水力喷射径向水平井钻井水力参数计算及优选方法

钻井液常用计算一、水力参数计算：(p196-199)1、地面管汇压耗：Psur=C×MW×(Q/100)1.86×C1Psur---地面管汇压耗，Mpa（psi）；C----地面管汇的摩阻系数；MW----井内钻井液密度，g/cm3(ppg);Q----排量，l/s(gal/min);C1----与单位有关的系数，当采用法定法量单位时，C1＝9.818；当采用英制单位时，C1＝1；①钻具内钻井液的平均流速：V1=C2×Q/2.448×d2V1-------钻具内钻井液的平均流速，m/s(ft/s)；Q-------排量，l/s(gal/min);d-------钻具内径，mm(in)；C2------与单位有关的系数。

当采用法定计量单位时，C2＝3117采用英制单位时，C2＝1。

②钻具内钻井液的临界流速V1c=(1.08×PV＋1.08(PV2＋12.34×d2×YP×MW×C3)0.5)/MW×d×C4V1c -------钻具内钻井液的临界流速，m/s(ft/s)；PV----钻井液的塑性粘度，mPa.s(cps);d------钻具内径，mm(in)MW----钻井液密度，g/cm3(ppg);C3、C4------与单位有关的系数。

采用法定计量单位时，C3＝0.006193，C4＝1.078；采用英制单位时，C3＝1、C4＝1。

③如果≤V1c，则流态为层流，钻具内的循环压耗为P p=C5×L×YP/225×d＋C6×V1×L×PV/1500×d2④如果V1>V1c，则流态为紊流，钻具内的循环压耗为P p=0.0000765×PV0.18×MW0.82×Q1.82×L＋C7/d4.82P p---钻具内的循环压耗，Mpa(psi);L----某一相同内径的钻具的长度，m(ft)；V1-------钻具内钻井液的平均流速，m/s(ft/s)；d------钻具内径，mm(in)MW----钻井液密度，g/cm3(ppg);Q-------排量，l/s(gal/min);C3、C6------与单位有关的系数。

可编辑修改精选全文完整版第5章 PDC 钻头水力参数优化设计方法在机泵条件一定的情况下，水力参数优化设计的主要任务是确定钻头的喷嘴直径和钻井泵的压力和排量。

5.1 泵压和排量对PDC 钻头机械钻速的影响现场实践表明，泵压和排量对PDC 钻头和牙轮钻头机械钻速的影响规律不同。

在泵功率一定的条件下，对PDC 钻头来说，排量对钻速的影响更为重要；而对牙轮钻头来说，泵压对钻速的影响更为重要。

因此，PDC 钻头趋向于使用较大排量和较低泵压，而牙轮钻头则趋向于使用较高泵压和较低排量。

在相同地层用相同尺寸钻头钻进，PDC 钻头所用排量一般比牙轮钻头高5~10 L/s ，而泵压一般低2~3MPa 。

图5-1、图5-2是由现场资料统计分析得出的牙轮钻头与PDC 钻头的机械钻速与排量的关系。

可以看出，PDC 钻头的机械钻速随着排量的增大几乎线性增长。

而对牙轮钻头，排量超过一定值（25 L/s ）后，机械钻速几乎不再增加。

图5-1 排量对牙轮钻头钻速的影响 图5-1 排量对PDC 钻头钻速的影响泵压和排量对牙轮钻头和PDC 钻头的影响不同，是因为两种钻头的破岩机理和结构不同。

牙轮钻头主要以冲击压碎的方式破碎岩石，在井底形成裂纹发育的破碎坑穴（图5-3），故需要的较大的水功率来清除破碎坑内的岩屑。

而且，射流水功率越大，辅助破碎岩石的效果越好。

然而，牙轮钻头的喷嘴距井底较远，射流能量衰减严重，故需要较高的泵压（钻头压降）来补偿射流能量损失。

图5-3 牙轮钻头破岩作用 图5-3 PDC 钻头破岩作用PDC 钻头的喷嘴距井底只有30~40mm ，一般小于射流等速核长度（等速核长度约为喷嘴当量直径的4.8~5倍），射流能量可以得到有效利用。

PDC 钻头是以切削作用破碎岩石，岩屑直接被剥离井底，破岩效率高。

因此，使岩屑离开井0510152025252627282930313233排量/L/s机械钻速/m /h02468100510152025303540排量/L/s机械钻速/m /h底原位置并不困难，关键问题是有效地将岩屑清离井底。

