晚安西南-----浅谈水力参数

序言：

当初在本土打井时，由于所钻的表层为第四系的地层，地层具有松散、软等特点，所以在钻具水力方面很讲究。比如使用牙轮钻头时，专门堵上一个喷嘴，只使用另外两只喷嘴破岩。最终当井深超过3000米后，为了使泵压不超过设备能承受的范围(老设备立管由壬很难承受高压)，在安装喷嘴时尽量装大或者不装，于是存在一种思想，就是钻硬地层，水力破岩已经没有效果了，喷嘴自然也不在讲究那么多了。

进入新区块后，所钻的地层为二叠系、三叠系、石炭系、志留系等老地层，海相与陆相所沉积的地层，具有岩石坚硬、研磨性强的特点，初期在钻头水马力方面，也习惯于不装喷嘴(空气钻时要求不装喷嘴除外)。现在随着一哥的到来，逐渐在强调水力方面的要求后，在现场重新尝试多种组合喷嘴，也重新认识了水力参数这个概念。其实钻头水力并非当初自己年轻时所认识的那样：只要排量大，岩屑一样带的出，钻头也打的快。

顺便说下，这篇文章只想表达一件事，介绍一款计算EXECL表格去推演整个钻具及钻头的水力参数情况。通过它让你感觉到钻井是一门科学，而非一种感觉。文字部分引用的大多的都是别人的观点，再多“神奇”、“犀利”的文章，都会回归于老一辈大师的作品，他们的作品才是真正的授业解惑财富。

正文：

在钻进中，及时把岩屑携带出来是安全快速钻井的重要条件之一。

把岩屑携带出来要经过两个过程：第一是使岩屑离开井底进入环空，第二是依靠泥浆上返将岩屑带出地面。过去，人们认为第一个过程较容易实现，第二个过程比较困难。所以人们的注意力集中在第二个过程上，采取了“大排量”洗井的技术措施，以便加快岩屑的上返速度，这样做的结果，也确实有一定的提高，但是钻井实践中常有这样的事，钻头喷嘴被泥浆刺坏(泥浆排量并未减少)而使钻速显著下降，这一现象使人们重新认识这两个过程。经过多年的理论研究与分析，人们认识到第二个过程并不很困难，而困难的恰恰是第一个过程，也就是说，把岩屑冲离井底不是容易的事，岩屑不能及时的离开井底，这正是影响钻进速度的主要原因之一。于是，人们将注意转向了第一个过程，采取了一系列的措施，去解决把岩屑冲离井底的问题，这就是喷射钻井的出发点[1]。

把岩屑冲离井底有什么困难呢？其原因主要有两个方面。

第一，在钻井中，井内泥浆液柱压力大于地层内流体压力。则被破碎而尚未离开井底的岩屑受它们之差的压力作用，被紧紧的压在井底，要使它离开井底则需要花费很大的力气。

第二，泥浆在井底也有失水作用，在井底会留下类似泥饼一样的东西，并与岩屑掺混在一起，盖在井底，形成一个“垫层”，将钻头与井底隔离开，这样，钻头要破碎新的井底，必须清除这个垫层”，这不仅浪费了功率，而且出现岩屑的重复破碎，降低了钻速。

岩屑不能及时清除井底，还有一个严重的后果，就是和泥饼掺混在一起的岩屑可能粘附在钻头的切削刃上，挤塞在牙轮钻头的牙齿之间，形成泥糊钻头或者泥包钻头，这在非喷射钻井中是屡见不鲜的。

要解决岩屑及时冲离井底这个问题，就需要新的工艺技术，这就是喷射钻井技术。喷射钻井的一个显著特点，就是从钻头喷嘴中喷出强大的泥浆射流，它具有很高的喷射速度，具有很大的水力功率，它能个井底岩屑一个很大的冲击力，从而使岩屑及时的、迅速的离开井底，始终保持井底的干净，这就是喷射钻井能大幅度提高钻速的主要原因。

一、淹没非自由射流的形状

淹没，指射流出口以后，就在井筒内的泥浆中，被井筒内的泥浆所淹没，由于泥浆的密度比空气大的多，所以射流在出口以后就受到淹没液体的巨大阻力。

非自由，是指射流的运动和发展受到固体环境的限制，不能自由的运动和发展，具体的说，射流达到井底以后，要受到井底和井壁的限制，还要受到钻头的限制，射流到达井底以后，一部分向四周散开，沿着井底横向流动，形成漫流，一部份向着原来方向的相反方向返回。最后所有的射流都要经过环形空间返出地面。

