水力参数优选.doc

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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；ρ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的增大开始上升，

2、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，在大多数优化方法中

3、，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。对于合理分配

4、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径。水力参数

5、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，并为评

6、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0.91~1.22m/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0~50r

7、/min）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0~55r/min）。小直径岩屑