第三章 钻进工艺（五）

第三章钻进工艺

钻进工艺:在分析和处理钻井数据和资料的基础上，来认识钻井过程的客观规律。立足于现有装备条件，采用各种数学、物理方法科学化钻井（确定合理的钻井参数及制定相应的钻井措施），使钻进过程的整体经济效果达到最优的工艺技术－多、快、好、省）。

内容：系统分析、岩性、钻头、水力参数、机械参数、钻具、钻井技术经济指示。第三章钻进工艺第一节

钻进过程的系统分析一、系统特征

钻进过程是由多个子系统综合运行作业而汇集的复杂系统，“五多一长”：多工序的作业环节；多工种的操作配合；多专业的协调管理；多因素的环境影响；多渠道的横向调节；长战线的后勤保障规模。第三章钻进工艺各系统的运行状态和相互的配合情况直接影响钻进过程系统目标:安全、成功、效益。安全：人身安全、设备安全、井眼安全。如果安全得不到保证，出了事故，所造成的损失往往是非常严重的。成功：井身质量好、固井质量高、录井资料齐全、油气层得到保护等。效益指标：钻井速度、建井周期、成本等。实践证明：不安全、不成功的井，其经济效益指标肯定是很差的。第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺一、系统特征钻进过程系统目标中安全与成功：其因素是比较复杂的，难以量化，不易建立系统目标函数。方法：把容易量化的效益指标作为系统目标，把安全与成功作为系统约束条件，建立系统目标函数。第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺按照系统论的观点与方法，钻进过程总是在自觉与不自觉中追求系统目标的实现。

学习曲线第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺二、影响因素影响系统目标的因素很多，其中直接与钻进过程有关的主要因素，一般可分为两大类：不可改变的客观因素：地层岩性可变因素：钻头类型、钻井液性能、水力参数和钻压、转速等。第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺1、地层岩性

地层岩性是影响因素中不可改变的客观因素，研究工作主要是认识，适应。要达到这个目的：充分了解和掌握岩石的基本物理机械性质、基本破碎规律；准确预报、预测钻遇地层的岩石类型—“对症下药”。第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺2、钻井液性能

钻井液性能是影响系统目标的重要可调变量。对钻速影响较大的钻井液性能主要是：（1）密度；（2）固相含量；（3）粘度；（4）失水；（5）含油量。第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺钻井液性能对钻速的影响规律如图第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺密度影响最大，密度越高钻速越慢：“压持效应”；压差增大了岩石强度使钻速降低；排量降低。粘度大，钻速慢：流动摩阻大，钻头水马力相应减少；环空循环压力增大，相当于增大了钻井液密度；钻头喷嘴紊流粘度相应升高，不利于钻头对井底的清洗和冲击作用。第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺失水量小，钻速慢：钻井液粘度增大。固相含量大，钻速慢：含油量影响：油基钻井液的钻速一般要比相同密度的水基钻井液约低20-30％，在一般的混油钻井液中，少量的掺入油会使钻速略有增加，继续加大含油量又会使钻速降低。第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺3、钻头类型钻头类型对钻进过程系统目标有重大影响。不同的钻头类型，由于结构不同、破岩机理各异，因而有各自的适用范围。在相同类的钻头中，由于品种和系列不同，钻进效果也有很大的差异。

方法：合理的钻头选型。第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺4、水力参数水力参数：泵压、排量、喷嘴直径等与钻井液循环系统有关的参数。通过喷嘴形成射流：水力破岩作用，水力清岩作用。因此，合理的泵功率分配、排量和喷嘴直径的确定，是水力参数的必须解决的计算问题。第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺5、机械参数

