钻进参数优选课件

第四章钻进参数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第四章钻进参数优选第一节钻进过程中各参数间

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。概述钻井工程的总目标：以最低的成本钻出高质量的井眼概述

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。 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)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,认为是牙齿开始压入地层时的钻压,其值的大小主要取决于岩层性质,并具有较强的地区性。第一节钻进过程中各参数间的基本关系（4-1）钻速与钻压的关系曲线 一、影响钻速的主要因素及钻速方程第一节钻进过程中各参数

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：λ称为转速指数,一般小于1，数值大小主要与岩层性质有关。一般极软地层λ≈1，随着岩石硬度增大，λ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,新钻头时h=0；牙齿全部磨损时h=1。第一节钻进过程中各参数间的基本关系（4-2）（4-3） 2.转速对钻速的影响 第一节钻进过程中各参数间的基本

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：

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。水力辅助破岩效果具体体现在门限钻压M值减小。第一节钻进过程中各参数间的基本关系（4-4） 4.水力因素对钻速的影响第一节钻进过程中各参数间的基

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。此称为压持效应。正压差越大，钻速越慢。 井底压差与钻速的关系：

压差影响系数： （2）钻井液粘度对钻速的影响

钻井液增大，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。第一节钻进过程中各参数间的基本关系（4-5）（4-6） 5.钻井液性能对钻速的影响第一节钻进过程中各参数间的 （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的钻速低；钻井液中小于1μm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,vpc—钻速,m/h；W—钻压,kN；M—门限钻压,kN；n—转速,r/min λ—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。第一节钻进过程中各参数间的基本关系（4-7） （3）钻井液固相含量对钻速的影响第一节钻进过程中各参数

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,与牙轮钻压尺寸有关。当钻压等于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。

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是由钻头类型决定的系数。第一节钻进过程中各参数间的基本关系（4-8）（4-9） 二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程第一节钻进过程中各

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：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。

4.牙齿磨损速度方程

式中：Af通称为地层研磨性系数，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，与钻头类型与钻井液性能有关，现场资料确定。（4-10）（4-11）（4-12）第一节钻进过程中各参数间的基本关系 3.牙齿磨损状况对牙齿磨损速度的影响（4-10）（4-1 三、钻进方程中有关系数的确定 (一）钻速方程的系数：M、λ、C2、CH、CP、KR

1.M和λ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λ。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 1）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。 2）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。第一节钻进过程中各参数间的基本关系 三、钻进方程中有关系数的确定第一节钻进过程中各参数间的

（3）试验步骤:

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）。 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，n0）钻进1米或0.5米,记录钻速Vpc6。

（4）M、λ计算将（Wmin，nmin，Vpc2）和（Wmax，nmin，Vpc5）代入钻速方程，可求出M1（式4-18）；将（Wmin，nmax，Vpc3）和（Wmax，nmin，Vpc4）代入钻速方程又可求出M2（式4-19）；取M1、M2的平均值，即得门限钻压M（式4-20）。同理可得λ的计算公式：式4-21、式4-22、式4-23。 第一节钻进过程中各参数间的基本关系 （3）试验步骤:第一节钻进过程中各参数间的基本关系

（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。第一节钻进过程中各参数间的基本关系 （5）试验有效性验证（地层差别验证）第一节钻进过程中各

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。

第一节钻进过程中各参数间的基本关系 4.地层可钻性系数KR的确定第一节钻进过程中各参数间

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。第一节钻进过程中各参数间的基本关系 4.地层研磨性系数Af第一节钻进过程中各参数间的基本

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

衡量钻井技术经济效果的标准：其中:Cpm—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----钻头总进尺,m。第二节机械破岩参数优选（4-28）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

1.建立钻头进尺H与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系第二节机械破岩参数优选（4-32） 1.建立钻头进尺H与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系第二

在式（4-32）中，令： 第二节机械破岩参数优选(4-32)物理意义：新钻头（h=0)的初始钻速。物理意义：新钻头（h=0）的初始磨损速度。物理意义：考虑牙齿磨损对钻速和磨速影响后的进尺系数。则：J/S的物理意义：不考虑牙齿磨损影响时的理论进尺。（4-36）在式（4-32）中，令： 第二节机械破岩参数优选(4

2.建立钻头寿命t与钻压、转速、磨损量等参数的关系第二节机械破岩参数优选由牙齿磨损决定的钻头寿命由轴承磨损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。（4-37）（4-39） 2.建立钻头寿命t与钻压、转速、磨损量等参数的关系第二节

3.目标函数第二节机械破岩参数优选钻头与起下钻成本的折算时间在此仅考虑牙齿磨损决定的寿命 3.目标函数第二节机械破岩参数优选钻头与起下钻成本的 二、目标函数的极值条件和约束条件

1.极值条件第二节机械破岩参数优选约束条件（1）牙齿磨损量：0≤hf≤1（2）轴承磨损量：0≤Bf≤1（3）钻压：M＞0，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 二、目标函数的极值条件和约束条件第二节机械破岩参数优选

