在深水钻井过程中，泥浆从套管环空返至隔水管环空时，由于大直径隔水管尺寸比套管尺寸大很多，导致泥浆返速降低，举升效率下降，携岩效果变差。另外，深水钻井安全密度窗口窄，改变泥浆性能和提高泥浆泵的排量等措施在经济、技术上不太现实。需要从隔水管底部注入泥浆，提高隔水管泥浆排量，以解决大直径隔水管携岩问题。通过系统分析颗粒在液体中的阻力和升力，以满足大直径隔水管内携岩能力为准则，得到钻井液最优环空返速计算公式，确定合理的环空返速范围。

1）参数计算

（1）携岩效率计算

钻井液的环空携岩能力或井眼净化能力，指的是环空岩屑的运移效率。一般要求钻井液的环空携岩能力Et≥50%，岩屑的运移效率计算公式为

式中　Dh——井眼直径或套管内径（mm）；

Dp——钻具外径（mm）。

环空内钻井液的临界流速

式中　Et——岩屑运移效率，无因次；

Vt——岩屑的环空返速（m／s）；

Vs——岩屑的下沉速度（m／s）；

Va——钻井液环空返速（m／s）。

（2）岩屑下沉速度计算

设计排量必须既能满足有效携带钻屑所需的环空上返速度和冷却钻头切削齿、清洁井底的需要，又要能保证井壁稳定。钻井液能否顺利地将大部分岩屑携带至地面，是关系到钻进速度快慢、井眼稳定和井身质量好坏的一个重要问题。

（3）排量计算

根据井眼净化标准计算出满足携岩要求的环空上返速度，选择各井段所需环空返速较大的值作为主井筒最低环空返速，根据最低环空返速计算出满足井眼清洁的最小排量。增压管线排量为

式中　Q——满足隔水管携岩的总排量；

Q1、Q2——地层井段环空和增压管线排量。

（4）环空流态稳定参数Z值计算

环空内钻井液的平均流速

式中　Dh——井眼直径或套管内径（mm）；

Dp——钻具外径（mm）。

环空内钻井液的临界流速

式中　Vac——环空内钻井液的临界流速（m／s）；

PV——钻井液的塑性黏度（mPa·s）；

YP——钻井液的屈服值（Pa）。

环空流态稳定参数Z值的计算方法为

式中　Vac——环空内钻井液的临界流速（m／s）；

PV——钻井液的塑性黏度（mPa·s）；

YP——钻井液的屈服值（Pa）。

环空流态稳定参数Z值的计算方法为

式中　Z——环空流态稳定参数，无因次；

na——环空的流性指数，无因次；

Va——环空流速（m／s）；

Vc——环空临界流速（m／s）。

若Z＞808，环空流态为紊流；若Z≤808，环空流态为层流。

Z值只适用于判别环空的流态，对钻具内的流态却不能用它来判别。另外，Z值更重要的意义在于它能反映钻井液对井壁的冲刷作用。

（5）井底压力计算

注入同一密度的钻井液时，井底压力

式中　Z——环空流态稳定参数，无因次；

na——环空的流性指数，无因次；

Va——环空流速（m／s）；(www.daowen.com)

Vc——环空临界流速（m／s）。

若Z＞808，环空流态为紊流；若Z≤808，环空流态为层流。

Z值只适用于判别环空的流态，对钻具内的流态却不能用它来判别。另外，Z值更重要的意义在于它能反映钻井液对井壁的冲刷作用。

（5）井底压力计算

注入同一密度的钻井液时，井底压力

式中　Phydrostatic——静液柱压力；

Psurface——井口回压；

Pfriction——环空中压耗总和（包括层流段和紊流段）。

2）参数满足条件

在深水钻井过程中，大直径隔水管段水力参数须同时满足以下5个条件：

（1）环空携岩能力Et≥50%

Et≥50%，这意味着岩屑在环空中的下沉速度小于或等于钻井液上返速度的一半，这样才能保证环空中岩屑的浓度不会继续增大，可以满足净化井眼的需要。

（2）井眼稳定参数Z值

用Z值来判断液流是否会对井壁产生严重的冲刷，是通过统计分析的方法，根据已钻井的资料，统计出不同流速和钻井液性能对井壁的冲刷作用，从而得出某一地区某一井段或地层的临界Z值。利用钻井数据库，可以方便地找出各地区、各层段的裸眼稳定参数Z值。

要注意的是，如前所述，判断层流和紊流的临界Z值是808，它与井眼稳定的临界Z值差别是较大的，一定要区别开来。

（3）井筒压力在安全密度窗口之内

静液柱压力与环空摩阻压力之和大于薄弱地层的破裂压力会压漏地层，而小于空隙压力则会发生井涌。

（4）环空中岩屑浓度Ca＜5%

如果环空中岩屑的浓度过高，就会发生堵塞现象，导致泵压升高，悬重下降，容易出现卡钻事故。为了控制环空岩屑的浓度，有时需要控制机械钻速。在上部地层或松软、可钻性很好的地层，如果机械钻速过高，岩屑量大，就有可能使环空中的岩屑浓度过大。

（5）隔水管内屈服压力

当隔水管内的压力大于隔水管内屈服压力时，岩屑运移的环形空间将被破坏，无法完成。

根据上述5个约束条件，进行钻井液排量与流变参数的优选，保障钻井作业安全、优质、高效地完成。

式中　Phydrostatic——静液柱压力；

Psurface——井口回压；

Pfriction——环空中压耗总和（包括层流段和紊流段）。

2）参数满足条件

在深水钻井过程中，大直径隔水管段水力参数须同时满足以下5个条件：

（1）环空携岩能力Et≥50%

Et≥50%，这意味着岩屑在环空中的下沉速度小于或等于钻井液上返速度的一半，这样才能保证环空中岩屑的浓度不会继续增大，可以满足净化井眼的需要。

（2）井眼稳定参数Z值

用Z值来判断液流是否会对井壁产生严重的冲刷，是通过统计分析的方法，根据已钻井的资料，统计出不同流速和钻井液性能对井壁的冲刷作用，从而得出某一地区某一井段或地层的临界Z值。利用钻井数据库，可以方便地找出各地区、各层段的裸眼稳定参数Z值。

要注意的是，如前所述，判断层流和紊流的临界Z值是808，它与井眼稳定的临界Z值差别是较大的，一定要区别开来。

（3）井筒压力在安全密度窗口之内

静液柱压力与环空摩阻压力之和大于薄弱地层的破裂压力会压漏地层，而小于空隙压力则会发生井涌。

（4）环空中岩屑浓度Ca＜5%

如果环空中岩屑的浓度过高，就会发生堵塞现象，导致泵压升高，悬重下降，容易出现卡钻事故。为了控制环空岩屑的浓度，有时需要控制机械钻速。在上部地层或松软、可钻性很好的地层，如果机械钻速过高，岩屑量大，就有可能使环空中的岩屑浓度过大。

（5）隔水管内屈服压力

当隔水管内的压力大于隔水管内屈服压力时，岩屑运移的环形空间将被破坏，无法完成。

根据上述5个约束条件，进行钻井液排量与流变参数的优选，保障钻井作业安全、优质、高效地完成。