[优选参数钻井]海洋钻井工程

1,海洋钻井工程,李玮博士、副教授Tel-mail:liwei,目录,海上钻井发展状况及环境特点海上钻井装置海上钻井主要系统海底岩石与钻头破岩井眼轨道设计与控制优选参数钻井海洋钻井压力预测与控制海上钻井工艺技术,本章主要内容,一、钻井参数作用机理二、水力参数的优选三、钻进参数优选,3,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。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。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。,优选参数钻井,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。,一、钻井参数作用机理,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。,（一）射流对井底的净化作用,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基本段。,1、射流的结构和特性,（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：,1、射流的结构和特性,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。,1、射流的结构和特性,（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。,1、射流的结构和特性,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。,2、射流对井底的净化作用,净化作用,作用在井底岩屑上冲击压力极不均匀，使岩屑产生一个翻转力矩，从而离开井底。,提高冲击压力对井底的净化作用，必须提高冲击压力梯度，需增大射流出口动压力和射流压力减低系数，或缩小喷嘴直径。,2、射流对井底的净化作用,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：,2、射流对井底的净化作用,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：,2、射流对井底的净化作用,1.钻井液密度对钻速的影响,d=GDs/+,附加钻井液密度，常取3050kgm3；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，影响钻头的破岩效率。,（二）钻井液性能对钻速的影响,井底压差对钻速的影响,2.钻井液粘度对钻速的影响,井底净化,循环压力损耗,（二）钻井液性能对钻速的影响,图钻井液运动粘度对钻速的影响,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。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。,（二）钻井液性能对钻速的影响,1.钻压、转速对钻速的影响,（三）钻压、转速的影响,2.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,（三）钻压、转速的影响,图钻速与牙齿磨损量的关系曲线,（三）钻压、转速的影响,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,（三）钻压、转速的影响,式中：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。,（三）钻压、转速的影响,3.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,式中：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。,（1）钻压、转速对牙齿磨损速度的影响,（2）钻压、转速对轴承磨损速度的影响,式中：B轴承磨损量，由轴承磨损分级标准确定；b承轴工作系数，与钻头类型及钻井液性能有关，由实际资料确定。,本章主要内容,一、钻井参数作用机理二、水力参数的优选三、钻进参数优选,26,射流水力参数,喷射速度,射流冲击力,射流水功率,1.射流水力参数,（一）射流水力参数和钻头水力参数,2.钻头水力参数,钻头水力参数,钻头压力降,钻头水功率,（1）钻头压降,（一）射流水力参数和钻头水力参数,钻头前后的泥浆速度和压力分别为p1、v1和p2、v2，喷最高H，根据伯努力方程，可以写出：,h是泥浆流过喷嘴后损失的水头,令,（一）射流水力参数和钻头水力参数,（2）钻头水功率,所以,令:,为能量转换系数,（一）射流水力参数和钻头水力参数,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,式中：C表示的是能量转换效率,1.水功率传递的基本关系式,式中：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,2.循环系统压力损耗的计算,管内层流钻井液在地面管汇和钻柱内的流动可看作圆管内流动。(2)环空内层流钻井液在环形空间中的流动方式可分为：同心环空轴向流、偏心环空轴向流、同心环空螺旋流及偏心环空螺旋流四种。(3)流动状态的判别Re2100时为层流，Re2100时为紊流。(4)紊流流态下压力损耗的计算,式中：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。,管内紊流：,环空内紊流：,2.