钻井工程5-钻进参数优选

第五章钻进参数优选,Chapter5:OptimizationofDrillingparameter,钻进参数表征钻进过程中的可控因素所包括的设备、工具、钻井液和操作条件的重要性质的量。钻进参数优选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。,钻进参数可分为固定参数和可调参数两类：固定参数地层参数、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。可调参数钻进中的机械参数、水力参数、钻井液性能和流变参数三大类参数。,钻进参数采集,机械参数-指钻头类型、钻压与转速水力参数-指泵型选择、泵压、排量和水眼组合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、流变参数可调参数的优选都应以地层固定参数为依据。深入掌握这些可调参数对钻进效益的影响规律，建立钻进数学模型，是实施优选参数钻井的重要基础。,多元统计分析,主要内容,第一节钻井参数作用机理（欠平衡钻井技术）,第一节钻井参数作用机理,1Mechanismsofdrillingoptimizationondrillingrate,一、射流对井底的净化作用钻井液通过喷射式钻头的喷嘴，能够形成喷射钻井所需钻井液射流是喷射式钻头与普通钻头的主要区别.实际钻井过程中，钻井液由喷嘴形成的射流属淹没非自由射流。射流冲到井底以后能产生两种净化井底的作用：一是射流对井底岩屑的冲击压力作用。二是漫流对井底岩屑的横推作用。,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。按射流流体与周围流体介质的关系划分，可分为淹没射流（射流流体的密度小于或等于周围流体的密度）和非淹没射流（射流流体密度大于周围流体密度）；按射流的运动和发展是否受到固壁限制，可分为自由射流（不受固壁限制）和非自由射流（受到固壁限制）；按射流压力是否稳定划分，又可分为连续射流（射流内某一点的压力保持稳定）和脉冲射流（射流流束内的压力不稳定）等。在喷射式钻头的井底条件下，钻井液从普通喷嘴喷出形成射流后，被井筒内的钻井液所淹没，并且其运动和发展受到井底和井壁的限制，因而属淹没非自由射流。,淹没非自由连续射流的基本特征射流具有等速核和扩散角在射流横截面上中心速度最大在射流轴线上，超过等速核以后射流轴线上的速度迅速降低撞击井底后，形成井底冲击压力波和井底漫流,射流轴线上的速度衰减规律,为射流扩散角dn为喷嘴直径L为射流轴线上某点距出口的距离vjo为射流出口流速vjm为距出口L处的最大流速,射流在喷嘴出口断面，各点的速度基本是相等的，为初始速度。随着射流的运动和向前发展，由于动量交换并带动周围介质运动，首先射流周边的速度分布受到影响，且影响范围不断向射流中心推进，使原来保持初始速度运动的流束直径逐渐减小，直至射流中心的速度小于初始速度。射流中心这一部分保持初始速度流动的流束，称为射流等速核。射流等速核的长度主要受喷嘴直径和喷嘴内流道形状的影响。由于周围介质是由外向里逐渐影响射流的，在射流的任一横截面上，射流轴心上的速度最高，自射流中心向外速度很快降低，到射流边界上速度为零。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。,冲击压力是当射流碰到井底后，将其动压力传递给井底而形成的，在数值大小上等于射流到达井底时的动压力。,特征：动压力、不均匀、移动变化翻转力矩冲击压力梯度,就整个井底而言，射流作用的面积内压力较高，而射流作用的面积以外压力较低。在射流的冲击范围内，冲击压力也极不均匀，射流作用的中心压力最高，离开中心则压力急剧下降。另外，由于钻头的旋转，射流作用的小面积在迅速移动，本来不均匀的压力分布又在迅速变化。