钻井工程濮阳职业技术学院第二章钻进参数优选.ppt

第二章 钻进参数优选,第一节 钻进方程第二节 机械参数优选第三节 水力参数优化设计,概 述,钻井工程目标：提高钻速，降低成本,钻进成本公式：,影响钻速 Vpc 和钻头寿命 T 的因素：,（1）岩性（客观因素）（2）钻头类型（通过合理选型解决）及磨损程度（3）钻进参数：钻压、转速、水力参数（4）钻井液性能：密度、固相含量、粘度、分散性,第一节 钻进方程,一、影响钻速的主要因素及钻速方程二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程三、钻进方程中有关系数的确定,一、影响钻速的主要因素及钻速方程,影响钻速的可控因素：1.钻头类型 2.钻压 3.转速 4.牙齿磨损量 5.水力因素 6.钻井液性能,1.钻压对钻速的影响一、影响钻速的主要因素及钻速方程,钻速与钻压的关系曲线,门限钻压 M：几何意义AB直线在钻压轴上的截 距。物理意义牙齿开始压入地层时的钻 压，其大小取决所钻地层 的抗压入强度。,M,在某一钻压范围内，钻速与钻压成正比关系。,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。,称为转速指数,其大小与岩性 及井底净化程度。极软地层1，一般小于1，岩石硬度增大，值减小。,一、影响钻速的主要因素及钻速方程,3.牙齿磨损量对钻速的影响 一、影响钻速的主要因素及钻速方程,随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。,C2 称为牙齿磨损系数,与钻头齿形结构和岩层性质有关。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。,4.水力因素的影响,一、影响钻速的主要因素及钻速方程,（1）水力净化井底作用 在一定的钻速下，需要一定的比水功率才能使井底净化完善。钻速越快，井底净化完善需要的比水功率越大。当实际比水功率低于井底净化完善需要值，钻速下降。,井底比水功率作用在井底单位面积上的水力能量。,水力净化系数表征水力净化井底程度对钻速的影响的系数。定义为实际钻速与井底净化完善时的钻速之比。,5.钻井液性能的影响,井底正压差越大，钻速越慢。,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，使钻速降低的现象。,井底压差与钻速的关系：,压差影响系数Cp：,一、影响钻速的主要因素及钻速方程,（1）井底压差,（2）粘度对钻速的影响5.钻井液性能的影响,钻井液粘度增大，钻速降低。,（3）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）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；且钻井液中小于1m的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。,一、影响钻速的主要因素及钻速方程,一、影响钻速的主要因素及钻速方程,6.钻速方程,Young F.S.模式（1969）：,修正的Young F.S.模式：,第一节 钻进方程,一、影响钻速的主要因素及钻速方程二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程三、钻进方程有关系数的确定,二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程,影响钻头寿命的可控因素：1.钻头类型 2.钻压 3.转速 4.牙齿磨损量,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。,式中：Z1与Z2称为钻压影响系数,与牙轮钻头尺寸有关，见表4-1。,二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程,2.转速对牙齿磨损速度的影响,牙齿磨损速度随转速增大而加快。,式中：a1和a2是由钻头类型决定的系数，见表4-2。,二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程,3.牙齿磨损量对牙齿磨损速度的影响,牙齿磨损速度随牙齿磨损量的增大而减小。,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。,二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程,4.牙齿磨损速度方程,二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程,式中：Af 通称为地层研磨性系数。,一、影响钻速的主要因素及钻速方程二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程三、钻进方程有关系数的确定,第一节 钻进方程,三、钻进方程中有关系数的确定,钻进方程中于实钻条件相关的系数：,基本方法：实钻资料反算法 利用新钻头钻速试验资料求取门限钻压、转速指数和地层可钻性系数。利用该钻头的工作记录确定岩石研磨性、牙齿磨损、轴承工作系数。,一、目标函数的建立,第二节 钻进机械参数优选,二、极值条件和约束条件,极值条件：,约束条件：,三、求解满足约束的最优参数组合,第二节 钻进机械参数优选,1.最优钻头磨损量的确定,给定钻压W、转速n，求最优磨损量，确定最佳起钻时间。,第三节 水力参数优化设计,概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计,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，钻头的水功率、压力降；喷嘴直径、射流冲击力、射流喷速、射流水功率 环空钻井液上返速度。,概 述,喷射钻井的概念 在钻头上安装喷嘴，高压钻井液流过喷嘴时可产生高速水射流，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二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计,1.射流及分类 射流指通过管嘴或孔口的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 射介，淹没射流射介，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(流速）保持平稳 脉冲射流射流流束内压力（流速）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一般地，自钻头喷嘴射出的射流为淹没非自由连续射流。