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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 概 述 钻进参数 表征钻进过程中
2、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 第一节 钻进过程中各参数间的基本关系 钻压与钻速的关系曲线 实际
3、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 钻压与钻速的关系曲线 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 转速与钻速的关系曲线 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 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
4、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 CH 1 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 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
5、产生一个正压差 压持效应 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 压差与钻速的关系 零压差时钻速 m h p 井内液柱压力与地层压力只差 与岩石有关的系数 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
6、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1 m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
7、Z2 Z1时 牙齿的磨损速度无限大 Z2 Z1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
8、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Af 2 33 10 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
9、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 nmax 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
10、 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 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
11、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 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CH 1 井底压差为0 CP 1 否则CP 1 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
12、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
13、 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 Cb 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
14、 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 成本折算时间 在此仅考 虑牙齿磨 损决定的 寿命 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 0 hf 1 2 轴承磨损量 0 Bf 1 3 钻压 M 0
15、 M W Z2 Z1 M 0 0 W Z2 Z1 4 转速 n 0 轴承磨损量与牙齿磨损量的关系 CH 1 Cp 1 三 钻头最优磨损量 最优钻压和最优转速 一 钻头最优磨损量 给定 W n 可求出在一定钻压 转速下的钻头最优磨损量 二 最优转速 给定的 W hf 可求出最优转速nop 三 最优钻压 根据给定的 n hf 可 求出最优钻压 四 最优参数组合 理论上 采用迭代方法求解由目标函数 极值条件和 约束条件组成的方程组 可进行全局寻优 实际中 确定钻头磨损量 求不同转速下的最优钻压 选取每米成本最低的钻压 转速组合 例4 2 某井段的地层可钻性系数K 0 0023 研磨性系 数Af 2
16、28 10 3 门限钻压M 10kN 转速指数 0 68 用 251mm的21型钻头钻进 C2 3 68 CH 1 CP 1 钻头 成本Cb 900元 只 钻机作业费Cr 250元 小时 起下钻时 间tr 5 75小时 所用钻机的转盘转速只有三档 分别为 n1 60转 分 n2 120转 分 n3 180转 分 根据邻井资料 所选钻头在该井段的牙齿磨损量一般为T6级 hf 0 75 试求最优的钻压 转速组合及其工作指标 解 查表可得 251mm的21型钻头参数为 D2 6 44 D1 0 0146 a1 1 5 a2 6 53 10 5 C1 5 小时 不同转速时的最优钻压及其工作指标 n 转 分 60120180 a1n a2n3 104 105292 838650 830 R 15 487 43 563 96 817 R F 7 183 20 205 44 906 Wopt kN 323 34 285 96 261 73 S 0 1383 0 2951 0 5671 t 小时 15 59 7 31 3 80 J 11 898 16 790 20 179 H 米 76 57 50 6