由于这两个原因，使作用在井底岩屑上的冲击压力极不均匀。极不均匀的冲击压力使岩屑产生一个翻转力矩，从而离开井底。这就是射流对井底岩屑的冲击翻转作用。,漫流是射流冲向井底以后形成的沿井底的横向流动。实验研究表明，漫流是紧贴并平行于井底很薄的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。它会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。,漫流分布规律：在射流冲击的面积以内，射流冲击中心的漫流速度为零；离开中心，漫流速度逐渐增大；在射流冲击面积的边缘，漫流速度达到最大。在射流冲击面积以外，漫流速度与距冲击中心的距离成反比，即离冲击中心愈远则漫流流速愈小。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，就要增大射流的喷速和流量。,研究表明，在表面光滑的井底条件下，最大漫流速度出现在小于距井底0.5mm的高度范围内，最大漫流速度值可达到射流喷嘴出口速度的50-80。喷嘴出口距井底越近，井底漫流速度越高。正是这层具有很高速度的井底漫流，对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置，而处于被钻井液携带并随钻井液一起运动的状态。因而，井底漫流对井底清洗有非常重要的作用。,射流对井底的破岩作用多年来的研究和喷射钻井实践表明，当射流的水功率足够大时，射流不但有清洗井底的作用，而且还有直接或辅助破碎岩石的作用。在岩石强度较低的地层中，射流的冲击压力超过地层岩石的破碎压力时，射流将直接破碎岩石。这种破岩形式在一口井的表层钻进中经常遇到。如有些地区钻鼠洞，只开泵不用旋转钻头就可完成。在岩石强度较高的地层中，钻头破碎井底岩石时，在机械力的作用下，在岩石中形成微裂纹和裂缝。高压射流流体挤入岩石微裂纹或裂缝，形成“水楔”，使微裂纹和裂缝扩大，使岩石强度大大降低，钻头的破碎效率大大提高。,二、钻井液性能对钻速的影响试验证明，钻井液密度、粘度、失水量和固相含量及其分散性等，都对钻速具有不同程度的影响。1.钻井液密度对钻速的影响钻井液密度的基本作用在于保持一定的液柱压力，以控制地层内的流体进入井内。,主要原因是：井底压差对刚破碎的岩屑有压持作用，阻碍井底岩屑的及时清除，影响钻头的破岩效率，从而使钻速相应下降。,室内试验和钻井实践证明，提高钻井液密度，增加井内液柱压力和地层压力之间的压力差，将使钻速急剧下降。,现场试验结果,实验证明，低渗透性岩层内，压差对钻速的影响比在高渗透性岩层内的影响大。因此，钻低渗透性岩层时，更应尽量降低钻井液密度，实施平衡压力钻井（欠平衡压力钻井）。降低钻井液密度虽能提高钻速，但它常受地质条件、井壁稳定等的限制，不能任意降低。多年来的钻井实践证明，为在确保安全钻井的前提下尽量提高钻速，用近平衡压力钻进.,常规钻井,0.03-0.05g/cm3,欠平衡压力钻井技术是八十年代后期在美国德克萨斯州奥斯汀白垩系地层钻井时得以迅速发展起来的。,国内外现状,欠平衡压力钻井技术,以空气钻井为先锋，开始于20世纪50年代，主要采用空气压缩机向井内注入空气和水的混合物。,机械钻速较常规提高100%-500%！,欠平衡钻井概念UnderBalancedDrilling(UBD)欠平衡钻井是指在钻井过程中，允许地层流体进入井内，循环出井并在地面得到控制的一种钻井方式。,欠平衡钻井技术简介,据2003年4月统计，我国海陆油田已引进相应防喷器近40套，克拉玛依、四川、长庆、玉门、塔里木、吐哈、中原、胜利、大港、辽河、大庆等油田共进行了107口欠平衡钻井。,在大港千米桥发现一个亿吨级油田！