环空压耗

环空压耗是指在石油钻井过程中，钻井液在钻柱与井壁之间的环形空间中流动时所产生的压力损失。以下从环空压耗的原理、影响因素、计算方法、重要性等方面进行介绍：

环空压耗的原理

环空压耗（annulus dynamic pressure lost），也称为环空压力损耗，是指在钻井过程中，钻井液沿环空向上流动时所产生的压力损失。环空是指钻杆、钻铤等钻具外与井壁内构成的环形的立体空间。从井口到井底，环空内的压力逐渐降低，井口处压力最高，井底处压力最低。环空压耗的存在使得钻井液在环形空间中的能量逐渐减少。

影响环空压耗的因素

①钻井液性能：钻井液的粘度、密度等性能对环空压耗有重要影响。粘度越大，钻井液在环形空间中流动时的内摩擦力越大，环空压耗也就越大；密度越大，钻井液的重量越大，对井底的压力越大，环空压耗也会相应增加。

②井眼尺寸和钻柱尺寸：井眼直径越大，环形空间的截面积越大，钻井液在其中流动时的阻力越小，环空压耗也就越小；钻柱直径越大，环形空间的截面积越小，钻井液流动阻力越大，环空压耗越大。

③钻井液流速：钻井液在环形空间中的流速越快，与井壁和钻柱表面的摩擦越剧烈，环空压耗也就越大。

④排量：泥浆排量对环空压耗的影响最大。排量的变化直接影响钻井液在环空中的流速，从而影响压力损失。

⑤岩屑质量分数：岩屑的存在会影响环空压耗。岩屑在井眼中堆积形成岩屑床，会引起环空压耗增大。

⑥岩屑物性：环空岩屑分布主要分为固定床层、分散层、悬浮层，通过模拟软件进行数值模拟，可观察到环空岩屑分布如下图所示，岩屑的密度和尺寸也会影响环空压耗。岩屑与钻井液混合后，环空内流体的密度发生变化，倾斜井段或水平段的岩屑可能会沉降在环空下侧，使环空的有效流动面积减小，导致环空摩擦损失增加。

⑦钻具偏心：钻具在井中的偏心程度会影响环空流体的流动与环空压耗。小井眼中钻杆与直径与井眼直径差距较小，钻杆在小井眼中的不居中会影响环空流体的流动。

⑧井斜角：井斜角对环空压耗也有影响。在大位移井和水平井中，环空压耗并非随排量增大一直增大，而是存在一个临界值。

⑨机械钻速(ROP)：机械钻速的增加会导致环空中悬浮岩屑的量和岩屑床高度增加，从而导致环空流速和流体平均密度增大，使环空压耗增大。

⑩温度和深度：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，因此在应用模型计算环空压耗时，需要考虑温度和深度对钻井液观粘度、塑性粘度和动切力的影响。

这些因素共同作用，决定了环空压耗的大小，对钻井工程中的井控、井下作业等都有重要影响。

环空压耗的计算方法

①宾汉塑性模式下的环空压耗计算

基本原理：宾汉塑性模式适用于具有屈服应力的钻井液，该模式认为钻井液在流动时，当剪切应力超过屈服应力时才会发生流动，其环空压耗计算基于流体力学原理和宾汉塑性流体的本构方程。

计算公式：环空压耗P_a的计算公式为

其中L为环空长度，Q为钻井液流量，ρ为钻井液密度，D为井眼直径，d为钻柱外径，μ_P为塑性粘度，τ₀为屈服应力，v为钻井液平均流速。

②幂律模式下的环空压耗计算

基本原理：幂律模式适用于假塑性流体的钻井液，其特点是钻井液的粘度随剪切速率的变化而变化。幂律模式下的环空压耗计算基于幂律流体的本构方程和流体在环空中的流动方程。

计算公式：环空压耗P_a的计算公式为

其中为k稠度系数，n’为流性指数，其他参数含义同上。

③经验公式计算：

基本原理：经验公式是在大量现场实践和实验数据基础上总结出来的，虽然其理论基础不如上述两种方法严密，但在工程应用中具有简单、实用的特点。

计算公式：环空压耗的计算通常采用一些经验公式，这些公式基于大量的实验数据和现场实践经验得出。常见的环空压耗计算公式为：

其中Pa为环空压耗，L为环形空间的长度，Q为钻井液的流量，ρ为钻井液的密度，D为环形空间的当量直径，f为摩阻系数。

④数值模拟：

基本原理：数值模拟计算法是利用计算机建立环空流动的物理模型，通过数值计算方法求解流体力学方程，得到环空内的流场分布和压力损失。这种方法可以考虑更多的实际因素，如井壁粗糙度、钻井液的非牛顿特性、钻柱的旋转等。设计示意图如下图所示：

