于 忠，芦文彪

(1.西北油田分公司工程技术研究院，新疆乌鲁木齐830011；2.西北油田分公司雅克拉采气厂，新疆乌鲁木齐830011)

喷射钻井水力参数智能设计分析软件的研制与应用

于 忠*1，芦文彪2

(1.西北油田分公司工程技术研究院，新疆乌鲁木齐830011；2.西北油田分公司雅克拉采气厂，新疆乌鲁木齐830011)

以Visual Studio 2010为平台开发了喷射钻井水力参数智能设计分析软件。该软件以优化钻井液流变模式为基础，根据井身结构和钻具组合，模拟实际钻进参数，进行钻井液水力学设计计算分析。通过图形和报表动态输出计算结果，用户可灵活查看输出结果，进行对比分析。

钻井液；流变模式；水力参数；优化设计

1 概述

智能钻井系统的研究是当前钻井技术的最新研究内容之一。钻井液水力学的合理设计不仅有利于提高岩屑携带效率，而且可以发挥钻井液的高压射流作用，提高岩石破碎效率[1]。

本文通过计算机语言编制出喷射钻井水力参数分析软件，该软件能够自动计算4种流变模式下的流变参数。根据相关系数，优选与实际情况最为拟合的流变模式；同时该软件允许输入井身结构和钻具组合，模拟实际钻进参数；输入机械钻速和岩屑相关参数等可进行钻井液水力学设计计算分析；最后通过图形和报表形式动态输出裸眼井段最优排量、最优喷嘴面积、压耗分布、当量密度、射流冲击力和钻头水功率等参数，用户可灵活查看输出结果，进行对比分析。

利用该软件对塔河油田现场数据进行分析，结果表明该软件具有较高的计算精度和优化效果，能够满足工程应用要求。

2 钻井液流变模式的优选

钻井液水力参数设计的影响因素主要包括两部分：①钻井液流变模式的模拟；②不同井段压力损失的计算[2]。为了提高钻井液水力参数优化效果，必须从以上2个方面着手。

2.1 常用钻井液流变模式

钻井液常用的流变模式有宾汉模式、幂律模式、卡森模式和赫谢尔—巴尔克来模式，这4种流变模式的水力参数都可以根据范式粘度计的2个读数进行计算。4种流变模式的流变方程、常规计算方法详见表1。对于不同的钻井液类型，其流变模式也不同，能否准确确定钻井液流变模式，并计算出流变参数是钻井水力参数设计的关键。

2.2 钻井液流变模式回归分析

回归分析[3]是处理变量间相关关系的一种有效工具。通过对各种流变模型进行适当的数学变换，采用一元线性回归分析进行钻井液流变参数的计算。宾汉和幂律模式的回归计算相对简单，而卡森和赫巴模式的计算相对复杂，尤其是赫巴模式，需要进行残差拟合[4]，通过计算机迭代计算。

3 钻井液循环系统压耗的计算

循环压耗由地表管汇、钻具内、环空和钻头各部分组成。为了精确计算各部压耗，需要根据回归分析得出的流变参数计算出各个井段的流态，根据不同流态，不同流变模式计算出各段的压耗。4种流变模式循环压耗计算公式见表2。

3.1 水力参数设计目标参数

在进行钻井水力参数设计时，我们通常以钻头压降、钻头水功率和射流冲击力为标准来衡量。根据水力学原理[5]，钻头喷嘴压力降为：

钻头水功率：

Pb=0.833×ΔpbitQ

射流冲击力：

表1 各种流变模式参数计算表

表2 不同流变模式循环压耗计算表

式中：Q——流量，L/s；

ρ——钻井液密度，kg/cm3；

Q——泵排量，L/s；

C——喷嘴流量系数，无因次；

pbit——钻头喷嘴面积，mm2。

3.2 最优水力参数求取路线

根据范式粘度计数据回归分析出最优流变模式，利用钻井液密度、排量、井身结构基础数据计算出循环各段的流速及有效粘度[6]，计算雷诺数判断流态，最后利用表2中压降模型求出各段压耗。运用最优化原理，优选出最优水力参数。水力参数优化分析技术路线见图1。

图1 水力参数优化分析技术路线

4 水力参数设计分析软件的研制

钻井液流变模式的回归和水力参数优化设计的计算十分繁琐，有时甚至是人工无法完成的。为了提高工作效率，编制了钻井水力参数智能设计分析软件。

软件主要包括钻井液流变模式回归、钻井基础数据录入、水力参数优化设计和水力参数分析4大模块。

（1）钻井液流变模块主要功能是根据输入的范式粘度计数据进行回归分析，求出最优流变模式和最优流变参数。

（2）钻井基础数据录入模块主要是录入钻机基础数据以及井身结构数据，并生成井深结构图。

（3）水力参数优化设计模块根据钻井基础数据和最优流变参数求出最优排量，最优喷嘴面积以及最优排量下的压耗分布，并生成压耗分布饼图。根据喷嘴个数，计算出喷嘴直径。

（4）优化设计分析模块是本软件的核心模块，主要功能包括裸眼井段不同排量压耗分布计算、裸眼井段井底压力及当量密度计算、裸眼井段全井段最优水力参数计算以及裸眼井段喷嘴面积及排量变化对水力参数的影响分析。

5 应用分析

5.1 软件计算精度验证

为了验证该软件在计算循环压耗时的准确性，利用该软件计算了塔河油田TK517井不同井深的循环压耗，并与现场实钻数据进行对比分析。

TK517井为三级结构直井，其二开井身结构数据见表3。二开钻具组合为PDC钻头+197螺杆钻具+7″钻铤×9+6-1/4″钻铤×9+5″加重钻杆×15+5″钻杆；喷嘴组合为17mm×4+16mm×3。

表3 TK517井二开井身结构数据表

利用软件分别计算了TK517井二开1600～4000m井段不同井深的循环压耗，并与现场实测数据进行对比，结果见表4。

表4 TK517井现场立压数据与软件计算结果对比

从表4中可以看出，在1600～4000m井段，软件计算出的立压与现场录井实测立压的误差很小，最大误差为0.57MPa，计算得出绝对平均误差为1.84%，计算精度能够满足工程应用要求。

5.2 水力参数优化分析

以TK517井4000m井深为例，利用软件计算该井深的最优水力参数，并与现场数据进行对比分析，见表5。

从表5中可以看出，相比于现场实测数据，优化设计后的喷嘴面积减小，钻井泵排量减小。但是在钻井泵负荷相同的情况下，射流速度、射流冲击力和钻头水功率均有大幅的提高。经计算分别提高了116%、105%和343%。由此可见，利用该软件进行水力参数优化设计，可大幅提高水力破岩效率，对钻井提速具有明显的意义。

6 结论

本文设计研发了喷射钻井水力参数智能设计分析软件。该软件通过钻井数据的输入，进行钻井液流变模式的自动优化，根据优选的流变模式计算出最优水力参数，并分析裸眼井段最优水力参数随井深的变化规律以及喷嘴面积的变化对水力参数的影响，最后输出钻井水力参数变化曲线。结合数据报表的输出，使钻井技术人员可以方便地进行比较和分析，并根据经验加以修改，以得到现场最优水力参数组合，对于提高机械钻速具有明显意义。

TE243

A

1004-5716(2015)01-0048-04

2014-02-26

于忠（1985-），男（汉族），安徽宿州人，助理工程师，现从事钻井工艺研究工作。