（油气井工程专业论文）限定机泵条件下钻井水力参数设计.pdf

f 、 【卜 k 蕾 r 奄 d r i l l i n gh y d r a u l i cp a r a m e t e r sd e s i g nu n d e r l i m i t e dm u d p u m p c o n d i t i o n s at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l iq i a n d e n g s u p e r v i s o r ：p r o f g u a nz h i c h u a n 哪54&唧6 7，舢8iiii-m y - 一1 ， i p q 、 、t 籼 r | 弋 _ 关于学位论文的独创陛声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位敝作者虢垒i 笙 指导教师签名： 日期：力ff 年岁月“f t 日期：加7 年，月髟日 0 7 。 p 加 ， 、 、 、 k 摘要 随着石油勘探开发的发展，为适应钻井承包商提高钻速、降低作业成本以及其他一 些特殊要求，各泥浆泵生产商研制出性能和结构更先进的机泵。通过调研国内外使用的 钻井泥浆泵的种类、基本特性及基本特征参数，可以发现，钻井泵正朝着大排量、高泵 压、大功率方向发展。现有的水力参数设计方法是在原先较低机泵性能的前提下进行设 计，当钻井泵的各个性能参数改进以后，当前的水力参数设计方法应当做适当改进。 为准确计算钻井过程中井筒内的温度分布，利用所研制的钻井液热物性参数测量 仪，对钻井中常用的聚合物钻井液和聚磺钻井液的导热系数和比热进行了实测研究，并 分析了由于钻井液导热系数和比热变化对井筒内温度计算值的影响。得到了两种钻井液 的导热系数和比热随温度变化的规律，并依据实验数拟合出了不同温度下两种钻井液的 导热系数和比热求取公式。深井、超深井中，综合考虑温度、压力对钻井液比热、导热 系数、粘度、密度的影响，以实验数据为基础，建立数学模型，求得温度场和压力场的 分布，进而准确计算出钻井液当量密度，求取深井、超深井的循环压耗，为进一步的水 力参数设计做基础。 。 在大功率、高泵压、大排量的钻井泵条件下，结合现场设备如管线、钻柱的制约条 件，根据水功率的传递关系，得到了限定机泵条件下水力参数设计公式，计算了最小携 岩排量变化范围，分析了不同的限定条件对钻头水功率的影响，给出了一种在设备承压 条件下能最大发挥泵功率的缸套、排量等钻井水力参数优选方法的一般步骤，提出了限 定机泵条件下的水力参数设计的新方法。 关键词：地面机泵；钻井液热物性参数；实验测量：温度计算；循环压耗；水力参 数设计 ： 。 p 0 户 r 、- f 、 k l d r i l l i n gh y d r a u l i cp a r a m e t e r sd e s i g nu n d e r l i m i t e dm u d p u m p c o n d i t i o n s l iq i a n d e n g ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f g u a nz h i c h u a n a b s t r a c t a l o n gw i me x p l o r a t o r ya n dd e v e l o p m e n to fp e t r o l e u m ，t oa d a p tt h ed e m a n do fm o d e r n d r i l l i n gt e c h n o l o g y , s u c ha ss p e e du pd r i l l i n gr a t e ，c u tc o s t ，e t c ，t h em a n u f a c t u r e r sd e v e l o p e da l l a d v a n c e d ，s m a l l e rs i z e ，l i g h t e rm u dp u m p t h r o u g hs u r v e yw ec a l lf i n dt h a tt h em u dp u m ph a s a l r e a d yb e e nd e v e l o p e di nl a r g ep o w e r , l a r g ed i s p l x c e r n e n ta n dh i g hp r e s s u r e c u r r e n t h y d r a u l i cp a r a m e t e r sd e s i g na r eb a s e do nl o