第5章钻进工艺技术(钻进参数优化、井斜及控制).ppt

钻头 三种钻柱 组成和功能井口工具钻井液 功用 类型和性能 课堂回顾 第5章钻进工艺技术 钻进的任务是破碎岩石 钻速的高低 井身质量的优劣和成本的高低 受到地层性质的制约 同时也受到钻进设备 工具的性能及钻进工艺技术措施的影响 钻进是根据所钻地层的特点 通过选择和使用合适的工具 选择合理的工艺技术措施 使钻头在地层中沿预定的轨道前进的过程 是一口井建井过程的最主要的环节 井斜 井径扩大缩径 第5章钻进工艺技术 第一节影响钻速的主要因素 第二节钻进参数优选第三节井斜及控制 第一节影响钻速的主要因素 影响钻速的因素分为两大类 指客观存在 无法改变的因素 如 所钻地层的岩石物理机械性质 储层埋藏深度 地层压力等 不可变因素 可变因素 指可人为选择和改变的因素 如 钻头类型 钻压 转速 牙齿磨损 水力参数 钻井液性能等 调节可变因素适应之 优选 设计 最主要的两个钻井参数机械破岩参数 西部 0 45m h东部 70m h哈萨克斯坦 0 2m h 巨厚盐膏层2000 5000m 一 牙齿磨损对钻速的影响 C2 牙齿磨损系数 与钻头结构和岩石性质有关 h 牙齿磨损量 s H 牙齿磨损掉高度 原齿高新钻头h 0 牙齿全部磨损时h 1 是直接作用于钻头上的压力 是使钻头破碎岩石的最基本参数 二 钻压 oa段 钻压小 钻速很小ab段 钻压增大 钻速随钻压增大 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 条件 其它参数不变 实际应用中 以直线段为依据建立钻压 W 和钻速 Vm 的定量关系 即 式中 W0称为门限钻压 它是ab线在钻压轴上的截距 认为是钻头牙齿刚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 条件 其它参数不变 因此 钻压不能无限制地增加 存在最优值 三 转速 转速与钻速的关系 因此 转速不能无限制地增加 存在最优值 四 水力因素 在钻进过程中 从钻头喷嘴中喷射出的钻井液 射流 对钻进过程发挥着三种作用 最主要的作用 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 四 水力因素 保持井底清洁要经过三个过程 首先是使破碎的岩屑离开岩石母体 然后是岩屑在井底被移动 最后由上返的钻井液将其从环空举升到地面 压持效应 由于井内钻井液柱所形成的静液压力大于地层压力 使得岩屑被压持在井底不易脱离的现象 克服压持效应依靠射流的冲击压力和漫流的横向推力 射流对井底的清洁净化作用 1 漫流的横推作用射流冲击井底后 钻井液便从冲击中心向四周高流速作横向流动 形成漫流 从而对井底岩屑产生一个横向推力 使其离开原来的位置 2 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 常用钻头水功率表示井底的水力能量 克服压持效应依靠射流的冲击压力和漫流的横向推力 Nb 钻头水功率 kW Pb 钻头喷嘴压降 MPa Q 排量 L S 钻头水功率 井底压持效应 井底清洁程度 钻速 钻速与水力参数的关系曲线 五 钻井液性能 钻井液密度 粘度 固相含量及其分散性等性能指标对钻速都有明显的影响 1 钻井液密度对钻速的影响 钻井液密度 井底压差 压持效应 钻头的破碎效率 钻速 井底压差 钻井液液柱压力 地层压力 2 钻井液粘度对钻速的影响 钻井液粘度 循环系统的压耗 钻头喷嘴的压降 射流对井底的冲击力 钻速 3 钻井液固相含量对钻速的影响固相含量增大 钻速降低 钻速 4 钻井液分散性 固相颗粒的分散程度 对钻速的影响分散性钻井液比不分散性钻井液钻速低 