水力参数优选

1、钻井水力学主要研究井眼内钻井液流动状况和规律，解决排除岩屑、冷却钻头、水功率利用、优化钻井等实际问题。井下钻头的射流有喷射速度、冲击力、水功率3个水力工作参数。将这3 个参数随着排量Q 的变化情况用公式表示出来，如式（1）（3），并将这3个公式做成曲线，如图1。式中，v0为射流喷速， m/ s; Fj为射流冲击力， kN；Nj为射流水功率，kW；C 为钻头喷嘴流量系数，无因次；为泥浆密度，g/cm3；ps为泵压，bar；kl为循环系统压耗系数，无因次；Q为泥浆泵排量，L/ s。由图1 可看出，随着排量Q 的变化，3 个水力参数的变化规律是不相同的。v0随着Q 的增大而下降。Fj和Nj随着Q的增

2、大开始上升，然后又下降，呈抛物线型，且极值点对应的排量不同。由图1 可知，选择一个排量不可能使3 个参数同时达到最大，因此，目前有3 种主要的水力参数优化设计方法，即最大喷射速度、最大射流冲击力和最大钻头水功率。我们将每种工作方式下主要水力参数达到最大值时的排量称为最优排量。由上可知，选择一个排量不可能使三个参数同时达到最大，那么究竟按照什么标准选择排量呢？于是就出现了上述的三种工作方式。喷射钻井的工作方式不同，最优排量的确定方法也不同。近年来，有人做过一些实验和研究，认为最大冲击力工作方式最好，最大水功率工作方式次之（但与最大冲击力工作方式的效果很接近）， 最大喷速工作方式最差。但是，在大多

3、数优化方法中，这三种工作方式都会用到，有三个最优排量可以选择。钻井水力参数优化设计的主要内容是在合理选择各水力参数的基础之上， 通过合理的钻头压降和循环系统压力损失的分配关系，以达到在满足低返速要求、充分利用泵的水功率条件下， 最大可能地提高井底清洗效果， 达到优质快速钻井的目的。在钻进过程中，随着井深的增加，合理的钻头压降和循环系统压力损失分配关系要变化，从而引起了排量和喷嘴直径组合的改变。合理的分配关系是靠排量和喷嘴直径的组合在不同井深下不断变化来实现的。在实际施工中，排量还应满足泥浆携岩能力所要求的最低排量，即排量和喷嘴直径的组合除满足不同井深时的合理分配关系外，还受到最低排量的限制。对

4、于合理分配关系中循环压耗这一项，由于井内流道的不规则、非牛顿液体流态的难以判断等原因，计算其实际井况下的大小是很困难的。为解决这个问题， 石油矿场多用水力参数计算及优化设计。这是指在一口井施工以前，根据水力参数优选的目标，对钻进时所采取的钻井泵工作参数( 排量、泵压、泵功率等) 、钻头和射流水力参数( 射流喷速、射流冲击力、钻头水功率等) 进行设计和安排。分析钻井过程中与水力因素有关的各变量，可以看出，当地面机泵设备、钻具结构、井身结构、钻井液性能和钻头类型确定以后，真正对各水力参数大小有影响的可控制参数就是钻井液排量和喷嘴直径，因此，水力参数优化设计的主要任务也就是确定钻井液排量和选择喷嘴直

5、径。水力参数优选方法研究在进行钻井水力参数优选时，最复杂的一步是计算循环系统压力损失，这也是优化过程中提高准确性最关键的一步。压耗计算是否准确与流态模型的选择以及钻具组合、井身结构、井眼轨迹、钻井液属性等等因素有着较为复杂的关系。由于循环系统压力损失的计算公式繁多而冗长，实际计算起来费工费时。为解决这个问题，人们设计了许多喷射钻井水力参数优选的工作日志和卡片以及采用软件来实现水力参数优化。1、流态模型的建立各种流动回路自投入使用后采集到了各种条件下的不同参数对岩屑携带的影响数据。这些实验结果及其分析为建立相关模型奠定了基础。同时，定向井和水平井的现场经验、钻井资料为现场提供了实际的操作指南，并