wm u dp u m pb e h a v i o r , w h e np e r f o r m a n c e p a r a m e t e r sa r ei m p r o v e d ，p r e s e n tm e t h o dc a nb e m o d i f i e da p p r o p r i a t e l y i no r d e rt oc a l c u l a t et h ec i r c u l a t i n gw e l l b o r et e m p e r a t u r ef i e l de x a c t l y , t h e r m a l c o n d u c t i v i t ya n ds p e c i f i ch e a to fp o l y m e rd r i l l i n gf l u i da n ds u l p h o n a t e dp o l y m e rm u dw a s e x p e r i m e n t a l i z e db yu s i n gm e a s u r i n gi n s t r u m e n to fd r i l l i n gf l u i d st h e r m a lp r o p e r t i e s ，a n dt h e i n f l u e n c e0 1 1w e l l b o r et e m p e r a t u r ec o u n t i n gr e s u l t e df r o mv a r i a t i o no fd r i l l i n gf l u i d ss p e c i f i c h e a ta n dt h e r m a l c o n d u c t i v i t yw a ga l s oa n a l y z e d t w o k i n d so fd r i l l i n gf l u i d s t h e r m o p h y s i e a lp a r a m e t e r s sr e l a t i o n s h i p 州mt e m p e r a t u r ew a so b t a i n e d ，a n dt h et w ok i n d s o ft h e r m a lp r o p e r t i e s c o m p u t i n gf o r m u l a sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ew e r ea l s of i t t e d i nd e e po r u l t r a d e e pw e l lw e l l ，m a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e di no r d e rt ow e l l b o r et e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r ef i e l dc o n s i d e r i n gp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e si n f l u n c eo nd r i l l i n gf l u i dp a r a m e t e r s ， t h e nt h ep r e s s u r el o s sc a nb eo b t a i n e d ，t h eb a s eo f h y d r a u l i cp a r a m e t e r sd e s i g nc a l lb es e t t l e d t h em u dp u m ph a sa l r e a d yb e e nd e v e l o p e di n t ol a r g ep o w e r , l a r g ed i s p l a c e m e n t ，a n d 1 1 i g hp r e s s u r en o w , b u tf i e l dd e v i c e s ，s u c ha sp i p e l i n e , d r i l l i n gs t r i n g s ，h a v el i m i t e db e a r i n g p r e s s u r ec a p a c i t y , a c c o r d i n gt ot h et r a n s m i s s i o np o w e rr e l a