连续油管钻井水力参数计算实例

连续油管钻井水力计算实例分析一、 计算原始参数CT规格：473x4.8mm（2z"x0.188"）x3500m，级别CT80。滚筒尺寸（底径x内宽x轮缘）：42600x2450x^4200mm采用老井加深工艺，原井筒1500m（5-1/2”和7”套管）加深钻井1000m和2000m，参考大量实例，钻头采用4-3/4”和6-1/8’牙轮钻头或PDC钻头，螺杆马达采用3-3/4”和4-3/4”规格。钻井液采用清水和一种水基泥浆（ULTRADRIL钻井液），其流体参数为：Pi=1180kg/m3，n=0.52564,k=0.8213Pa.Sn，粘度为45.5mPa.s。针对现场试验的辽河油田，根据文献，其砂岩岩石的密度按平均值2.3g/cm3进行计算，若为中粗砂，粒度直径为0.25mm。下面将依据前期的计算模型分别计算对比。二、 泵压计算P=AP +AP+AP+AP+AP+AP泵 CT盘 CT直管汇工具钻头环空（一）管内压降计算模型CT内流体的摩阻损失通常表示为压力降低的形式，即：APf中L和d分别是管长和管径，v是管内的平均速度，f是范宁Fanning摩擦因子，它与流体的雷诺数、管壁的粗糙度等因素有关。（二）清水（牛顿流）介质管内摩阻计算雷诺数计算及狄恩数计算n=PdZR旦式中，NRe为雷诺数，无量纲；P为液体密度，kg/m3；v为循环介质在管路中的平均流速，m/s；d为模拟连续油管内径，m；r为牛顿流体的动力粘度，Pa*s；带入清水数据，得到雷诺数为202031。狄恩数（Dean）是研究弯管流动阻力的基本无量纲数：”N2R其中r0为连续油管内径，R为连续油管弯曲半径，NRe为雷诺数。原井筒1500m加深钻井2000m和1000m时，剩余在盘管滚筒上的管长分别为0m和1000m，则两种情况下连续油管弯曲半径R的计算如下：R=R=B/2=2.6/2=1.3m其中B为滚筒底径（筒芯直径）1 0每层排数M=2450/73=33.56圆整取33。每一层长度L.=兀M[B+虬]，下表1计算了盘管上的每层长度，可见盘管上剩余的1000m大概排4层，根据前面的研究，此时连续油管弯曲半径可按平均值计算，取R=1.441m2表1盘管上的连续油管长度计算表油管层数油管增加的径向长度每层长度总长度弯曲半径10.0365260.32260.321.33720.1059273.83534.151.40630.1752287.34821.491.47540.2446300.851122.331.545带入相关数据，可得:NDe1=31473NDe2=29893直管摩阻系数计算模型（1）层流对于直管，范宁摩阻系数可用如下公式计算:16SLNSLRe（2）紊流对管内单向流摩阻系数公式进行了分析，当不考虑管粗糙度，在紊流光滑区

