超深井水力参数设计技术及应用

刘春勇，王西江

（1.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆乌鲁木齐830011；2.中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京100101）

在常规井眼中，因为环空间隙大，钻柱旋转和钻柱偏心等因素还不会对环空压降的计算有太大的影响，但在深井小井眼中，由于环空间隙小，钻井液循环压降对钻柱旋转、钻柱偏心以及钻井液流变性能等因素比较敏感，环空间隙越小，敏感程度越大。因此，为了能够比较准确地预测小井眼环空压降，在小井眼中，进行钻柱旋转、钻柱偏心以及钻井液流变性能等影响因素的考虑就显得更加重要。环空压降准确计算对流体力学理论在现场的成功应用和解决现场技术问题都具有十分重要的作用。

1 超深井小井眼水力学环空流速分布特征

采用井眼半径∅124.15mm、钻柱外径∅107mm、钻柱转速60r/min和偏心度为0.5的计算数据计算并绘制了环空流速分布特征图（图1）。分析表明，在超深井小井眼钻井过程中，井眼环空同一截面的流速并不相等，井眼环空间隙大小、钻柱偏心度、钻柱旋转都将影响环空流速的分布。其中，钻柱偏心主要影响轴向速度和周向角速度的分布，环空大小主要影响轴向流速的大小，钻柱旋转主要影响周向角速度的大小。

图1 环空流速分布图

2 超深井小井眼水力学环空压力梯度影响因素分析

采用某井实测数据进行了压降梯度的影响因素计算分析，计算结果表明：

（1）钻井液在环空流动时，压降梯度随偏心度和转速的增加而降低，同时可知，偏心度的影响比转速影响大。

（2）环空间隙越小，偏心度和转速的影响越大。特别是间隙较小时，偏心度的影响很显著，但对于较大环空间隙，转速影响不明显。

（3）当钻井液流变性发生轻微变化时，流动阻力特别是环空流动阻力产生了相当显著的变化，但管内流动阻力变化很轻微，且环空流动阻力占循环流动阻力的60%以上。

（4）由于环空间隙越小，钻柱偏心、钻柱转速对环空压降的影响越大，因此，进行小井眼环空流体力学的分析必须考虑钻柱偏心、钻柱旋转等因素的影响。

3 超深井小井眼水力学计算模型的建立

在明确超深井小井眼环境下环空流速和压力梯度影响因素后，结合超深井小井眼水力学特征，建立钻井液在钻柱内和环空中流动的压降和流速分布模型[1]。

图2和图3分别为井眼环空流道和钻柱内流道的截面示意图，环空的内、外半径分别为Ri和Ro，钻柱内流道的内径为Rd。钻柱以角速度Ω旋转，井壁或套管壁静止，钻柱和环空间的偏心距为e。

图2 偏心环空过流断面图图

3.1 环空速度分布模型

以流体做层流流动时的连续方程、运动方程和HB流体本构方程为基础，可以推导出圆柱坐标系下，环空中任意周向角θ处钻井液流动的轴向速度u(r)和周向角速度ω(r)计算模型为[2]：

图3 管内流道几何特征

边界条件：环空内壁u(Ri)=0，环空外壁u(Ro)=0。环空内壁ω(Ri)=0，环空外壁ω(Ro)=0。

3.2 环空压力梯度计算模型

根据流量的定义，通过在整个环空过流断面上积分，可推导出井眼环空内流量与压力梯度的关系，解得压力梯度Pz：

公式（3）即为井眼偏心环空中H-B流体层流螺旋流的压力梯度计算模型。

3.3 钻柱内速度分布模型

（1）角速度分布。钻柱内H-B流体螺旋流的角速度ω为：

式中：ω0——流核处的旋转角速度。

（2）轴向速度分布。钻柱内轴向流动速度分布模型为：

Gθ=-ρgsinαsinθ。

3.4 钻柱内压力梯度计算模型

通过在整个钻柱内过流断面上积分，可推导出管内流量与压力梯度的关系，解得压力梯度Pz为：

实际计算中，可假设一个压力梯度初值，然后通过迭代计算出压力梯度Pz。

上述理论分析过程中，由于采取的单元分析方法，因此，只需输入深井钻井液性能随温度、压力的变化，代入相应的流动参数计算模型中，就能考虑高温、高压钻井液性能对深井循环压耗的影响[3]。

4 现场应用情况

4.1 THA井水力参数设计

THA井是塔里木盆地的一口超深井，设计井深7755m，依据建立的计算模型进行水力参数设计，计算井段7050～7755m，井眼尺寸为∅165.1mm和∅120.65mm，参与计算的钻井液性能及钻井参数、计算结果如表1所示。

将计算结果中的泵压值与钻井现场实际泵压值数据进行对比（图4），两者具有较好的相关性，误差约为5%～7%，体现了模型较高的精确性。

表1 THA井水力参数计算结果

4.2 THB井水力参数计算

THB井设计井深8029m，依据建立的计算模型进行水力参数设计，计算井段为7024～6880m，井眼尺寸为∅241.3mm和∅165.1mm，计算结果如表2所示。

表2 THB井水力参数计算结果

图4 THA井不同井深理论泵压和实际泵压对比

将计算结果中的泵压值与钻井现场实际泵压值数据进行对比（图5），两者具有较好的相关性，误差约为4%～7%，体现了模型较高的精确性。

图5 THB井不同井深理论泵压和实际泵压对比

综合看来，根据THA井和THB井理论计算的泵压值与实测泵压值的对比分析表明，基于螺旋流理论推导的超深井水力参数设计模型具有较高的计算精度，对于超深井的研究应用有着指导性意义。

5 结论及建议

（1）超深井小井眼钻井时，由于钻具与井眼间环空间隙小，钻柱偏心度、钻柱旋转等对环空流速分布的影响较大，导致原有常规井眼的水力参数计算模型计算结果误差大。

（2）理论分析及数值模拟结果表明，超深井小井眼中钻柱偏心主要影响轴向速度和周向角速度的分布，环空大小主要影响轴向流速的大小，钻柱旋转主要影响周向角速度的大小。

（3）在综合考虑钻柱偏心旋转等影响因子后，理论计算表明环空压降梯度随偏心度和转速的增加而降低，偏心度的影响比转速大；环空间隙越小，偏心度的影响就越显著。

（4）使用现场数据，利用基于螺旋流理论的水力计算分析模型进行了理论计算，其计算泵压值与实测泵压值的对比误差在4%～7%，表明该模型在深井小井眼中具有较高的计算精度，对于超深井的研究应用有着指导性意义。