东北大学钻井工程.ppt

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1、影响钻速和钻头寿命的因素:(1)固定参数 固定参数主要指地层参数，地层可钻性，地层对钻压、转速、水力参数和钻井液参数的敏感指数，以及地温梯度、地层化学组分对钻井液的适应性等。(2)可调控参数 可调参数主要指钻进中的机械参数、水力参数、钻井液性能和流变参数三类大参数。,第五章 优选参数钻井,第五章,可调控的参数又分三类：（1）机械参数 指钻头类型，钻压与转速；（2）水力参数 指泵型选择、泵压、排量和水眼组合；（3)钻井液性能和流变参数 指钻井液体系、密度、初切力、流变学模式、流变参数。,第五章,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

2、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。,第五章,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。,5.1 钻进过程中各参数间的基本关系,钻速与钻压的关系曲线,第五章,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。,钻速与钻压的关系曲线,2.转

3、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。,钻速与转速的关系曲线,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。,钻速与牙齿磨损量的关系曲线,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

4、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，CH1。,喷射钻井中从钻头喷嘴中喷出的钻井液射流，速度高、水功率大，不仅能使岩屑及时迅速离开井底，始终保持静底清洁，而且在一定条件下能直接破碎岩石。这就是喷射钻井能大幅度提高钻速的主要原因。因此，如何选择泵型、泵的工作方式，优选泵压、排量、喷嘴组合是合理利用地面泵功率，提高钻井效率的关键，也是水力参数优化钻井的中心内容。,5.1 钻井参数作用机理,第五章 第一节 钻井

5、参数作用机理,一、射流对井底的净化作用,1.射流的结构和特性射流扩散角：射流刚出口一段边界母线近似直线，并张开一定的角度。表示射流的密集程度。越小射流密集性越高，能量越集中。,第五章 第一节 钻井参数作用机理,射流刚出口时，具有喷射速度VO，各点的速度基本上是相等的。,（1）在射流中心，由于受淹没钻井液和返回钻井液影响较小，速度最高。在射流任一截面上，轴线上速度最高，自中心向外速度很快降低，到射流边界上速度为零。（2）射流出口后有一段长度，这段长度内的中心部分始终保持刚出口时的速度VO。这段射流的中心部分称为射流的等速核。等速核长度以LO表示。这段射流称为射流的初始段。超过初始段以后称为射流的

6、基本段。,第五章 第一节 钻井参数作用机理,（3）从射流的轴线上看，初始段的轴线上，速度始终保持刚出口时的速度VO。超过初始段后,基本段轴线上任一点的速度，与该点距极点的距离成反比：,第五章 第一节 钻井参数作用机理,射流动压力：射流具有一定的密度和速度，在射流前进方向上遇到障碍物时，射流将给障碍物一个压力，这个压力就是射流具有的动压力。射流任一点的动压力与该点射流速度和射流液体密度有关：,（1）在射流的任一截面上，中心动压力最大，自中心向外，动压力急剧衰减，在射流边界上动压力为零。,第五章 第一节 钻井参数作用机理,（2）射流等速核内各处的动压力相等，都等于射流刚出口时的动压力。（3）在射流

7、中心轴线上，超过等速核以后，动压力急剧下降：,称为射流中心线上的动压力降低系数。,第五章 第一节 钻井参数作用机理,2.射流对井底的净化作用,冲击压力漫流,冲击压力：是当射流碰到井底后，将其动压力传递给井底所形成的，在数值大小上等于射流到达井底时的动压力。,冲击压力在井底的作用特点：（1）射流冲击压力不是静压力，而是动压力；不是作用在整个井底，而是作用在射流波及的小 圆面积上。,（2）由于钻头的旋转，射流作用的小圆面积在迅速移动。本来就不均匀的压力分布，又在迅速发生变化。,第五章 第一节 钻井参数作用机理,漫流的横推作用：漫流是射流冲到井底后形成的沿井底的横向流动。漫流是紧贴并平行于井底很薄的