（板深7、板深8井）,完成8200口占总井数的25%,美国欠平衡井应用统计与预测,加拿大计划用欠平衡钻井技术开发整个油田；美国能源部和Maurer工程公司预测，到2005年，全球运用欠平衡技术钻井总数可达12000口。美国和加拿大拥有先进的欠平衡钻井装备配套的欠平衡钻井技术专业技术服务公司,欠平衡钻井的优越性,欠平衡钻井的缺点,1.钻井成本高（设备多、井场大、钻井液）,2.存在不安全隐患（井喷、井塌、爆炸、腐蚀）,3.地层损害（不能形成泥饼，不持续欠平衡时发生）,适合实施欠平衡钻井的储层,有裂缝的碳酸盐岩，泥页式页岩有构造缺陷或压力衰竭的紧密砂岩多孔隙、高渗透白云岩，井漏严重某些趋向于多孔隙的火山岩,欠平衡钻井主流技术,控流钻井（Flowdrilling，也译作边喷边钻、流钻等）,用纯液体钻井液进行的欠平衡钻井叫控流钻井，如水、盐水、水基泥浆、油、油基泥浆等。,控流钻井技术的研究,确定合理负压差，设计钻井液密度1.从开发上讲，油层速敏、应力敏感性、出砂、坍塌的临界值决定了负压差的最高限。2.从钻井工程上讲，泥页岩地层的井壁稳定性确定了负压差的最高限。3.地面设备的分离能力也限制了最高负压差。4.负压差大小还要视储层的产能而定，一般为0.7MPa。,为满足我国低压储层欠平衡钻井的要求，从美国Weatherford公司引进了现场制氮充气钻井设备。包括压缩机、膜氮设备、增压器。,欠平衡钻井关键设备,1、井口压力控制装置旋转控制头或旋转防喷器,静压35MPa动压17.5MPa,美国Williams公司7100型旋转控制头,目前世界上压力等级最高的旋转防喷器,欠平衡钻井关键设备,1.井口压力控制装置旋转控制头或旋转防喷器,2.地面流体处理设备开式：液气分离器、撇油罐和自动点火装置闭式：四相分离器,国内从九十年代中后期开始引进旋转防喷器等主要设备，进行欠平衡钻井的试验研究，选择合适的地层进行探索性试验。,常规防喷器组合、六棱方钻杆、斜台肩钻杆、内防喷工具、重泥浆储备罐以及消防安全器材，节流管汇至少要配置一个液动节流阀，井口最好使用套管头。,3.钻井配套的设备、工具,装备配套空气压缩机、增压机、制氮装备、套管阀等。测量配套电磁MWD、PWD等。软件计算与模拟SURE(适合于欠平衡钻井的油藏选择)等。,套管阀,欠平衡钻井与气体钻井配套技术,欠平衡压力钻井地面处理系统,现场实施情况,滚动生产井，火成岩储层,地层压力系数0.96，三开实施欠平衡钻井。,罗151-11井,三开采用硬胶泡沫钻井液，地面密度0.6-0.7，设计井底负压差1.5MPa，完钻静止25min外溢,试油日产18t/d,为邻井产量的两倍。,江汉油田王场地区盐间非砂岩储层欠平衡水平井。该井水平段前段为中孔-特低渗孔隙型储层，后段为整体裂缝型储层，采用饱和盐水混油乳化钻井液欠平衡钻进。,王平1井,王平1井水平段裂缝性井段实测地层压力系数1.62，采用1.35-1.51的钻井液，井底静欠压1.43MPa，动欠压0.78MPa，投产后取得明显的效果，日产65t/d。,以往该地区钻井发生严重漏失，造成油层的污染，为解决这个问题决定采用欠平衡钻井技术。,商741-平1井,火成岩储层欠平衡水平井,商741-平1井地质预告储层压力系数小于1.0,用常规钻井液无法实现欠平衡，水平段采用充氮气诱喷，实施欠平衡钻进获得成功。,该井水平段欠平衡钻进，井底动欠压3.1MPa，投产60t/d以上，取得明显的效果。,埕北244井,该井在2951.37米，钻井液密度1.06井漏，1.04井涌，打不成钻。去年2月16日装旋转防喷器，边涌边钻，解决了潜山裂缝性储层上涌下漏的复杂情况，历经三个多月，成功钻穿奥陶系，钻达目的层太古界。,（评价井）,埕北244井采用欠平衡钻井装备，探讨边涌边钻、边漏边钻的工艺，既保证了钻井的成功，又有效地保护了油气层，确保了勘探成功率，经试油，取得10mm油嘴日产油235吨、日产气6940立方米的好成绩。,2.钻井液粘度对钻速的影响钻井液粘度是通过对循环压力损耗和井底净化等作用的影响而间接影响钻速的。