钻井液常规计算公式钻井液常⽤计算⼀、⽔⼒参数计算：(p196-199)1、地⾯管汇压耗：Psur=C×MW×(Q/100)1.86×C1Psur---地⾯管汇压耗，Mpa（psi）；C----地⾯管汇的摩阻系数；MW----井内钻井液密度，g/cm3(ppg);Q----排量，l/s(gal/min);C1----与单位有关的系数，当采⽤法定法量单位时，C1＝9.818；当采⽤英制单位时，C1＝1；①钻具内钻井液的平均流速：V1=C2×Q/2.448×d2V1-------钻具内钻井液的平均流速，m/s(ft/s)；Q-------排量，l/s(gal/min);d-------钻具内径，mm(in)；C2------与单位有关的系数。

当采⽤法定计量单位时，C2＝3117采⽤英制单位时，C2＝1。

②钻具内钻井液的临界流速V1c=(1.08×PV＋1.08(PV2＋12.34×d2×YP×MW×C3)0.5)/MW×d×C4V1c -------钻具内钻井液的临界流速，m/s(ft/s)；PV----钻井液的塑性粘度，mPa.s(cps);d------钻具内径，mm(in)MW----钻井液密度，g/cm3(ppg);C3、C4------与单位有关的系数。

采⽤法定计量单位时，C3＝0.006193，C4＝1.078；采⽤英制单位时，C3＝1、C4＝1。

③如果≤V1c，则流态为层流，钻具内的循环压耗为P p=C5×L×YP/225×d＋C6×V1×L×PV/1500×d2④如果V1>V1c，则流态为紊流，钻具内的循环压耗为P p=0.0000765×PV0.18×MW0.82×Q1.82×L＋C7/d4.82P p---钻具内的循环压耗，Mpa(psi);L----某⼀相同内径的钻具的长度，m(ft)；V1-------钻具内钻井液的平均流速，m/s(ft/s)；d------钻具内径，mm(in)MW----钻井液密度，g/cm3(ppg);Q-------排量，l/s(gal/min);C3、C6------与单位有关的系数。

水平井钻井参数的优化[摘要] 在油气田开发中，水平井可以增加裸露出油面积，提高油气产量和采收率，降低综合成本。

近几年江苏油田所钻水平井逐年递增，水平井钻井技术在油田开发、调整中发挥越来越重要的作用。

我队因在钻头选型、钻压控制及水利参数调整等方面优化了水平井钻井参数，故施工顺利，对以后的水平井施工有一定的借鉴意义。

[关键字] 钻头钻压水力参数0 引言水平井井身轨迹的控制、井下安全、水平井成本控制等都与钻井参数有关。

水平井钻井参数合理选择在水平井施工中起十分重要的作用。

所谓钻井参数的合理选择，指在依据固定钻进参数（主要是地层参数）基础上，优选钻压、转数、水力参数及钻井液完井液参数，实现这些参数的合理匹配，以达到钻井安全、快速、低成本的目的。

众所周知，水平井钻井参数的选择既不能套用常规钻井参数优选的方法，也很难采用通用模式（如最低钻井成本、最大工作进尺等模式）。

因此，结合江苏油田水平井的特点，分别就单项钻井参数的选择进行研究，并在选择时考虑其它因素的影响。

1 水平井钻头选择1.1 水平井钻井对钻头的要求。

钻井时，井眼的造斜率较高，存在着大斜度增斜井段和较长水平井段。

这些井段钻进中对钻头有着特殊要求：①钻头具有良好的保径和轴承密封作用；②需要低扭矩PDC钻头；③选用优质高效钻头。

1.2 水平井钻头选择原则。

在选择钻头时除考虑钻头、转速、冲击载荷、岩屑的清除和水力参数、可导向性和侧向载荷、钻头漂移及寿命之外，还应考虑以下几点：①根据所钻地层类型选择钻头；②选用钻头应有良好保径作用；③选用具有高转速特点和性能的牙轮钻头；④缩短PDC钻头的长度有利于定向，反之加长PDC钻头的长度则有利于稳斜；⑤导向钻井系统可以提高定向控制和减少钻具组合的更换次数，但对钻头的选择是关键。