图1 淹没非自由射流

明了了射流的结构，我们在来谈谈射流怎样清洗井底。所谓的清洗井底，主要是指把岩屑冲离井底，保持井底“干净”。射流冲到井底以后，能产生两种净化井底的作用，其一是射流对岩屑冲击压力的作用，其二是射流对岩屑的横推作用。

1、射流冲击压力作用

由于射流上的每一点都具有动压力，当射流碰到井底以后，将此动压力传给井底，形成对井底的冲击压力(此冲击压力即等于射流到达井底时的动压力)。岩屑在这个冲击压力作用下，会不会被更压的贴在井底，更不易离开井底呢？不会的，其理由如下：

(1)射流这个压力不是静压力，而是冲击压力。此冲击压力不是作用在整个井底，而作用在井底的小圆面积上，就整个井底而言，射流作用的面积内的压力较高，而射流作用面积以外的压力较低。就射流的作用面积而言，冲击压力也是极不均匀的，射流的中心压力较高，而离开中心则压力急剧下降。

图2 井底射流图

(2)由于钻头的旋转，射流作用的小圆面积迅速的移动。本来不均匀的压力分布，又在发生变化。

由于以上两个原因，就使作用在井底岩屑上的冲击压力极不均匀，极不均匀的冲击压力使岩屑产生了一个翻转力矩，从而离开井底。

2、漫流的横推作用

射流冲向井底以后，就形成了沿着井底横向移动的漫流。某些实践证明，漫流是很薄的一层，它具有相当高的流速。有人在实验条件下，测量了射流冲击面积附近的漫流流速。，得出了距井底0.4mm的高度上，漫流的流速最大，当喷嘴的喷射速度为16.5m/s时，最大漫流速度可达9.8m/s。距井底的高度增加时，漫流的速度迅速降低。

具有很高速度的井底漫流，将作用于岩屑一个横向推力或者牵引力，从而使岩屑离开井底原来位置。某些研究指出，把岩屑冲离井底，漫流起主要作用，而射流冲击压力作用尚为其次，所以研究漫流是很重要的。

还需指出，测量位置距射流的冲击中心的距离不同，漫流的速度也不同。在射流的冲击面积以内，射流冲击中心的漫流速度为零；离开中心，漫流速度逐渐增大，在射流冲击的边缘，，漫流的速度达到最大，在射流冲击面积以外，漫流速度与距冲击中心的距离成反比，即离射流中心距离越远则漫流流速越小。

二、水利参数的概念

1、射流冲击力，指射流在其作用面积上的总作用力的大小。前面我们讲了射流对井底的冲击压力，但射流冲击力与射流冲击压力不是一回事。射流冲击力是射流的动量发生变化而产生的。根据动量原理，冲量与动量相当。

2、射流水功率，首先要指出的是，冲离岩屑，冲洗井底和破碎岩石，是要花费能量的。射流在冲离岩屑，冲洗井底和协助钻头破碎岩石的过程中，实质上是射流不断地向井底和岩屑做功。单位时间内，射流作功越多，清洗井底效果越好，破碎岩石的效率越高。单位时间内射流具有的作功能量，就是射流水功率。

3、钻头水功率，指泥浆流过钻头时消耗的水功率。钻头水功率大部分变成了射流水功率，少部分则用于克服喷嘴阻力作功。通过公式，可以看出缩小喷嘴可以提高射流水力参数。

泥浆流过三个部分所消耗的压力和水功率是我们不希望要的，我们将这部分压力降低和水功率称为循环系统的压力损耗和损耗功率。而泥浆流过钻头的压力降和传给钻头的水功率是我们希望提高的，我们把这部分称为钻头压力降和钻头水功率。

为了提高钻速、降低成本、井下安全，就要获得最好的水力效果，它是多种因素影响的结果，为了提高射流和钻头的水力参数，必须缩小喷嘴和降低排量。但是喷嘴不能无限缩小，排量不能任意降低，排量小到一定程度，无法带出岩屑，排量的大小还对泥浆泵工作的状态有很大的影响。另外，还有一个重要的问题，喷射钻井的工作方式在很大程度受到排量的控制，可见，排量是喷射钻井水力设计中最大的影响因素。

在各种推荐使用喷射钻头的水力参数方案中，最大钻头水马力和最大射流冲击力为最佳方案。最大钻头水马力方案的运用最为普遍和受到欢迎。当钻头的水马力达到最大值时，可得到94%的射流冲击力，当射流冲击力达到最大值时，可得到92%最大钻头水马力。最大钻头水马力设计方案的一个优点在于：与最大射流冲击力相比，对于同一循环系统，排量较低时钻头水马力可达最大值。