8、对井底遮盖较好的一层横向流动的液流，具有相当高的流速。其对井底岩屑产生横向推动力或牵引力，从而使岩屑离开原破碎点。,作用特点：,第五章 第一节 钻井参数作用机理,在纵向上，约在0.4mm的高度上，漫流速度最大，超过此高度后，漫流速度随距井底高度的增加而迅速降低。要增大漫流流速，就要增大射流喷速和射流流量。,增大射流喷速减小喷射距增大,射流清洗井底综合结论：,第五章 第一节 钻井参数作用机理,1.钻井液密度对钻速的影响,二、钻井液性能对钻速的影响,d=GDs+,附加钻井液密度，常取3050 kgm3；GDs地层压力梯度，Pam。,原因：井底压差对刚破碎的岩屑有压持效应，阻碍井底岩屑的及时清除，影

9、响钻头的破岩效率。,第五章 第一节 钻井参数作用机理,2.钻井液粘度对钻速的影响,井底净化,3.钻井液固相含量及其分散性对钻速的影响 钻井液的固相含量对钻进速度和钻头消耗量都有严重的影响，一般应尽量采用固相含量低于4%的低固相钻井液。,循环压力损耗,第五章 第一节 钻井参数作用机理,对钻井液固相含量的深入研究发现，不仅固相含量对钻速有影响，固体颗粒的分散度也对钻速有影响。实验证明，分散性钻井液不分散性钻井液钻速低，钻井液内小于1m的胶体颗粒越多，对钻速的影响越大。此外：钻井液含油、失水等对钻速也有影响。,第五章 第一节 钻井参数作用机理,三、钻压、转速的影响,1.钻压、转速对钻速的影响,第五章

10、 第一节 钻井参数作用机理,牙齿磨损对钻速的影响,C2牙齿磨损系数h牙齿磨损量，新钻头h=0，牙齿全部磨损h=1,第五章 第一节 钻井参数作用机理,杨格(Young)于1969年提出的杨格钻速模式。当岩层特性、钻头类型、以及钻井液性能和水力参数一定时，K、WM、C2都是固定不变的常量，可由释放钻压法等钻进试验和钻头资料确定。在杨格模式中引入考虑井底压差和水力参数影响的修正系数，便成为修正杨格模式。即,第五章 第一节 钻井参数作用机理,Cp压差影响系数；GH水力参数影响系数；a3与岩层性质有关的影响系数，可由统计分析钻井实际资料确定；Dv垂直井深，m；Ps实际的钻头比水功率，kW/cm2；Psn

11、井底充分净化时要求的钻头比水功率，kW/cm2；vpen井底充分净化时的钻速，m/h。,第五章 第一节 钻井参数作用机理,2.钻压、转速对钻头磨损的影响,（1）钻压、转速对牙齿磨损速度的影响,第五章 第一节 钻井参数作用机理,Q1，Q2由钻头类型决定的系数；D1，D2钻压影响系数，其值与牙轮钻头尺寸有关；C1牙齿磨损系数；Af地层研磨性系数，其含义是当钻压、转速和牙齿的磨损状况一定时，牙轮钻头牙齿的磨损速度与地层的研磨性成正比。,第五章 第一节 钻井参数作用机理,（2）钻压、转速对轴承磨损速度的影响,第五章 第一节 钻井参数作用机理,B轴承磨损量，由轴承磨损分级标准确定；b承轴工作系数，与钻头

12、类型及钻井液性能有关，由实际资料确定。,第五章 第一节 钻井参数作用机理,一、射流水力参数和钻头水力参数,射流水力参数包括：,喷射速度,射流冲击力,射流水功率,1.射流水力参数,Wj=dQ2Ant,第二节 水力参数的优选,vj=QAnt,第五章 第二节 水力参数的优选,2.钻头水力参数,钻头水力参数包括,钻头压力降,钻头水功率,（1）钻头压降,第五章 第二节 水力参数的优选,（2）钻头水功率,所以,第五章 第二节 水力参数的优选,（2）用钻头水力参数表示射流水力参数,钻头水力参数和射流水力参数间关系,C-表示的是能量转换效率,第五章 第二节 水力参数的优选,1.水功率传递的基本关系式,ps=p

