完井工程第四章钻进参数优选课件

1、第四章 钻进参数的优选第一节 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。 钻井参数： 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。 钻井参数优选： 指在一定的客观条件下，

2、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。第一节 钻进过程中各参数间基本关系一、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 随钻压增大 呈线性关系增加 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。 实际应用中，以直线段为依据建立钻压（W）和钻速（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，认为是钻头开始吃入地层时的钻压，其值的大小主要取决于岩层性质，有较强的地区性。2、转速对

3、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随岩石硬度的增大， 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： 称为牙齿的磨损系数，与钻头齿 型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 损高表示 ，新钻头时h=0；牙齿 全部磨损时 h=1。4、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 井底比水功率越大，净化程度越好， 钻速越快，水力

4、净化能力通常用水力净 化系数 表示。其含义为实际钻速与 净化完善时的钻速之比。 即： P实际比水功率， 净化完善时所需的水功率， 井底完全净化后， =1，否则， 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。 5、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，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： 实际钻速，m/h; 零压差时的钻速，m/h; 井内液柱压力与地层孔隙压力之差，Mpa;

5、 与岩石性质有关的系数。（2）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差减小，钻头水功率减小，清岩和破岩能力降低，钻速下降。（3）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。（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钻速低，钻井液中小于1 的固体 颗粒越多，对钻速的影响越大。6、钻速方程（修正杨格模式）其中： 钻速，m/h; W 钻压，KN； M 门限钻压，KN； n 转速 ，r/min ; 转速指数， 牙齿磨损系数， 水力净化系数， 压差影响系数， h 牙齿相对

6、磨损高度， 地层可钻系数，与地层岩石的机械性质、钻头类型 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 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值时，牙齿磨损速度趋于无穷大。 式中： 和 称为钻压影响系数，其值 与牙轮钻头尺寸有关。 当钻压等于 时，牙齿磨损速度无限大， 是该尺寸钻头的极限钻压。2、转速对牙齿磨损速度的影响 增大钻速，牙齿磨损速度加快。 式中： 和 是由钻头类型决定的系数。 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： 称为压齿磨损减慢系数， 与钻头类型有关，其数值

7、见表4-2。4、牙齿磨损速度方程式中： 为地层研磨性系数。 需根据现场钻头资料统计计算确定。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称为轴承工作系数，与钻头类型及钻井液 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 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 和 钻进同一地层，可得到两个不同钻速值 ，代入钻速方程，联立求解转速指数 。保持钻速和转速方程中的其它参数恒定，采用两种钻压 和 钻进同一地层，可得到两个不同钻速值 ，代入钻速方程，联立求门限钻压M 。（2）

8、试验条件试验中钻井液性能、水利参数恒定，一般取本地区常用值，使 、 不变，且避免水力因素变化对门限钻压M的影响。试验井段或试验时间尽可能的短，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：确定本地区钻压范围（ ， ）和转速范围（ ） 以及平均钻压、平均转速（ ）。第一步：用平均钻压和平均转速（ ）钻进1m或0.5m; 记录钻速 。第二步：用最小钻压和最小转速 （ ）钻进1m或0.5m； 记录钻速 。第三步: 钻压不变，用最大转速（ ）钻进1m或0.5m; 记录钻速 。第四步：转速不变，用最大钻压（ ）钻进1m 或 0.5m； 记录钻速 。第五步：钻压不变，用最小转

9、速（ ）钻进 1m 或 0.5m; 记录钻速 。第六步：用平均钻压和平均钻速（ ）钻进1m 或0.5m; 记录钻速 。（4）M 、 计算 将 （ ）和（ ）代入钻速方程，可求出： 将 （ ）和（ ）代入钻速方程，又可求出： 取 的平均值， 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， 实际要求：2、牙齿磨损系数 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 ，钻头开始钻 速 ，起钻时钻速 ，由钻速方程可反求出牙齿磨损系数 。3、水力净化系数 和压差影响系数 井底完全净化，

10、=1，否则 1。 井底压差为0， =1，否则 1。4、地层可钻性系数 的确定 取得新钻头试钻资料（开始钻进时的钻速 ，各项钻进参数）， 此时牙齿磨损量h=0, 由钻速方程可得：（二）磨损方程系数： b 1、钻压影响系数 取值与牙轮钻头的尺寸有关，由台架实验确定，查休斯公司数据 表4-1。2、钻速系数 和牙齿磨损减慢系数 取值与牙轮钻头类型有关，由台架实验。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 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

