小井眼钻井水力学设计理论与应用研究

马志勇 候满峰（西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆 克拉玛依 834000）

由于小井眼窄环空中一般有流体进行流动，而流体压降又受到钻具的接头、钻柱的旋转速度以及环空几何尺寸等影响，使压降的计算与控制面临极大的困难。对此引入水力设计学理论，并在此基础上构建心的数学模型，能够使现场数据与计算结果基本保持一致。因此对小井眼钻井水力学设计理论与应用的研究具有十分重要的意义。

1 小井眼钻井的基本概述

对小井眼的定义近年来仍存在很大的差异，但综合分析其主要为能够利用比较经济的方式实现生产目标的最小井眼，在井段直径与环空间隙等方面都规定在一定的范围内。区别于常规钻井技术，小井眼钻井以其自身成本节约以及适用于浅油气藏开发等优势成为油田开发的重要手段。而在进行水力参数计算过程中还需充分考虑流体运动的基本规律与流变模式。在规律方面主要表现在动量守恒、能量守恒以及质量守恒三方面的物理定律，而流变模式在我国钻井领域中需根据相应的流变方程得出，如宾汉流变模式、卡森流变模式、巴尔克莱流变模式以及幂律流变模式等。此外，利用水力设计学理论计算过程中往往也将不同流变模式下常规钻头尺寸所产生的压耗进行计算，以此通过其与小井眼钻井的对比得出最优的计算方式[1]。

2 小井眼钻井管内环空压降模型的构建

2.1 模型的构建与试验分析

一般情况下，钻井液当量循环密度(ECD)的控制与井底的压力是钻井过程中需注意的关键问题。其中控制在破裂与孔隙压力间的井底压力通常为常规钻井的基本要求。尤其在面临范围较为狭窄的井底压力情况下，很容易造成井涌的损失或循环压力的损失，因此钻井前需对ECD与井底压力做出准确测量。尽管在井眼几何形状、钻柱旋转所带来的影响方面已存在许多解决策略，但实际分析环空压耗受钻柱接头影响的研究仍不完善，因此需在以小井眼钻井中的环空流动问题基础上进行环空压耗模型的构建。其构建过程中对井下的复杂情况应充分考虑。若将条件设定在：水平结构的钻具接头；流体不可压缩；流动保持稳定且恒温；钻具接头能够实现收缩或膨胀等情况下，能够推出压耗受钻柱旋转影响较小，而且环空压耗会在钻具接头运行时逐渐增加。

2.2 小井眼环空压降受窄环空中钻柱旋转的影响分析

根据以往实践表明，在构建窄环空压耗模型与完成其中的流动试验后，能够得出两方面的结论。从同心环空角度，当钻柱不进行旋转的条件下，液压模型计算值与测量值在幂律流体紊流时比较接近。而从窄环空角度，计算值很大程度上受环空缝隙变化、偏心距、钻柱旋转速度的影响。通过计算的数据及各种因素的影响分析可为小井眼钻井过程中提供重要的参考依据[2]。

3 小井眼钻井水力参数优化的设计与系统软件开发

3.1 小井眼钻井水力参数优化设计

小井眼钻井水力参数的优化设计主要指钻井前对相关的参数如钻头与射流水力参数、钻井泵的运行参数等做出相应的设计，并将钻井过程中可能收到的变量影响进行分析。这样可将嘴喷的直径与钻井液的实际排量进行确定。但实际设计过程中还需充分考虑地面泵效率问题以及井底压力差的减少问题。在此基础上进行循环系统压耗的确定，以水力参数优化设计的理论为基础，进行实际压耗与钻头压降的确定，便可实现对水力参数的优选。对整个设计的过程也可理解为对小井眼钻井水力参数优化设计模型的构建。

3.2 小井眼钻井水力参数优化的系统软件开发

基于小井眼钻井水力参数优化模型下需进行系统软件的开发工作。通常情况下，需利用数据库的方式进行软件数据的存储工作，其中涉及的数据管理窗口也需讲钻具组合、井身结构、井眼结构以及井号等窗口囊括其中。为避免数据输入过程出现错误，还需在窗口中增设相应的文字或图形提示。除此之外，在输出参数方面可利用微软软件实现程序的输出。常用的软件开发环境主要包括微软平台下的操作系统与数据库，其原因在于工具快捷菜单更利于实践操作。实际开发过程中首先需进行基础数据的管理工作，然后进行设计与分析。最后可得出能够满足现场要求的数据结果[3]。

4 结语

小井眼钻井水力学设计理论是未来钻井技术需考虑的重要内容。应用过程中要求对小井眼钻井的基本原理进行掌握，通过其与常规钻井技术的对比可构建相应的环空压降模型，并利用相应水力参数系统软件能够获取更为准确的数据，以此使钻井具有更多的参考信息。

[1]陈涛,乔东宇,郑义平.塔河油田小井眼侧钻水平井钻井液技术[J].钻井液与完井液,2011,04:44-46+50+95.

[2]孙浩玉,温林荣,李德庆.小井眼水力压耗计算探讨[J].石油机械,2011,10:49-52+197.

[3]陈朝伟,周英操,申瑞臣,赵庆,方世良,郭庆丰,王金茹.微小井眼钻井技术概况、应用前景和关键技术[J].石油钻采工艺,2010,01:5-9.