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

第二节机械破岩参数优选给定（W，n），可求出在一定钻压、转速下的钻头最优磨损量。三、钻头最优磨损量、最优钻压和最优转速第二节机械破岩参

2.最优转速第二节机械破岩参数优选根据给定的（W，hf），可求出最优转速。 2.最优转速第二节机械破岩参数优选根据给定的（W，h

3.最优钻压第二节机械破岩参数优选根据给定的（n，hf），可求出最优钻压。 3.最优钻压第二节机械破岩参数优选根据给定的（n，

4.最优参数组合

理论上：求解由目标函数、极值条件和约束条件组成的方程组。

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。第二节机械破岩参数优选 4.最优参数组合第二节机械破岩参数优选第三节水力参数优化设计概述喷射钻井的概念

在钻头上安装可以产生高速射流的喷嘴，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，把岩屑及时冲离井底，并辅助破碎岩石。该技术称为喷射钻井技术。水力参数 指表征钻头水力特性、射流水力特性以及地面水力设备性质的量。主要包括钻井泵的功率、排量、泵压、以及钻头水功率、钻头水力压降、钻头喷嘴直径、射流冲击力、射流喷速和环空钻井液上返速度等。水力参数优化设计 寻求合理的水力参数配合，使井底获得最大的水力能量分配，从而达到最优的井底净化效果和提高机械钻速之目的。第三节水力参数优化设计概述

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

射流概念：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。

射流分类： 非淹没射流——ρ射>ρ介， 淹没射流——ρ射<ρ介， 自由射流——无固体边界限制 非自由射流——有固体边界 连续射流——射流内某一点压力保持平稳

脉冲射流——射流流束内压力不稳定，发生一定频率的脉动

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自钻头喷嘴射出的射流为淹没非自由连续射流。第三节水力参数优化设计 一、喷射式钻头的水力特性第三节水力参数优化设计

井底射流特性 （1）射流形状 （2）扩散角α

射流纵剖面上周界母线的夹角称为射流扩散角α。它反映了射流的密集程度。α越小，则射流的密集性越高，能量就越集中。

（3）速度分布规律

①在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为初始速度。 ②在射流任一横截面上，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。 ③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到形状有关。 ④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。

（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。第三节水力参数优化设计井底射流特性第三节水力参数优化设计

2.射流对井底的清洗作用

（1）射流的冲击压力作用 射流撞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力矩，从而离开井底。

（2）漫流的横推作用 射流撞击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流（漫流），对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。

图4-15射流冲击面积图4-16岩屑翻转第三节水力参数优化设计 2.射流对井底的清洗作用图4-15射流冲击面积

第三节水力参数优化设计3.射流对井底的破岩作用

在岩石强度较低的地层，射流的冲击压力超过地层的破碎强度，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。第三节水力参数优化设计3.射流对井底的破岩作

（二）射流水力参数 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

2.射流冲击力

3.射流水功率

单位时间内射流所具有的作功能量称为射流水功率。第三节水力参数优化设计（4-50）（4-51）（国际单位制）（工程单位制）（4-52） （二）射流水力参数第三节水力参数优化设计（4-50）（

第三节水力参数优化设计 （三）钻头水力参数 钻头水力参数是射流水力能量和喷嘴损耗能量的综合反映，包括钻头压力降和钻头水功率。 1.钻头压力降 钻头压力降是指钻井液流过钻头喷嘴以后钻井液压力降低的值。

式中：C——喷嘴流量系数,与喷嘴的阻力系数有关，C的值总是小于1。

de——喷嘴当量直径，即与n个喷嘴出口截面面积总和相当的喷嘴直径，cm；（4-53）（4-54） 第三节水力参数优化设计 （三）钻头水力参数（4-53

2.钻头水功率

钻头水功率是指钻井液流过钻头喷向井底所消耗的水力功率。

3.钻头水力参数与射流水力参数的关系第三节水力参数优化设计 2.钻头水功率第三节水力参数优化设计

水功率传递路径

钻井泵→地面管汇→钻柱内→钻头→环空→地面。

水功率传递基本关系

ps——钻井泵压力，MPa； pg——地面管汇压耗，MPa； pst——钻柱内压耗，MPa； pan——环空压耗，MPa； pb——钻头压降，MPa。

P—水功率，kw。二、水功率传递的基本关系第三节水力参数优化设计 水功率传递路径二、水功率传递的基本关系第三节水力参

三、循环系统压耗的计算

假设：（1）钻井液为宾汉流体； （2）钻井液在循环系统各部分的流动均为等温紊流流动；（3）钻柱处于与井眼同心的位置；（4）不考虑钻柱旋转；（5）井眼为已知直径的圆形井眼；（6）钻井液是不可压缩流体。第三节水力参数优化设计 第三节水力参数优化设计（一）压耗计算的基本公式第三节水力参数优化设计（一）压耗计算的基本公式第三节水力参数优化设计

（二）摩阻系数f的确定

第三节水力参数优化设计k—与管路条件有关的计算系数1.宾汉流体在紊流状态下f与Re的关系2.循环系统摩阻系数计算公式管内流：环空流： （二）摩阻系数f的确定

（三）循环系统压耗的计算公式第三节水力参数优化设计1.分段计算公式（三）循环系统压耗的计算公式第三节水力参数优化设计1.

