钻井工程第四章-钻进参数优选汇编课件

钻井工程第四章--钻进参数优选钻进参数：

表征钻进过程中的可控因素所包含的设备、工具、钻井液以及操作条件的重要性质的量。如钻头类型、钻井液性能参数、钻压、转速、泵压、排量、钻头喷嘴直径、钻头水功率等。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。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。第一节钻进过程中各参数间的基本关系钻速与钻压的关系曲线实际应用中,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：

λ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λ≈1，随着岩石硬度增大，λ值减小。

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。

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,其含意为实际钻速与净化完善时的钻速之比.即：式中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，CH＜1。

（2）水力辅助破岩

井底比水功率越大，辅助破岩能力越强，钻速越快。5.钻井液性能对钻速的影响（1）钻井液密度对钻速的影响钻井液密度越大，井内液柱压力越大。在井内液柱压力大于地层孔隙压力的情况下，产生一个正压差。在正压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成重复破碎现象，钻速降低。此现象称为压持效应。

井底压差与钻速的关系：

压差影响系数：式中:

vpc----实际钻速,m/h;

vpc0----零压差时的钻速,m/h;

p----井底压差,Mpa；

β----与岩性质有关的系数。（2）钻井液粘度对钻速的影响

钻井液粘度增大，将会增大环空压降，使井底压差增大，钻速降低；钻井液粘度增大，钻柱内压耗增大，在泵压一定时钻头压降减小，钻头水功率减小，清岩和破岩能力降低，钻速下降。（3）钻井液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）钻井液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；钻井液中小于1μm的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。

6.钻速方程（修正杨格模式）

其中：vpc—钻速,m/h；W—钻压,kN；

M—门限钻压,kN；n—转速,r/min λ—转速指数；

C2—牙齿磨损系数；

CH—水力净化系数；Cp—压差影响系数；

h—牙齿磨损相对高度；KR—地层可钻系数。二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程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,与牙轮钻压尺寸有关。

当钻压等于Z2／Z1时,牙齿的磨损速度无限大。Z2／Z1是该尺寸钻头的理论极限钻压。

表4-1钻压影响系数2.转速对牙齿磨损速度的影响

增大转速，牙齿磨损速度加快。式中：a1和a2是由钻头类型决定的系数。见表4-2。3.牙齿磨损状况对牙齿磨损速度的影响

牙齿磨损量增大，其工作面积增大，磨损速度减小。

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。

4.牙齿磨损速度方程

式中：Af

称为地层研磨性系数.需根据现场钻头资料统计计算确定。

5.轴承磨损速度方程

轴承磨损量用B表示。轴承磨损速度用dB/dt表示。

式中：b称为轴承工作系数，与钻头类型与钻井液性能有关，现场资料确定。三、钻进方程中有关系数的确定(一）钻速方程的系数：M、λ、C2、CH、CP、KR

1.M和λ的确定——五点法钻速试验 （1）基本思路

保持钻压和钻速方程中的其它参数恒定，采用两种转速Nmin、Nmax钻进同一地层，可得到两个不同钻速值Vpcmin、Vpcmax，代入钻速方程，联立求解转速指数λ。保持转速和钻速方程中的其它参数恒定，采用两种钻压Wmin、Wmax钻进同一地层，可得到两个不同钻速值Vpcmin、Vpcmax，代入钻速方程，联立求解门限钻压M。

（2）试验条件试验中钻井液性能、水力参数恒定，一般取本地区常用值，使CH、CP不变，且避免水力因素变化对门限钻压M值的影响。试验井段或试验时间尽可能短，以保证试验开始和结束时的牙齿磨损量和地层岩性相差很小。