（3*103<ND<3*106），采用Miller公式：1 、 -—==1.8lgN-1.535 Re对一定的相对粗糙度，雷诺数影响不能忽略。可采用下式来确定光滑区上限，即进入混合摩擦区的雷诺数下限。NRe1NRe159.7(2^)/7对于商用钢管，绝对粗糙度：ks=0.00186”=0.047244mm，则相对粗糙度e=ks/d=0.04572/73=0.000626，此时带入上式得到进入混合摩擦区的雷诺数下限为：101509，此时雷诺数为202031>NRe1进入了混合摩擦区。此时可采用王弥康等推荐的公式：1 £ 5.0452],s1.1098 ,7.149、2J厂—-g3.7065—~Ng2.8257+N 爵％】SL Re Re带入相关数据，得到直管摩阻系数为0.005过渡流按照过渡流雷诺数上下限（2100和2900）分别计算后插值计算。盘管摩阻系数计算模型（1）层流（1）层流f=f(0.556+0.0969TN-)(2)紊流f^(2)紊流f^=f^+0.0075(3)过渡流对于过渡流可采用如下Srinivasan公式:(r(rA0.25N0.5kRJ1.8对于临界雷诺数的计算模型:(N(N)=2100Recr1+12Srinivasan等将连续油管内流态分为3类，即层流30<ND<300，过渡流300<N<(N)，紊流(N)<N<14000。DeDecr DecrDe由前述可知，管内流动处于紊流，则此时两种情况下的连续油管摩阻系数为:、0.5妇=f+0.0075=0.005+0.0075(、0.5妇=f+0.0075=0.005+0.0075(0.0634W5SL=fsL+0.00750.5(]=0.005+0.0075I2x1.3)=0.006175(0.0634W512x1.441)=0.006117原井筒1500m加深钻井2000m和1000m时，剩余在盘管滚筒上的管长分别为0m和1000m，则两种情况下连续油管（直管段+盘管段）的压降计算如下:Lpv2 3500x1006x3.1620.0634△pT直=2f~d~=2x0.005x =5.55MPa0.0634籍盘广0则第一种情况连续油管内的总摩阻为5.55MPaLpv2 2500x1006x3.162△P =2f =2x0.005x =3.96MPa0.0634CT直2 d0.0634Lpv2 1000x1006x3.162△P =2f二一=2x0.006117x =1.94MPaT盘2 d• 0.0634则第二种情况连续油管内的总摩阻为3.96+1.94=5.9MPa考虑连续油管全盘在滚筒上情况，计算每层连续油管摩阻压降损失入下表:表2每层连续油管摩阻压降损失油管层数油管增加的径向长度每层长度总长度弯曲半径r0/Rv管雷诺管f管管内摩阻10.0365260.32260.321.3370.02373.1602017990.0061590.5120.1059273.83534.151.4060.02253.1602017990.0061300.5330.1752287.34821.491.4750.02153.1602017990.0061040.5640.2446300.851122.331.5450.02053.1602017990.0060790.5850.3139314.351436.691.6140.01963.1602017990.0060550.6060.3833327.861764.551.6830.01883.1602017990.0060330.6370.4526341.372105.91.7530.0183.16201790.006010.65

2109380.5220354.882460.801.8220.01743.1602017990.0059930.6790.5913368.392829.181.8910.01683.1602017990.0059750.70100.6607381.893211.071.9610.01623.1602017990.0059580.72110.7300288.933500.002.0300.01563.1602017990.0059410.54总摩阻6.69连续油管全部盘在滚筒上，若按照多层缠绕的平均弯曲半径计算，共11层，取第6层的弯曲半径，则摩阻系数为:、0.5(0一0634、、0.5=0.005+0.0075121683j=0.006033Lpv2 3500x1006x3.162AP =2f =2x0.006033x =6.69MPact盘全d 0.0634和上面逐层计算结果相等，可见利用平均弯曲半径计算有足够精度。即清水作业情况下，连续油管内的最大的总摩阻为6.69MPa。（三）水基泥浆（非牛顿流）管内摩阻计算广义雷诺数计算计算dnVdnV2-npNReg k8n-1K为流变系数，n为流型指数。考虑采用一种水基泥浆（ULTRADRIL钻井液），带入流体参数，p「1180kg/m3,n=0.52564，k=0.8213Pa.Sn，则计算得到的广义雷诺数为:Nr=4430。临界广义雷诺数:NReg<NR"）为层流，对比知流体介质为紊流。NReg<NR"）为层流，对比知流体介质为紊流。Nr>4270-1370n为紊流，二者之间为过渡流。直管摩阻系数计算模型