2.总压耗计算公式第三节水力参数优化设计2.总压耗计算公式第三节水力参数优化设计

（四）提高钻头水力参数的途径

第三节水力参数优化设计力参数钻头水传递关系水功率提高钻头水力参数的主要途径

1.提高泵压ps和泵功率Ps2.降低循环压耗系数Kl

（1）使用低密度钻井液（2）减小钻井液粘度（3）适当增大管路直径3.增大钻头压降系数Kb唯一有效的途径是减小喷嘴直径。4.优选排量Q（四）提高钻头水力参数的途径 四、钻井泵的工作特性

1.钻井泵的性能参数

额定功率——钻井泵的最大输出功率，Pr额定泵压——所用缸套的允许工作压力，pr额定排量——在额定泵功率和额定泵压时的排量，Qr额定泵冲——额定排量时的泵冲数。额定功率、泵压、排量的关系：表4-73NB1000钻井泵性能表第三节水力参数优化设计 四、钻井泵的工作特性第三节水力参数优化设计第三节水力参数优化设计

2.钻井泵的工作状态

根据泵排量的大小，可将钻井泵的工作分为两种工作状态：

（1）额定泵压工作状态

当Q≤Qr时，ps=pr，PS≤Pr（2）额定功率工作状态当Q＞Qr时，Ps=Pr，pSpr

钻井泵的实际工作状态取决于所选用钢套的大小。选用的钢套大，额定工作压力低，额定排量（额定泵冲时的排量）大，此时泵往往处于额定泵压工作状态。反之则处于额定功率工作状态。只有当泵排量等于额定排量时，钻井泵才能同时达到额定输出功率和额定泵压。因此，应尽量选用额定排量与实用排量相近的钢套。第三节水力参数优化设计 2.钻井泵的工作状态

五、水力参数优选

（一）优选标准

目标：获得最大的射流水力参数或钻头水力参数。第三节水力参数优化设计五、水力参数优选第三节水力参数优化设计

标准：最大钻头水功率、最大射流冲击力、最大射流喷速 （二）获得最大钻头水功率的条件

目标函数：

1.基本条件 （1）在额定泵功率状态下 （2）在额定泵压状态下 第三节水力参数优化设计 标准：最大钻头水功率、最大射流冲击力、最大射流喷速第三节

2.最优排量随井深的变化（1）钻头水功率随排量和井深的变化规律

第三节水力参数优化设计 2.最优排量随井深的变化第三节水力参数优化设计

（2）临界井深

井深DPc和井深Dpa选择排量时具有特殊的意义，分别称为第一临界井深和第二临界井深。

第三节水力参数优化设计 （2）临界井深第三节水力参数优化设计

3.喷嘴直径的确定

钻头水功率能否达到最大，还取决于钻头喷嘴直径的大小。因为喷嘴直径大小决定钻头上的压力降，因而决定泵的工作压力。第三节水力参数优化设计 3.喷嘴直径的确定第三节水力参数优化设计上节小结钻头水功率：额定泵功率状态下：额定泵压状态下：获得最大钻头水功率的条件随井深的变化：上节小结钻头水功率：

（三）水力参数优化设计 1.主要任务

水力参数优化标准是获得最大钻头水功率。能否获得最大钻头水功率，取决于排量、喷嘴直径和钻井泵的工作状态（与钢套选择有关）。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钢套直径。

2.设计方法和步骤

（1）确定携岩要求的最小排量第三节水力参数优化设计 （三）水力参数优化设计第三节水力参数优化设计

（2）计算循环压耗系数 分别计算：Kg、Kc、m、a，

KL=a+mD

（3）选择钢套直径，确定额定泵压pr、排量Qr、功率Pr 原则：1）在额定排量大于最小携岩排量前提下，尽可能选用小尺寸钢套；2）钢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）各水力参数的计算

计算各井段的射流水力参数和钻头水力参数，结果列表。第三节水力参数优化设计 （2）计算循环压耗系数第三节水力参数优化设计P165,8题已知条件：钻头直径D=215.9mm=21.59cm,喷嘴流量系数C=0.98，钻铤Dc=17.78cm,dc=7.14cm,Lc=120m内平钻杆Dp=12.7cm,dp=10.86cmKg=1.07×10-3MPa·s1.8,

d=1.64g/cm3,=0.047Pa•s井队配备两台NB-1000钻井泵,井深L=4000m,要求环空返速不低于0.7m/s地面泵压以不超过18MPa较合适试按最大钻头水功率方式对该井深处进行水力参数设计.P165,8题解:①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低于0.7m/s故取Va=0.7m/s携岩要求的最小排量：计算得：Qa=16.75L/s②计算不同井深循环压耗系数解:①确定最小排量Q