根据江苏油田的特点优选钻头系列如下：牙轮钻头使用掌背、掌尖，外径强化的钻头，如HJ517G和MD517X等；PDC钻头选用短径的改进刀翼型，增加钻头的导向性，如M3235AL和S4615H等。

1.1 研究意义完井工程是一门涉及面广、覆盖范围宽且非常复杂的工艺技术。

完井方式和完井参数不仅与钻井工程密切相关，而且与采油工程、油田开发紧密相连。

目前，水平井广泛应用于各类油气藏的开发，具有明显经济效益。

水平井完井方式的优劣直接影响到油气井产量的大小和长期的稳产高产，直接关系到油田开发的整体经济效益。

在完井工程的整个工艺过程中，完井方法的优选尤为重要，因为如果方法选择不当，将会对储层产生较大的污染和伤害，导致完井后不出油、气或产能大幅降低，从而引起油气勘探、开发中的重大损失。

近年来，国内外水平井完井技术有了较大的发展[1]，已由过去单一的固井射孔完井技术逐步发展成为一套适合多种油藏类型、保护油气层、提高水平井产能及采收率的综合工艺技术，并具有完善程度高、完井成本低、防止油层二次污染、提高油井产能及油层采收率的优点。

同时，对短半径侧钻水平井、分支水平井、大位移水平井等特殊水平井完井技术进行了深入地研究和大胆地尝试，并获得了成功。

由于受工艺和其它技术方面的影响，国内在水平井完井中，往往偏重于工艺的熟练程度，而对完井方式与油藏适应性考虑不够，绝大多数还是采用固井射孔完井，固井射孔完井占总完井数的90%以上。

单一的完井方式不利于水平井和复杂油气藏条件下提高油井产能和采收率。

因此对水平井完井方式和完井参数的研究具有重要的意义。

在残余油开采、稠油藏和裂缝型油气藏的开发过程中，水平井是最有效的开发手段。

随着油田开发的进一步深入，复杂油气藏钻探开发和特殊工艺井日益增多，这些都迫切需要与之相适应的完井工艺技术，以便提高这些井的完善程度，达到保护油气藏、提高开采效益的目的。

随着水平井技术的不断发展，水平井完井正朝着降低成本、缩短施工周期、保护油层、提高采收率的方向发展。

1.2.1 国外水平井完井方法发展状况国外水平井技术始于20世纪30年代，80年代得到迅速发展，90年代以来，水平井技术在国外已发展得相当成熟[2]，形成了从水平井设计到钻井、防砂、完井和射孔等得了非常显著的经济效益。

钻头水利参数计算公式：1、钻头压降：c d e(MPa) 2、 冲击力：p=i.02pQy （） (N) 3、喷射速度：匕产凹里（le(m/s)4、 钻头水功率：M- 8°饗5[°cd e(KW)5、 比水功率：N ='m弘(W/mm 2)6、上返速唐.V — 1273。

(m/s)式中:P 一钻井液密度g/cm 3Q —排量i/sc 一流量系数，无因次，取0.95〜0.98 de 一喷嘴当量直径mm〃广心+ 〃； + ••• + / dn ：每个喷嘴直径D 杆一井眼直径、钻杆直径mm全角变化率计算公式:式中：da db —A 、B 两点井斜角；（pci （pb —A. B 两点方位角mm(da + db}< 2 >套管强度校核：抗拉：安全系数m=1.80 （油层）；1.60~1.80 （技套）抗拉安全系数=套管最小抗拉强度/下部套管重量21.80抗挤：安全系数：1.125只汀警查套管抗挤强度p；只/”。