(1)层流SL16NReg(2)紊流(1)层流SL16NReg(2)紊流SLa

w~Reg1gn+3.93a 507 1.75一1gnb= 7带入前面的NReg数值，得七二0.006402(3)过渡流计算同牛顿流。盘管摩阻系数计算模型层流_5.22(r/R*¥CL N0.6Reg紊流fCLfCLfr0YNr o.8b"R)系数a,b同上。带入前面的数值，得两种情况下的连续油管摩阻系数为:fcLi=0.007616fcL「0.007538原井筒1500m加深钻井2000m和1000m时，剩余在盘管滚筒上的管长分别为0m和1000m，则两种情况下连续油管(直管段+盘管段)的压降计算如下:△PCT直△PCT直1=2x0.006402x3500x1180x3.1620.0634=8.33MPa籍盘广0则第一种情况连续油管内的总摩阻为8.33MPaLpv2 2500x1180x3.1620.0634△P =2f—=2x0.006402x =5.95MPa0.0634CT直2 dLpv2 1000x1180x3.162AP =2f—=2x0.007616x =2.8MPact盘2 d 0.0634则第二种情况连续油管内的总摩阻为5.95+2.8=8.75MPa。若连续油管全部盘在滚筒上，若按照平均弯曲半径计算，则摩阻系数为：fcL全=0.007422Lpv2 3500x1180x3.162AP =2f—=2x0.007422x =9.66MPaCT盘全d 0.0634采用上述水基泥浆作业情况下，连续油管内的最大的总摩阻为9.66MPa。（3）过渡流计算同牛顿流。（四）环空摩阻计算此时采用直管的摩阻系数计算即可，公式如下。AP=2f LpV环空2f环空d-d套内CT外清水考虑较大摩阻的情况，套管壁厚按最厚的壁厚选取。 5-1/2”套管的壁厚取0.476”，7”套管的壁厚取0.64”。此时雷诺数计算公式如下：p（d-d）vN= 套内_CT外_环空Re 旦（1）5-1/2”套管代入相关参数，计算得广义雷诺数分别为67951，此时雷诺数小于进入混合摩擦区的雷诺数下限101509，可见此时环空流为光滑紊流区，摩阻系数采用前述的Miller公式:-述的Miller公式:-1.53—=1.8lgN”f Re'SL代入雷诺数值计算得fL=0.00487①第一种情况（1500m井筒加深钻井2000m）

Lpv2 3500x1006x1.5892f=2f环空d-环空=X0-00487X(0.139—2x0.0121)-0.073血00000=套内CT外②第二种情况(1500m井筒加深钻井1000m)同理计算可得：巳=1.45MPa（2）7”套管代入相关参数，计算得广义雷诺数分别为58678,此时雷诺数小于进入混合摩擦区的雷诺数下限101509，可见此时环空流也为光滑紊流区，摩阻系数采用前述的Miller公式：^^=1.8lgN-1.532# 庇SL代入雷诺数值计算得fSL=0.00503第一种情况（1500m井筒加深钻井2000m）同理计算可得：AP=0.32MPa第二种情况（1500m井筒加深钻井1000m）同理计算可得：Ap=0.23MPa水基泥浆此时广义雷诺数计算公式为：N=（』套内"ct外/环空P:丫Reg k12n-1 "3n+1）（1）5-1/2”套管代入相关参数，计算得广义雷诺数分别为1580，可见此时为层流，摩阻系数采用前述的层流公式：16=16/1580=0.101316=16/1580=0.1013SLReg①第一种情况（1500m井筒加深钻井2000m）七2f环空夺=2x0.01013xa濯也优驾"1000000=5套内CT外②第二种情况（1500m井筒加深钻井2000m）同理计算可得：Ap=3.55MPa7”套管代入相关参数，计算得广义雷诺数分别为769，可见此时为层流，摩阻系数采用前述的层流公式：fL= =16/769=0.2081Reg第一种情况（1500m井筒加深钻井2000m）同理计算可得：AP=L55MPa第二种情况（1500m井筒加深钻井1000m）同理计算可得：AP=1.11MPa（五）含磨粒摩阻梯度系数计算模型对于含磨粒情况，考虑在计算的摩阻梯度前乘上一个磨粒摩阻梯度系数M。对于层流：M=日0.6P0.4对于过渡流：M=日0.5P0.5对于紊流：M=日0.2P0.8其中气和*分别为相对粘度和相对密度。其中*可用如下公式表示：P]=1+（P/PL-1）C"1+CP、1PSJ其中P和P分别为砂粒和液体密度，C和C分别为砂粒和凝胶的体积分^L vP数。对牛顿流:其中气可用如下公式表示:

