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1、第五章 钻进参数优选 Chapter 5 : Optimization of Drilling parameterChapter 5 : Optimization of Drilling parameter 钻进参数表征钻进过程中的可控因素所包括的 设备、工具、钻井液和操作条件的重要性质的量。 钻进参数优选在一定的客观条件下，根据不同 参数配合时各因素对钻进速度的影响规律，采用最 优化方法，选择合理的钻进参数配合，使钻进过程 达到最优的技术和经济指标。 钻进参数可分为固定参数固定参数和可调参数可调参数两类： 固定参数地层参数、地层可钻性、地层对钻 压、转速、水力参数和钻井液参数的敏感指数，以
2、及地温梯度、地层化学组分对钻井液的适应性等。 可调参数钻进中的机械参数、水力参数、钻 井液性能和流变参数三大类参数。 钻进参数采集 机械参数-指钻头类型、钻压与转速 水力参数-指泵型选择、泵压、排量和水眼组合 钻井液性能和流变参数-指钻井液体系、密度、 初切力、流变学模式、流变参数 可调参数的优选都应以地层固定参数为依据。深入 掌握这些可调参数对钻进效益的影响规律，建立钻进 数学模型数学模型，是实施优选参数钻井的重要基础。 多元统计分析 可调参数 主要内容 第一节 钻井参数作用机理 （欠平衡钻井技术） 第二节 水力参数优选 第三节 钻进参数优选 第四节 多元钻进模式 第一节 钻井参数作用机理
3、1 Mechanisms of drilling optimization on drilling rate 一、射流对井底的净化作用 钻井液通过喷射式钻头的喷嘴，能够形成喷射钻井喷射钻井 所需钻井液射流射流是喷射式钻头与普通钻头的主要区别. 实际钻井过程中，钻井液由喷嘴形成的射流属淹没淹没 非自由射流非自由射流。射流冲到井底以后能产生两种净化井底 的作用：一是射流对井底岩屑的 冲击压力冲击压力 作用。 二是漫流对井底岩屑的 横推横推 作用。 射流是指通过管嘴或孔口过水断面周界不与固体 壁接触的液流。 按射流流体与周围流体介质的关系划分，可分为淹没射流 （射流流体的密度小于或等于周围流体的密度
4、）和非淹没射流 （射流流体密度大于周围流体密度）； 按射流的运动和发展是否受到固壁限制，可分为自由射流 （不受固壁限制）和非自由射流（受到固壁限制）； 按射流压力是否稳定划分，又可分为连续射流（射流内某 一点的压力保持稳定）和脉冲射流（射流流束内的压力不稳定 ）等。 在喷射式钻头的井底条件下，钻井液从普通喷嘴喷出形成 射流后，被井筒内的钻井液所淹没，并且其运动和发展受到井 底和井壁的限制，因而属淹没非自由射流。 淹没非自由连续射流的基本特征 射流具有等速核和扩散角 在射流横截面上中心速度最大 在射流轴线上，超过等速核以后射流轴线上 的速度迅速降低 撞击井底后，形成井底冲击压力波和井底漫 流 射
5、流轴线上的速度衰减规律 为射流扩散角 dn为喷嘴直径 L为射流轴线上某点距出口的距离 vjo为射流出口流速 vjm为距出口L处的最大流速 喷射式钻头的井底射流特性 射流在喷嘴出口断面，各点的速度基本是相等的，为初始 速度。随着射流的运动和向前发展，由于动量交换并带动周围 介质运动，首先射流周边的速度分布受到影响，且影响范围不 断向射流中心推进，使原来保持初始速度运动的流束直径逐渐 减小，直至射流中心的速度小于初始速度。射流中心这一部分 保持初始速度流动的流束，称为射流等速核。射流等速核的长 度主要受喷嘴直径和喷嘴内流道形状的影响。由于周围介质是 由外向里逐渐影响射流的，在射流的任一横截面上，射