11、程，轴承磨损方程中 的系数的确定方法：M, , , , , b可计算求得可查表求得第二节 机械破岩钻进参数优选目的：寻求最优钻压、转速组合，使钻井过程达到最佳的经济技术 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 衡量钻井技术经济效果的标准：式中：Cpm单位进尺成本，元/米； 钻头成本，元； 钻机作业费，元/h； 起下钻、接单根时间，h; t 钻头工作时间，h; H 钻头总进尺， m； t=f（钻压、转速、牙齿磨损量等钻进参数） H= （钻压、转速、牙齿磨损量等钻进参数）1、建立钻头进尺H与钻

12、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时的初始磨速，它的倒数相当于不考虑牙齿磨损影响时钻头的理论寿命。G的物理意义： 考虑牙齿磨损对钻速和牙齿磨损速度的 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由牙齿磨损量h决定钻头的寿命由轴承磨损量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3、目标函数令： 在此仅考虑牙齿磨损决定的寿命。 钻头与起下钻成本的折算时间。把J,E,S,F代入二

13、、目标函数的极值条件和约束条件 1、极值条件轴承磨损量与牙齿磨损量的关系2、约束条件（1）牙齿磨损量：（2）轴承磨损量：（3）钻压：（4）转速：三、钻头最优磨损量、最优钻压和最优钻速 1、钻头最优磨损量给定（W,n），可求出一定钻压、转速下的最优磨损量。2、最优钻速给定（W， ），可求出最优转速 。3、最优钻压根据给定（n， ），可求出最优钻压。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 求在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KR=0.0023，研磨性系数

14、= 2.28*10(-3)，门限钻压M=10KN,转速指数 =0.68，用 直径为 251mm的21型钻头钻进， =3.68， =1， =1；钻头成本 =900元/只，钻机作业费 =250元/h, 起下钻时间 =5.75h,所用钻机的转盘转速只有三挡，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（ =0.75）， 试求最优钻压，转速组合及其工作指标。6.44，0.0146, =1.5, =6.53*10-5, =5;=9.35 小时=0.89=2.156251mm的21型钻头查表4-1 4-2不同转速时的最优钻压和

15、及其工作指标最优钻压和最优转速组合小结水力净化压差影响钻速影响因素牙齿磨损影响因素成本思考假设承包一口井的钻井作业，中标的作业总费用为T。如何优化设计钻井机械参数，使利润最大？第三节 水力参数优化设计喷射钻井采用大功率的泥浆泵和可以产生高速射流的钻头喷嘴，使高压钻井液流过喷嘴时可产生高速流动的水射流，给井底以很大的冲击力。把岩屑及时的冲离井底，并辅助破碎岩石.主要内容： 射流的水力特性 钻头的水力特性 循环压耗 地面泵的水力特性 水力参数的优化设计射流冲击力、射流喷速 喷嘴直径钻头水功率、钻头水力压降整个循环系统的压耗钻井泵的功率，排量、泵压水力参数寻求合理的水力参数配合，使井底获得最大的水力

16、能量分配，从而达到最优的井底净化效果和提高机械钻速的目的。一、喷射式钻头的水力特性在钻头上安放喷嘴，钻井液流经喷嘴产生高压射流，射流冲击井底，达到清除井底岩屑及破碎岩石的目的。（一）射流及其对井底的作用1、射流特性 1、射流特性 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。 非淹没射流淹没射流 射流压力是否稳定： 连续射流：压力平稳 脉冲射流：流量发生一定频率的脉动，射流产生周期性动载 混合射流：既有连续部分，又有脉动部分 空化射流：气体进入液体产生空穴，空穴破裂产生很高的压力 射流分类（按条件） 射流与周围流体介质的关系： 有无固体边界： 无固体边界， 自由射流 有固体边界 ，

17、非自由射流钻头喷嘴的射出的射流为淹没非自由连续射流井底射流特性： （1）射流形状 （2）扩散角 a 射流纵剖面上周界母线的夹角称为射流扩散角 a 。 它反映了射流的密集程度。a越小，则射流的密集程度越高，能量就越集中。射流的喷距： 射流断面距喷嘴出口的距离在等速核以内，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。（3）速度分布规律在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为 初始速度。在射流的任一横截面上，射流轴心上的速度 最高，由中心向外速度很快降低，到射流边 界上速度降为零。射流中心部分保持初始速度流动的流束，称 为射流等速核。 等速核长度与喷嘴直径和流道形状有关

