小井眼鉆井水力學設計理論與應用研究

馬志勇 候滿峰（西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆 克拉瑪依 834000）

由于小井眼窄環空中一般有流體進行流動，而流體壓降又受到鉆具的接頭、鉆柱的旋轉速度以及環空幾何尺寸等影響，使壓降的計算與控制面臨極大的困難。對此引入水力設計學理論，并在此基礎上構建心的數學模型，能夠使現場數據與計算結果基本保持一致。因此對小井眼鉆井水力學設計理論與應用的研究具有十分重要的意義。

1 小井眼鉆井的基本概述

對小井眼的定義近年來仍存在很大的差異，但綜合分析其主要為能夠利用比較經濟的方式實現生產目標的最小井眼，在井段直徑與環空間隙等方面都規定在一定的范圍內。區別于常規鉆井技術，小井眼鉆井以其自身成本節約以及適用于淺油氣藏開發等優勢成為油田開發的重要手段。而在進行水力參數計算過程中還需充分考慮流體運動的基本規律與流變模式。在規律方面主要表現在動量守恒、能量守恒以及質量守恒三方面的物理定律，而流變模式在我國鉆井領域中需根據相應的流變方程得出，如賓漢流變模式、卡森流變模式、巴爾克萊流變模式以及冪律流變模式等。此外，利用水力設計學理論計算過程中往往也將不同流變模式下常規鉆頭尺寸所產生的壓耗進行計算，以此通過其與小井眼鉆井的對比得出最優的計算方式[1]。

2 小井眼鉆井管內環空壓降模型的構建

2.1 模型的構建與試驗分析

一般情況下，鉆井液當量循環密度(ECD)的控制與井底的壓力是鉆井過程中需注意的關鍵問題。其中控制在破裂與孔隙壓力間的井底壓力通常為常規鉆井的基本要求。尤其在面臨范圍較為狹窄的井底壓力情況下，很容易造成井涌的損失或循環壓力的損失，因此鉆井前需對ECD與井底壓力做出準確測量。盡管在井眼幾何形狀、鉆柱旋轉所帶來的影響方面已存在許多解決策略，但實際分析環空壓耗受鉆柱接頭影響的研究仍不完善，因此需在以小井眼鉆井中的環空流動問題基礎上進行環空壓耗模型的構建。其構建過程中對井下的復雜情況應充分考慮。若將條件設定在：水平結構的鉆具接頭；流體不可壓縮；流動保持穩定且恒溫；鉆具接頭能夠實現收縮或膨脹等情況下，能夠推出壓耗受鉆柱旋轉影響較小，而且環空壓耗會在鉆具接頭運行時逐漸增加。

2.2 小井眼環空壓降受窄環空中鉆柱旋轉的影響分析

根據以往實踐表明，在構建窄環空壓耗模型與完成其中的流動試驗后，能夠得出兩方面的結論。從同心環空角度，當鉆柱不進行旋轉的條件下，液壓模型計算值與測量值在冪律流體紊流時比較接近。而從窄環空角度，計算值很大程度上受環空縫隙變化、偏心距、鉆柱旋轉速度的影響。通過計算的數據及各種因素的影響分析可為小井眼鉆井過程中提供重要的參考依據[2]。

3 小井眼鉆井水力參數優化的設計與系統軟件開發

3.1 小井眼鉆井水力參數優化設計

小井眼鉆井水力參數的優化設計主要指鉆井前對相關的參數如鉆頭與射流水力參數、鉆井泵的運行參數等做出相應的設計，并將鉆井過程中可能收到的變量影響進行分析。這樣可將嘴噴的直徑與鉆井液的實際排量進行確定。但實際設計過程中還需充分考慮地面泵效率問題以及井底壓力差的減少問題。在此基礎上進行循環系統壓耗的確定，以水力參數優化設計的理論為基礎，進行實際壓耗與鉆頭壓降的確定，便可實現對水力參數的優選。對整個設計的過程也可理解為對小井眼鉆井水力參數優化設計模型的構建。

3.2 小井眼鉆井水力參數優化的系統軟件開發

基于小井眼鉆井水力參數優化模型下需進行系統軟件的開發工作。通常情況下，需利用數據庫的方式進行軟件數據的存儲工作，其中涉及的數據管理窗口也需講鉆具組合、井身結構、井眼結構以及井號等窗口囊括其中。為避免數據輸入過程出現錯誤，還需在窗口中增設相應的文字或圖形提示。除此之外，在輸出參數方面可利用微軟軟件實現程序的輸出。常用的軟件開發環境主要包括微軟平臺下的操作系統與數據庫，其原因在于工具快捷菜單更利于實踐操作。實際開發過程中首先需進行基礎數據的管理工作，然后進行設計與分析。最后可得出能夠滿足現場要求的數據結果[3]。

4 結語

小井眼鉆井水力學設計理論是未來鉆井技術需考慮的重要內容。應用過程中要求對小井眼鉆井的基本原理進行掌握，通過其與常規鉆井技術的對比可構建相應的環空壓降模型，并利用相應水力參數系統軟件能夠獲取更為準確的數據，以此使鉆井具有更多的參考信息。

[1]陳濤,喬東宇,鄭義平.塔河油田小井眼側鉆水平井鉆井液技術[J].鉆井液與完井液,2011,04:44-46+50+95.

[2]孫浩玉,溫林榮,李德慶.小井眼水力壓耗計算探討[J].石油機械,2011,10:49-52+197.

[3]陳朝偉,周英操,申瑞臣,趙慶,方世良,郭慶豐,王金茹.微小井眼鉆井技術概況、應用前景和關鍵技術[J].石油鉆采工藝,2010,01:5-9.