在一定的地面功率条件下，降低钻井液粘度，可以减小钻柱和环形空间的循环压耗，使钻头喷嘴处的压降增加，提高射流对井底的冲击力，加强清除岩屑的作用，从而使钻速也相应增加。,实验证明，在一定的钻井液排量和喷射速度下，钻速随钻井液的运动粘度的增加而降低，如图52所示。运动粘度-指钻头喷嘴出口处视粘度与其密度的比值。,实际上，增加钻井液密度将加大井底的液柱压力，对钻速有不利影响。因此，在实际工作中通常先按平衡地层压力的要求，确定钻井液密度，然后再调节钻井液性能，尽量降低钻头喷嘴处的视粘度。,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，因此必须严格控制钻井液内的固相含量，一般应尽量采用固相含量低于4的低固相钻井液。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，钻井液内直径小于1m的胶粒越多，对钻速的影响越大.,此外，钻井液失水和含油量等都对钻速有一定的影响。但因这些性能与钻井液粘度、固相含量及分散性等因素有关，钻井液失水量增大常会增大钻井液粘度，因此难于测定它们对钻速的独立影响，迄今为止，通常都只调节钻井液密度、粘度和固体含量及其分散度等主要性能来提高钻速和确保安全。只有钻到复杂地层和含油气层时，才按特定要求控制失水或混入一定量的油类，甚至完全用油基钻井液钻井，这时钻速即使有所下降，也应该满足井下的特殊需要。,钻井实践证明，钻井液性能是影响钻速的重要因素，它与水力参数密切配合对钻进速度的影响，比其它任何可控变量的影响都大。但因钻井液性能受井下工作条件的影响，难以严格控制，因此至今还没有一个能够确切反映钻井液性能影响规律的数学模式，这是优选钻进参数中需要进一步研究解决的重要课题。,钻井液（密度、粘度、固相含量及其分散性）,三、钻压、转速对钻速的影响钻压、转速是直接作用于井底籍以破碎岩石的基本参数。由于钻压、转速是通过钻头破碎岩石的，它们的作用不仅对钻进速度有影响，同时也会影响钻头的磨损速度和工作寿命。因此在优选钻压、转速时，必须综合考虑这两方面的影响，确定最优配合。,1.钻压、转速对钻速的影响图53是钻进试验的典型拟合曲线。,钻压对钻速的影响图53（a）是在其它钻进参数保持不变的情况下，钻速与钻压的关系曲线。,Oa段钻压小，净化好，钻速与钻压的平方成正比ab段钻压逐渐增大，净化逐渐变差，钻速与钻压成线性关系bc段钻压继续增大，净化严重恶化，钻速增长缓慢，至c点不再增长，甚至下降,转速对钻速的影响图53（b）是在钻压和其它钻进参数保持不变的条件下，钻速与转速的关系曲线。,通常，1，原因是转速提高后钻头工作刃与岩石接触时间缩短，每次接触时的破碎深度减少，即岩石破碎时的时间效应问题。,牙齿磨损量对钻速的影响随着钻头不断破碎岩石，钻头牙齿也随之磨损，钻头工作效率明显下降，钻进效率也随之降低。,当钻压、转速等各种钻进参数保持不变时，钻速与牙齿磨损量的关系：,C2牙齿磨损系数h牙齿磨损量，即磨损掉的高度与原始高度之比,假设W、n、h均为互不影响的独立变量钻速方程,Young模式,修正Young模式,K岩石可钻系数W,WM钻压，门限钻压C2，h牙齿磨损系数及磨损高度Cp,Cp压差、水利参数影响系数，3与岩层性质有关的影响系数GDs地层压力梯度Pa/mDv垂直井深，mPs实际钻头比水功率,KW/m2,Psn钻头充分净化时要求的钻头比水功率,KW/m2Vpen钻头充分净化时的钻速,2.钻压、转速对钻头磨损的影响牙轮钻头的磨损包括两个方面：一是：牙齿的磨损一是：钻头轴承的磨损,（1）钻压、转速对牙齿磨损速度的影响钻头牙齿的磨损速度，可以用齿高磨损量对时间的导数来表示。它与钻压、转速及齿高磨损量的关系曲线（图55）。