钻井工程 第四章综述

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1、第四章 钻进参数优选 钻井过程中各参数间的关系 钻井参数优选 水力参数优化设计 1、本章重点： 钻进过程中各参数间的基本关系； 钻进方程中有关参数的确定； 钻进参数优选方法； 水力功率传递的基本关系； 水力参数优化设计。 2、难点： 钻进过程中各参数间的基本关系； 水力功率传递的基本关系； 水力参数优化设计。 钻井工程的总目标：以最低的成本钻出高质量的井眼. 钻进成本公式： 影响钻速和钻头寿命的因素： （1）不可控因素 是指客观存在的因素，如所钻的地层、岩性、储层埋藏深度 以及地层压力等。 （2）可控因素 可进行人为调节的因素，如地面机泵设备、钻头类型、钻井 液性能、钻压、转速、泵压和排量等。

2、 概 述 钻进参数： 表征钻进过程中的可控因素所包含的设备、工具、 钻井液以及操作条件的重要性质的量。如钻头类型、 钻井液性能参数、钻压、转速、泵压、排量、钻头喷 嘴直径、钻头水功率等。 钻进参数优选： 指在一定的客观条件下，根据不同参数配合时各因 素对钻进速度和钻头寿命的影响规律，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。 一、影响钻速的主要因素及钻速方程 (一)钻压对钻速的影响 oa段：钻压小，钻速Vpc很小。 ab段：钻压增大，钻速Vpc 随 钻压增加成线性关系增大。 bc段：当钻压增大到一定值Wb 时， 钻压增大,钻速改进效果 并不明显。 钻速与钻

3、压的关系曲线 第一节 钻进过程中各参数间的基本关系 实际应用中,以直线段为依据建 立钻压(W )与钻速(Vpc)的定量关 系, 即: 式中：M称为门限钻压,它是ab线在 钻压轴上的截距, 认为是牙齿开始 吃入地层时的钻压,其值的大小主 要取决于岩层性质,并具有较强的 地区性。 钻速与钻压的关系曲线 (二)转速对钻速的影响 钻速随转速的增大而增大，并呈指数关系变化。 其中： 称为转速指数,一般小于1， 数值大小主要与岩层性质有关。 极软地层1， 随着岩石硬度增大，值减小。 (三)牙齿磨损对钻速的影响 随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。 式中： C2 称为牙齿磨损系数,与钻头齿形结构和 岩层性质有关,

4、由现场数据统计得到。 h 为牙齿磨损量,以牙齿的相对磨损高度 表示,新钻头时h =0；牙齿全部磨损时h =1。 (四)水力因素对钻速的影响 通常用井底单位面积上的平均水功率(称为比水功率)来研究 水力因素对钻速的影响规律。 水力因素主要从以下两个方面影响钻速： (1)水力净化井底 水力净化能力用水力净化系数 CH 表示, 其为实际钻速与净化完善时的钻速之比. 即： P - 实际比水功率,kW/cm2; Ps - 净化完善时所需的比水功率,kW/cm2。 井底完全净化后，CH=1；否则，CH1。 (2)水力辅助破岩 井底比水功率越大，辅助破岩能力越强，钻速越快。 (五)钻井液性能对钻速的影响 1

5、、钻井液密度对钻速的影响 钻井液密度越大，井内液柱压力越大。在井内液柱压力大于 地层孔隙压力的情况下，产生一个正压差。 在正压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成重复破碎现 象，钻速降低。此现象称为压持效应。 井底压差与钻速的关系： 2、压差影响系数： 式中: vpc - 实际钻速,m/h; vpc0 -零压差时的钻速,m/h; p - 井底压差,Mpa； -与岩性质有关的系数。 3、钻井液粘度对钻速的影响 钻井液粘度增大，将会增大 环空压降，使井底压差增大， 钻速降低； 钻井液粘度增大，钻柱内压 耗增大，在泵压一定时钻头压 降减小，钻头水功率减小，清 岩和破岩能力降低，钻速下降 。 4、钻井