（3）试验步骤:准备：确定本地区钻压范围（Wmin,Wmax）和转速范围（nmin,nmax）以

及平均钻压、平均转速（W0，n0）。第一步：用平均钻压和平均转速（W0，n0）钻进1米或0.5米,

记录钻速Vpc1。第二步：用最小钻压和最小转速（Wmin，nmin）钻进1米或0.5米,记录钻速Vpc2。第三步：钻压不变，用最大转速（Wmin，nmax）钻进1米或0.5米,记录钻速Vpc3。第四步：转速不变，用最大钻压（Wmax，nmax）钻进1米或0.5米,记录钻速Vpc4。第五步：钻压不变，用最小转速（Wmax，nmin）钻进1米或0.5米,记录钻速Vpc5。第六步：用平均钻压和平均钻速（W0，n0）钻进1米或0.5米,记录钻速Vpc6。(4）M、λ计算

①将（Wmin，nmin，Vpc2）和（Wmax，nmin，Vpc5）

代入钻速方程，可求出:②将（Wmin，nmax，Vpc3）和（Wmax，nmin，Vpc4）

代入钻速方程又可求出:取M1、M2的平均值:同理可得λ的计算公式：两边取对数得:（5）试验有效性验证（地层差别验证）

若地层完全相同，Vpc1=Vpc6。

实际要求：

2.牙齿磨损系数C2的确定

假定：1）某钻头所钻井段岩性基本不变2）各项钻进参数基本恒定已知新钻头牙齿磨损量h=0，钻头起出时磨损量为hf；钻头开始钻速Vpc0，起钻时钻速Vpcf。由钻速方程可反求出牙齿磨损系数C2：3.水力净化系数CH和压差影响系数CP井底充分净化，CH=1，否则CH＜1。井底压差为0，CP=1，否则CP＜1。4.地层可钻性系数KR的确定

取得新钻头试钻资料（开始钻进时的钻速Vpc，各项钻进参数），此时牙齿磨损量h=0，由钻速方程可锝：

（二）磨损方程的系数：Z1、Z2、C1、a1、a2、b、Af

1.钻压影响系数Z1、Z2取值与牙轮钻头尺寸有关，由台架实验确定。查休斯公司实验数据表4-1。

2.转速影响系数a1，a2和牙齿磨损减慢系数C1：

取值与牙轮钻头类型有关，由台架实验确定。查表4-2。3.轴承工作系数b：

取决于钻头类型和钻井液性能。利用现场实钻资料，根据轴承磨损方程确定。4.地层研磨性系数Af

与地层研磨性和钻头耐磨性、钻井液性能等因素有关。利用实钻资料，由牙齿磨损方程反算。M,λ,KR

C2,Af,bZ1,

Z2

a1,a2,

C1可查表求得可计算求得综上所述：钻速方程、牙齿磨损方程、轴承磨损方程中的系数的确定方法：第二节机械破岩参数优选目的：寻求最优的钻压、转速组合，使钻井过程达到最佳技术经济效果。优选方法步骤：

确定标准→建立目标函数→在各种约束条件下寻求目标函数的极值点→满足极值点条件的参数组合即为最优参数。

其中:C—单位进尺成本，元/m；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—钻头工作时间,h；H----钻头总进尺,m。一、目标函数的建立

衡量钻井技术经济效果的标准：1.建立钻头进尺H与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系

在上式中，令：

J的物理意义：牙齿磨损量h=0（新钻头）时的初始钻速.S的物理意义：

牙齿磨损量h=0时牙齿的初始磨速。它的倒数相当于不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论寿命。E的物理意义：

考虑牙齿磨损对钻速和牙齿磨损速度影响后的进尺系数。它是牙齿最终磨损量的函数。则：J/S的物理意义：

不考虑牙齿磨损影响时的理论进尺。

2.建立钻头寿命t与钻压、转速、磨损量等参数的关系由牙齿磨量h损决定的钻头寿命由轴承磨损量B决定的钻头寿命考虑牙齿磨损对钻头磨速影响后的钻头寿命系数。

3.目标函数钻头与起下钻本的折算时间在此仅考虑牙齿磨损决定的寿命令：把J,E,S,F代入：二、目标函数的极值条件和约束条件1.极值条件约束条件（1）牙齿磨损量：0≤hf≤1（2）轴承磨损量：0≤Bf≤1（3）钻压：M＞0，M＜W＜Z2/Z1

M＜0，0＜W＜Z2/Z1（4）转速：n≥0轴承磨损量与牙齿磨损量的关系CH=1;Cp=1;