1.125按双轴应力校核：pH式中：P“一拉力为几时的抗拉强度（kg/cm2）P一钻井液密度（g/cn?）H 一计算点深度（m）其中："软k-3冗-几）T b：套管轴向拉力（即悬挂套管重量）kgPc：无轴向拉力时套管抗挤强度kg/cm2K:计算系数kg K = 2A（jA：套管截而积mn? 套管平均屈服极限kg/mm2不同套管6如下：J55： 45.7 N8O：63・5Pno：87.9井控有关计算：最大允许关井套压经验公式：表层套管[Pa]=11.5%X 表层套管下深（m ） /IO MPa 技术套管[Pa]=18.5%X 技术套管下深（m ） /IOMPa地层破裂压力梯度：G 厂巴也KPa/mH最大允许关井套压：p n =\^^--0.00981Mpa\z最大允许钻井液密度：p =纟一0.06 （表层）厂 max 9.81p 二傑一 0.12 （技套）尸max 9.81套管在垂直作用下的伸长量：al=7-85^A ，L 2X 1Q -7式中：Q —钻井液密度g/cm 3AL 一自重下的伸长m/ tnL 一套管原有长度m套管压缩距："=蔬仏几-厶几） 式中：AL 一下缩距m厶j 一自由段套管长度m厶:一水泥封固段套管长度m J 一套管总长m P 科一钢的密度7.85g/cm' p —钻井液密度g/cm 3E —钢的弹性系数（2.1X106kg/cn?）泥浆有关计算公式：1、加重剂用量计算公式：mrg式中：一所需加重剂重量吨y…, 一加重前的泥浆体积米彳九、口、心一加重前、加重后、加重材料比重g/cm3V^f V-^2、泥浆循环一周时间：T=602式中：T —泥浆循环一周时间分V井、V柱一井眼容积、钻柱体积升Q 一泥浆泵排量升/秒3、井底温度计算公式：T = T肿丄168式中：T、T o一井底、井口循环温度°CH 一井深米4、配制泥浆所需粘土和水量计算：粘土量W =匹丫血二1•上一r水水量or泥-学r上式中：W土一所需粘土的重量吨V泥一所需泥浆量米3r水、I•土、I•泥一水、土和泥浆的比重g/cm3 Q水一所需水量米'5、降低比重所需加水量:式中：Q水一所需水量米彳V快一原泥浆体积米3I•朴I•水一原泥浆.稀释后泥浆和水的比重g/cm3。

1.1 研究意义完井工程是一门涉及面广、覆盖范围宽且非常复杂的工艺技术。

完井方式和完井参数不仅与钻井工程密切相关，而且与采油工程、油田开发紧密相连。

目前，水平井广泛应用于各类油气藏的开发，具有明显经济效益。

水平井完井方式的优劣直接影响到油气井产量的大小和长期的稳产高产，直接关系到油田开发的整体经济效益。

在完井工程的整个工艺过程中，完井方法的优选尤为重要，因为如果方法选择不当，将会对储层产生较大的污染和伤害，导致完井后不出油、气或产能大幅降低，从而引起油气勘探、开发中的重大损失。

近年来，国内外水平井完井技术有了较大的发展[1]，已由过去单一的固井射孔完井技术逐步发展成为一套适合多种油藏类型、保护油气层、提高水平井产能及采收率的综合工艺技术，并具有完善程度高、完井成本低、防止油层二次污染、提高油井产能及油层采收率的优点。

同时，对短半径侧钻水平井、分支水平井、大位移水平井等特殊水平井完井技术进行了深入地研究和大胆地尝试，并获得了成功。

由于受工艺和其它技术方面的影响，国内在水平井完井中，往往偏重于工艺的熟练程度，而对完井方式与油藏适应性考虑不够，绝大多数还是采用固井射孔完井，固井射孔完井占总完井数的90%以上。

单一的完井方式不利于水平井和复杂油气藏条件下提高油井产能和采收率。

因此对水平井完井方式和完井参数的研究具有重要的意义。

在残余油开采、稠油藏和裂缝型油气藏的开发过程中，水平井是最有效的开发手段。

随着油田开发的进一步深入，复杂油气藏钻探开发和特殊工艺井日益增多，这些都迫切需要与之相适应的完井工艺技术，以便提高这些井的完善程度，达到保护油气藏、提高开采效益的目的。

随着水平井技术的不断发展，水平井完井正朝着降低成本、缩短施工周期、保护油层、提高采收率的方向发展。

1.2.1 国外水平井完井方法发展状况国外水平井技术始于20世纪30年代，80年代得到迅速发展，90年代以来，水平井技术在国外已发展得相当成熟[2]，形成了从水平井设计到钻井、防砂、完井和射孔等得了非常显著的经济效益。

6 喷射钻井技术6.1 概述喷射钻井是钻井发展史上的里程碑。

它使钻井速度大幅度提高，其根本原因是在机泵条件、钻具结构、泥浆性能一定的条件下，通过水力参数的优选，使钻头水马力、射流冲击力、喷射速度达到极大值，强化井底清洁和水力破岩,从而提高钻速。

6．1．1喷射钻井的发展（1）30年代采用大排量，大水眼，低泵压，未取得任何进步；（2）40年代中期汉泊尔公司采用减少喷嘴直径和排量，提高泵压，钻速大幅度提高；（3）50年代肯达尔、戈因斯建立了喷射钻井水力设计三大理论。