t i o n s h i p ，f o r m u l ao fh y d r a u l i c p a r a m e t e r sd e s i g nw a so b t a i n e d ，v a r i a t i o nr a n g eo fm i n i m u mc a r r y i n gc u t t i n gd i s p l a c e m e n t w a sc a l c u l a t e d ，t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tl i m i t e r so nd r i l l i n gb i t sw a t e rp o w e rw a s a n a l y s e d ，b yc o d i n gt h ep r o g r a ma n ds i m u l a t i n gt h el a wo fd r i l l i n gb i t sw a t e rp o w e ru n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，w ec a nb u i l dan e ww a y o f h y d r a u l i c sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：f i e l dp u m p ；d r i l l i n gf l u i d t h e r m a l p r o p e r t i e s ； t e m p e r a t u r ee o u n t i n g ；c i r c u l a t i np r e s s u r el o s s ；h y d r a u l i ep a r a m e t e r s 0 p r 目录 第一章绪论1 1 1 研究目的及意义”l 1 2 国内外研究现状“2 1 2 1 地面机泵发展”2 1 2 2 目前水力参数设计的方法及存在的问题6 1 3 本文主要研究内容及创新点1 2 1 3 1 主要研究内容12 1 3 2 创新点13 第二章钻井液热物性参数测量实验1 4 2 1 实验装置简介1 4 2 1 1 结构组成14 2 1 2 实验测量原理1 7 2 2 测量结果及分析18 2 2 1 钻井液、海水测量结果及规律”1 8 2 2 2 不同温度条件下的钻井液、海水热物性参数拟合公式2 1 第三章井筒温度场、压力场计算2 3 3 1 传热基础2 3 3 1 1 导热一2 4 。3 1 2 对流换热2 4 3 2 模型假设2 5 3 3 模型建立及求解2 6 3 3 1 循环模型2 6 3 3 2 静止模型3 0 3 3 3 模型求解3 0 3 4 模型中相关参数的确定3 3 3 4 1 钻井液热物性参数3 3 3 4 2 钻井液流变性3 3 3 4 3 井筒对流换热系数”3 4 3 4 4 热源项3 5 3 - 4 5 不受扰动的地层半径”3 6 3 5 软件编制3 6 3 6 钻井液热物性参数对井筒温度场、压力场的影响3 9 3 6 1 并筒温度场、压力场随井深变化规律3 9 3 6 2 钻井液热物性参数对并筒温度场、压力场影响4 2 第四章限定机泵条件下钻井水力参数设计4 8 4 1 最小携岩排量4 8 4 2 循环系统压耗计算4 9 4 2 1 压耗计算的基本公式”4 9 4 2 2 压耗计算的影响因素5 0 4 2 3 压耗计算结果分析5 4 4 3 不同限定条件下钻头水力参数变化规律5 4 4 3 1 钻头水功率随排量和限定泵压的变化规律一5 5 4 3 2 钻头水功率随排量和井深的变化规律5 6 4 4 限定机泵条件下水力参数设计步骤5 7 4 5 不同限定泵压下钻头水功率对比5 7 4 5 1 同一机泵在不同泵压下的钻头水功率5 7 4 5 2 不同机泵在不同泵压下钻头水功率对比5 8 第五章结论与建议6 1 参考文献6 2 致谢”6 6 v 一， f ， 0 r k ， 1 中国石油人学( 华东) 硕七学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 水力参数优化设计是伴随着喷射钻井提出的。喷射钻井的水力参数优化设计，就是 选择合适的水力参数，得到合理的钻头压降和循环系统压耗的分配关系，使井底获得最 优的水力能量分配，在充分利用泵功率的条件、满足最小返速要求下，最大可能的提高 井底净化效果，达到快速优质钻井的目的。 