钻头水力参数的优化研究

钻头水力参数的优化研究

张明

华北油田公司第一采油厂地质研究所河北任丘062550

摘要：钻头水功率是衡量钻头水力参数的重要指标，在当前钻井提速的课题下也是重要的研究领域。引进参数ξ来评价各因素对钻头水功率的影响大小，评定在不同范围各因素对钻头水功率的影响，有利于抓住主要矛盾，着重研究主要因素，为优化钻头水力参数找到捷径，对钻井提速课题的研究具有指导性的意义，同时也为现场工程师选用水力参数指明方向。

关键词：钻头；水功率；水力参数；当量直径；影响因素

0引言

钻井工程是一项复杂而又成熟的系统工程，钻井技术发展迅猛，新工艺、新材料以及新工具得到了较大的推广与应用。但钻井工程领域“提速”是亘古不变研究热点，众多学者在此领域有很高的成就。从地层、钻头、新工具以及新工具等方面着手的研究较多。也有学者从钻头水功率角度出发研究钻井提速课题。优化钻头水功率对于钻井提速有着重要的意义，提高水力破岩效果，在上部较软地层有着明显的应用效果。现场在钻头水力参数上的选择与判断上存在着难以把握的问题，根据钻头水功率公式可知，影响钻头水功率的因素包括钻井液密度、钻井液流量以及钻头水眼当量直径等。当这三种因素发生变化时，现场工程师难以直观地了解水功率的变化和定量分析对水功率影响程度。现引入ξ参数定量分析各因素的变化对钻头水功率的影响程度，帮助现场工程师优化钻头水功率，提高机械钻速。

1参数ξ的定义

钻头水功率的计算公式如式（1），当量直径计算公式如式（2）

式中：Pb—钻头水功率，KW；

Q—钻井液流量，L/S；

de—钻头水眼当量直径，mm；

dn—钻头第n个水眼直径，mm。

考察密度、流量及水眼当量直径的变化对水功率的影响，设ρd、Q、de分别变化k1倍、k2倍、k3倍后变为k2ρd、k2Q、k3de，k≥0

则：

式中：P´b—水力参数变化后钻头的水功率，KW；

定义参数ξ表示钻头水功率压降的影响程度；0＜ξ表示某因子对钻头水功率的影响为正，ξ＜0表示某因子对钻头水功率的影响为负；某因子的∣ξ∣值越大表示该因子对钻头水功率的影响程度越高，∣ξ∣≥0表达式为式（5）；当∣ξ∣=0表示变化钻头水功率没有发生变化，变化程度为0。

2参数分析

由式（1）可知控制钻头水功率的参数分别为钻井液密度、排量以及钻头水眼当量直径，如果其中两个参数不变，另外一个参数改变（即k1=k2=1、k3≠1，或k1=k3=1、k2≠1，或k2=k3=1、k1≠1），则可对钻头水功率进行单因素分析。如图1。

图1∣ξ∣值与K值关系图

（1）当0＜k＜1时，∣ξ1∣＜∣ξ2∣＜∣ξ3∣，可知钻头水眼的直径对钻头水功率的影响最大，在低密度、低排量情况下，使用小直径水眼能有效提高钻头水功率。当k=1时，ξ1=ξ2=ξ3=0，各参数未改变

（2）当1＜k＜1.09（保留三位有效数字）时∣ξ1∣＜∣ξ2∣＜∣ξ3∣，水眼直径和排量对钻头水功率参数的影响较明显，∣ξ3∣略大于∣ξ2∣，小范围调整钻头水功率时，优化水眼尺寸和流量效果最为明显；

（3）当k=1.09时，∣ξ1∣＜∣ξ3∣=ξ2，流量和水眼尺寸对钻头水功率的影响相同；

（4）当1.09＜k＜1.93（保留三位有效数字）时，∣ξ1∣＜∣ξ3∣＜∣ξ2∣，采用增加流量的办法能有效提高钻头水功率；

（5）当1.93=∣ξ1∣=∣ξ3∣＜∣ξ2∣时，密度和水眼直径对钻头水功率的影响相等，此时优选流量才是优化钻头水功率的有效途径；

（6）当1.93＜k时，理论上当水眼直径增大，∣ξ3∣趋近于1，即仅通过增大水眼直径的办法不能有效提高钻头水功率；只有提高流量才能有效提高钻头水工率。

3现场案例

以苏76区块相同地层井段的钻头水力参数做对比分析。

苏76-11-10H井组数据，k3=0.77，在此区间水眼当量直径的影响较大，占据主导作用，故而水眼直径改变，钻头水工率变化较大；苏76-11-38H井组数据k1=0.96，且ξ1值小于0，在此区间密度对是功率的影响小，故而钻头水工率变化小；苏76-9-38X井组数据，k2=0.91，且ξ2值小于0，在此区间流量对钻头水功率有一定的影响，故而钻头水工率的变化范围有限，且影响为负。

4结论

（1）引进参数ξ参数后能直观地了解各因子对钻头水功率的影响程度，能有效抓住主要矛盾，为优化钻头水功率找到捷径。

（2）0＜k＜1时，钻头水眼的影响为正，排量和钻井液密度的影响为负；1＜k时，钻头水眼的影响为负，排量和钻井液密度的影响为正。

（3）当0＜k＜1时，在低密度、低排量情况下，使用小直径水眼能有效提高钻头水功率。

（2）当1＜k＜1.09小范围调整钻头水功率时，优化水眼尺寸和流量为提高钻头水功率的最佳途径。

（4）当1.09＜k＜1.93（保留三位有效数字）时，∣ξ1∣＜∣ξ3∣＜∣ξ2∣，采用增加流量的办法能有效提高钻头水功率；

（6）当1.93＜k时，理论上当水眼直径增大，∣ξ3∣趋近于1，即仅通过增大水眼直径的办法不能进一步提高钻头水功率，优化排量才是行之有效的措施。

参考文献：

[1]沈忠厚，王瑞和.现代石油钻井技术现状及发展趋势[J].石油钻采工艺，2003，（5）.

[2]沈忠厚，现代钻井技术发展趋势[J].石油勘探与开发，2005，（32）

[3]赵金洲，张桂林.钻井工程技术手册[M].中国石化出版社，2011

作者简介：

张明；出生年月日：1975.11.14；性别：男；学历：长江大学石油工程专业大专；研究方向：油气田开发、钻井试油工程；单位：华北油田公司第一采油厂地质研究所。