13、g+pi+pa+pb=pcs+pbPs=Pg+Pi+Pa+Pb=Pcs+Pb,pg，pi，pa，ps分别为地面管汇、钻柱内部、环形空间的压力损耗及地面泵压；Pg，Pi，Pa，Ps分别为地面管汇、钻柱内部、环形空间的功率损耗地面泵的功率。,二、水功率的传递,第五章 第二节 水力参数的优选,2.循环系统压力损耗的计算,管内紊流：,环空内紊流：,第五章 第二节 水力参数的优选,(1)管内层流(2)环空内层流(3)流动状态的判别(4)紊流流态下压力损耗的计算,f管路的水力摩阻系数；di，dp，dh分别为圆管内径、钻柱外径和井眼直径，m；v平均流速，m/s。,第五章 第二节 水力参数的优选,在紊流状态下

14、，为了便于工程计算，通常将f与Re的实验曲线用下式来近似计算：,式中的A对不同类型的钻杆和环形空间的取值不同。对于内平钻杆，A=0.053；对于贯眼接头的钻杆内和环形空间，A=0.059。,第五章 第二节 水力参数的优选,对于管内流：,对于环空流：,对于管内流：,(5)循环系统压力损耗计算公式的简化处理,对于管内流，用紊流：,第五章 第二节 水力参数的优选,第五章 第二节 水力参数的优选,pcs=(Kg+Kp+Kc)Q1.8=KcsQ1.8其中 Kcs=Kg+Kp+Kc,第五章 第二节 水力参数的优选,令 Kp=mLp Kg+Kc-mLc=n,pcs=KcsQ1.8=(mDw+n)Q1.8,第

15、五章 第二节 水力参数的优选,(6)提高钻头水力参数的途径,第五章 第二节 水力参数的优选,提高钻头水力参数的可行途径,通过优选钻井液排量，使喷射钻井在最优条件下工作。,通过改变地面泵的条件提高泵压和泵功率；,通过减少钻井液密度、钻井液粘度降低循环系统的压力损耗系数；,通过减少喷嘴直径，提高钻头压降系数；,第五章 第二节 水力参数的优选,四、钻井水力参数设计,水力参数设计实质：在一定的条件参数（泵功率、泵压、最低环空返速、井深）下选择手段参数（排量、喷嘴直径）使喷射速度、射流冲击力、射流水功率等钻头和射流水力参数等目标参数获得最优工作效果。,1.最低环空返速的确定,第五章 第二节 水力参数的优

16、选,2.泵的工作状态,第五章 第二节 水力参数的优选,3.喷射钻井工作方式及最优条件,第五章 第二节 水力参数的优选,(1)最大钻头水功率工作方式Pbmax,当泵处在额定泵功率工作状态时，Ps=Pr,ps=Pr/Q，则有,可见，随着排量Q的增大，钻头水功率Pb将不断降低；Q减小，Pb总是增大。但由于在Ps=Pr工作状态下，排量最小只能等于Qr。所以，在Ps=Pr工作状态下，实际获得Pbmax的条件为：Q=Qr。,当泵处于额定泵压工作状态时，ps=pr,则钻头水功率可表示为,第五章 第二节 水力参数的优选,(2)最大射流冲击力工作方式Wjmax,当泵处在额定泵功率工作状态时，Ps=Pr,ps=P

17、r/Q，则有,获得Wjmax的条件应为,即:,但在实际工作中，要求QQr是不合适的。因此，在额定泵功率工作状态下，通常不采用所得的理论条件，而以Q=Qr为最优条件。,第五章 第二节 水力参数的优选,(3)最大射流喷速工作方式vjmax,在额定泵功率工作状态下，vj可表示为,在额定泵压工作状态下，vj可表示为,可见，不管在哪种泵工作状态下，随着Q的减小，vj总是增加的。实际上，若使环空上返的钻井液完成携屑的任务，排量必须满足井眼净化所要的最低值Qa。因此，Q最小只能等于Qa。实际工作中，vjmax的最优条件为Q=Qa。,第五章 第二节 水力参数的优选,4.临界井深的确定,(1)Pbmax方式的工

