鉆井現場實用水力參數模型分析

詹新寶 陳長江 翟高明（川慶鉆探工程公司長慶鉆井總公司，陜西 西安 710018）

鉆井現場實用水力參數模型分析

詹新寶 陳長江 翟高明（川慶鉆探工程公司長慶鉆井總公司，陜西 西安 710018）

鉆井水力參數優化設計是鉆井工程設計的重要組成部分，合理的鉆井水力參數是提高機械鉆速的重要手段之一[1]。水力參數優選是為了尋求合理的水力參數，充分合理的進行水力能量分配，提高水力輔助破巖能力和攜巖能力，從而達到凈化井底和提高機械鉆速的效果。

水力參數;流變模型;優選

鉆井水力參數優化設計是鉆井工程設計的重要組成部分，合理的鉆井水力參數是提高機械鉆速的重要手段之一[1]。以水力參數優選為目標，對鉆井各個階段的泵參數、鉆頭水眼選型和射流水力參數進行設計。水力參數表征鉆頭水力特性、射流水力特性以及地面水力設備工作能力，主要設計內容包括鉆井泵的功率、排量、泵壓以及鉆頭水功率、鉆頭水力壓降、鉆頭噴嘴直徑、射流沖擊力、射流噴速和環空鉆井液上返速度等。水力參數優選是為了尋求合理的水力參數，充分合理的進行水力能量分配，提高水力輔助破巖能力和攜巖能力，從而達到凈化井底和提高機械鉆速的效果。

1 鉆井液流變參數

優化水力參數首先需要了解鉆井液性能，鉆井液流變性能直接影響鉆井液水力性能，是鉆井水力參數優化設計的前提。

1.1 流體流動的基本概念

（1）剪切應力與剪切速率

流體流動有關的兩個基本概念是剪切速率和剪切應力，鉆井液流變性主要是研究流體剪切應力和剪切速率之間的關系。

（2）粘度和雷諾數

1.2 主要流變模型

根據流體流動時的剪切速率與剪切應力的關系，可以講流體劃分為不同的類型，稱作流變模式。比較常用的較為接近流動狀態的流變模式有以下幾種：牛頓模式，賓漢模式，冪律模式，卡森模式和赫巴模式。

賓漢和冪律模式在鉆井液領域應用較為廣泛，其模型簡單，計算方便。但是，隨著鉆井深入研究，發現水力射流可以很好的輔助機械破巖，鉆井現場一般利用高速流體提高機械鉆速。賓漢和冪律模型不能較好的描述鉆井液高剪切速率下的流變性能，相比較之下卡森模式在低剪切區和中剪切區都有較好的精確度[2]。

卡森流體模型結合了賓漢流體和冪律流體的特點，是二參數模型，既有屈服值，又有剪切稀釋特點，能夠近似地描述鉆井液在高剪切速率下的流動性。

2 現場水力參數計算模型

2.1 循環壓耗和當量循環密度

現場計算水力參數的核心部分是確定循環壓耗，不同流變形態的壓耗計算模型不同的，計算的準確度也不同?？ㄉ髯兡Ｊ侥軌蜉^好的模擬高速流體剪切應力變化情況，現場多用卡森模式計算循環壓耗[3]。

鉆井液在循環系統中的流動，主要是在鉆柱內的管內流動和鉆柱外的環空流動，循環壓力損失與鉆井液的流型和流動狀態等因素有關。

卡森模式層流狀態下，壓耗損失如下：

紊流狀態下，摩阻系數f（無因次）定義如下，可通過計算機迭代求出：

2.2 噴嘴組合方式的優選

3 結語

（1）鉆井液流變模型較多，模型考慮的主要因素和復雜程度不同，應用現場的準確度也不同，由于卡森流變模型主要是考慮流體在高速流動下的情況，與現場實際比較吻合。

（2）鉆井現場水力參數設計的核心內容是循環壓耗和當量鉆井液密度，循環壓耗的計算選擇卡森流體較為準確。

[1]翟文濤.復合鉆進條件下鉆進參數優選方法研究[D].中國石油大學,2007.

[2]周長虹等.鉆井液常用流變模式及其優選方法[J].中國科技信息,2005,(22).

[3]胡茂焱等.鉆井液流變參數計算方法的分析及流變模式的優選[J].探礦工程,2004(07).