水平井水力参数优化设计研究

摘要： 水平井水力参数的优化设计，是指在一口井施工以前，根据水力参数优选的目标，对钻进水平井时的每个井段所采取的钻井泵工作参数（排量、泵压、泵功率等）、钻头和射流水力参数（喷速、射流冲击力、钻头水功率等）进行设计、计算。分析钻井过程中与水力因素有关的各变量可以看出，当地面机泵设备、钻具结构、井身结构、钻井液性能和钻头类型确定以后，真正对水平井水力参数大小有影响的可控参数就是钻井液排量和喷嘴直径。因此，水平井水力参数优化设计的主要任务也就是确定钻井液排量和选择喷嘴直径。

Abstract： The optimization design of the hydraulic parameters in horizontal well， it is in a well before constructing， according to the hydraulic parameters optimization goal， calculate horizontal Wells of each interval when taken by the mud pump working parameters （displacement， the pump pressure， pump power， etc）， drill bits， and jet hydraulic parameters （spray velocity， jet impact， drill water power） in design. The analysis of well drilling process and hydraulic factors related variables can be seen， the local surface pump equipment selection， structure， Wells， drilling fluid performance body structure and bit type was settled， and the horizontal hydraulic parameters are the size of the impact of controllable parameter is the drilling fluid displacement and nozzle diameter. Therefore， the horizontal well hydraulic parameters optimization design of the main task is to determine drilling fluid displacement and select nozzle diameter.

关键词： 水平井；水力参数；排量

Key words： horizontal well；hydraulic parameters；displacement

中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）29-0044-02

1 水平井井眼水力参数计算模型

1.1 砂粒沉降速度计算 砂粒的沉降速度直接影响最小注入速度和工作排量，因此准确的计算砂粒的下沉速度至关重要。常用计算砂粒沉降速度的常用方法有：牛顿-雷廷格计算法、莫尔计算法、斯笃克计算法、刘希圣法、模拟实验法等[1-3]。

①牛顿—雷廷格计算法

W=T+F （1）

W=■d■■ρ■g，

T=■d■■ρ■g，

F=c■■d■■ρ■v■■ （2）

将W、T和F代入W=T+F得出：

v■=■d■■g■ （3）

其中，v■为砂粒在冲洗液中的沉降末速，（m/s）；d■为砂粒直径，（m）；

ρ■为砂粒的密度，（kg/m3）；ρ■为冲洗液的密度，（kg/m3）。

②莫尔计算法

v■=2.95d■■■ （4）

③刘希圣法

v■=■ （5）

其中，μ为冲洗液的黏度，（Pa·s）。

为准确计算，采用以上三个计算方法计算后得到的值取平均值获得砂粒沉降速度，

v■=■ （6）

1.2 最小排量计算 研究表明，当液体上返速度与砂粒在冲洗液中沉降末速的比值v■/v■为1.6～1.7时，砂粒在上升液流中呈悬浮状态，砂粒便开始上升。因而保证将砂粒带出地面的条件是v■/v■？叟2，即最小注入速度v■=2v■。

在获得砂粒沉降速度和最小注入速度之后，可以获得冲砂洗井所需的最小工作排量，公式如下：

Q■=■d■■-d■■v■ （7）

其中，Q■为冲砂洗井所需的最低排量，（m3/s）；

v■为保持砂粒上升所需要的最低液流速度，（m/s）；

d■为环空内径，（m）；d■为作业管柱外径，（m）。

1.3 循环压耗计算

1.3.1 管内压耗

根据范宁方程，流体在作业管柱内的循环压耗：

ΔP■=■ （8）

其中，ΔP■为洗井液在管内的压耗，（Pa）；

d■为作业管柱内径，（m）；

v为作业管柱内流体平均速度，（m/s）；

L为作业管柱长度，（m）；

f为范宁阻力系数，无因次。

①直管中的流体摩擦系数。

直管中的摩擦系数可用下式计算（适用于牛顿流体或者非牛顿流体）：

f=■ （9）

对于层流而言，a=16，b=1.0；

对于紊流而言，a=■，b=■。

②螺旋管中的流体摩擦系数。