翟立伟（中海油深圳分公司深水工程技术中心，广东 深圳 518000）

1 ECD 的概念

ECD(equivalent circulating density)是钻井液循环当量密度的简称,它是指在钻井液循环过程中某深度处的钻井液液柱压力(包括循环压耗、波动压力等)折算成的当量密度。在钻井液正常循环时，井底的液柱压力等于环形空间静液柱压力与环空中循环压力损失之和。

2 实测ECD 的计算模型

目前，学术上对于ECD 值的计算模型研究，主要分为理论ECD 值计算和实测ECD 值计算。对于理论上钻进至某一深度处的ECD 值，可通过下式计算

式中：α 为校正系数，利用井眼清洁时的实测ECD 对理论计算出的ECD 进行相应的校正；R 为考虑钻柱偏心对环空压耗产生的影响因子。

可见，理论计算出的ECD 值仅与钻井液的密度、井筒的摩擦系数与钻井液和钻柱偏心度以及钻柱旋转速度有关，而与井眼是否干净无关[1]。

但实测ECD 值是由实测环空压力转换而来，与井眼干净与否密切相关。例如在大斜度井或者大位移井中，在部分井段，当钻屑沉积形成岩屑床时，实际环空压力下降，对应的实际ECD 值下降；当岩屑在环空中滞留时，实际环空压力上升，对应的实际ECD 值上升。

对于实测ECD 的计算模型，在钻进过程，环空压力Fa主要由环空中携带钻屑的钻井液所产生的静液柱压力FS和环空循环摩阻损失Ff以及井口回压Fb组成。

式中：Fa为环空压力（Pa）；FS为静液柱压力（Pa）；Ff为环空循环摩阻损失（Pa）；Fb为井口回压（Pa）；ρs为混合钻屑的钻井液密度（kg/m3）；h 为垂直井深（m）；f 为钻井液摩擦系数，无量纲；V 为钻井液在环空中的流速（m/s），△L 为井段长度(测深)(m)；Rb、Rd分别为井眼半径与钻柱外径(m)。

钻进过程，当钻头破碎或剪切的岩屑无法及时从井筒返出时，环空中钻屑的浓度就会不断增加，导致钻井液密度增加，最终使得钻井液静液柱压力不断增加，井下环空压力相应增加。将井下环空压力进行相应的变换，将其转化为钻井液当量密度（ECD）值ρ实，则

3 实例计算

根据上述实测ECD 的计算方法，现以南海东部某井相关资料对钻头处ECD 值进行计算，并与现场仪器监测值进行对比。

该井井型为直井，一开钻进36”井眼至318 m，下30”导管至317.46 m，二开钻进17-1/2”井眼至760 m，下13-3/8”套管至751.76 m，三开钻进12-1/4”井眼至2 553 m，下9-5/8”套管至2 545.64 m，四开钻进8-1/2”井眼至3 791 m。

钻进至3474.12m 时，现场记录sρsρ =1.31×103kg/m3，V=1.57 m/s，通过钻井液性能实验，此时f=0.7，代入公式（4）及（3）得

另一方面，根据现场仪器监测，钻进至3474.12m 时，ECD监测值如图1 所示。

由图可知，钻头处ECD 监测值为1.32。因此，该井钻进至3 474.12 m 时，ECD 的实测计算值与仪器监测值相符。

图1 现场仪器监测值

4 钻进过程降低ECD 的方法

在钻进过程，通过实测ECD 的计算或者现场仪器的监测，可以得到ECD 值。该值的大小对于判断井眼清洁状况具有借鉴意义，现场钻井作业可以通过采取以下工艺技术来降低ECD 值。

4.1 泵入高粘度或者高密度钻井液。

高粘度钻井液俗称稠浆，是指漏斗粘度通常在120 ～180 s之间的钻井液。高密度钻井液俗称重浆，是指密度通常高于正在循环钻井液0.2～0.3 g/cm3的加重钻井液。利用上述两种钻井液优良的携岩性能及时带出钻头破碎或剪切的岩屑，能有效改善钻柱与所钻井眼环空的清洁状况，从而降低环空压力，降低ECD 值。该方法是海上钻井作业改善井眼清洁程度的常用方法。

4.2 调整钻井液的性能。

实验表明低流变性的钻井液有助于降低井眼环空摩擦损失，降低ECD 值。当环空返速一定时，选择合适的流变参数是井眼清洁的关键。比如钻进过程适当提高屈服值，适当提高Yp/Pv 的值均有利于井眼的清洁，同时提高钻井液低剪切速率下的流变性也有利于井眼的清洁。结合钻井液性能与振动筛返出情况，表明在较高的低剪切速率下的钻井液能明显减少井内岩屑数量，提高携砂效果，且在钻进过程可以通过提高3 r/min和6 r/min 的读数，及时排出钻屑，达到降低ECD 的效果。

此外，可以使用相关专业软件，分析钻井液的流态和流变性，得出最佳的参数配合组合，从而降低ECD 值。

4.3 增大泵排量。

理论与实践证明，在泥浆泵等钻井设备及工况条件允许的情况下，增大泵排量，钻井液可以及时携带井底岩屑，同时也能提高钻井液的环空返速，进而改善井眼清洁的效果，降低ECD值。另一方面，平板型层流携岩效果好于层流，尽量采用平板型层流流态也是一种改善井眼清洁状况，降低ECD 值的方法。

4.4 进行短起下钻作业。

当钻头持续进尺较多时，ECD值会相应一定程度的增大，进行短起下钻作业，可以最大限度的携带所钻井眼钻进过程滞留在井底及环空的岩屑，使井筒彻底清洁。继续进行钻进作业时，ECD 值会相应低一些。

4.5 使用较新技术。

4.5.1 连续循环系统

该系统由BP，SHELL UK, TOTALD 等六家石油公司投资研发，且于2003 年7 月试验成功。它是一种在顶驱钻机上使用的不间断循环系统，核心是一个连续循环联结器以实现钻完一柱卸顶驱接新立柱时，仍保持井筒与地面循环，及时携带岩屑改善井眼清洁状况，降低ECD 值[2]。

4.5.2 降低ECD 工具

该工具由威德福公司研制。它由三部分组成：上部是一台涡轮马达，它从循环的钻井液中吸收液压能并将其转换成机械能；中部是由涡轮马达驱动的多级混合流量泵（部分轴向、部分径向），它抽吸环空返回的钻井液；下部由轴承和密封组成。该泵可以在裸眼井段产生更低的ECD 值。该工具主要优点是可降低裸眼井段局部ECD 值，保持井筒压力，从而保持井眼清洁。

5 结语

(1)ECD 值对于现场钻井工作者具有重要参考意义，它是判断井眼清洁与否的主要指标之一，通过实测ECD 的计算或者仪器监测，可以判断所钻井眼清洁状况是否在合适范围内。

(2)目前，降低ECD 值的方法有多种。视现场作业具体情况，采取泵入高粘度或者高密度钻井液、调整钻井液的性能、增大泵排量、进行短起下钻作业以及使用较新技术等措施对于降低井眼ECD 值具有良好效果。

(3)在钻进过程，钻井液及时携带出钻头破碎或剪切的岩屑，避免岩屑压持在井底，缩小环空压力与地层压力之间的压差，使ECD 保持在相对较低值，可提高机械钻速。