计算步骤：

1.建立几何模型：根据井眼和钻柱的实际尺寸，建立环空的三维几何模型。

2.确定物理模型：选择合适的流体力学模型，如上述的宾汉塑性模型或幂律模型，并考虑其他相关的物理现象，如湍流模型等。

3.设定边界条件：包括入口边界条件（如流量、压力等）、出口边界条件（如压力、速度等）以及壁面边界条件（如无滑移条件、粗糙度等）。

4.进行数值计算：利用专业的计算流体力学软件，如 Fluent、CFX 等，对建立的模型进行数值求解，得到环空内的速度场、压力场等结果。

5.分析计算结果：从计算结果中提取环空压耗等相关参数，并进行分析和评估。

不同的计算方法适用于不同的钻井液类型和井眼条件，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的计算方法，以准确地计算环空压耗，为钻井工程的设计和施工提供可靠的依据。

环空压耗的重要性

①井壁稳定：环空压耗过大可能导致井壁受到的压力过大，从而引起井壁失稳，甚至发生井壁坍塌等事故。因此，控制环空压耗对于保持井壁稳定至关重要。

②钻井效率：环空压耗会消耗钻井液的能量，降低钻井液的有效压力，从而影响钻井效率。通过合理控制环空压耗，可以提高钻井效率，降低钻井成本。

③油气层保护：在钻井过程中，过高的环空压耗可能会使钻井液侵入油气层，造成油气层损害，降低油气产量。因此，准确计算和控制环空压耗对于保护油气层具有重要意义。

降低环空压耗的措施

①优化钻井液性能：

调整钻井液粘度：选择合适的钻井液粘度是降低环空压耗的关键之一。一般来说，在保证钻井液能够有效携带岩屑和稳定井壁的前提下，应尽量降低粘度。通过添加降粘剂等化学药剂，可以有效降低钻井液的内摩擦力，从而减小环空压耗。例如，在一些水基钻井液中加入适量的聚阴离子纤维素等降粘剂，可使钻井液的粘度降低，进而降低环空压耗。

控制钻井液密度：合理控制钻井液密度，避免过高的密度导致环空压耗过大。根据地层压力和井壁稳定性要求，精确计算所需的钻井液密度，防止因过度加重钻井液而增加环空压耗。例如，在低压地层钻井时，可采用低密度钻井液体系，既能满足钻井安全要求，又能降低环空压耗。

②合理设计井眼和钻柱尺寸：

优化井眼直径：在地质条件允许的情况下，适当增大井眼直径，可增加环空截面积，使钻井液在环空中的流动更加顺畅，从而降低流动阻力和环空压耗。例如，在一些浅部地层钻井时，若地层稳定性较好，可适当扩大井眼直径，以降低环空压耗。

选择合适的钻柱尺寸：根据井眼直径和钻井工艺要求，选择合适的钻柱外径。较小的钻柱外径可增大环空截面积，降低环空压耗，但同时要考虑钻柱的强度和稳定性。例如，在大井眼钻井中，可选用较大尺寸的钻杆，以增加环空空间，减少环空压耗。

③控制钻井液流速：

合理确定钻井液排量：排量是影响钻井液流速的重要因素。在满足钻井效率和井眼清洁的前提下，应尽量降低钻井液排量，从而减小钻井液在环空中的流速，降低环空压耗。通过精确计算和现场试验，确定最佳的钻井液排量范围，可有效降低环空压耗。例如，在一些稳定地层钻井时，可适当降低排量，以减少环空压耗。

采用分段钻井液流速控制：根据井深和地层情况，采用分段控制钻井液流速的方法。在浅部地层，由于井壁相对稳定，可适当降低钻井液流速；在深部地层或易塌地层，为保证井壁稳定和岩屑携带，可适当提高流速，但要注意控制在合理范围内，以避免环空压耗过大。

④使用钻井液添加剂：

添加润滑剂：在钻井液中添加润滑剂可以显著降低钻井液与井壁和钻柱表面的摩擦系数，从而减小环空压耗。常见的润滑剂有石墨、油类润滑剂等。例如，在定向井或水平井钻井中，加入适量的润滑剂可有效降低钻具与井壁之间的摩擦力，降低环空压耗，提高钻井效率。

使用减阻剂：减阻剂能够改变钻井液的流变性能，降低钻井液在流动过程中的阻力，进而降低环空压耗。如一些高分子聚合物减阻剂，在钻井液中加入少量即可显著降低其流动阻力。通过室内实验和现场应用，确定合适的减阻剂种类和加量，可有效降低环空压耗。

⑤优化钻井工艺：

采用欠平衡钻井技术：欠平衡钻井是指钻井过程中钻井液柱压力低于地层孔隙压力的一种钻井技术。在欠平衡钻井条件下，钻井液在环空中的流动状态更加稳定，环空压耗相对较低。同时，欠平衡钻井还能有效保护油气层，提高油气产量。

应用连续油管钻井技术：连续油管钻井是一种新型的钻井技术，其使用连续油管代替传统的钻杆进行钻井作业。由于连续油管的外径较小，可增大环空截面积，降低环空压耗。此外，连续油管钻井还具有起下钻速度快、钻井效率高等优点。