1=1+2.5C+10.05C2+0.00273ei6.6cv

日2={+1.25[C/(1—C/Ce(bcv)日= ,31—CCvvmax其中B=2.5,C=0.63。对非牛顿流：口广[口广[(1-C/CmaxH—2.5n日=r日=r20.75(e1.5n—1)e—(1—n)Y/10001.25CI21—1.5(7:v其中邛.为名义剪切率，单位s-1。由于钻井液中本身固相颗粒浓度很小，故主要计算含有岩屑情况下对环空摩阻梯度的影响，参阅相关资料，按最大5%体积浓度计算。分别采用Pr1公式和,公式，将相关颗粒参数代入，并根据前面的计算，对于清水采用紊流公式M3,对于泥浆采用层流公式得到M1。分别计算得到：清水含磨粒摩阻梯度系数为M3=1.0874；泥浆含磨粒摩阻梯度系数为M1=1.0821；代入前面计算的环空摩阻，最终得到不同情况下连续油管内摩阻和考虑环空携岩颗粒影响的环空摩阻如下去：表1管内和环空摩阻计算结果表介质工况管内摩阻（MPa）5-1/2”套管环空摩阻（MPa）7”套管环空摩阻（MPa）清水第1种情况5.552.220.35第2种情况5.91.580.25CT全盘情况6.69泥浆第1种情况8.335.381.68第2种情况8.753.841.20CT全盘情况9.66（六）地面管汇压力损耗计算模型△P=kxQ1.8其中：△P一地面管汇压力损耗，MPa；gkg一地面管汇压力损耗系数，无因次量；k=3.767x10-4xp0.8xp0.2

g dpv其中pd—作业液密度，g/cm3;p一作业液塑性粘度，mPa•s；Q一流量，L/s。分别将两种介质代入上式，可得地面管汇压力损耗：清水时，△P=0.024MPa；泥浆时，△P=0.027MPa；（七）工具组合及钻头喷嘴压力损失计算模型喷嘴压降的计算模型为：Ap=0.844pQ2/ /n2目2d4其中：R分别为流量系数，根据喷射流道结构确定，无量纲；p—流体密度，kg/m3；Q一排量，m3/s；d一喷嘴直径，m；n一射孔孔眼数量，无量纲；AP一喷嘴压降，Pa。由于工具组合和钻头还未完全确定，参考贝克公司专用的 CTD工具串（3-1/8”OrientXPressTMCTDBHA，含钻头及螺杆钻具），根据提供的参数，整个工具串的最大压降为30MPa。综上所述，按以上计算条件，在第二种情况泵压值最大为：清水介质：P=kP+AP+AP+AP+AP+AP=5.9+0.024+30+2.22=38.144MPa泵CT盘 CT直 管汇 工具 钻头 环空泥浆介质：P=AP +AP +AP +AP +AP +AP =8.75+0.104+30+5.38=44.234MPa泵 CT盘 CT直管汇工具钻头环空根据计算，采用常规泥浆泵不能满足泵压要求，此时考虑可能需采用压裂泵。下表2是四机厂压裂车的相关参数。表2四机厂压裂车相关参数表产品型号最高工作压力MPa（psi）最大工作排量L/min（gpm）YLC70-265压裂车70（10000）890（235）YLC70-450压裂车70（10000）1277（337）YLC70-670压裂车70（10000）1388（367）YLC105-1340压裂车105（11690）2309（610）YLS105-1340混沙车80（11420）2309（610）YLC105-1860压裂车105（15000）3848（1017）YLC105-1860拖挂式压裂车105（15000）3848（1017）YLC140-1860压裂车140MPa（3-3/4”柱塞）123MPa（4”柱塞）97MPa（4-1/2”柱塞）2172L/min（3-3/4”柱塞）2471L/min（4”柱塞）3128L/min（4-1/2”柱塞）可以看出，按照前面的相关计算，采用YLC70-265以上级别的压裂车就可以很好满足泵压及排量要求。二、排量计算（一）环空返速得到的最低流量1Q=vxA环对于套管井，环空最低上返速度可按0.6m/s计算。5-1/2”套管Q1=v返xA环=0.6x0.0063=0.00378m3/s=226.8L/min=3.78L/s7”套管