钻压、转速：破碎岩石的基本参数。影响钻进速度影响钻头的磨损速度和工作寿命

因此，在选择钻压、转速时，必须综合考虑这两方面的影响，确定合理的配合。第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺未知的钻进规律—“黑箱子”。不知其内部结构，但这个黑箱子本身的行为是有规律的。研究黑箱子的行为规律的三种方法：第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺三、研究方法白化：打开黑箱子，研究其内部结构。这就相当于从力学、物理、化学的角度出发，从微观上研究事物的本质。待黑箱的内部结构都清楚了，黑箱的行为也就可以推断出来了。输入输出黑化：不管黑箱的内部结构如何，只研究它的行为规律。所谓行为，就是指黑箱对于一定的输入状态，唯一地对应着一定的输出状态。通过对黑箱行为的一定量的观察（必要的情况下也可以设定一些主动实验），我们就可以找到黑箱行为的规律，这就是控制论中所谓的“黑箱理论”。第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺输入输出灰化：界于白化与黒化之间。既研究其内部结构，又研究它的行为规律。这就是控制论中所谓的“灰色理论”。第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺输入输出钻进过程的影响规律采用“灰色理论”

对一口井的整个施工过程进行优化处理是钻进工艺追求的理想目标。钻井过程：是一个多维的、复杂的大系统存在着一定的不确定性——随机性和模糊性。大系统与高精度不相容解决的办法：将大系统分解成若干相对独立的小系统，把交互作用作为各个相对独立系统的约束条件，通过实现小系统的优化处理来接近大系统的优化目标。第一节钻进过程的系统分析第三章钻进工艺一、岩石的物理机械性质1、弹性、塑性、弹性模量与泊松比的概念当除去外力，物体能回复原状的特性，称为弹性。当除去外力，物体不能恢复原状的特性，称为塑性。弹性体在外力的作用下，其应力与应变的关系服从虎克定律，即

式中

——物体的应力，为单位面积上的内力，兆帕；

——单位长度的变形，无量纲；

E——弹性模量，也叫弹性系数或杨氏系数，量纲与应力同。弹性模量代表了物体对弹性变形的抵抗能力。第二节地层岩性第三章钻进工艺外力使弹性体变形，内力抵抗变形研究岩石在各种应力状态下的力学性质和破碎特点

当弹性体在纵向受外力后，引起纵向的应力

z，并在纵向产生变形，以应变

z表示之。与此同时，在横向也会引起应变，以

x、

y表示之。如果材料是各向同性的，便有以下关系式：

式中

——泊松比（纵向应变与横向应变比值）。如式中

x

y，便是各向异性的。第二节地层岩性第三章钻进工艺2、岩石的弹性模量与泊松比岩石不是理想材料，弹性模量也不是固定的数值。但组成岩石的矿物，在单独存在时一般都服从虎克定律。岩石的弹性模量与应变种类和加载大小有很大的关系。岩石在弹性范围内的应力应变简略曲线1-拉伸情况；2-压缩情况第二节地层岩性第三章钻进工艺上述概念，也适用于岩石，但有不同。载荷小时：各种应变的E差别不大大时：差别显箸

沉积岩的主要特征是层理。层理对弹性模量及泊松比有明显的影响。表4-3是几种沉积岩因层理所表现的数据上的差异，即岩石的各向异性。表4-3几种沉积岩的各向异性

岩石名称 E

104兆帕 泊松比

∥

⊥

∥

⊥

粗砂岩 0.93~4.19 1.73~4.54 0.10~0.45 0.12~0.36中砂岩 2.87~4.19 2.68~3.37 0.12 0.10~0.22细砂岩 2.83~4.95 2.90~4.60 0.10~0.22 0.15~0.36粉砂岩 1.01~3.23 0.84~3.05 0.15~0.50 0.28~0.47第二节地层岩性第三章钻进工艺1、强度的概念

物体受外力作用而达到破坏时的应力，称为物体的强度。通常用四种强度描述岩石的强度性质。单轴抗压强度抗拉强度抗剪强度抗弯强度二、岩石的强度第二节地层岩性第三章钻进工艺岩石P压力P压力钢垫板球座（1）单轴抗压强度

