喷射钻井水力参数计算方法

SY/T5234-91
喷射钻井水力参数计算方法
1主题内容与适用范围
本标准规定了石油及天然气钻井中喷射钻井水力参数的计算方法。

本标准适用于石油及天然气钻井中喷钻井水力参数计算。

2计算公式中的符号、名称及单位(见表1)
表1
序号符号名称单位
1 A b井底面积mm2
2 A J喷嘴面积mm2
3 D 钻柱外径mm
4 D b钻头直径mm
5 D h井径mm
6 D p 钻杆外径mm
7 D ro 岩屑直径mm
8 d 钻柱内径mm
9 F J 射流冲击力N
10 f o 环空净化系数——
11 H 井深m
12 H o 临界井深m
13 K 钻井液稠度系数Pa·s n
14 k a 环空压耗系数——
15 k b 钻头压降系数——
16 k c 钻铤压耗系数——
17 k ci 钻铤内压耗系数——
18 k i 管内压耗系数——
19 k p 钻杆压耗系数——
20 k pi 钻杆内压耗系数——
21 k tp 地面管汇压耗系数——
22 L 钻柱长度m
23 L e钻铤长度m
24 L p钻杆长度m
25 N b钻头水功率kW
26 N S钻井泵实际水功率kW
27 N r钻井泵额定水功率kW
28 n 钻井液流性指数——
序号符号名称单位
29 P a环空压耗Mpa
30 P b钻头压降Mpa
31 p c 钻铤压耗Mpa
32 p i 钻柱内压耗Mpa
33 p p 钻杆压耗Mpa
34 p po 钻井循环压耗Mpa
35 p r 钻井泵额定泵压Mpa
36 p s 钻井泵工作压力Mpa
37 p sp地面管汇压耗MPa
38 Q 排量L/s
39 Q opt 最优排量L/s
40 Q r 额定排量L/s
41 Re 环空雷诺数---
42 N u 钻头单位面积水功率W/mm2
43 νa环空返速m/s
44 ν c 临界返喷m/s
45 νj射流喷速m/s
46 νsi岩屑滑落速度m/s
47 μp塑性粘度mPa·s
48 μf钻井液粘度mPa·s
49 ρm钻井液密度g/cm3
50 ρro 岩屑密度g/cm3
51 τy屈服值Pa
52 η钻井泵水功率利用率——
53 θ600旋转粘度计600r/min读数——
54 θ300旋转粘度计300r/min读数——
55 θ200旋转粘度计200r/min读数——
56 θ100旋转粘度计100r/min读数——
3 喷射钻井水力参数计算公式
3.1塑性粘度
μp=θ600-θ300 (1)
3.2屈服值
τy=0.479(2θ300-θ600) (2)
3.3流性指数
n=3.32log θ600 (3)
θ300
3.4稠度系数
0.479θ300
K= (4)
511n
3.5环空返速
1273Q
υa= (5)
D h2-D p2
3.6判断环空流态
3.6.1 宾汉流体
30．864μp＋[（30.864μp）2×123.5τyρm（D h－D p）2]0.5
υc= 24ρm(D h－D p) (6)
9800（D h－D p）υα2ρm
R e= (7)
τy(D h－D p)+12υaμp
υa≥υc或Re≥2100 紊流
υa＜υc或Re＜2100 层流
3.6.2 冥律流体
2.04×104n0.387K 25.4
υc=0.00508[ ( )n ]1/(2-n) (8)
ρm D h－D p
υ a
Z=808( )2-n (9)
υc
υa≥υc或Z≥808紊流
υa＜υc或Z＜808层流
3.7岩屑滑落速度
0.071D rc(ρrc－ρm)0.667
υsi= (10)
(ρmμf)0.333
对于宾汉流体：
τy(D h－D p)
υf=υp+0.112[ ] (11)
υa
对于幂律流体
12000υ a
μf=1075n0.119K( ) n-1 (12)
D h－D p
3.8环空净化系数
υSi
f c=1－ (13)
υa
3.9地面管汇压耗
3.9.1宾汉流体
k sp=3.767×10-4ρm0.8μp0.2 (14)
p sp=k sp Q1.8 (15)
3.9.2幂律流体
4.088×10-3K 4.093(3n+1)
k sp=8.09×10-4(logn+2.5)ρm{ .[ ]n}(1.4-logn)/7 (16)
ρm n
p sp=k sp Q[(14+(n-2)(1.4-logn))/7 (17)
3.10管内压耗
3.10.1宾汉流体
1
k f=7628ρm0.8μp0.2 (18)
d4.8
p i=k i LQ1.8 (19)
3.10.2幂律流体
64846(logn+2.5)ρm7.71×10-11d i K
k i= { ·
d 5ρm
2.546×106(3n+1)
[ ]n}(1.4-logn)/7 (20)
nd3
p sp=k sp LQ[(14+(n-2)(1.4-logn))/7 (21)
3.11 环空压耗
3.11.1宾汉流体
a.层流
61.1μp QL 0.004τy L
p a= + (22)
(D n－D)3(D h+D) D h－D
b.紊流
7628ρ0.8mμ0.2p
k a= (23)
(D h－D)3(D h+D)1.8
p a=k a LQ 1.8 (24)
3.11.2幂律流体
a.层流
0.004KL 5.09×106Q(2n-1)
p a= [ ]n (25)
D h－D n(D h+D) (D h－D)2
b.紊流
79419(logn+2.5)ρm L 6.2967×10-11K(D h+D)2 (D h－D)2
k a= ·{
(D h+D)2 (D h－D)3 ρm
5.09×106(2n-1)
.[ ]n}(1.4-logn)/7 (26)
n(D h+D) (D h－D)2
p a=k a LQ [14+(n-2)(1.4-logn)]/7 (27)
3.12循环压耗
k p=k pi+k pa (28)
k c=k ci+k ca (29)
p p=p pi+p pa (30)
p c=p ci+p ca (31)
p pc=p sp+p p+p c (32)
3.13钻头压降
554.4ρm
k b= (33)
A J-2
p b=k b Q2 (34)
3.14钻井泵工作压力
p s=p pc+p b (35)
3.15射流喷速
1000Q
υJ= (36)
A J
3.16射流冲击力
F J=ρmυJ Q ………………………………(37)_
3.17钻头水功率
N b=p b Q (38)
3.18钻井泵实际水功率
N s=p s Q (39)
3.19钻头单位面积水功率
1000N b
N u= (40)
A b
3.20钻井泵水功率利用率
N b
η= (41)
N S
3.21设计喷嘴总面积
554.4p m Q2
A J=( )0.5 (42)
p s-p pc
3.22临界井深
3.22.1宾汉流体
a.最大钻头水功率工作方式
0.357p r-k sp Q1.8-k c L c Q1.8
H c= +L c (43)
K p Q1.8
b.最大冲击力工作方式
0.526p r-k sp Q1.8-k c L c Q1.8
H c= +L c (44)
K p Q1.8
3.22.2幂律流体
a.最大钻头水功率工作方式
7p r
－(k sp+k c L c)Q[14+(n-2)(1.4-logn)]/7
21+(n-2)(1.4-logn)
H c= + L c (45)
K p Q[14+(n-2)(1.4-logn)]/7
b.最大冲击力工作方式
14p r
－(k sp+k c L c)Q[14+(n-2)(1.4-logn)]/7
28+(n-2)(1.4-logn)
H c= + L c (46)
K p Q[14+(n-2)(1.4-logn)]/7
3.23最优排量
3.23.1宾汉流体
a.最大钻头水功率工作方式
0.357p r
Q opt=( )1/1.8 (47)
K sp+k p L p+k c L c
b.最大冲击力工作方式
0.562p r
Q opt=( )1/1.8 (48)
K sp+k p L p+k c L c
3.23.2幂律流体
a.最大钻头水功率工作方式
7p r
21+(n-2)(1.4-logn)
Q opt=[ ]7/[14+(n-2)(1.4-logn)] (49)
K sp+k p L p+k c L c
b.最大冲击力工作方式
7p r
28+(n-2)(1.4-logn)
Q opt=[ ]7/[14+(n-2)(1.4-logn)] (50)
K sp+k p L p+k c L c
4 公式使用说明
4.1用途
用于喷射钻井水力参数设计和喷射钻井水力参数分析。