g=v反xA环=0.6x0.0124=0.00744m3/s=446.4L/min=7.44L/s连续管钻井水平井筒携岩最低流量21.单颗粒沉降末速计算(1)层流区沉降(Re^1)或d<或d<1.225

pP(P-P)lsl这时，颗粒与液体之间的相对运动是层流。根据Stokes公式，Cd=普_g(P-p)d2「 18四(2)过渡区沉降(1忍Re^500)它描述在固体颗粒运动中逐渐发展的紊流。根据Allen公式，C/10Kv=1.195d适用粒径范围:0.915旦2P(0.915旦2P(P-P)sl13<dp<20.4旦2Pi(Ps-Pi)紊流区沉降(500忍Re@*105)描述除边界层外完全发展的紊流。作紊流沉降的圆球形固体颗粒的阻力系数接近一常数:v=5.39CDw0.45

d(p-p)v=5.39Pi适用粒径范围:20.4旦20.4旦2P,J"Pj3 一<d<1105p日2P,(p，-P,)对于清水介质，按以上计算模型，层流区沉降、过渡区沉降的砂粒径极限分别为：0.11mm，和1.87mm，本计算的砂粒直径为0.25mm，属于过渡区沉降。则单个砂粒的沉降末速度为：v=1.195v=1.195d3—Pi»' pRP— l=1.195x0.00025x(2350-1006)2.0.001x1006=0.0354m/s钻井液通常符合宾汉流型，通过大量分析，岳湘安等给出了在该流型下的颗粒下滑速度公式：(P-P)d2 (2300-1180)x0.0002520.0455v=0.688 —」=0.688x =0.0011m/s0.04552.颗粒群沉降末速计算计算表明，当颗粒体积密度较小时（Cs<0.05m3/m3），干扰沉降末速度均小于前面计算的自由沉降末速度，这样以单颗粒模型计算的携砂所需的最低流量值更安全一些。另外，当颗粒体积浓度大于5%时，此时由于干扰颗粒增多，干扰沉降末速度可能会大于自由沉降末速度，必须另外考虑。霍利克斯（Hawksley）从斯托克斯定律出发，考虑了浑水粘性和容重的增加，以及颗粒下沉引起的回流作用，得出固体颗粒浓度高时的沉降速度公式：-kC

1—s—1-kC

1—s—1-kCf=&(1-C)2expvsts其中&，k「七为相关系数。其中&=1（泥沙不发生絮凝现象），&^2/3（泥沙形状近似球体，存在絮凝现象），无因次;匕一形状系数，对于球体来说k1=2.5，对于非球体来说k1=2.5A（颗粒的球度），无因次;匕一固体颗粒之间的相互影响系数，对于球体来说，k2=39/64，无因次。采用不同砂粒浓度带入上式计算，当颗粒形状近似球体，存在絮凝现象时，加快了砂粒沉降，此时沉降速度vts要大于自由沉降末速。结合前述，按含砂5%体积