三、钻头最优磨损量、最优钻压和最优转速

1.钻头最优磨损量

给定（W，n），可求出在一定钻压、转速下的钻头最优磨损量。

2.最优转速给定的（W，hf），可求出最优转速nop。3.最优钻压根据给定的（n，hf），可求出最优钻压。

4.最优参数组合理论上：采用迭代方法求解由目标函数、极值条件和约束条件组成的方程组,可进行全局寻优。

实际中：确定钻头磨损量→求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。[例4-2]某井段的地层可钻性系数K=0.0023,研磨性系数Af=2.28×10-3,门限钻压M=10kN,转速指数λ=0.68.用Φ251mm的21型钻头钻进,C2=3.68,CH=1,CP=1,钻头成本Cb=900元/只,钻机作业费Cr=250元/小时,起下钻时间tt=5.75小时;所用钻机的转盘转速只有三档,分别为n1=60转/分,n2=120转/分,n3=180转/分,根据邻井资料,所选钻头在该井段的牙齿磨损量一般为T6级(hf=0.75),试求最优的钻压、转速组合及其工作指标.

解:

查表可得Φ251mm的21型钻头参数为:D2=6.44,D1=0.0146,a1=1.5,a2=6.53×10-5,C1=5小时

不同转速时的最优钻压及其工作指标第三节水力参数优化设计主要内容:

射流的水力特性钻头的水力特性循环压耗的计算地面泵的水力特性水力参数的优化设计概述喷射钻井的概念

采用大功率的泥浆泵和可以产生高速射流的钻头喷嘴，使高压钻井液流过喷嘴时可产生高速流动的水射流，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

主要包括：

钻井泵的功率、排量、泵压、以及钻头水功率、钻头水力压降、钻头喷嘴直径、射流冲击力、射流喷速和环空钻井液上返速度等。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速之目的。

一、喷射式钻头的水力特性（一）射流及其对井底的作用

1.射流的结构及特性

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。

A、射流分类：（按条件）

射流与周围流体介质的关系：ρ射>ρ介，非淹没射流

ρ射<ρ介，淹没射流

有无固体边界：无固体边界自由射流有固体边界非自由射流

射流压力是否稳定：

连续射流压力平稳。

脉冲射流

流量发生一定频率的脉动，射流产生周期性的动载。

混合射流既有连续部分，又有脉动部分。

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。

钻头喷嘴射出的射流为淹没非自由连续射流。B、射流的结构及特性（1）射流的结构射流的扩散角射流纵剖面上周界母线的夹角称为射流扩散角（如图4-13中的α）。射流扩散角α表示了射流的密集程度。显然，α越小，则射流的密集性越高，能量就越集中。射流的喷距射流断面距喷嘴出口的距离。图4-13喷射式钻头的井底射流特性（2）速度分布规律在射流轴线上①在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为初始速度。②射流中心部分保持初始速度流动的流束，称为射流等速核。

③等速核长度与喷嘴直径和流到形状有关。在等速核以内，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。射流轴线上的速度衰减规律如图4-14。Vjm/Vj0图4-14射流轴线上的速度衰减规律图4-13喷射式钻头的井底射流特性④在射流任一横截面上，射流轴心上的速度最高，由中心向外速度很快降低，到射流边界上速度降为零。钻头射流（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沿井底高速流动的漫流。

2.射流对井底的清洗作用（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。（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。

图4-15射流冲击面积图4-16岩屑翻转漫流的速度分布：

径向（横向）：冲击圆的中心为0；冲击圆边缘最大；冲击圆边缘以外，漫流速度下降。

轴向（纵向）：距井底0.5mm高度处漫流速度最大，向上迅速减小。

3.射流对井底的破岩作用

在岩石强度较低的地层，射流的冲击压力超过地层的破碎强度，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。(二）射流水力参数