4.2注意事项
a.计算钻杆内压耗时，若钻杆接头内径与钻杆本体内径相等或比值大于85%，则可直接运用公式；若接头内径与本体内径比值在85%～70%之间，则将接头长度累加一起，做为一段管柱单独计算压耗，再与钻杆本体压耗合并做为钻杆压耗。

b.在计算临界井深和最优排量时，无论环空是层流或紊流状态，都必须用环空紊流压耗系数代入公式。

c.给出的宾汉和幂律两种流体计算公式应根据钻井液类型选用。

4.3 计算步骤
4.3.1常规水力参数设计。

见附录A(参考件)中的A1。

a.目的
设计排量和喷嘴尺寸，使其充分发挥、合理分配泵功率。

b.根据地层剖面和钻头进尺把全井分成若干井段，即确定设计井深。

c.根据地面设备和井下情况选择适当泵型。

缸套尺寸选择后，即对应有额定泵压p r、额定排量Q r。

d.选择某一种最优工作方式。

e.有相应的适合喷射钻井的钻井液设计。

f.确定钻井液流动模式，计算钻井液流变参数。

g.用初选缸套的额定泵压和额定排量计算临界井深H c，然后与钻头的起钻井深H比较。

若H≤H c，则Q opt=Q r，按Q r、P r设计喷嘴尺寸；若H＞H c，则计算Q opt后，按Q opt、P r设计喷嘴尺寸(若Q r大于
环空冲蚀排量，则按小于冲蚀排量设计喷嘴)。

