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1、第四章 钻进参数优选,本章主要内容：第一节 钻进过程中各参数间的基本关系 第二节 钻进参数优选 第三节 水力参数优化设计,概 述,钻井：通过一定设备、工具和技术手段形成一个从地表到地下某一深度处具有不同轨迹形状的孔道。,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：,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。,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
2、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。,第一节 钻进过程中各参数间的基本关系,一、影响钻速的主要因素及钻速方程 1.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。,钻速与钻压的关系曲线,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。,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
3、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,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:,2.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。,3.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示,即磨损掉的高度与原始高度之比。新钻头时h =0；牙齿全部磨损时h =1。,4.水
4、力因素对钻速的影响,水力因素：表征钻头及射流水力特性的参数统称为水力因素。 水力因素的总体指标：比水功率 比水功率：钻头水功率与钻头面积（井底面积）之比。 通常用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：,水力因素对机械钻速的影响主要表现在：(1)井底水力净化能力对钻速的影响。井底比水功率越大，净化程度越好，钻速越快。,4.水力因素对钻速的影响,水力净化能力通常用水力净化系数 CH 表示： 其含义为：实际钻速与净化完善时的钻速之比. 即：(hydraulic scavenge) P 实际比水功率,kW/cm2； Ps净化完善时所需的比水功率，kW/cm2。
5、井底完全净化后，CH=1；否则，CH1。 PPs, CH=1,(2)水力能量辅助破岩,(2)水力能量辅助破岩。井底比水功率越大（超过井底净化所需的水功率），机械钻速仍有可能增加。水力破岩作用对钻速的影响主要表现为使钻压与钻速关系中的门限钻压降低。,5.钻井液性能对钻速的影响(复杂),(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，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：,压差影响系数：,式中: vpc -实际钻速,m/h; vpc0 -零压差时的钻速,m
6、/h; p - 井底压差,MPa； -与岩石性质有关的系数。,(2)钻井液粘度对钻速的影响,a.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； b.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。,钻井液固相含量增大，机械钻速降低。 （4）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。,（3）钻井液固相含量对钻速的影响,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
7、数； Cp压差影响系数； h 牙齿磨损相对高度； KR (rate)(比例系数)地层可钻性系数，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。,6.钻速方程（修正杨格模式）,二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程,式中：Z1与Z2 称为钻压影响系数,与牙轮钻压尺寸有关。 P130表41 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。,1. 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。,表4-1 钻压影响系数,2. 转速对牙齿磨损速度的影响,增大转速，牙齿磨损速度加快。,式中：a1和a2是
8、由钻头类型决定的系数。 见P131表 (4-2)。,式中： C1称为牙齿磨损减慢系数, 与钻头类型有关,其数值见表4-2。,3.牙齿磨损状况对牙齿磨损速度的影响,牙齿磨损量增大，其工作面积增大，磨损速度减小。,式中：Af 称为地层研磨性系数。 Formation abrasivity需根据现场钻头资料统计计算确定。,4.牙齿磨损速度方程,5.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(bearing)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。,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
9、点法钻速试验 (1)基本思路,三、钻进方程中有关系数的确定,保持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
10、骤,准备：确定本地区钻压范围（Wmin ,Wmax）和转速范围（nmin ,nmax）以及平均钻压、平均转速（ W0 ，n0）。,（3）试验步骤,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。,（3）试验步骤,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
11、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。若地层完全相同，Vpc1=Vpc6。实际要求：,(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:,同理可得的计算公式：,两边取对数得:,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：,井底充分净化， CH=1，否则CH1。 井底压差为0， CP=1，否则CP1。,3. 水力净化系数CH和压差影响系数CP,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，由钻速方程可得：,（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
13、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。,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。,一、目标函数的建立,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；tt起下钻、接单根时间，h； t钻头工作时间,h； H 钻头
14、总进尺,m。,衡量钻井技术经济效果的标准：,1.建立钻头进尺H与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系,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量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。,2.建立钻头寿命t与钻压、转速、磨损量等参数的关系,3.目标函数,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：,二、目标函数的极值条件
15、和约束条件,三、钻头最优磨损量、最优钻压和最优转速,1.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。,2.最优转速,3. 最优钻压,4. 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=2.2810-3,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tt=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=6.5310-5,C1=5,不同转速时的最优钻压及其工作指标,第三节 水力参数优化设计,主要内容: 射流的水力特性 钻头的水力特性 循环压耗的计算 地面泵的水力特性 水力参数的优化设计,