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

1.射流喷射速度

2.射流冲击力

（工程单位制）3.射流水功率

单位时间内射流所具有的作功能量称为射流水功率。（国际单位制）（工程单位制）

（三）钻头水力参数

钻头水力参数是射流水力能量和喷嘴损耗能量的综合反映，包括钻头压力降和钻头水功率。1.钻头压力降

钻头压力降是指钻井液流过钻头喷嘴以后钻井液压力降低的值。

式中：C——喷嘴流量系数,与喷嘴的阻力系数有关，C<1。

de——喷嘴当量直径，即与n个喷嘴出口截面面积总和相当的喷嘴直径，cm；（4-54）

2.钻头水功率

钻头水功率是指钻井液流过钻头喷向井底所消耗的水力功率。3.钻头水力参数与射流水力参数的关系

压力分配：

水功率分配:

二、水功率传递的基本关系式中：Ps、Ns—钻井泵压力及功率；

Pg、

Ng—地面管汇压耗及功率；

Pst、

Nst—钻柱内压耗及功率；

Pan、

Nan—环空压耗及功率；

Pb、

Nb—钻头压降及水功率。水功率传递路径:钻井泵→地面管汇→钻柱内→钻头→环空→地面。

三、循环系统压耗的计算

假设：

（1）钻井液为宾汉流体；

（2）钻井液在循环系统各部分的流动均为等温紊流流动；（3）钻柱处于与井眼同心的位置；（4）不考虑钻柱旋转；（5）井眼为已知直径的圆形井眼；（6）钻井液是不可压缩流体。

（二）摩阻系数f的确定

宾汉流体在紊流状态下摩阻系数f与Re的关系管内流：环空流：式中

k—系数，与管路特性有关；Re—雷诺数；（一）压耗计算的基本公式式中：2.循环系统摩阻系数计算公式（1）内平钻杆及钻铤管内（2）贯眼接头钻杆管内（3）环型空间

（三）循环系统压耗的计算公式（1）地面管汇压耗（2）钻杆内压耗（3）钻铤内压耗(4)钻杆外环形空间压耗(5)钻铤外环空压耗钻铤内外压耗：钻杆内外压耗：分别令Kg、Kp和Kc为地面管汇、钻杆内外和钻铤内外的压耗系数，即：

则总压耗计算公式：称为整个循环系统的压耗系数将压耗系数Kl作进一步变化，设井深为D，并令：（四）提高钻头水力参数的途径

关系压力关系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Ps2.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唯一有效的途径是减小喷嘴直径。4.优选排量Q

四、钻井泵的工作特性

1.钻井泵的性能参数

额定功率——钻井泵的最大输出功率，Nr

额定泵压——所用缸套的允许工作压力，pr

额定排量——在额定泵功率和额定泵压时的排量，Qr

额定泵冲——额定排量时的泵冲数。

表4-73NB1000钻井泵性能表

2.钻井泵的工作状态

根据泵排量的大小，可将钻井泵的工作分为两种工作状态：

（1）额定泵压工作状态

当Q≤Qr时，ps=pr，NS≤Nr（2）额定功率工作状态当Q＞Qr时，Ns=Nr，pSpr

钻井泵的实际工作状态取决于所选用钢套的大小。

NrNr只有当泵排量等于额定排量时，钻井泵才能同时达到额定输出功率和额定泵压。因此，应尽量选用额定排量与实用排量相近的缸套。

五、水力参数优选

（一）优选标准

目标：获得最大的射流水力参数或钻头水力参数。射流水力参数钻头水力参数由于：所以可选其中的Vj、Fj或Nb作为优选标准。各水力参数随排量变化的规律：由曲线可知，选择一个排量不可能使四个参数同时达到最大，那麽究竟按照什麽标准选择排量呢？三种选择方式：以Nb为标准选排量称为最大水功率工作方式。以Fj为标准选排量称为最大冲击力工作方式。以Vo为标准选排量称为最大喷射速度工作方式。