在深井的情况下，要使经过钻头喷嘴的压力降等于立管压力的65%，所需要的排量会大于泥浆泵的最大排量。在这种情况下，不可能得到最大钻头水马力。

如果通过钻头喷嘴的压力降是立管的压力的48%，则射流冲击力达到最大值。解决射流冲击力有关问题的方法与最大水马力相同。

在水力破岩作用中，喷嘴是能量转换器，它将钻井液中的压力能（由钻井泵提供）转换成钻井液射流的动能，直接作用于井底，产生水力破岩作用是显而易见的。当然，水力破岩作用依赖于射流冲击力与地层岩石性质的配合。试验表明，对于渗透性和半渗透性地层，泵压达到25个兆帕时就己有明显的水力破岩作用；而对于非渗透性地层，达到明显水力破岩作用的泵压高达80兆帕以上。显然，对于一般的生产条件是难以达到的。

由于目前的钻井生产条件只能达到20个兆帕左右的泵压，而钻进层大多为半渗透性和非渗透性地层，因而水力参数对钻速的影响机理，主要是水力清岩作用，水力破岩作用是辅助性的。

三、水功率传递的基本关系式

水功率从钻井泵传递到钻头上，是通过钻井液在循环系统中流动而实现的。钻井液循环系统大体上是由四部份组成。

（1）钻井液从钻井泵流出以后，先经过地面高压管线、立管、水龙带（包括水龙头）和方钻杆。这部分合称为地面管汇，这部分不随井深变化。

（2）钻井液从方钻杆流出后，即进入钻杆和钻铤内部。这部分合称为钻柱内部。这部分随着井深的增加而加大。

（3）钻井液从钻铤流出后，即进入钻头喷嘴，形成钻井液射流，清洗井底和破碎岩石。这是水功率传递的目的地。

（4）钻井液到达井底以后，又从钻柱与井壁的环形空间返出到达地面上，钻井液在返出时还要完成一个任务──携带岩屑。

钻井液流过这四部分，都要遇到阻力。克服阻力就要消耗压力和水功率。所以这四个部分都要使钻井液的压力降低。

而钻井液流过钻头时的压力降和传给钻头的水功率是我们希望提高的，我们将这部分称为钻头压力降和钻头水功率。

根据水力学原理，水功率等于压力降与排量的乘积，即N＝PQ。所以，只要对压力降基本关系式的两端都乘以Q即可变成水功率基本关系式。所以，这两个关系式虽然表示的概念不同，一个表示压力关系，一个表示功率的关系，但是事实上是一个关系式。

射流与钻头的五个水力参数：射流喷速V0、射流冲击力Fj、射流水功率Nj、钻头水功率Nb和钻头压降Pb。

式中 Pb──钻头压降，MPa；

Vo──射流喷速，m/s；

Fj──射流冲击力，KN；

Nb──钻头水功率，KW；

ρ──钻井液密度，g/cm3；

Q ──钻井液排量，l/s；

d ──喷嘴直径，cm；

C ──钻头喷嘴流量系数，常数。

四种工作方式观点各不相同。Nbmax工作方式认为清洗井底是对岩屑作功，所以认为水功率越大越好，Fjma 工作方式却认为射流冲击力是清洗井底的主要因素，应以冲击力达到最大为标准。 Vomax工作方式实际上是提高射流动压力，从而增大井底的压力梯度。概括地说，Nbmax工作方式是“功”的观点，Fjmax工作方式是“力”的观点，Vomax工作方式是“动压”的观点。

这四种工作方式，究竟哪种最好？长期以来，一直有不同的看法。直到目前还未能从理论上给以分析和回答。1975年，有人通过实验，认为在Nbmax、Fjmax和Vomax三种工作方式中，以Fjmax最好，Nbmax次之，Vomax方式最差。但这只是一种看法。究竟哪种工作方式最好，还有今后的理论研究和实践检验。目前国内各油田使用最普通的是Nbmax 和Fimax工作方式。

以上是摘抄相关文章的部分段落，其目的是让读者自己去分析判断，找出适合自己当前情况下的水力参数。现在唯一的困难来如何自由的预测泵压，其实网上有很多现成的计算软件，计算精度很高、压耗分析的也很准，使我们真正了解自己的钻具在井筒的真实的工作状况，有了它们就可以先利用多种喷嘴的组合来推演一遍使用后的泵压情况及钻头的水力参数，根据现成的实际情况进行取舍。