注意：尽量选择组合喷嘴和双喷嘴。

h.用Q opt计算环空净化系数f c若f c≥0.5则满足携岩要求；否则重复步骤c和g，再次检验，直至满足携岩要求。

i.计算其他水力参数。

4.3.2水力参数分析，见附录A(参考件)中的A2。

a.用途
根据实测数据，进行随钻水力参数分析或完钻资料处理。

b.根据实测旋转粘度计读数确定钻井液流动模式，计算钻井液流变参数。

c.根据实际泵压、喷嘴等参数，用迭代法求排量。

d.计算各水力参数。

注：以上水力参数的计算，应在计算机上由喷射钻井水力参数设计和分析程序完成。

附录A
喷射钻井水力参数计算实例
(参考件)
A1常规水力参数设计
A1.1一般数据见表A1
表A1
钻头直径D b=216mm
设计井段2810-3300m
244.5mm套管下深2850m
244.5mm套管平均内径D h=217mm
钻杆外径D p=127mm
钻杆内径d i=108.6mm
钻杆接头内径95.25mm
钻铤外径D c=177.8mm
钻铤内径d c=71.4mm
钻铤长度L c=108mm
岩屑直径D rc=5mm
岩屑密度ρrc=2.5g/cm3
钻井液密度ρm=1.20～1.25g/cm3
旋转粘度计读数θ600 40.00～45.01
θ30025.01～28.12
θ20020.00～22.51
θ10015.01～16.87
A1.2选泵型、定排量及钻头进尺分段见表A2
表A2
泵额定功率N r=956kW
缸套尺寸170mm
额定泵压P r=20.6Mpa
泵排量范围28.0～33.1L/s
第一只钻头钻进井段2810～3100m
第二只钻头钻进井段3100～3300m
最优工作方式最大钻头水功率额定排量Q r=38.1874L/s
A1.3第一只钻头水力参数设计
A1.3.1确定流型和计算钻井液流变参数
a.确定流型
取钻井液密度和旋转粘度计读数范围的上限。

对4种剪切速率下的切应力进行一元回归。

宾汉模式相关系数：1.000；
幂律模式相关系数：0.992；
选用宾汉流体模式。

c.计算钻井液流变参数见表A3
表A3
参数所用公式结果μp (1) 14.99mPa·s
τy (2) 4.8Pa
A1.3.2计算临界井深确定最优排量见表A4
表A4
参数所用公式结果k sp(14) 7.49×10-4
k pi (18) 2.564×10-6
k ci (18) 1.919×10-
k pa (23) 5.65×10-7
k ca (23) 5.34×10-6
k p (28) 2.453×10-5
k c (29) 2.130×10 -5
Hc (43) 3337m H＜He、Q opt=Q r按额定排量钻进。

A1.3.3计算环空净化系数见表A5.
表A5
参数所用公式结果υa(5) 1.36m/s
Re (7) 2898
υsl (10)、（11）0.15m/s
f c （13）0.89
f C＞0.5排量可满足净化要求。

Re＞2100为紊流。

A1.3.4设计喷嘴
由式(42)求得喷嘴总面积为230.86mm2。

根据组合喷嘴一大两小，小大喷嘴直径比小于0.6的原则，装两个直径为7mm，一个直径为14mm喷嘴，其面积为230.91mm2。

也可装两个不等径或等径喷嘴，例如：一个直径为10mm，一个直径为14mm，其面积为232.48mm2。

A1.3.5计算井深3100m处的其他参数见表A6
表A6
参数所用公式结果p po(14)、（15）、（18）、（19）、（23）、（24）、 6.94MPa
（28）、（29）、（30）、（31）、（32）、
p b（33）、（34）13.67MPa
p s （35）20.6MPa
νJ（36）143m/s
F J（37）5694N
N b（38）452kW
N s（39）682kW
N u（40）12.35w/mm2
η（41）0.66
N s/N r=0.71在泵要求的范围内。

泵实际功率应为泵额定功率的75%以下，并持久工作。

A1.4第二只钻头水力参数设计
A1.4.1确定流型和计算钻井液流变参数
a.确定流型
取钻井液密度和旋转粘度计读数的下限。

对4种剪切速率下的切应力进行一元回归。

宾汉模式相关系数：1.000；
幂律模式相关系数：0.992；
选用宾汉流体模式。