18、作图象及临界井深,当QQr时,当QQr时,第五章 第二节 水力参数的优选,(2)Wjmax方式的工作图及临界井深,当QQr时,当QQr时,第五章 第二节 水力参数的优选,5.最优排量和喷嘴直径的确定,对于Pbmax方式(Dcr1DwDcr2),对于Wjmax方式(Dcr1DwDcr2),第五章 第二节 水力参数的优选,第三节 钻进参数优选,一、建立目标函数,以单位进尺成本C作为优选钻进参数目标函数:,Cb钻头成本，元；Cr钻机作业费，元h；tt起下钻时间，h；tcn接单根时间，h；td钻头工作时间，h；H钻头总进尺，m。,第五章 第三节 钻进参数优选,钻头总进尺及其工作时间，可由修正杨格钻速模

19、式和钻头牙齿磨损模式确定,第五章 第三节 钻进参数优选,第五章 第三节 钻进参数优选,若将：,对牙齿最终磨损量hf进行积分，可以求出牙齿最终磨损量为hf时的钻头寿命：,令：,hf牙齿最终磨损量。F考虑到牙齿磨损对钻速和磨损速度影响后的钻头寿命系数；与E相似，是最终磨损量的函数,第五章 第三节 钻进参数优选,钻进目标函数可表示为：,令：,te钻头与起下钻和接单根成本的折算时间，h；当钻头成本一定时，te仅与起下钻和接单根时间有关，而与钻进参数无关。,第五章 第三节 钻进参数优选,则目标函数可表达为含五个变量(W，n，hf，CH，Cp)的关系式,第五章 第三节 钻进参数优选,二、目标函数的极值点,

20、牙齿磨损量h 1h0轴承磨损量B 1B0钻压W WM0时，D2D1WWM WM0时，D2D1W0 转速n n0,第五章 第三节 钻进参数优选,钻压、转速和牙齿磨损量，在数值上都有一定限制。归纳起来可用四组不等式描述。,1.钻头最优磨损量,三元超越方程式，它在W-n-hf三维空间中组成一个曲面，称为最优磨损面。但因钻进成本函数受到四个不等式的约束，凡在可行集以外的最优磨损量都是不可取的，这时只能用可行集上的极限磨损量作为最优磨损量。,第五章 第三节 钻进参数优选,给定n和hf值时，求最优钻压的通式。解此方程式可以获得两个钻压值，一个大于D2D1，另一个小于D2D1。由于前者不属于目标函数的可行集

21、，故其解应是小于D2D1的解。,2.最优钻压,第五章 第三节 钻进参数优选,3.最优转速,是根据给定钻压W和钻头磨损量hf求最优转速的通用公式。该条件方程共有三个解，一个实数解和两个复数解。对于钻进参数来说，只有实数解才有意义。,第五章 第三节 钻进参数优选,在实际工作中，一般都根据邻井或同口井上一个钻头资料，先确定牙齿或轴承的合理磨损量，然后根据钻机设备条件确定转速的允许范围，最后求不同钻压转速配合时的钻井成本，从中找出成本最低的最优钻压转速配合。,例：某井段地层的可钻性系数为2.310-6，研磨性系数为2.2810-3，门限钻压为1.0104N，转速指数为0.68。拟采用215mm的21型