6、液固相含量对钻速的影响 钻井液固相含量增大，机械钻速降低。 5、钻井液分散性对钻速的影响 分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低；钻井液中小 于1m的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。 (六 )钻速方程（修正杨格模式） 其中：vpc 钻速,m/h； W 钻压,kN； M 门限钻压,kN； n 转速,r/min 转速指数； C2牙齿磨损系数； CH 水力净化系数； Cp压差影响系数； h 牙齿磨损相对高度； KR 地层可钻系数，与地层岩石的机械性质、钻头类型 以及钻井液性能等因素有关。 二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程 (一)钻压对牙齿磨损速度的影响 牙齿磨损速度随钻压的增大而增大。当钻压增大到

7、某一极 限值时，牙齿磨损速度趋于无穷大。 式中：Z1与Z2 称为钻压影响系数, 与牙轮钻头尺寸有关。 当钻压等于Z2Z1时,牙齿的磨损速度无限大。 Z2Z1是该尺寸钻头的理论极限钻压。 表4-1 钻压影响系数 钻头直径（mm）Z1Z2 1590.0198 5.5 1710.0187 5.6 2000.01675.94 2200.01606.11 2440.01486.38 2510.01466.44 2700.01396.68 3110.01317.15 3500.01247.56 增大转速，牙齿磨损速度加快 式中： a1和a2是由钻头类型决定 的系数。见表4-2。 (二)转速对牙齿磨损速度的

8、影响 (四)牙齿磨损速度方程 式中：Af 称为地层研磨性系数. 需根据现场钻头资料统计计算确定。 (五)轴承磨损速度方程 轴承磨损量用B表示。轴承磨损速度用dB/dt表示。 式中： b称为轴承工作系数，与钻头类型与钻井液性能有关 ，现场资料确定。 例1 某油田2800m井段的地层研磨性系数Af10-3，用 251mm适用中硬地层的21型钻头钻进，钻压 W=196KN，转速n=110 r/min,试求10h后的牙齿磨 损量。 三、钻进方程中有关系数的确定 (一）钻速方程的系数：M、C2、CH、CP、 KR 1.M和的确定五点法钻速试验 （1）基本思路 保持钻压和钻速方程中的其它参数恒定，采用两种

9、转速Nmin、 Nmax钻进同一地层，可得到两个不同钻速值Vpcmin、Vpcmax，代入钻 速方程，联立求解转速指数。 保持转速和钻速方程中的其它参数恒定，采用两种钻压Wmin、 Wmax钻进同一地层，可得到两个不同钻速值Vpcmin、Vpcmax，代入钻 速方程，联立求解门限钻压M。 （2）试验条件 试验中钻井液性能、水力参数恒定，一般取本地区常 用值，使CH、CP不变，且避免水力因素变化对门限钻压 M值的影响。 试验井段或试验时间尽可能短，以保证试验开始和结 束时的牙齿磨损量和地层岩性相差很小。 （3）试验步骤: 准备：确定本地区钻压范（ Wmin ,Wmax）和转速范围（nmin ,n

10、max）以及平均钻压、平均转 速（ W0 ，n0）。 第一步：用平均钻压和平均转 速（W0 ，n0 ）钻进1米或0.5 米, 记录钻速Vpc1。 第二步：用最小钻压和最小转 速（ Wmin ， nmin）钻进1米或 0.5米, 记录钻速Vpc2。 第三步：钻压不变，用最大转 速（ Wmin ， nmax ）钻进1米或 0.5米, 记录钻速Vpc3。 第四步：转速不变，用最 大钻压（ Wmax ， nmax ）钻 进1米或0.5米, 记录钻速Vpc4 。 第五步：钻压不变，用最 小转速（ Wmax ， nmin ）钻 进1米或0.5米, 记录钻速Vpc5 。 第六步：用平均钻压和平 均钻速（W0