美国钻井手册给出的水力参数设计的一般流程图为： 图1 - 1 水力参数优化流程图 f i g l - 1 f l o w c h a r to fh y d r a u l i cp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n 第一章绪论 随着石油勘探开发的发展，为适应钻井承包商提高钻速、降低作业成本以及其他一 些特殊要求，各泥浆泵制造厂商在不断对已有产品完善的同时，研制出一些性能和结构 先进、体积小、质量轻的泥浆泵。泥浆泵已朝着大功率、大排量、高压力的方向发展。 现有的水力参数设计方法是在原先较低泵压的前提下，通过优选排量、钻头喷嘴直径将 能量集中到钻头部位，使其获得最大水功率或者冲击力，从而取得优良的破岩效果。当 钻井泵的各个性能参数改进以后，当前的水力参数设计方法应当做适当改进。 另一方面，循环压耗的计算是钻井水力参数设计的核心内容之一，循环压耗计算的 准确与否直接关系到水力参数设计的后续工作m 。当前的循环压耗的计算大多都把钻井 液的物性参数如密度、粘度当作常量来处理。但随着世界能源需求的不断增长，随着东 部深层以及西部钻探工作的不断加强，深井、超深井钻井技术是一项必不可少的研究内 容。陆上的井愈深，井底压力和温度愈高，过高的温度、压力使钻井液密度、粘度、比 热和导热系数等物性参数不能按常数来处理，而是温度和压力的函数。因此，能否建立 合适的井筒温度场、压力场计算模型，确定钻井液的物性参数随井深的变化规律及其对 井下温度、压力的影响，关系到高温高压井的施工成败，关系到循环压耗的准确计算， 最终关系到水力参数设计的精确与否。 在预测井筒温度场的分布方面，国内外已有很多预测模型，但无论钻井液循环温度 模型与井下实际情况多么吻合，如果钻井液、岩石热物性参数无法准确给出，也会给钻 井液循环温度预测带来较大误差t 2 l 。因此，在进行井下循环温度计算时，还必须测定钻 井液在钻井条件下的热物性参数，即比热和导热系数。 因此，通过实验的方法测定钻井液的热物性参数，建立数学模型，求得温度场和压 力场的分布，进而准确计算出钻井液当量密度，求取深井、超深井的循环压耗。然后在 大功率、高泵压、大排量的钻井泵条件下，结合现场设备如管线、钻柱的制约条件，编 制软件，模拟取得不同限定条件下钻头水功率、射流冲击力变化规律曲线，建立一种在 设备承压条件下能最大发挥泵功率的缸套、排量等钻井水力参数优选方法对于工程实践 有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地面机泵发展 ( 1 ) 发展概况 2 o r k ， 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 钻井泥浆泵已有1 0 0 多年的发展和使用历史了。早期泥浆泵一般为双缸单作用泵， 存在重量重、体积大、传动效率低、不能满足复杂工况等弊端，上个世纪六十年代，三 缸单作用泵逐渐发展起来，得到了广泛应用。近年来，随着钻井工艺的发展，对钻井泥 浆泵的性能提出了更高的要求。 我国的泥浆泵发展是从上个世纪六十年代开始，引进国外技术主要是美国技术发展 起来的。当前，国内石油钻井泵的主要生产单位有兰州兰石国民油井石油工程公司和宝 鸡石油机械有限公司等单位，其产品己能基本满足我同大部分油田钻井的需要，并有部 分出1 2 11 3 1 。典型的系列有：宝鸡石油机械设计生产的f 1 3 0 0 、f 1 6 0 0 、f 1 6 0 0 h l 、f - 2 2 0 0 和f 2 2 0 0 h l 大功率高压泥浆泵，兰州兰石油井石油工程公司生产的3 n b 系列也已广 泛应用于各大油田单位。 为了适应石油钻井新工艺、新技术的迅速发展，满足石油钻机开发创新和更新换代 的需要，近年来，国内通过技术引进，自主研发，正在缩短与外国先进国家的差距。钻 井泵在整体发展上，设计更趋于人性化，技术更趋于先进化，型式更趋于多样化。大功 率、高泵压钻井泥浆泵的发展是必然的发展趋势。 ( 2 ) 分类 按作用方式分，泥浆泵分单作用和双作用两种型式。按泥浆泵的缸数分类，有单缸 、双缸、三缸及五缸4 种型式。 ( 3 ) 基本参数 泵的理论排量：泵在单位时间内排出的介质体积称为泵的理论平均排量，简称为泵 的理论排量。 泵的工作压力：通常是指泵排出e l 处单位面积上所受到的液体作用力，简称为泵压。 泵的额定功率和效率：单位时间内动力机传递给泵主动轴的能量，称为泵的输入功 率；泵工作于额定冲次时的输入功率称为泵的额定功率；单位时间内液体经泵作用后增 加的能量称有效功率，也称水功率；泵的效率是有效功率与输入功率的比值。 冲次：也称泵冲，指单位时间内活塞的往复次数。 冲程长度：指活塞往复运动的距离。 钻井泵的性能取决于钻井泵技术参数的合理匹配。从提高泵的吸人性能出发，优化 选择泵的性能和结构参数是非常重要的。 ( 4 ) 基本组成 3 第一章绪论 现将国内外一些主要生产公司的钻井泵参数列表如下1 ： 表1 - 1 国外主要厂家先进钻井泵性能参数 t a b l e l - 1d e v e l o p m e n to fm u dp u m p sa b r o a d 性能参数美国n o v 公司美国人陆一e m s c o 公司德国w i r t h 公司美国l e w c 0 公司 泵型1 4 - p - 2 2 0 型f c - 2 2 0 0 型t p k 2 2 0 0 型w - 3 3 0 0 型 额定输入功率k w1 6 1 7 1 6 1 71 6 1 72 2 0 5 额定冲次m i n l 1 0 51 0 01 1 01 0 0 冲程m m3 5 5 63 8 1 13 5 5 64 0 6 4 齿轮传动比 3 9 6 94 2 7 03 9 6 44 3 6 4 最大缸套直径m m2 2 8 62 2 8 61 9 0 5 最高泵压船a5 1 75 1 75 1 7 5 1 7 质量t 2 9 0 03 7 5 83 3 o o 4 7 6 3 液力端结构l 形l 形l 形l 形 4 o r k 气 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 表l - 2国内f 2 2 0 0 h l 钻井泵性能参数 t a b l e l 一2f - 2 2 0 0 h l m u dp u m pp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s 冲数 缸套直径，i 啪和额定压力，m p a ( p s i ) | 食额定功率2 3 02 2 02 1 02 0 0 1 9 0 1 8 0 1 7 01 6 0 1 5 01 4 01 3 0 1 9 o2 0 82 2 82 5 12 7 93 1 03 4 83 9 34 4 75 1 35 2 0 ( 2 7 6 0 )( 3 0 1 5 ) ( 3 3 1 0 ) ( 3 6 4 5 ) ( 4 0 4 0 )( 4 5 0 5 )( 5 0 5 0 ) ( 5 7 0 0 )( 6 4 8 5 )( 7 4 4 5 )( 7 5 0 0 ) k w h p排量1 s ( g p m l 幸1 0 5宰1 6 4 02 2 0 07 7 6 57 1 0 56 4 7 35 8 7 25 2 9 94 7 5 64 2 4 23 7 5 83 3 0 32 8 7 72 4 8 1 ( 1 2 3 1 )( 1 1 2 6 )( 1 0 2 6 )( 9 3 1 )( 8 4 0 )( 7 5 4 )( 6 7 2 )( 5 9 6 )( 5 2 4 )( 4 5 6 ) ( 3 9 3 ) 9 01 4 0 61 8 8 66 6 5 66 0 9 05 5 4 95 0 3 34 5 4 24 0 7 73 6 3 63 2 2 12 8 3 12 4 6 62 1 2 6 ( 1 0 5 5 )( 9 6 5 )( 8 8 0 )( 7 9 8 )( 7 2 0 )( 6 4 6 )( 5 7 6 )( 5 1 1 1( 4 4 9 )( 3 9 1 0( 3 3 7 ) 8 01 2 5 01 6 7 65 9 1 65 4 1 34 9 3 24 4 7 44 0 3 73 6 2 43 2 3 22 8 6 32 5 1 62 1 9 21 8 9 0 ( 9 3 8 ) ( 8 5 8 ) ( 7 8 2 )( 7 0 9 ) ( 6 4 0 )( 5 7 4 )( 5 1 2 )( 4 5 4 ) ( 3 9 9 ) ( 3 4 7 )( 3 0 0 ) 7 01 0 9 41 4 6 75 7 1 64 7 3 64 3 1 63 9 1 43 5 3 33 1 7 12 8 2 82 5 0 52 2 0 21 9 1 81 6 5 4 ( 8 2 0 )( 7 5 1 )( 6 8 4 )( 6 2 0 )( 5 6 0 )( 5 0 3 )( 4 4 8 )( 3 9 7 )( 3 4 9 )( 3 0 4 ) ( 2 6 2 ) 6 09 3 71 2 5 74 4 3 74 0 6 03 6 9 93 3 5 53 0 2 82 7 1 82 4 2 42 1 4 71 8 8 71 6 4 41 4 1 8 ( 7 0 3 )( 6 4 4 )( 5 8 6 )( 5 3 2 )( 4 8 0 )( 4 3 1 )( 3 8 4 )( 3 4 0 )( 2 9 9 )( 2 6 1 )( 2 2 5 ) 5 07 8 l1 0 4 83 6 9 73 3 8 3 3 0 8 3 2 7 9 62 5 2 32 2 6 52 0 2 01 7 8 9 1 5 7 3 1 