（二）获得最大钻头水功率的条件 目标函数：

1.在额定泵功率状态下工作

Ns=Nr

由上式可看出：Q↗，Nb↘；Q↘，Nb↗

理论上Q越小越好，但最小Q=Qr因此，在额定泵功率状态下,获得最大钻头水功率的条件是：Qopt=Qr

2.在额定泵压状态下工作ps=pr求得最优排量为：此时有：

3.最优排量随井深的变化规律

当Q＞Qr时：

当Q＜Qr时：

不同井深和排量下钻头水功率的变化规律图象如图4-21所示。其中，L0＜L1＜L2＜L3＜LNc＜L5＜LNa＜L7。

2→3，井深LNc<L≤LNc

时：泵处于额定泵压工作状态。3→4，井深L＞LNa时，Qopt=QaQa为满足携带岩屑所需要的最低排量。1→2，L≤LNc时：钻头水功率最高时的排量为额定排量，此时泵处于额定功率工作状态。

当L=LNc时，最优排量：由可求得第一临界井深为：

当井深L=Lna时，最优排量：，由此可求得第二临界井深为：

2点和3点是两个转折点，有特殊意义。2点对应的深度LNC为第一临界井深，该井深是钻井泵由额定功率工作方式向额定泵压工作方式的转折点。3点对应的深度Lna为第二临界井深。

4.喷嘴直径的确定钻头水功率能否达到最大，还取决于钻头喷嘴直径的大小。因为喷嘴直径大小决定钻头上的压力降，从而决定泵的工作压力。由得当L≤LNc时：

则当L≤LNc时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大；当L＞LNa时：当LNc＜L≤Lna时：当LNc＜L≤LNa时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐减小；当L＞LNa时，喷嘴直径则又应随井深的增加而逐渐增大。（三）获得最大射流冲击力的条件1、泵在额定功率工作状态下工作，

最优排量：2、在额定泵压工作状态下工作，

令得3.最大射流冲击力随排量和井深的变化规律当Q＞Qr时：当Q＜Qr时：理论上推出的获得最大射流冲击力的工作路线为1＇→2→3→4→5。由于1‘→2段Q＞Qr，这对泵的工作不利。实际工作取1→2→3→4→5。LFc和LFa分别称为最大射流冲击力标准下的第一临界井深和第二临界井深。

4.最优喷嘴直径的确定

当L≤LFc时，

当LFc＜L≤LFa时，

当L＞LFa时，

当L≤LFc时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大；当LFc＜L≤LFa时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐减小；当L＞LFa时，喷嘴直径则又应随井深的增加而逐渐增大。

（三）水力参数优化设计步骤

1.主要任务

水力参数优化标准是获得最大钻头水功率或最大射流冲击力。能否获得上述标准，取决于排量、喷嘴直径和钻井泵的工作状态（与钢套选择有关）。因此，水力参数优化设计的主要任务是确定钻井液排量、选择合适的钻头喷嘴直径和泵的钢套直径。

2.设计步骤（1）确定携岩要求的最小排量a、根据经验公式：式中：Va—最低环空返速，m/s；

ρd—钻井液密度，g/cm3；Dh—井径，cm。b、根据岩屑举升效率

：式中:Ks—岩屑举升效率，无因次；

Va—环空的平均上返速度，m/s；Vs—岩屑在环空的实际上返速度，m/s。一般要求Ks≥0.5。

岩屑的下滑速度:式中:vH——岩屑下滑速度，m/s；ρs，ρd——分别为岩屑和钻井液密度，g/cm3；ds——岩屑直径，cm；ηe——钻井液有效粘度，Pa·s。携岩所需的最小排量:

（2）计算循环压耗系数

分别计算：Kg、Kc、m、a，

KL=a+mD（3）选择缸套直径，确定额定泵压pr、排量Qr、功率Pr

原则：1）尽可能选择额定排量与实用排量接近的缸套；2）钢套的工作压力不能超过循环系统的耐压能力。（4）最优排量和喷嘴直径计算

1）计算第一、第二临界井深；2）计算各井段的最优排量和喷嘴直径。（5）各水力参数的计算

计算各井段的射流水力参数和钻头水力参数，结果列表。设计举例：已知条件：钻头直径D=215.9mm=21.59cm,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=10.86cmKg=1.07×10-3MPa·s1.8,

d=1.64g/cm3,=0.047Pa•s井队配备两台NB-1000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.解:①确定最小排量Qa