11、 ，n0 ）钻进1 米或0.5米, 记录钻速Vpc6。 (4）M、计算 将(Wmin,nmin,Vpc2)和(Wmax,nmin ,Vpc5)代入钻速方程，可求出: 将(Wmin,nmax,Vpc3)和(Wmax,nmin,Vpc4)代入钻速方程又可求出: 取M1、M2的平均值: n 同理可得的计算公式： 两边取对数得: （5）试验有效性验证（地层差别验证） 若地层完全相同，Vpc1=Vpc6。 实际要求： 2. 牙齿磨损系数C2的确定 假定：1）某钻头所钻井段岩性基本不变 2）各项钻进参数基本恒定 已知新钻头牙齿磨损量h=0，钻头起出时磨损量为hf；钻头 开始钻速Vpc0，起钻时钻速Vpcf

12、。由钻速方程可反求出牙齿磨损系 数C2： 3. 水力净化系数CH和压差影响系数CP 井底充分净化， CH=1，否则CH1。 井底压差为0， CP=1，否则CP1。 4. 地层可钻性系数KR的确定 取得新钻头试钻资料（开始钻进时的钻速Vpc，各项钻进参数 ），此时牙齿磨损量h=0，由钻速方程可锝： （二）磨损方程的系数：Z1、Z2、C1、a1、a2、b、Af 1. 钻压影响系数Z1、Z2 取值与牙轮钻头尺寸有关，由台架实验确定。查休斯公司实 验数据表4-1。 2. 转速影响系数a1，a2和牙齿磨损减慢系数C1： 取值与牙轮钻头类型有关，由台架实验确定。查表4-2。 3. 轴承工作系数b： 取决于

13、钻头类型和钻井液性能。利用现场实钻资料，根据 轴承磨损方程确定。 4. 地层研磨性系数Af 与地层研磨性和钻头耐磨性、钻井液性能等因素有关。利用 实钻资料，由牙齿磨损方程反算。 M , , KR C2 , Af , b Z1, Z2 a1 , a2, C1 可查表求得 可计算求得 综上所述： 钻速方程、牙齿磨损方程、轴承磨损方程中的系 数的确定方法： 第二节 机械破岩参数优选 目的： 寻求最优的钻压、转速组合，使钻井过程达到最 佳技术经济效果。 优选方法步骤： 确定标准建立目标函数在各种约束条件下寻 求目标函数的极值点满足极值点条件的参数组合即 为最优参数。 其中: C单位进尺成本，元/m；C

14、b钻头成本，元/只； Cr钻机作业费，元/h； tr起下钻、接单根时间，h； t钻头工作时间，h； H-钻头总进尺，m。 一、目标函数的建立 衡量钻井技术经济效果的标准： (一)建立钻头进尺H与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系 在上式中，令： J的物理意义:牙齿磨损量h=0（新钻 头）时的初始钻速。 S的物理意义:牙齿磨损量h =0 时牙齿 的初始磨速。它的倒数相当于不考虑 牙齿磨损影响时的钻头理论寿命。 E的物理意义:考虑牙齿磨损对钻速和 牙齿磨损速度影响后的进尺系数。它 是牙齿最终磨损量的函数。 则： J/S的物理意义： 不考虑牙齿磨损影响时的理论进尺。 (二)建立钻头寿命t与钻压、转速、磨损量等参数的关系 由牙齿磨量h损决定的钻头寿命由轴承磨损量B决定的钻头寿命 考虑牙齿磨损对钻头 磨速影响后的钻头寿 命系数。 钻头与起下钻 本的折算时间 在此仅考虑牙齿 磨损决定的寿命 令： 把J,E,S,F 代入： (三)目标函数 二、目标函数的极值条件和约束条件 (一)极值条件 (二)约束条件 （1）牙齿磨损量：0hf1 （2）轴承磨损量