3 7 01 1 8 1 ( 5 8 6 )( 5 3 6 )( 4 8 9 )( 4 4 3 )( 4 0 0 )( 3 5 9 )( 3 2 0 )( 2 8 4 )( 2 4 9 )( 2 1 7 )( 1 8 7 ) l0 7 4 00 6 7 70 6 1 70 5 6 00 5 0 50 4 5 30 4 0 40 3 5 8o 3 1 50 2 7 40 2 3 6 ( 1 1 7 )( 1 0 7 )( 9 7 7 )倡8 6 )( 8 0 0 )r 7 1 8 )( 6 4 0 )( 5 6 7 )( 4 9 9 )f 4 3 4 )r 3 7 5 ) 表l - 3国内f 1 6 0 0 h l 钻井泵性能参数 t a b l e l - 3f - 1 6 0 0 h lm u dp u m pp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s 冲数 缸套直径，m m 和额定压力，m p a ( p s i ) l 食 额定功率 1 9 01 8 01 7 01 6 01 5 01 4 01 3 01 2 0 2 0 72 3 12 5 92 9 23 3 23 8 14 4 25 1 9 ( 3 0 0 5 )( 3 3 4 5 )( 3 7 5 0 )( 4 2 3 5 )( 4 8 2 0 )( 5 5 3 0 )( 6 4 1 5 )( 7 5 0 0 ) k w h p排量1 s ( g p m ) 1 3 0 1 2 9 31 7 3 35 6 1 7 5 0 4 24 4 9 73 9 8 3 3 5 0 l 3 0 5 02 6 3 02 2 4 1 ( 8 9 0 )( 7 9 9 )( 7 1 3 )( 6 3 1 )( 5 5 5 )( 4 8 3 )( 4 1 7 )( 3 5 5 ) 宰1 2 0幸1 1 9 3 1 6 0 05 1 8 5 4 6 5 44 1 5 l3 6 7 7 3 2 3 2 2 8 1 52 4 2 72 0 6 8 ( 8 2 2 )( 7 3 7 )( 6 5 8 )( 5 8 3 )( 5 1 2 )( 4 4 6 )( 3 8 5 )( 3 2 8 ) l l o1 2 5 01 4 6 74 7 5 34 2 6 63 8 0 53 3 7 l2 9 6 22 5 8 12 2 2 51 8 9 6 ( 7 5 3 )( 6 7 6 )( 6 0 3 )( 5 3 4 )( 4 6 9 )( 4 0 9 )( 3 5 2 )( 3 0 0 ) 1 0 01 0 9 41 3 3 34 3 2 l3 8 7 83 4 5 93 0 6 42 6 9 32 3 4 62 0 2 31 7 2 4 ( 6 8 5 )( 6 1 4 )( 5 4 8 )( 4 8 5 )( 4 2 7 )( 3 7 2 )( 3 2 0 )( 2 7 3 ) 9 09 3 71 2 0 03 8 8 93 4 9 03 1 1 32 7 5 82 4 2 42 1 1 l1 8 2 11 5 5 l ( 6 1 4 )( 5 5 3 )( 4 9 3 )( 4 3 7 )( 3 8 4 )( 3 3 4 )( 2 8 8 )( 2 4 6 ) 8 07 8 11 0 6 73 4 5 63 1 0 22 7 6 72 4 5 l2 1 5 41 8 7 71 6 1 81 3 7 9 ( 5 4 8 ) ( 4 9 2 )( 4 3 8 )( 3 8 8 )( 3 4 1 ) ( 2 9 7 ) ( 2 5 6 ) ( 2 1 8 ) l 0 4 3 20 3 8 80 3 4 60 3 0 60 2 6 90 2 3 50 2 0 2 o 1 7 2 ( 6 8 5 ) ( 6 1 5 ) ( 5 4 8 ) ( 4 8 6 ) ( 4 2 7 ) ( 3 7 2 )( 3 2 1 ) ( 2 7 3 ) 注：l 按容积效率1 0 0 和机械效率9 0 计算。 5 第一章绪论 2 幸推荐的冲数和连续运转时的输入功率。 从表中可以看到当前国内外比较先进的机泵的性能参数。以陕西宝鸡石油机械有限 责任公司研制成功的f 2 2 0 0 h l 钻井泵为例，其最大功率为2 2 0 0 马力，最高工作压力为 5 2 兆帕，最大排量为7 7 6 5 升秒，填补了我国大功率、高压力钻井泵研制领域的空白。 钻井泵在性能参数方面正朝着大功率、大排量和高泵压的方向发展。 1 2 2 目前水力参数设计的方法及存在的问题 1 2 2 1 水力参数设计的基本步骤 现有的钻井水力参数优化设计一般包括一下几个步骤巧1 ： ( 1 ) 确定最小携岩排量 排量太小则不能有效清洗井底岩屑，影响钻进的高效快速进行。