18、。（4）井底漫流 射流撞击井底后，形成压力冲击波和沿井底高速流动的漫流。一、喷射式钻头的水力特性（一）射流及其对井底的作用1、射流特性2、射流对井底的清洗作用 （1）射流的冲击压力作用 射流冲击井底后形成的冲击压力极不均匀，极不均匀的冲击压力使 岩屑受到一个翻转的力矩，从而离开井底。 （2）漫流的横推作用 射流冲击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流（高速漫流）， 井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。2、射流对井底的清洗作用一、喷射式钻头的水力特性在钻头上安放喷嘴，钻井液流经喷嘴产生高压射流，射流冲击井底，达到清除井底岩屑及破碎岩石的目的。（一）射流及其对井底的作用1、射流特性3、射

19、流对井底破岩作用2、射流对井底的清洗作用3、射流对井底破岩作用 在岩石强度较低的地层，射流的冲击力超过了地层的破碎强度， 直接破碎岩石。 在岩石强度较高的地层，射流挤入岩石中由钻头机械力造成的 微裂纹和微裂缝内，形成“水楔”，使微裂纹和裂缝扩展，从而大 大降低岩石的破碎强度。一、喷射式钻头的水力特性（一）射流及其对井底的作用（二）射流水力参数1、射流特性2、射流对井底的清洗作用3、射流对井底破岩作用表征射流水力能量大小的参数： 喷射速度，射流冲击力，射流水功率计算位置： 喷嘴出口断面1、射流喷射速度 （工程单位）2、射流冲击力（国际单位）（工程单位）（国际单位）3、射流水功率 单位时间内射流所

20、具有的做功能量称为射流水功率。国际单位制（KW） 工程单位制一、喷射式钻头的水力特性（一）射流及其对井底的作用（三）钻头水力参数1、射流特性2、射流对井底的清洗作用3、射流对井底破岩作用（二）射流水力参数射流水力能量和喷嘴损耗能量的综合反映，包括： 钻头压力降 钻头水功率1、钻头压力降 钻头压力降是钻井液流过钻头喷嘴以后钻井液压力的降低值。（MPa） C 喷嘴流量系数，与喷嘴的阻力系数有关，C 时： 当Q 时， Q ,这对泵的工作不利，实际工作取 1 2 3 4 5。 和 分别称为最大射流冲击力标准下的第一临界井深和第二临界井深。 4、最优喷嘴直径的确定 当 D 时， 当 时， 当D 时，当

21、D 时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大。当 时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐减小。当 D 时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大。（四）水力参数优化设计的步骤 1、主要任务： 水力参数优化设计的标准是获得最大钻头水功率或最大射流冲击力。能否获得上述标准，取决于排量、喷嘴直径和钻井泵的工作状态（与缸套选择有关），因此，水力参数优化设计的主要任务是确定钻井液排量，选择合适的钻头喷嘴直径和泵的缸套直径。 2、设计步骤： （1）确定携岩要求的最小排量 a、根据经验公式： b、根据岩屑举升效率： 式中： 最低环空返速，m/s； 钻井液密度， 井深，cm；式中： 岩屑举升效率，无因次； 环空的平均上返速度

22、，m/s； 岩屑在环空的实际上返速度，m/s;一般要求岩屑的下滑速度：式中： 岩屑下滑速度，m/s; 分别为岩屑和钻井液密度， 岩屑直径，cm； 钻井液的有效粘度，Pa.s ;携岩所需的最小排量：（2）计算循环压耗系数 分别计算：（3）选择缸套直径，确定额定泵压 、排量 、功率 ； 原则：1）尽可能选择额定排量与实际排量接近的缸套； 2）缸套的工作压力不能超过循环系统的耐压能力。（4）最优排量和喷嘴直径计算 1）计算第一、第二临界井深 2）计算各井段的最优排量和喷嘴直径（5）各水力参数计算 计算各井段射流水力参数和钻头水力参数，结果列表。设计举例： 已知条件：钻头直径 D=215.9mm=21

23、.59cm; 喷嘴流量系数 C=0.98 钻铤 dc=17.78 cm, dci= 7.14cm ,Dc =120m 内平钻杆 dp=12.7 cm, dpi=10.86cm 井队配备两台NB1000钻井泵 井深 D=4000 m ,要求环空返速不低于0.7m/s ； 地面泵压以不超过 18 MPa 为适合 试按最大钻头水功率方式对该井深处进行水力参数设计。 解： 确定最小排量 Qa 最低环空返速Va 为： m/s 由于要求环空返速不小于0.7m/s，故取Va=0.7m/s 携岩要求的最小排量： 计算不同井深循环压耗系数 井深4000m处的循环压耗系数为：选择缸套 定排量 ，且接近才能充分发挥泵的工作效率；根据泵的使用特点，一般缸套的工作额定排量为缸套额定 排量的90% ，因此，所选缸套的额定排量应满足：选择3NB1000的缸套直径，由表4-6选择120的缸