为了提高钻速 应尽可能采用 低密度低粘度低固相不分散体系钻井液 影响钻速主要因素 不改变因素 地层性质 储层埋藏深度 地层压力等 可改变因素 钻头类型 根据地层选钻头 钻压 W Vm 转速 n Vm 牙齿磨损 h Vm 水力参数 Nb Vm 钻井液性能 低密度 低粘度 低固相 不分散体系 钻机 钻头 三种钻柱 组成和功能钻井液 功用 类型和性能 课堂回顾 第二节钻进参数优选 要达到高效率 低成本钻井的目的 必须要进行 钻进参数优选 基本内容 建立钻进过程的数学模型 运用最优化理论 分析处理各种试验数据和钻井资料 寻求能使钻速最快 成本最低 进尺最多的参数组合 机械破岩参数 钻压 转速水力参数 喷嘴直径 泵压 泵排量技术关键 数学模型是否符合钻井客观规律 优选思路 确定优化目标 结合约束条件用最优化方法求解 建立影响因素与优化目标之间的数学模型 目标函数 确定影响目标的主要因素和影响规律 目标函数 每米钻井成本钻速进尺 影响规律 钻速方程牙齿磨损方程轴承磨损方程 一 钻速方程 KR岩石可钻性系数 与岩石硬度 钻头类型及洗井液性能有关 可由实验确定 Cp压差影响系数 当压力平衡时 Cp 1 CH水力参数影响系数 井底达到充分净化时 Ch 1 二 钻头牙齿磨损速度方程 Af地层研磨性系数 由实验确定 a1和a2转速影响系数 由钻头类型决定 Z1和Z2钻压影响系数 由钻头直径决定 C1牙齿磨损减慢系数 均可从相应表中查得 三 钻头轴承磨损速度方程 b为轴承工作系数 它取决于轴承结构 钻头类型 尺寸以及钻井液性能等因素 由实际钻井资料中求出 B为钻头的轴承磨损量 单位时间内的磨损量即为磨损速度 新钻头B 0 轴承损坏则B 1 四 目标函数的建立 C每米钻井成本 元 米 Cb钻头成本 元 只 Cr钻机作业费 元 h tr起下钻 接单根时间 h t钻头纯钻进时间 h H钻头总进尺 m 衡量钻井技术经济效果的标准 每米钻井成本最低等 目标函数 t f1 W n h H f2 W n h C F W n h 根据目标函数与钻速方程 磨损方程的关系 建立目标函数与机械破岩参数的关系模型 1 建立钻头进尺H与钻压 转速 牙齿磨损量等参数的关系 2 牙齿磨损量为hf时的钻头工作时间 目标函数C F W n h 目标函数的极值条件和约束条件1 极值条件2 约束条件 1 牙齿磨损量 2 轴承磨损量 3 钻压 4 转速 3 优化算法 求解最优参数 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 五 水力参数优选 目的 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的目的 由于人们在对水力作用清洗井底机理 提高钻速的认识上不同 通常有三种标准优选水力参数 用得最多 根据目标函数 循环系统水功率传递的关系和环空携岩的要求 地面泥浆泵条件 可对水力参数进行优选 第三节井斜及控制 垂直剖面图 井口为坐标原点垂深 水平位移水平投影图 井口为坐标原点N坐标 E坐标 垂直剖面图 经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线 这些铅垂线构成了一个曲面 称为柱面 将此柱面展开到一个平面上 就形成了垂直剖面图 水平投影图 俯视图 将井眼轨迹这条空间曲线投影到井口所在的水平面上 形成水平投影图 第三节井斜及控制 第三节井斜及控制 一 基本概念 1井斜 井眼轴线和铅垂线之间偏离 2井斜角 井身轴线的切线与铅垂线的夹角 3垂直井深 井口至井眼某点的垂直距离 4水平位移 井口至井眼某点的水平距离 5测量井深 井口至井眼某点的轨迹长度 井斜角 井身轴线的切线与铅垂线的夹角 垂直井深 