确定排量的方法一 般根据现场工作经验或者经验公式来确定。 ( 2 ) 计算循环压耗 循环压耗计算是钻井水力参数设计的关键，直接影响到后续工作的进行。循环压耗 的计算涉及到钻井液流型流态的确定、摩阻系数的选择、井下实际工况比如钻柱偏心旋 转、岩屑的存在、井下动力钻具、钻杆接头等的影响，需要在做必要的假设的前提下尽 量保证计算精度。 ( 3 ) 缸套选择 原有的水力参数计算方法中，缸套优选的准则一般为：缸套排量大于最小携岩排量 的前提下，选择较小尺寸的，以保证较高泵压。现在泵压大幅度提高以后，应着重考虑 整个循环系统的承压能力，确定钻井过程中的最大许可压力。 ( 4 ) 各项水力参数的计算 现有的水力参数计算准则有最大钻头水功率、最大射流冲击力以及最大钻头喷速。 选择合适的计算准则后，计算各井段所用的排量和喷嘴直径以及各井段下的射流参数和 钻头水力参数。 在以上基本步骤的基础上，许多学者根据钻井实际情况，在水力参数设计方面围绕 钻井液流型流态优选、排量范围确定、循环压耗计算、临界井深计算、钻头结构、喷嘴 组合等方面做了大量实验和理论研究，并已有较为成熟的水力参数方法和现成的模拟软 件1 6 - 1 3 1 。 除了常规井外，在欠平衡钻井、小井眼钻井以及定向井水力参数设计方面也有大量 6 尽 r k 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 的探索。如针对大位移井井深长、循环压耗大、同时地层承能力和设备能力有限等限制， 水力参数设计做了如下修正：安全合理的排量范围、水平井段环空压耗模式( 理论模式 和经验模式) 的建立、钻杆接头、钻杆偏心等。通过实例分析，计算表明，利用这些修 正方法进行水力参数设计更能符合实际，并为工程钻进提供指导，并将在应用实践中不 断完善11 4 - 1 9 1 。 1 2 2 2 井筒压力计算方法 ( 1 ) 井筒温度场研究现状 通常有三种方法确定井内循环温度，即简易估算法、计算机模拟以及井下实测。井 下实测法比较直接，但成本贵，简易估算法往往误差较大，且过高估计井下实际温度。 因此，计算机模拟成为了现今研究井筒温度场的主要方法。通过建立合适的温度模型， 考虑各种相关因素的影响，建立一种简单、准确、经济的模式。 根据传热学基本原理、热力学定律和能量守恒定律来确定井筒温度场分布，将井筒 分为钻柱内、钻柱壁、环空、地层等几部分，通过合理的假设，忽略次要因素，考虑主 要影响因子，取微元做研究，列出方程后，在径向、轴向以及时间上做迭代，结合合理 的初始条件和边界条件，求得数值解。雷米在井筒传热方面的研究最为经典，奠定了井 筒温度场研究的传热基础。1 9 6 2 年，雷米2 发表了解决井筒传热问题的经典之作“井 筒传热”，将井筒温度与地层温度联系起来，并引出综合传热系数的概念。后来国外学 者如m a r s h a l l 、b e n t s e n 等人在雷米的研究基础上，做了更为详细全名的工作，完善了他 的理论，使其更接近实际。2 0 0 2 年，何世明2 在西南石油学院学报上发表了“井 下循环温度模型及其敏感性分析”，根据传热学的基本原理，建立了井内二维瞬循环温 度的数学模型，用有限差分法对模型数值求解，并对井下循环温度的影响参数进行了敏 感性分析，通过对井下循坏温度的参数敏感性分析，认为以下参数显著影响井眼循环温 度及其分布，它们是：地温梯度、液体比热、环空间隙大小、地层热导率、循环时间、 液体热导率；刘国祥眨2 1 等在海洋钻井井筒内温度确定一文中，给出了海水温度场 方程以及定解条件，并给出了实例计算分析，结果表明：环空温度场受到钻井液排量和 密度的影响，流量越低，密度越大，环空温度越与外界环境温度越接近。 现在国内外对于钻井井筒温度问题的研究已经很多，针对陆上井、海洋钻井、欠平 衡钻井、采油等工况，形成了很多成熟的理论方法和模拟软件。但温度模型中涉及到的 导热系数和比热都是以常数计算，与实际不符。因此，针对目前研究中所存在的不足， 有必要对其进行更深入的研究。 7， 第一章绪论 导热系数是指在稳定传热条件下，l m 厚的材料，两侧表面的温差为l 度，在1 秒 内，通过1 平方米面积传递的热量，是衡量物质导热能力的重要参数，与材料的结构、 密度、含水率、温度等有关。 当前测量物质导热系数的方法主要可以分为两类：稳态测量和非稳态测量。前者包 括圆管法、保护热板法以及热流计法，后者包括激光闪射法、热流计法、热带法、热线 法等。测量钻井液的导热系数的方法，可以用稳态法，也可以用非稳态法。但是稳态法 所用时间长，非稳态法所用时间短，且测量精度高。因此测量钻井液的导热系数也应该 用非稳态法。 