钻井液循环当量密度影响因素分析

摘要：本文建立了钻井液的循环当量密度计算模型，同时分析了岩屑浓度、机械钻速、岩屑直径对钻井液循环当量密度的影响，通过分析可以得出：随着钻速、钻屑浓度、岩屑直径的增大ECD会增大，因此在钻井水力参数设计时要注意这些参数带来的影响。

关键词：ECD；岩屑直径；钻速；岩屑浓度

中图分类号：TE3 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）04-0022-021钻井液循环当量密度（ECD）计算模型

钻井液的当量循环密度（Equivalent Circulating Density，简写为ECD）可以定义为钻井液的当量静态密度（ESD）与钻井液流动造成的环空压耗当量密度之和。现场情况下的当量循环密度ECD表达式如下：

ECD=ρ（1-Ca）+ρsCa+■（1）

式中：ρ为钻井液密度；ρs为岩屑密度；Ca为环空岩屑浓度，%；Δp为环空压耗。

1.1 环空浓度计算模型环空浓度Ca的计算公式：

Ca=■（2）

式中：ROP为钻速，（m/h）；d0为钻杆外径，（cm）；d为井眼内径，（cm）；vc为钻井液环空返速，（m/s）；vs为岩屑沉降速度，（m/s）。

1.2 环空压耗计算模型当流态为紊流时，环空井段的压耗Δp为[1]：Δp=■（3）

式中：Δp为环空压耗，（kg/cm2）；l为钻杆长度，（m）；do为钻柱的外径，（cm）；d为井眼内径，（cm）；vc为钻井液环空返速，（m/s）；ρ为钻井液密度，（g/cm3）；f为摩阻系数，无因次。

显然从上式可知环空压耗计算的关键在于环空摩阻系数f的准确确定。由流体力学原理知，f与流体的流变模式、流变参数、流体流态、流体雷诺数和几何边界条件等有关。由于理论研究，尤其是非牛顿流体流动研究的不完善，以及实际问题的复杂，非牛顿流体流动的解析解很难得到，目前尚无统一的适用于各种流变模式非牛顿流体的流态判别和摩阻系数计算方法，这些方法都存在很大的局限性，并且有时在相同条件下计算结果也相差很大，不能胡乱使用。在这里摩阻系数f采用Dodge和Metiner推导出的半经验公式[2]来计算：

■=■lg[Ref■]-■（4）

由于在深水钻井中，不同的海水深度和温度梯度也会对钻井液的流变性能产生影响，因此在应用上述模型计算环空压耗时，需要考虑温度和深度（压力）对钻井液观粘度、塑性粘度和动切力的影响，而不能直接应用地面上的测量结果。

2ECD影响因素分析

以一口实钻井的12.25in井段为例来说明各个参数对ECD的影响。

2.1 ROP(rate of penetration)对ECD的影响基本参数如表1所示。图1分析了钻速ROP对ECD的影响，从图中可以看出钻速对ECD的影响很大，随着钻速的提高ECD会增大，所以为了控制ECD就要在钻井过程中严格控制钻速的大小。

2.2 钻屑浓度Ca对ECD的影响基本参数如表2所示。图2分析了钻屑浓度Ca对ECD的影响，从图中可以看出钻屑浓度对ECD的影响还是很大的，随着钻屑浓度的增大ECD会增大，所以为了控制ECD就要在钻井过程中尽量旋转钻杆并适当提高排量使井眼尽可能保持清洁以致钻屑浓度不太大。

2.3 钻屑直径ds对ECD的影响基本参数如表3所示。图3分析了岩屑直径ds对ECD的影响，从图中可以看出岩屑直径对ECD的影响还是很大的，随着岩屑直径的增大ECD会增大，所以在钻井过程中为了控制ECD应当选择合适的钻头类型以便控制岩屑直径的大小。

3结论

通过本文的数据可以看出机械钻速、岩屑浓度、岩屑直径都对钻井液的循环当量密度有一定的影响，随着钻速、钻屑浓度、岩屑直径的增大ECD会增大，因此在钻井水力参数设计时要注意这些参数带来的影响。

参考文献：

[1]汪志明.油气井流体力学与工程[M].北京：石油工业出版社，2005：9-10.

[2]Dodge D W, Metsner A B. Turbulent flow of non-newtonian system[J]. AICHE, 1959, 5(2):189-204.