6、为评估和改进实验的或理论的模型提供了必须的基础。Larsen对携岩问题进行了广泛的研究，他利用TUDRP的流动回路共进行了700次测试，从垂向到水平，从临界流到亚临界流都进行了测试。临界流与最小环空平均流体速度相对应，这个最小速度能防止岩屑床在一固定处积累。亚临界流指能形成岩屑床的条件。对实验数据进行分析后表明，当流体速度低于临界值时，岩屑床开始形成并逐渐加厚，知道岩屑床上部的速度达到临界值。临界速度的范围为0.911.22m/s，其值取决于多种参数，如泥浆流变性能、钻速、钻杆离心度和转速。Larsen的数据集中体现了以前的发现结果，在大井斜角处，紊流区的流体比层流区（钻杆转速050r/min

7、）的流体携岩性能好。另外，还发现以下几个实验现象：（1）在亚临界流条件下，中流变性能（塑性粘度PV=14，屈服值YP=14）一直比低流变性泥浆（PV=7，YP=7）或高流变性泥浆（PV=21，YP=21）产生的岩屑床少。对测试流体的雷诺数计算后表明，这种泥浆流动状态既不是紊流，也不是层流，而是一种过渡状态。（2）实验中所用的小直径岩屑（2.54mm）比中直径岩屑（4.44mm）和大直径岩屑更难清除（转速为055r/min）。小直径岩屑形成的岩屑床紧密而光滑。（3）在5590º之间的岩屑床时厚度基本相同的，但在6570º之间有一点增加。（4）在3545º之间，岩屑床

8、大幅增加。在此基础上，Lstdrm、Pilehvari和Azar开发出了井斜为5090º的井眼模型。该模型用于当流速低于临界流速时计算临界流速和岩屑床的厚度。虽然Larsen等的数据资料是用水基泥浆得到的，但后来Hemphill和Larsen的研究表明，有类似流变性的油基泥浆也表现出了相同的特征。Larsen等的模型是以127mm的流动回路为基础进行研究的。后来，为了使它与203.2mm的TUDRP流动回路的数据相关联，用一个放大系数对该模型进行修正。Jalukar等发表了一种改进模型。Gavignet和Sobey提出了一个与Wilson模型相似的模型，适用于管中的水泥浆，该模型被称

9、为双层模型，该模型有许多相关模型和参数，其中有几项难以确定。然而，该模型是以自然现象为基础的，有一定的优势。Martin等根据他们收集到实验及携岩数据，发表了一个流态模型。Sceberger、Matlock和Hanson用实验室流动回路对大斜度井中油基泥浆进行了研究后，他们认为，提高低剪切速率粘度能加强油基泥浆的携岩性能，这也与水基泥浆观察到的情况相符。后来，这种情况被另一研究所证实。Zomora和Hanson在实验室观察和现场经验的基础上，编辑了28条经验法则来改善大倾角的清洁状况。Siterman和Becker在203.2mm流动回路中进行了一系列井眼清洁实验。他们检验了不同参数与携岩效果

10、的影响。对数据的统计分析表明，没有得到各种参数见的相互关系，即使简单的关系。例如，钻杆旋转对携岩效果的影响也取决于岩屑的尺寸和泥浆流态。Luo和Becher提出用图表确定斜井中的携岩条件。这些经验图表是以203.2mm流动回路数据为基础绘制的，用以预测防止岩屑床形成的临界流速。预测结果也与一些现场数据进行了对比。Ford等发表了一种模型用以预测最低的携岩速度，有2中模式：岩屑悬浮；岩屑旋转。预测结果与实验室数据进行了对比。RASI针对大直径大斜度井眼研究了“一种井眼清洁工具”。作为工作的一部分，他在实验室进行了一系列提钻试验。他观察到，只要岩屑床上部空间横截面积比钻头横截面积流动面积大，岩屑床

11、就不会引起大的超载提升。他还观察到，用小断面扶正器、小直径的井下钻具组合和大直径的钻杆会引起较小超载提升。对井眼清洁问题进行预测的结果或缺少预测的结果与几组现场数据进行了对比。Clark和Bickhom在流体力学关系的基础上提出了一种携岩模型，模型中假设了3中携岩模式：下沉；上升；旋转。第1模式在一定的井斜范围起主要作用。每一种模型的预测结果都与TUDRP的127mm和203.2mm流动回路和临界流、亚临界流的数据进行了对比。该模式的预测结果也用于确定由于携岩效果不好引起的钻井问题的几种条件。Campos等用机械学模型预测亚临界流体条件下的临界流速和岩屑床的高度。他们的研究是以Orskar和W