经文献调研，现在仅有文乾彬【2 3 】于2 0 0 8 年1 月在石油钻探技术发表过钻井液 导热系数的研究的文章钻井液导热系数室内研究，使用圆管稳态法设计了测量装置， 测量了常用钻井液在不同温度下的导热系数大小，并对结果进行了分析，拟合出公式来 预测高温导热系数，并分析了导热系数对钻井液环空温度的影响。 但是有不少人研究了电解质水溶液、纳米流体、生物流体、甘油一水溶液、天然气 水合物、混合制冷剂等物质的导热系数的实验方法和理论解析方法。钻井液的性质与上 面所说的各种流体大同小异，其导热系数的测定和计算方法应该与他们相似，但是导热 系数随温度和压力的变化规律却不一定相同。 热容：物体温度升高1 度所需要的热量称为该物体的热容量，简称热容。它是反映 液体性质的重要物理参量之一，通常的测量方法有电热法、冷却法、混合法等多种方法。 对于其它流体比热的实验测量，国内外已有相关研究。但对钻井液比热容，至今， 只有何世明，徐壁华，何平等 矧在西南石油学院学报上发表过水泥浆与泥浆比热 的室内研究的文章，对钻井液的比热容进行了初步研究。首先根据热平衡原理设计了 实验装置，并用此装置测量了1 5 种不同配方的水泥浆的比热，分析了水泥浆比热与密 度、成分以及温度的关系，并对测量结果进行了分析。 通过对比热和导热系数的调研可以看出，虽然关于液体导热系数和比热实验测量和 理论预测国内外已有不少学者进行了研究，但在钻井液导热系数和比热测量方面还有很 大的空白，在选择测量方法、实验装置和保证数据的精度方面都需要做进一步的研究。 ( 2 ) 井筒压力场研究现状 ( a ) 钻井液当量静态密度 井深h 处的当量静态密度的计算公式为： 肠= ( p p o ) 办 ( 1 - 1 ) 8 r k 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 式中，p o 为井口压力，m p a ；p 为井深h 处静液柱压力，m p a 。 耻eo(1-2) 【曩i = 只+ g 幽4 只，1 ：f )( 1 i 1 0 0 0 )( 3 2 9 ) s f = 0 0 0 5 0 8 ( p 一8 3 1 2 )( 8 3 1 2 p 1 0 0 0 ) ( 3 3 0 ) 式中，s f 为固相在泥浆中的份额，p 为流体和固体混合物的密度，k g m 3 。 这样，钻井液的热容量c 和导热系数五可分别表示为：可表示为： c = 1 一o 7 7 7 卵 ( 3 - 3 1 ) a = 0 3 9 9 + 9 6 0 s f ( 3 3 2 ) 但是，实际当中，它们是随温度和压力变化的，需要用实验的方法进行确定。以饱 和水为例，在0 - - 2 0 0 度之间，水的最高比热与最低值之间差距可以达到4 3 1 j k g k ，最 大导热系数与最小导热系数差距达到o 1 3 5 w m k ，在变化趋势上，水的比热随着温度 升高而增大，导热系数随着温度升高先增大后减小。另一方面，钻井液的类型不同，即 所包含的物质不同，热物性参数也不同。比如，水的导热系数比油的大的多，但油的比 热随温度的变化比水更敏感。在计算前，只有通过实验的方法，精确测量钻井液的热物 性参数才能得到准确地计算结果。钻井液的比热和导热系数随温度和压力的变化对计算 结果的影响，后面将进行粗略的分析。本文采用与湖南湘潭华丰仪器公司合作的钻井液 热物性参数测量仪器测量钻井液的比热和导热系数，具体公式已在第二章给出。 3 4 2 钻井液流变性 随着井深的增加，温度、压力都增大。温度压力对钻井液的粘度有相反的作用，前 者增大使粘度减小，后者反之。通过实验研究可以表明，常温下压力对粘度起主导作用， 但高温下，温度的作用明显超过了压力 矧。 通过大量实验数据分析，p o l i t t e 发现钻井液与基础油在塑性粘度方面有相关性，可 以用基础油来校正钻井液的塑性粘度，提出了下述计算公式： 3 3 第三章井筒温度场、压力场计算 p r t , p2 e 等( 3 - 3 3 ) 式中，p 巧，p 为钻井液在状态( t ，p ) 下的塑性粘度：p 为钻井液标准条件下 测量得到的塑性粘度；”、。分别为基础油在需要状态( t ，p ) 下以及标准条件下 的塑性粘度。 基础油的塑性粘度与温度、压力有以下经验公式，可供直接引用，即： 口，( 丁，d ：p 宰( r 术p ) c 11 0 ( c , + c , r + c , r p + c 5 p + c 6 p + c t 二p ( 3 - 3 4 ) 式中： q = - 0 9 5 0 1 ，c 2 = 一2 3 1 8 8 8 ，c 3 = - 0 0 0 1 4 8 ，c 4 = 一1 9 7 7 6 x 1 0 。8 g = 3 3 4 1 6 x 1 0 。5 ，c 6 = 1 4 6 7 6 7 ，c 7 = 1 0 9 9 7 3 c l 到c 7 都为经验常数，9 为所测量的基础油在相应温度压力下的密度值。 3 4 3 井筒对流换热