,（2）钻压、转速对钻头轴承磨损速度的影响在某些研磨性较低的岩层内，或用牙齿耐磨性很高的镶齿牙轮钻头时，钻头牙齿往往磨损不多而轴承先期磨损。这时钻头的工作寿命则应由轴承的磨损速度来确定。,B轴承磨损量,实际钻进过程中，钻压、转速和水力参数在井底的破岩、清岩作用是同时发生的，很难确定水力参数只起清岩作用而不起破岩作用。研究表明：在切削齿使岩石产生裂缝的前提下，水力对破碎坑的冲蚀和水楔作用有利于扩展裂纹而加速岩石的破碎。机械参数与水力参数是相辅相成的，同时提高这两种参数将有利于提高机械钻速。,第二节水力参数的优选,2Optimizationofhydraulicparameter,喷射钻井中从钻头喷嘴中喷出钻井液射流，速度高、水力功率大，它不仅能使岩屑及时迅速地离开井底，始终保持井底干净，而且在一定条件下可直接破碎岩石。这就是喷射钻井能够大幅度提高钻速的主要原因。因此，如何选择泵型、机泵工作方式、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。,一、射流水力参数和钻头水力参数对喷射钻井有实际意义的是射流水力参数。但由于钻井液流经喷嘴时要产生一部分能量损耗，因此，在喷射钻井设计中，不仅要计算射流的能量，而且要考虑喷嘴损耗的能量。能够反映出这两部分能量的，就是钻头的水力参数。,1.射流水力参数射流水力参数包括：喷射速度、射流冲击力和射流水功率。工程上，常选择射流出口断面作为水力参数的计算位置。,vj射流速度，m/sWj射流冲击力，NPj射流水功率，WQ钻井液排量，m3/sAnt喷嘴出口截面积，m2dne喷嘴当量直径，m;dni第i个喷嘴直径,m,2.钻头水力参数-钻头压力降和钻头水功率钻头压力降是指钻井液流过钻头喷嘴后钻井液压力降低的值，它受喷射速度及喷嘴流量系数的影响；钻头水功率是指钻井液流过钻头时所消耗的水功率，钻头水功率的大部分变成射流水功率，少部分则用于克服喷嘴阻力而作功。,Pb钻头水功率，WPb钻头压降,Pad钻井液密度，kg/m3C喷嘴流量系数喷嘴阻力系数Q钻井液排量，m3/sAnt喷嘴出口截面积，m2,射流水功率与钻头水功率的关系：,显然，射流水功率是钻头水功率的一部分，是由钻头水功率转换而来的，其能量转换效率即为C2。因此，欲提高Wj、Vj、Pj，就须选择C高的喷嘴，使Pb、Pb提高。,Pb钻头水功率，WPb钻头压降,Pad钻井液密度，kg/m3C喷嘴流量系数Wj射流冲击力Q钻井液排量，m3/sAnt喷嘴出口截面积，m2,二、水功率的传递钻井过程中，钻井液的循环系统主要由地面管汇、钻柱内部、钻头喷嘴及环形空间四部分组成。钻井液流经这四个部分时，都要产生压力和水功率损耗，因此钻井液在循环过程中满足压力及能量平衡方程式。,循环系统压力损耗的简化计算实际钻井条件下，管内流动总是紊流，而环空流动则可能是紊流也可能是层流。除小井眼外，循环系统压力损耗主要产生于管内流动损失。因此，工程上全部采用紊流公式进行简化计算。整个循环系统的简化压力损耗公式为,提高钻头水力参数的途径1.提高泵压和泵功率2.降低循环系统压力损耗3.减小喷嘴直径4.优选钻井液排量,三、钻井水力参数设计钻井水力参数设计是喷射钻井技术的关键所在，其实质是在一定的条件参数（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）使目标参数（喷射速度、射流冲击力、钻头水功率等钻头和射流水力参数等）获得最优的工作效果。,最低环空返速的确定实际上是：岩屑（井眼）的净化问题。,称为岩屑举升效率或传输比，衡量井眼净化程度,即可保证井眼清洁,即为最低环空返速的计算式,那么，岩屑的滑落速度如何计算呢？目前油气钻井工程中：普遍认为用Moore公式来计算钻直井时以层流上返的钻井液中岩屑滑落速度是比较准确的。,Vsl岩屑在钻井液中的滑落速度s岩屑密度,kg/m3ds岩屑粒径，md钻井液密度,kg/m3dh,dp井