12、hitmore在钻杆中所做的泥浆携岩资料为基础，模型适用于稀泥浆。但该模型需要进一步提高，以便能解决稠泥浆和钻杆旋转情况下的携岩问题。Kenny Sunde和Hemphill定义了一个升力因子，作为泥浆携岩性能指标，升力因子是由下部环空泥浆流速及Chien的相关模型确定的泥浆沉降速度合成的结果。Bassd完成了在斜井中钻杆对转速、井斜、泥浆流变性、岩屑尺寸以及排量等参数。结果表明，钻杆的旋转对定向井钻井中井眼清洁有重要影响。转速对携岩的增强水平是泥浆流态、岩屑尺寸、泥浆排量、钻柱动力方式的总和影响效果的函数。一般情况下，小直径的岩屑更难携带，但采用高转速和高粘度的泥浆，小尺寸的岩屑变得容易携带

13、。在没有钻杆旋转的情况下，低粘度泥浆在井眼清洁比高粘度泥浆好。一同研究人员进行了大量实验室研究表明，对于稳定井眼的携岩达到临界流条件时的流体流速，大约需1.221.83m/s。而现场实践表明，对于大井眼的清洁需要的流速低得多，为0.610.91m/s。Bassal的研究解释了由于低估钻杆高速转动影响而引起的差异。该研究结果出现以前，所有的实验研究在模拟钻杆动力学方面都有缺陷。钻杆的旋转也可以解释别处的一个争议点：即稀泥浆的携岩性能与悬浮性能好的泥浆（如低剪速率粘度高）不同。所做的实验表明，在没有钻杆转动或低的钻杆转速下，岩屑快速下落至环空下端，容易被稀泥浆带走。钻杆转速高时，低端处的岩屑被钻杆

14、的动力夹带，在稠泥浆中比在稀泥浆中下沉慢，因而能被低剪速率大的泥浆更好地携带。当把携岩的研究结果与现场实践结合成一个钻井程序时，就可以避免井眼清洁方面的问题，并得到较好的钻井特性。当工程师们在大位移钻井上创下2项世界新纪录，正验证了这一情况。Cluild和Hill提供了另外一个研究与实践相结合的良好例证。他们报道说，在因为井眼清洁问题而丢掉一口井后，他们安全无事故地完成了2口大位移井。他们设计程序来增加划眼与起下钻之间的进尺，在到达套管鞋前避免岩屑的沉积，即钻井过程中仔细监测上提钻杆的重量、旋转时钻柱重量和下方钻柱时的重量。他们发现，井眼中岩屑的积累引起上提钻柱和下放钻柱时的重量。他们发现，井

15、眼中岩屑的积累引起上提钻柱和下放钻柱悬重的差增大；而井眼清洁时，这个差值减少。通过观察这些参数和应用其它可得到的信息，可以更好监测井眼清洁情况。研究岩屑运移最好的方式是建立流动回路，到80年代末，各种尺寸各种容积的流动回路已基本建成。Tulsa大学钻井研究项目部（Tulsa Drilling Research Projects）（TUDRP）制作了一个斜井的流动回路，该回路含有一个直径127mm，长12.19m的测试段，能改变和控制水平方向和垂直方向之间的井斜角、泥浆泵入排量和钻井速度。Elf等5人合作，建立和一个更大的新的流动回路，长30.48m，环空尺寸为203.2mm。所有流动回路都有一

16、个透明的环空试验管段，允许研究人员对岩屑携带机理进行观察。这些流动回路为解决人们急需的实验数据提供了必须的工具。Orajni和Azar在携岩方面又进行了流变学对井眼效果的影响研究。他们的研究证实了早期的结论，并认为大斜度井眼的携岩机理及流体流动性与直井有很大不同，在直井用高粘度泥浆来清除岩屑床是一种补救方法，但对大斜度井眼可能会有害（假设钻杆不旋转），而对大斜度井采用能增加紊流程度的低粘度泥浆会更有用。之后，他们又发现井眼的清洁仅取决于井斜角、水力参数、泥浆流变特性、钻杆偏心度和钻进速度等。Becher、Azar和Okrajni对Okrajni和Azar流变学数据进一步分析后表明，测出的泥浆携