,一、喷射式钻头的水力特性,（一）射流及其对井底的作用,（1）等速核和扩散角（2）流速分布规律 在射流横截面上，中心处速度最大，向外逐渐减小；在射流轴线上，超过等速核以后，速度迅速降低；（3）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液流层。,一、喷射式钻头的水力特性,2.井底射流(淹没非自由连续射流）的特性,（一）射流及其对井底的作用,（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。,射流冲击面积 岩屑翻转,一、喷射式钻头的水力特性,（一）射流及其对井底的作用,3.射流对井底的清洗作用,一、喷射式钻头的水力特性,（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。,（一）射流及其对井底的作用,3.射流对井底的清洗作用,4.射流对井底的破岩作用 对软地层，射流的冲击压力超过地层的破碎强度，直接破碎岩石。对硬地层，产生“水楔”作用，扩展微裂纹，降低岩石的抗压入强度。,一、喷射式钻头的水力特性,一、喷射式钻头的水力特性,用以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,（二）射流水力参数,一、喷射式钻头的水力特性,（二）射流水力参数,1.喷射速度,（工程单位制）,一、喷射式钻头的水力特性,（二）射流水力参数,2.射流冲击力,（工程单位制）,一、喷射式钻头的水力特性,（二）射流水力参数,3.射流水功率,（工程单位制）,一、喷射式钻头的水力特性,1.钻头压力降,钻井液流过钻头时的压力降。即喷嘴口与出口的压差。,第三节 水力参数优化设计,概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计,1.水功率传递路径钻井泵地面管汇钻柱内钻头环空地面。,二、水功率传递的基本关系,第三节 水力参数优化设计,概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计,三、循环系统压耗的计算,1.管路压耗的基本公式,管内流：,环空流：,三、循环系统压耗的计算,2.摩阻系数,对牛顿流体的紊流流动：,内平管：k=0.053贯眼式接头的钻杆和下套管井段的环空：k=0.059裸眼井段的环空：k=0.062,管内流：,环空流：,三、循环系统压耗的计算,钻井液多为宾汉流体，,宾汉流体紊流流动时，有：,宾汉流体管内流动：,宾汉流体环空流动：,三、循环系统压耗的计算,3.循环系统压耗计算公式（宾汉流体紊流）,（1）地面管汇压耗,（2）钻杆柱内压耗,（3）钻铤柱内压耗,三、循环系统压耗的计算,3.循环系统压耗（宾汉流体紊流）计算公式,（4）钻杆柱外环空压耗：,（5）钻铤柱外环空压耗：,三、循环系统压耗的计算,3.循环系统压耗（宾汉流体紊流）计算公式,设井深为D，则：LP=D LC,三、循环系统压耗的计算,4.实测法求循环系统压耗,5.提高钻头水力参数的途径,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Ps 2.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 唯一有效途径是减小喷嘴直径。4.优选排量Q,三、循环系统压耗的计算,第三节 水力参数优化设计,概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计,1.钻井泵的水力特性 额定功率钻井泵的最大输出功率，额定泵压所用缸套的允许工作压力，额定排量额定功率和额定泵压下的最大排量 额定泵冲达到额定排量时的泵冲数。,四、钻井泵的工作特性,2.钻井泵的工作状态,如何充分发挥钻井泵的能力？（1）根据实际要求的排量，选择合适尺寸的缸套，使Qr Q；（2）选择合适的喷嘴直径，使ps=pr。,第三节 水力参数优化设计,概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计,衡量射流作用效果的三个参数：,（一）喷射钻井最优工作方式,最大射流冲击力工作方式 最大钻头水功率工作方式,五、水力参数优选标准及方法,（二）最大钻头水功率工作方式,五、水力参数优选标准及方法,钻头水功率：,（二）最大钻头水功率工作方式,1.当,获得最大钻头水功率的条件：,五、水力参数优选标准及方法,（二）最大钻头水功率工作方式,2.当,获得最大钻头水功率的条件：,五、水力参数优选标准及方法,3.当,获得最大钻头水功率的条件：,（二）最大钻头水功率工作方式,五、水力参数优选标准及方法,称为第一临界井深,称为第二临界井深,当D=Dpc，Qopt=Qr,当D=Dpa，Qopt=Qa,（二）最大钻头水功率工作方式,五、水力参数优选标准及方法,第三节 水力参数优化设计,概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准及方法六、水力参数优化设计,第一步：根据所选钻头直径，确定携岩要求的最小排量,六、水力参数优化设计,最小环空返速经验公式：,岩屑举升效率验证：,岩屑下滑速度：,计算携岩要求最小排量：,第三步：选择钢套直径，确定额定泵压、排量,六、水力参数优化设计计算,第五步：射流和钻头水力参数的计算,已知条件：上层套管直径：9-5/8in(内径244.5）钻头直径D=215.9mm=21.59cm,井径扩大系数为：1.05 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=10.86cm Kg=1.0710-3MPas1.8,d=1.64g/cm3,=0.047Pas 井队配备两台NB-1300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.,设计举例,确定最小排量Qa 最低环空返速Va(m/s)为0.6m/s 携岩要求的最小排量：计算循环压耗系数和循环压耗,设计举例,井深4000m处的循环压耗系数为,设计举例,选择缸套 NB1300（956kw）钻井泵性能表,泵的容积效率：0.9,当允许泵冲为96冲/分，应选择150mm缸套,额定泵压为：pr=18MPa额定排量为：23.27 L/s,设计举例,计算按最大钻头水功率方式下的临界井深 第一临界井深为 第二临界井深为,设计举例,确定喷嘴直径 4000m井深处的循环压耗为 根据 得:de=1.5cm设计举例,优选排量 由于L=4000m小于第二临界井深 故：Qopt=Qa=20.56L/s,MPa,kW,kN,kW,计算各水力参数,设计举例,