6、流轴心 上的速度最高，自射流中心向外速度很快降低，到射流边界上 速度为零。等速核以内，射流轴线上的速度等于出口速度；超 过等速核以后，射流轴线上的速度迅速降低。 冲击压力是当射流碰到井底后，将其动 压力传递给井底而形成的，在数值大小上等 于射流到达井底时的动压力。 特征：动压力、不均匀、移动变化 翻转力矩冲击压力梯度 增大射流出口动压力 缩小喷嘴直径 射流冲击面积岩屑翻转 就整个井底而言，射流作用的面积内压力较高，而射流作用的面积以外 压力较低。在射流的冲击范围内，冲击压力也极不均匀，射流作用的中心压 力最高，离开中心则压力急剧下降。另外，由于钻头的旋转，射流作用的小 面积在迅速移动，本来不均
7、匀的压力分布又在迅速变化。由于这两个原因， 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 一个翻转力矩，从而离开井底。这就是射流对井底岩屑的冲击翻转作用。 漫流是射流冲向井底以后形成的沿井底的横向流动。 实验研究表明，漫流是紧贴并平行于井底很薄的对井 底遮盖较好的一层横向流动的液流，具有相当高的流速。 它会对井底岩屑产生横向推动力或牵引力，从而使岩屑离 开原破碎点。 漫流分布规律：在射流冲击的面积以内，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；在射流冲击面 积的边缘，漫流速度达到最大。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，即离冲击中心愈远
8、则漫流 流速愈小。在纵向上，约在0.4mm的高度上，漫流速度最 大，超过此高度后，漫流速度随距井底高度的增加而迅速降 低。要增大漫流流速，就要增大射流的喷速和流量。 研究表明，在表面光滑的井底条件下，最大漫流 速度出现在小于距井底 0.5 mm的高度范围内，最大 漫流速度值可达到射流喷嘴出口速度的50-80。 喷嘴出口距井底越近，井底漫流速度越高。正是这层 具有很高速度的井底漫流，对井底岩屑产生一个横向 推力，使其离开原来的位置，而处于被钻井液携带并 随钻井液一起运动的状态。因而，井底漫流对井底清 洗有非常重要的作用。 射流对井底的破岩作用 多年来的研究和喷射钻井实践表明，当射流的水功率 足够
9、大时，射流不但有清洗井底的作用，而且还有直接或辅 助破碎岩石的作用。在岩石强度较低的地层中，射流的冲击 压力超过地层岩石的破碎压力时，射流将直接破碎岩石。这 种破岩形式在一口井的表层钻进中经常遇到。如有些地区钻 鼠洞，只开泵不用旋转钻头就可完成。在岩石强度较高的地 层中，钻头破碎井底岩石时，在机械力的作用下，在岩石中 形成微裂纹和裂缝。高压射流流体挤入岩石微裂纹或裂缝， 形成“水楔”，使微裂纹和裂缝扩大，使岩石强度大大降低， 钻头的破碎效率大大提高。 二、钻井液性能钻井液性能对钻速的影响 试验证明，钻井液密度、粘度、失水量和固密度、粘度、失水量和固 相含量及其分散性相含量及其分散性等，都对钻速
10、具有不同程度 的影响。 1.钻井液密度密度对钻速钻速的影响 钻井液密度的基本作用在于保持一定的液柱 压力，以控制地层内的流体进入井内。 主要原因是：井底压差对刚破碎的岩屑有压持作用， 阻碍井底岩屑的及时清除，影响钻头的破岩效率，从 而使钻速相应下降。 室内试验和钻井实 践证明，提高钻井液 密度，增加井内液柱 压力和地层压力之间 的压力差，将使钻速 急剧下降。 现场试验结果 实验证明，低渗透性岩层内低渗透性岩层内，压差对钻速的 影响比在高渗透性岩层内的影响大。因此，钻 低渗透性岩层时，更应尽量降低钻井液密度， 实施平衡压力钻井平衡压力钻井（欠平衡压力钻井欠平衡压力钻井）。 降低钻井液密度虽能提高
11、钻速，但它常受地地 质条件、井壁稳定质条件、井壁稳定等的限制，不能任意降低。 多年来的钻井实践证明，为在确保安全钻井 的前提下尽量提高钻速，用近平衡压力钻进. 常规钻常规钻 井井 0.03-0.05g/cm3 欠平衡压力钻井技术是八十 年代后期在美国德克萨斯州奥斯 汀白垩系地层钻井时得以迅速发 展起来的。 国内外现状国内外现状 欠平衡压力钻井技术,以空气 钻井为先锋，开始于20世纪50年 代，主要采用空气压缩机向井内 注入空气和水的混合物。 欠平衡 压力钻井作为 能提高油气产 量的一项重要 技术，已在世 界20多个国家 3500多口井上 应用。 机械钻速较常规提高 100%-500%！ 欠平衡