垂深 井口至井眼某点的垂直距离 水平位移 井口至井眼某点的水平距离 测量井深 测深 井口至井眼某点的轨迹长度 定向井的有关概念 6方位角 井眼轴线在水平面上投影的切线与正北方向的夹角 以正北方向为始边 顺时针方向旋转 7井底水平位移S 井口与井底两点在水平投影面上的直线距离 测深 m 井口至井眼某点的轨迹长度 垂深 井眼轴线上某测点至井口的垂直距离 井斜角 i 井眼轴线的切线与铅垂线的夹角 方位角 井眼轴线在水平面上的投影的切线与正北方向的夹角 井底闭合方位角 h 从正北方向顺时针转至井口与井底的水平投影连线的夹角 井底水平位移Sh 井口与井底两点在水平投影面上的直线距离 D完钻井底 8井斜变化率的概念 井斜变化率 a 单位井段的井斜变化 A 9方位变化率的概念 方位变化率 f 单位井段的方位变化 fA fB 10井眼曲率K 井眼轨迹曲线的曲率 指单位井眼长度内井眼全角的变化值 通常也叫狗腿度 也称 全角变化率 为狗腿角 井眼轨迹的三大基本要素 井深 井斜角 方位角 井眼曲率K 井眼的空间曲率 K A B 实钻井眼轨迹通常是一条空间曲线 二 井斜的危害 井深会被歪曲 地质资料不真实 甚至会漏掉油 气层 由于实际钻开点和设计点偏离较远 可能会打乱油 气田的开发方案 降低原油采收率 起下钻困难 钻柱工作条件恶化 还会造成粘附卡钻 键槽卡钻等复杂情况 固井时 下套管遇阻 套管不能居中 固井质量难以保证 会对以后的采油 修井等作业带来困难 三 井斜的标准 井身质量要求按 SY5251 91 标准执行 1 地质因素对井斜的影响 1 地层几何产状 地层倾角 和地层可钻性各向异性因素沉积岩特性 垂直层面方向的可钻性高 平行层面方向的可钻性低 钻头总是沿着阻力小的方向钻进 四 井斜的原因 地质因素 钻具因素 钻进技术措施 井眼扩大 设备安装质量等 地层可钻性的各向异性导致井斜 2 地层倾斜 软硬交错的影响地层倾斜且软硬交错 钻头偏向垂直地层层面方向 钻头在上倾侧先接触到硬岩石 在下倾侧仍为软岩石 这样在钻压作用下 由于上倾侧岩石的硬度大 可钻性差 钻头吃入地层少 钻速慢 而在下倾侧 可钻性好 吃入地层多 钻速快 因此 井眼向上倾侧偏斜 开始时由于钻头在软地层一侧吃入多 钻速快 而在硬地层一侧吃入少 钻速慢 井眼有向地层下倾方向倾斜的趋势 2 地层倾斜 软硬交错的影响地层倾斜且软硬交错 钻头偏向垂直地层层面方向 2 钻具因素主要原因是钻具的倾斜和弯曲 引起钻头倾斜 造成钻头受力不平衡 在井底形成不对称切削 使钻头受侧向力作用 产生侧向切削 导致钻具倾斜和弯曲的原因 钻具和井眼有一定的空隙 钻压的作用 钻柱受压靠近井壁或发生弯曲 轻压吊打 钻具本身的弯曲 转盘安装不平 井架安装不正等 3 井眼扩大钻头在井眼内左右移动 靠向一侧 钻头轴线与井眼轴线不重合 导致井斜 地质因素 客观因素 不可改变的 其它 主观因素 井斜原因 客观因素 地层几何产状 地层可钻性各向异性地层倾斜 软硬交错 主观因素 钻具倾斜和弯曲 钻具本身弯曲 转盘安装不平 井架安装不正等 钻进措施不当井眼扩大 五 井斜的控制 井斜出现后采取相应的纠斜钻具和措施进行纠斜 通过使用防斜钻具和措施防止井斜的出现 1 防斜钻具及原理 防斜原理 使钻头上面的一段钻铤具有尽可能大的刚度和大的直径 与井眼保持较小的间隙 以便在钻进过程中受钻压作用时不易弯曲 并保持钻柱始终居于井眼中心 使钻头轴线与井眼轴线基本一致 迫使钻头沿着原来的井眼方向钻进 防斜钻具 采用刚性大的大尺寸钻具 刚性满眼钻具组合 塔式防斜钻具 光钻铤防斜钻具等 2 纠斜钻具及原理 1 钟摆钻具纠斜 利用斜井内切点以下钻铤重量所产生的横向力将钻头推向井眼下侧 以达到减小井斜的目的 钟摆力 2 偏重钻铤纠斜