钻井现场实用水力参数模型分析

詹新宝 陈长江 翟高明（川庆钻探工程公司长庆钻井总公司，陕西 西安 710018）

钻井现场实用水力参数模型分析

詹新宝 陈长江 翟高明（川庆钻探工程公司长庆钻井总公司，陕西 西安 710018）

钻井水力参数优化设计是钻井工程设计的重要组成部分，合理的钻井水力参数是提高机械钻速的重要手段之一[1]。水力参数优选是为了寻求合理的水力参数，充分合理的进行水力能量分配，提高水力辅助破岩能力和携岩能力，从而达到净化井底和提高机械钻速的效果。

水力参数;流变模型;优选

钻井水力参数优化设计是钻井工程设计的重要组成部分，合理的钻井水力参数是提高机械钻速的重要手段之一[1]。以水力参数优选为目标，对钻井各个阶段的泵参数、钻头水眼选型和射流水力参数进行设计。水力参数表征钻头水力特性、射流水力特性以及地面水力设备工作能力，主要设计内容包括钻井泵的功率、排量、泵压以及钻头水功率、钻头水力压降、钻头喷嘴直径、射流冲击力、射流喷速和环空钻井液上返速度等。水力参数优选是为了寻求合理的水力参数，充分合理的进行水力能量分配，提高水力辅助破岩能力和携岩能力，从而达到净化井底和提高机械钻速的效果。

1 钻井液流变参数

优化水力参数首先需要了解钻井液性能，钻井液流变性能直接影响钻井液水力性能，是钻井水力参数优化设计的前提。

1.1 流体流动的基本概念

（1）剪切应力与剪切速率

流体流动有关的两个基本概念是剪切速率和剪切应力，钻井液流变性主要是研究流体剪切应力和剪切速率之间的关系。

（2）粘度和雷诺数

1.2 主要流变模型

根据流体流动时的剪切速率与剪切应力的关系，可以讲流体划分为不同的类型，称作流变模式。比较常用的较为接近流动状态的流变模式有以下几种：牛顿模式，宾汉模式，幂律模式，卡森模式和赫巴模式。

宾汉和幂律模式在钻井液领域应用较为广泛，其模型简单，计算方便。但是，随着钻井深入研究，发现水力射流可以很好的辅助机械破岩，钻井现场一般利用高速流体提高机械钻速。宾汉和幂律模型不能较好的描述钻井液高剪切速率下的流变性能，相比较之下卡森模式在低剪切区和中剪切区都有较好的精确度[2]。

卡森流体模型结合了宾汉流体和幂律流体的特点，是二参数模型，既有屈服值，又有剪切稀释特点，能够近似地描述钻井液在高剪切速率下的流动性。

2 现场水力参数计算模型

2.1 循环压耗和当量循环密度

现场计算水力参数的核心部分是确定循环压耗，不同流变形态的压耗计算模型不同的，计算的准确度也不同。卡森流变模式能够较好的模拟高速流体剪切应力变化情况，现场多用卡森模式计算循环压耗[3]。

钻井液在循环系统中的流动，主要是在钻柱内的管内流动和钻柱外的环空流动，循环压力损失与钻井液的流型和流动状态等因素有关。

卡森模式层流状态下，压耗损失如下：

紊流状态下，摩阻系数f（无因次）定义如下，可通过计算机迭代求出：

2.2 喷嘴组合方式的优选

3 结语

（1）钻井液流变模型较多，模型考虑的主要因素和复杂程度不同，应用现场的准确度也不同，由于卡森流变模型主要是考虑流体在高速流动下的情况，与现场实际比较吻合。

（2）钻井现场水力参数设计的核心内容是循环压耗和当量钻井液密度，循环压耗的计算选择卡森流体较为准确。

[1]翟文涛.复合钻进条件下钻进参数优选方法研究[D].中国石油大学,2007.

[2]周长虹等.钻井液常用流变模式及其优选方法[J].中国科技信息,2005,(22).

[3]胡茂焱等.钻井液流变参数计算方法的分析及流变模式的优选[J].探矿工程,2004(07).