22、钻头钻进（D2=6.44,D1=1.43310-5,Q1=1.5,Q2=6.5310-5,C1=5,C2=3.68,CH=1,Cp=1）。钻头成本为900元，钻机作业费用为250元/小时，起下钻时间为5.57h，试求转速为50r/min，hf=1.0时的最优钻压、钻头寿命和钻进成本。,第五章 第三节 钻进参数优选,解：,最优钻压：,若求最优钻压，必须先计算出te、F,第五章 第三节 钻进参数优选,第五章 第三节 钻进参数优选,钻头寿命：,最低钻井成本：,第五章 第三节 钻进参数优选,第五章 第三节 钻进参数优选,多元回归钻速方程，是把影响钻进速度的各因素归纳成一个数学表达式，能够实现同时确定最

23、优钻压转速和水力参数等多种因素，使最优化钻井技术又向前迈进了一步。,第四节 多元钻进模式,鲍戈因(Bourgoyne)和杨格运用多元回归分析法，考虑了井深、岩层特性、井底压差、钻压、转速及水力参数等八个主要因素对钻速的综合影响，建立了一个多元钻速回归方程。,一、多元钻速模式,第五章 第四节 多元钻进模式,式中所考虑的八项因素为：1)常数项a0为岩石可钻性系数，其中包括岩石强度，以及与可钻性有关的钻头类型和钻井液性能等对钻速的影响。,第五章 第四节 多元钻进模式,2)a1X1为岩层埋藏深度，即所钻井深对钻速的影响。在正常情况下，岩层的压实程度随埋藏深度的增加而增加，因此钻速指数将随井深的增加而下

24、降。指数X1为井深Dw的函数。取3000 m处的相对钻速为1.0，则exp(a1X1)=1.0，所以,3)a2X2为岩层致密性对钻速的影响。它与岩层的埋藏深度Dw(m)及孔隙压力梯度GDp有关。钻井实践证明，钻速常随地层孔隙压力梯度的增加而加快。现以孔隙压力梯度GDp=1.07时的相对钻速为1.0，X2可定为,4)a3X3为井底压差对钻速的影响。以井底压差等于零时的相对钻速为1.0，则X3定义为,第五章 第四节 多元钻进模式,当量钻井液密度,5)a4X4为单位钻头直径的钻压对钻速的影响。以单位钻头直径的钻压为8103Nm时的相对钻速为1.0。大量实验证明，钻速与 成正比，因此X4的定义为,第五

25、章 第四节 多元钻进模式,一般为0.62.0,6)a55为钻头转速的影响。以n=100 r/min为标准，即此时相对钻速exp(a5X5)=1，因钻速与na5成正比，所以X5的定义为,7)a6X6为水力参数对钻速的影响。X6可定义为,d钻井液密度；Q钻井液排量；喷嘴出口处的钻井液粘度；dne钻头喷嘴当量直径；kH比例系数。,第五章 第四节 多元钻进模式,8)a7X7为牙齿磨损对钻速的影响，现规定,第五章 第四节 多元钻进模式,h为根据磨损分级标准确定的齿高磨损量。新钻头的h=0，齿高全部磨损时h=1。a7与钻头类型及岩层性质有关。使用硬质合金齿时，牙齿磨损对钻速的影响很小，可以认为a7=0(即

26、不考虑牙齿磨损对钻速的影响)。,二、多元钻进模式参数的优选,现仍选,作为钻进成本模式为目标函数，则钻头进尺和钻头工作时间可由多元钻速方程和前面所建立的牙齿磨损模式求得：,第五章 第四节 多元钻进模式,根据成本最低的最优钻压存在条件,可确定给定n和hf条件下最优钻压的通式：,第五章 第四节 多元钻进模式,根据最优转速存在条件 可解得给定钻压W和磨损量hf值求转速的通式：,第五章 第四节 多元钻进模式,可见，其它参数不变时，exp(a6X6)极大，则机械钻速也将最大，因此，最优水力参数可由a6X6为极大值时确定。根据钻头压降计算公式,及喷嘴直径公式,可得,第五章 第四节 多元钻进模式,根据存在最优排量的条件 可求得最优排量为,由此可见，exp(a6X6)达极大值时的最优排量和循环系统压力损耗，即为最大冲击力时的相应值。,或：,第五章 第四节 多元钻进模式,