12、钻井概念 Under Balanced Drilling (UBD)Under Balanced Drilling (UBD) 欠平衡钻井是指在钻井过程中，允许地 层流体进入井内，循环出井并在地面得到控 制的一种钻井方式。 欠平衡钻井技术简介 1995年1996年1997年1998年 美国2100250040004100 加拿大3304255251500 中国60年代实验、90年代加速发展！ 据2003年4月统计，我国海陆油田已引进相应防 喷器近40套， 克拉玛依、四川、长庆、玉门、塔 里木、吐哈、中原、胜利、大港、辽河、大庆等油 田共进行了107口欠平衡钻井。 在在大港千米桥发现一个亿吨级油
13、田！（板深大港千米桥发现一个亿吨级油田！（板深7 7、板深、板深8 8井）井） 0.0% 5.0% 10.0% 15.0% 20.0% 25.0% 30.0% 35.0% 199419951996199719981999200020012002200320042005 百分比 02000400060008000100001200014000 井数 欠平衡井占所有井的百分比欠平衡井占所有井的百分比 欠平衡作业井数欠平衡作业井数 完成完成82008200口口 占总井数的占总井数的25%25% 美国欠平衡井应用统计与预测 加拿大计划用欠平衡钻井技术开发整个 油田；美国能源部和Maurer工程公司预
14、测，到2005年，全球运用欠平衡技术钻 井总数可达12000口。 美国和加拿大拥有 先进的欠平衡钻井装备 配套的欠平衡钻井技术 专业技术服务公司 欠平衡钻井的优越性欠平衡钻井的优越性 1.1.减少对产层的损害，有效保护油气层，从而提高油气井的减少对产层的损害，有效保护油气层，从而提高油气井的 产量。产量。 2.2.有利于及时发现和评价低压低渗油气层，为勘探开发整体有利于及时发现和评价低压低渗油气层，为勘探开发整体 方案设计提供准确依据。方案设计提供准确依据。 3.3.大幅提高机械钻速，延长钻头使用寿命，缩短钻井周期，大幅提高机械钻速，延长钻头使用寿命，缩短钻井周期， 降低钻井成本。降低钻井成本
15、。 4.4.有效控制漏失，减少和避免压差卡钻等井下复杂情况的发有效控制漏失，减少和避免压差卡钻等井下复杂情况的发 生。生。 5.5.可以在钻井过程中生产油气。可以在钻井过程中生产油气。 （美国、加拿大）（美国、加拿大） 欠平衡钻井的缺点欠平衡钻井的缺点 1.1.钻井成本高钻井成本高 （设备多、井场大、钻井液）（设备多、井场大、钻井液） 2.2.存在不安全隐患存在不安全隐患 （井喷、井塌、爆炸、腐蚀）（井喷、井塌、爆炸、腐蚀） 3.3.地层损害地层损害 （不能形成泥饼，不持续欠平衡时发生）（不能形成泥饼，不持续欠平衡时发生） 适合实施欠平衡钻井的储层 有裂缝的碳酸盐岩，泥页式页岩 有构造缺陷或压
16、力衰竭的紧密砂岩 多孔隙、高渗透白云岩，井漏严重 某些趋向于多孔隙的火山岩 欠平衡钻井主流技术 控流钻井（ Flowdrilling，也译作 边喷边钻、流钻等） 用纯液体钻井液进行的欠平衡钻井叫控流钻井， 如水、盐水、水基泥浆、油、油基泥浆等。 控流钻井技术的研究 确定合理负压差，设计钻井液密度 1.从开发上讲，油层速敏、应力敏感性、出砂、 坍塌的临界值决定了负压差的最高限。 2.从钻井工程上讲，泥页岩地层的井壁稳定性确 定了负压差的最高限。 3.地面设备的分离能力也限制了最高负压差。 4.负压差大小还要视储层的产能而定，一般为 0.7MPa。 为满足我国低压储层欠平衡钻井的要求，从 美国Weatherford 公司引进了现场制氮充气钻 井设备。包括压缩机、膜氮设备、增压器。 欠平衡钻井关键设备 1、井口压力控制装置 旋转控制头或旋转防喷器 静压35MPa 动压17.5MPa 美国Williams公司7100型旋转控制头 目前世界上压力等级最高的旋转防喷器 欠平衡钻