17、岩特性与低端剪切速度粘度，尤其是与六速范式V-G粘度计读数有很好的相关性。石油大学的汪海阁和刘希圣于1994年，在文献调研的基础上，对泥浆性能影响环空岩屑运移运移进行了实验研究。讨论了动塑比、表观粘度、塑性粘度、有效粘度、泥浆密度等因素对无因次岩屑床面积的影响。结果表明：层流下泥浆携岩能力随动塑比升高而增加，紊流时泥浆动塑比值与携岩能力关系不大；提出了一种极限粘度的概念，低于极限粘度时，泥浆携岩能力随粘度升高而降低，高于极限粘度时，两者关系相反；泥浆密度增加可使环空岩屑床面积大大降低。低粘紊流是清洗大斜度井与水平井的最佳措施。2、工作日志和卡片要实现钻井水力参数优选，就必须根据现场施工的具体条

18、件和一些经验数据，进行一系列水力参数计算。为了简化计算程序，便于广大钻井工人、技术人员在现场设计和施工中准确地求得所需要的水力参数，美国钻井手册和休斯工具公司提供了一套水力参数优选方法，即提供一个工作日志，通过查表而得工作日志中所需的各种数据，从而完成水力参数的优选。美国钻井手册在工作日志和卡片的基础上，为了分析方便，将工作日志中的主要内容以及各参数之间的相互关系转化为流程图，如图2。休斯工具公司的水力参数优选方法涉及到工作日志和卡片的使用。设计井的有关数据直接填入工作日志，地面装备、钻铤、钻杆的压力损耗(通过查表而得) 以及泥浆泵的主要技术特性也要填入工作日志。对这些数据进行简单计算，就可求

19、得相应的各种压力损耗变量。将变量描绘于水力参数卡片上，并用曲线把各井段的这些变量点连接起来，如图3。应用水力参数卡片并进行简单计算，就可求得各种井深时的最优排量、钻头喷嘴尺寸以及钻头射流喷速、钻头射流冲击力、钻头射流水马力和驱动泥浆泵所需的功率。休斯工具公司的优选方法与美国钻井手册提到的方法类似，不同之处在于先预选缸套尺寸，然后确定排量；喷嘴的组合由水力参数卡片的喷嘴数􀀁喷嘴直径曲线确定，该曲线表示离井段起点井深线和表示最大排量的垂线之交点最近的线。3、水力参数优化设计软件随着计算机的普及和发展，为了达到比用工作日志和卡片进行水力参数优选更方便、更准确的目的，不少生产厂根据水

20、力参数优化计算方法编制出了相应的计算机软件，这些优化软件只需用户输入基本钻井水力参数，就可迅速地得到相应的优化结果。图4 列出了大多数计算机软件所采用的水力参数优化流程。在图4 中， 确定最低环空返速有多种方法， 一种方法是根据现场工作经验来确定; 另一种方法是用经验公式计算( 需校核岩屑举升效率) 。选择缸套直径有2 个原则: 该缸套的额定排量应大于携带岩屑所需的最小排量;缸套的允许压力应该与整个循环系统的耐压能力相适应。工作方式的选择代表了根据不同的优化目标函数来选择排量和喷嘴直径。Varel 公司的Varel Hy draulics水力参数优化软件是通过输入钻井限制条件、地面装备、泥浆泵

21、、钻井液属性、井身结构、下部钻具总成、钻头等参数，计算出循环系统各个部分的压耗，再绘制出沿井深不同部分的压降分布以及压降随排量变化曲线进行排量优选，得出不同井深下的最优排量曲线，最后再根据最优排量选择最优喷嘴组合。该优化软件还包括了4个单位制系统以及套管、钻杆、钻铤、下部钻具总成和泥浆泵数据库，泥浆泵数据库提供了各种型号的钻井设备尺寸，便于用户选择。软件优化结果界面如图5。Reed Hycalog 公司的Reed Hycalog Hydraulics水力参数优化软件与Varel Hydraulics 软件在结构上基本一致，但它是通过直接作目标函数(钻头水功率和射流冲击力) 与排量曲线而得出不同目标函数下的最优排量，即不同工作方式下的最优排量，然后再计算出TFA(喷嘴过流面积)，即最优喷嘴直径。软件优化结果界面如图6。SPT Group公司的钻井仿真软件Drill Bench的水力参数优化模块除了能进行钻井水力参数优选，还包括全面