4). 选择合理的摩阻系数计算模式，并使之与排量联系起来。(5). 实际应用时结合前面的环空合理返速(排量)设计值，进行水力设计。二、流变模式及流态的确定 一般认为，在高剪切率下幂律模式和宾汉模式均能较好地代表实际泥浆的流变性。在低剪切率范围内幂律模式比宾汉模式能更好地反应实际泥浆的真实流变性。在前面对现场实际泥浆实测流变性数据的分析结果也表明了这一点。

6、这样，为了既能较好地模拟钻柱内高剪切率下实际泥浆的流变性又能较好的符合环空内低剪切率下实际泥浆的流变性，选择幂律模式作为实际泥浆的流变模式。 关于流动状态。在正常钻进情况下，钻柱内一般呈紊流状态。环空内的流动状态变化较大。在浅部和中部井段，由于排量比较大，泥浆较稀，一般呈紊流状态。深部井段，由于排量变小，泥浆变稠，部分井段呈紊状态，部分井段呈层流状态。基于这种考虑，我们分两种情况来讨论。一是钻柱内和环空内泥浆流态均为紊流的情况；二是钻柱内为紊流，环空内部分井段为紊流，部分井段为层流的情况。下面就这两种情况分别讨论。三、钻柱内和环空内均为紊流条件下的最优排量模式(1)、钻柱内压耗计算式 对于圆管

7、内流动压耗，在紊流状态下不论何种流型都可以采用同一形式的模式计算，原始式为： (6-1)式中：P压耗 L测压段长度 V平均流速 泥浆密度 d管内径 f范宁阻力系数。若用流量表示，则有： (6-2) 关于上式中的范宁阻力系数f的计算，有几种经验和半径验公式。1958年，梅茨纳与里德及平井英二实验发现：对幂律流体紊流摩阻系数f是幂律指数n的函数，其后，多吉建议对于光滑管采用类似伯拉休斯公式： (6-3)关于式中a,b取值，多吉给出了数据表格及相应的公式(见表6-1,和式6-4)。 这里我们采用(6-3)式及(6-4)式或表3-1来确定阻力系数f值。地面管汇、钻杆及钻铤内部可以认为是光滑管。下面导出

8、钻柱内的压耗计算公式。表6-1 a,b值的确定 nab0.20.06460.3490.30.06850.3250.40.07120.3070.60.07400.2810.80.07610.2631.00.07790.25 (6-4) 用流量表示的圆管内雷诺数的表达式为： (6-5)将(6-5)式代入(6-3)式有： (6-6)将(6-6)式代入(6-2)式有： (6-7 )令： （6-8a） 6-8b） 仅仅与泥浆性能(流变性及密度)有关，一旦泥浆性能稳定后，其值均为常数。则(6-7)式可以简化为： (6-9) 考虑到管内压耗由地面管线、立管、水龙带、方钻杆、钻铤、钻杆及有关接头内的低耗组成，

9、各部分的内径及长度不同。设有N段，这样整个管内的流动压耗可由下式计算： (6-10)(2)、环空内压耗计算式 环空内的流动压耗由两部分组成：一是泥浆在环空内的流动产生的压耗；二是岩屑固相颗粒的存在产生的压耗。若环空内泥浆均为紊流，则第一部分压耗由(2-35a);(2-35b)和(2-36)三式计算确定。为方便起见，将该三式重写如下，并变换一下形式： (6-11a) (6-11b) (6-11c)上列各式中： 井眼直径和钻柱外径； S环空横截面积； L计算压耗段环空长度。 根据前面第二大部分的讨论，环空内泥浆为紊流时岩屑固相颗粒的存在产生的环空压耗由下式计算： (6-12) 考虑不同井段井眼尺寸

10、的差异以及钻柱各组成件尺寸的差异，将环空分为M段，每段长度为 ，环空内外径为 和 ，则有总环空压耗计算式为： （6-13）(3)、循环系统总压耗计算式 (6-14)(4)、最大钻头水马力条件下最优排量表达式 所谓最优排量 ，是指一定的泵功率下使钻头获得最大水马力的排量。设泥浆泵的有效功率为 ；选择的钻进泵压为 ；钻头水力功率为 。循环系统消耗的水功率为 , 则有： (约束条件) (6-15) (6-16)将表达式代入(6-16)有： (6-17)时的排量为最优排量，的表达式为： (6-18) 令可得到最优排量的表达式，即： (6-19) 在一定的条件下，通过计算机对上式求根，即可得到最优排量

11、Qopt。 四、钻柱内紊流、环空内部分层流部分紊流条件下最优排量公式(1)、钻柱内压耗计算式 钻柱内压耗由(6-10)式计算。(2)、环空内压耗计算式 设整个环空分为两大段：一段泥浆流动状态为层流；另一段流动状态为紊流。紊流段由M 个小井段组成，环空尺寸分别为：长L 、内径D 、外径D；层流段由M2 个小井段组成，环空尺寸分别为： 长L 、内径D 、外径D 。紊流段的压耗计算式与(6-13)式相同，即： (6-20)层流段的压耗表达式参照(2-34b)和(2-42)式，可以写为： (6-21)式中： (3)、循环系统总压耗计算式 (6-22)(4)、最大钻头水马力紊件下最优排量表达式 (6-23)令