循环系统压力损耗的计算,在紊流状态下，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。,对于管内流：,对于环空流：,2.循环系统压力损耗的计算,(5)循环系统压力损耗计算公式的简化处理,研究表明，除小井眼钻井外，循环系统压力损耗主要产生于管内流动损失，而环空压力损耗在数值上较小。因此，在进行循环系统压力损耗计算时通常不进行流态的判别，而全部采用紊流公式进行简化计算。,对于管内流，用紊流：,2.循环系统压力损耗的计算,2.循环系统压力损耗的计算,2.循环系统压力损耗的计算,令,则可得到便于应用的压力损耗计算公式：,2.循环系统压力损耗的计算,(6)提高钻头水力参数的途径,泵功率,泵压,钻头压降,2.循环系统压力损耗的计算,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；通过优选钻井液排量，使喷射钻井在最优条件下工作。,提高钻头水力参数的可行途径,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。,（三）钻井水力参数设计,vcvas称为岩屑举升效率或传输比，现场上通常采用它来衡量井眼净化程度。实践表明，vcvas0.5以后即能保证井眼清洁。因此，最大的岩屑滑落速度应为vsl=0.5vas，或最低的环空返速应为vas=2vsl。莫尔(Moore)提出的关系式：,1.最低环空返速的确定,2.泵的工作状态,泵的工作状态,3.喷射钻井工作方式及最优条件,到目前为止仍不能断言具体哪一种工作方式现场效果为最佳。但国内各油田使用最普遍的是最大钻头水功率工作方式。,射流与钻头水力参数随排量变化规律,(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。,于是可得其最优条件为,若获得Pbmax，必有条件，,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,(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,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。,(2)最大射流冲击力工作方式Wjmax,利用,求得获取Wjmax的条件为,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,(2)最大射流冲击力工作方式Wjmax,(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。,(1)Pbmax方式的工作图像及临界井深,当QQr时,当QQr时,4.临界井深的确定,Pbmax工作方式图,对于第二临界深(3点)，最优条件满足pcs=0.357pr，及Q=Qa于是有,对于第一临界井深(2点)，最优条件既满足Q=Qr，又满足pcs=0.357pr，于是有,(1)Pbmax方式的工作图像及临界井深,(2)Wjmax方式的工作图及临界井深,当QQr时,当QQr时,Wjmax工作方式图,对于第二临界井深(4点)，最优条件满足pcs=0.526pr，及Q=Qa,对于第一临界井深(3点)，最优条件既满足Q=Qr，又满足pcs=0.526pr,(2)Wjmax方式的工作图及临界井深,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),对于两种不同的工作方式，实际上泵总是以额定泵压pr为系统提供压力的，因此，针对每个井深所确定的排量Qop，可以计算出循环系统压力损耗pcs，于是即可确定出钻头压降pb，即pb=pr-pcs进而由钻头压降公式得出喷嘴当量直径,对于三个等径喷嘴，每个喷嘴的直径可写为,5.最优排量和喷嘴直径的确定,本章主要内容,一、钻井参数作用机理二、水力参数的优选三、钻进参数优选,57,以单位进尺成本C作为优选钻进参数目标函数:,式中：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。,（一）建立目标函数,钻头总进尺及其工作时间，可由修正杨格钻速模式和钻头牙齿磨损模式确定,（一）建立目标函数,（一）建立目标函数,式中：J当牙齿磨损量h=0时的初始钻速，mh；S牙齿磨损量h=0时的牙齿初始磨损速度，其倒数相当于不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论寿命，h-1；JS值即为不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论进尺E考虑牙齿磨损对钻速和磨损速度影响后的进尺系数。,令：,则：,（一）建立目标函数,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：,式中：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,（一）建立目标函数,钻进目标函数可表示为：,令：,式中：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。,（一）建立目标函数,则目标函数可表达为含五个变量(W，n，hf，CH，Cp)的关系式,（一）建立目标函数,牙齿磨损量h1h0轴承磨损量B1B0WM0时，D2D1WWMWM0时，D2D1W0转速nn0,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。,（二）目标函数的极值点,钻压W,对于同一个钻头，轴承磨损量与牙齿磨损量始终保持着严格的对应关系。因为同一个钻头的工作寿命tb同时为牙齿磨损量或轴承磨损量的函数。即,（二）目标函数的极值点,三元超越方程式，它在W-