使喷射钻井完全进入了优化设计阶段；（4）六、七十年代水力设计进一步完善，出现了许多新的水力设计方法。

开始研究井底流场，喷嘴组合，直径及长度对井底净化的影响。

由上述可知：采用大机泵、高泵压、合适的排量和喷嘴直径，能大幅度提高钻速。

6．1．2喷射钻井的提出出发点：净化井底，减少重复切削，辅助破岩，提高机械钻速。

(1)水力因素对井底的作用*漫流对井底岩屑的横向推力作用；*动压力梯度对井底岩屑的冲击作用。

(2)岩屑在井底的运移过程：*离开破碎坑；*运移到钻头边缘；*环空举升。

(3)压持作用*静压持作用：由液柱压力和地层压力之差引起；*动压持作用：由钻头牙轮滚动将岩屑压回井底；*垫层作用：泥浆在井底压差作用下形成泥饼，叫垫层。

由于垫层使岩屑很难破碎。

6．1．3主要内容(1)研究在机泵条件、钻具结构、泥浆性能一定的条件下，使钻头水功率、射流冲击力、喷射速度最大，水力能量的一次分配；(2)研究井底流动规律，水力能量的二次分配。

为喷嘴合理布置提供理论基础。

6．2 喷射式钻井的基本原理。

6．2．1射流的结构特性(1) 射流是具有一定压力的流体通过孔口泄出的流束。

分为自由射流和非自由射流。

喷嘴射流属于淹没非自由射流。

(2) 射流结构组成和参数射流结构组成如图所示：结构：由等速核，边界层(扩散层)组成。

结构参数：扩散角α；表示射流分散程度； 扩散系数如下式：)2/(2αtg a = （1）极距如下式：)2/(2/00αtg d J = （2）等速核V 0，在等速核内速度相等； (3) 射流动压力在等速核内动压力为：2200v P ρ=（3）在等速核外动压力为：22v P k ρ=；0P P k λ= （4）式中，λ为射流衰减系数。

6钻井水力优化设计与计算深井水力设计时主要应考虑两方面的因素。

一是应该充分发挥地面泵的功率，使钻头获得尽可能大的水力能量；二是要尽量减少钻井过程中的井底压力差，以减少压持效应及保护好油气层。

本报告的第二部分已详细介绍了以井底压差最小为目标的设计合理排量的方法及过程。

但是使井底压差保持较小数值的排量并不一定都能使钻头获得最大水力能量。

因而这一部分对常规最大水马力工作方式中设计最优排量的有关计算模式进行了修正，使其更加准确。

然后将两种设计排量的方法结合起来使用，以使设计的排量更加便理，另外也利于更有效的估算和预测钻井过程中与排有关的各种钻井参数。

6.1 最大水马力工作方式理论模式修正国外在50年代开始应用喷射钻井技术。

经过几十年的发展，目前已于泛为钻井界所接受。

我国在60年代初开始研究喷射钻井，并且进行了一些现场应用性试验。

便由于各种原因未能继续进行下来。

直到 1978年后才开始全国推广喷射钻井技术，接着经过六·五攻关，出现了高压大功率泥浆泵、高效钻头、良好的固控设备以及相应的泥浆体系等配套技术。

在全国各油田都取得了显著的成就。

喷射钻井水力程序设计中常用的工作方式有四种：钻头最大水马力工作方式、射流最大冲击力工作方式、最大射流喷速工作方式和经济水马力工作方式。

前两种工作方式是Kendall 和Goins 首先提出来的。

实践证明最大钻头水马力工作方式效果比较显著，而且应用也较为广泛。

下面首先对最大钻头水马力工作方式进行简单的分析。

一、最大钻头水马力工作方式综述最大钻头水马力工作方式是以钻头获得最大水马力为目标函数，以泵功率或高管压力为约束条件的。

按钻头最大水马力工作方式设计水力参数，在第一临界井深以前最优排量即为泵缸套的额定排量；第一临界井深后，为保证钻头获得最大水马力，最优排量随井深增加而逐渐变小，其表达式为：8.18.2Lr opt k P Q = (美) Lropt k P Q 3=(苏) 式中：r P －额定泵压， kg f cm ⋅/2; L k －循环压耗系数。