简称抗压强度。通常在常温常压下用抗压强度试验机测定，取压坏岩样时的外力除以岩样横截面积，即得岩样的单轴抗压强度。单位为兆帕。（2）抗拉强度

岩石的单轴抗拉强度也可用与金属拉伸试验相同的方法测定。岩样拉断时的应力即为岩石的抗拉强度，单位兆帕。这种求岩石抗拉强度的方法较为直观。第二节地层岩性第三章钻进工艺巴西试验（3）抗剪强度

在剪切力的作用下岩石破坏时的应力。较为直观的测定方法是将方块长条岩样固定在支架上，支架在岩样下方形成一个支点，与岩样上方的切刀合在一起构成一对剪切力，当剪切力足够大时，岩样被剪断。此时岩样单位面积上的剪应力即岩石的抗剪强度。第二节地层岩性（4）抗弯强度

在弯曲力矩作用下岩石发生破坏时的应力。可用简支梁法测定，将长方条形岩样下方支在两支点上，在上方位于两下支点中央处通过支点向下加压力。岩样受弯曲力矩。当岩样被压到折断时的应力即岩石的抗弯强度。第二节地层岩性第三章钻进工艺

如以抗压强度

c为1，则其余应变形式的强度与抗压强度的粗略关系如表4-5所列。表4-5岩石各种强度间的比例关系岩石 抗压强度 抗拉强度抗剪强度 抗弯强度花岗石 1 0.02~0.04 0.09 0.03砂岩 1 0.02~0.050.10~0.120.06~0.20石灰岩1 0.04~0.10 0.15 0.06~0.10一般来说抗压强度 >抗剪强度>抗弯强度>抗拉强度第二节地层岩性第三章钻进工艺2、岩石的四种强度岩石在地层深处处于各方受压的状态，通过模拟这种压力条件的三轴试验，可以了解到岩石在压力条件下的强度特点。第二节地层岩性第三章钻进工艺3、在复杂应力条件下岩石强度的特点（a）常规三轴实验 （b）三面压缩（三液缸、真三维）（c）液压作用下的压扭

（d）液压作用下两面柱塞压缩主要表现在两个方面：（1）岩石强度增加。（2）岩石的塑性变形增大，脆性破坏转变为塑性变形或塑性破坏。一般认为岩石的总变形量达到3~5%，就开始具有塑性性质，或已实现了从脆性到塑性的转变。岩性不同，岩石从脆性转变为塑性的围压也不同。第二节地层岩性第三章钻进工艺表4-7岩石的围压下的塑性变形

岩石 在下列围压下破坏的变形量% 围压100兆帕围压200兆帕OILCREEK石英砂岩 2.9 3.8HASMARK白云岩 7.313.0BLAIN硬石膏 7.0 22.3YULE大理岩22.0 28.8BARUS砂岩 25.8 25.9MARIANNA石灰岩 29.127.2MUDDY页岩 15.0 25.0岩盐 28.8 27.5第二节地层岩性第三章钻进工艺以上讨论的岩石性质，主要是从力学角度建立的概念。下面介绍与钻头破碎的关的岩石机械性质。硬度：一种物体抵抗另一种物体侵入的能力。塑性系数K：岩石破碎前耗费的总功AF与弹性变形功AE的比值。第二节地层岩性第三章钻进工艺三、岩石的硬度和塑性系数硬度PY用下式计算：

式中P——产生脆性破碎时压模上的载荷，牛顿；

S——压模的底面积，毫米2。

作用在压模上的载荷与压入深度关系曲线见图4-4。第二节地层岩性第三章钻进工艺不计算，以屈服点P0代替取为无穷大第二节地层岩性第三章钻进工艺脆性岩石塑性系数K＝1塑脆性岩石塑性系数K＝1～6塑性岩石塑性系数K＝6～∞

表4-8岩石硬度分类表类别 软 中 硬 级别123456789101112硬度N/mm2<98--245--490--980--1470--1960--2940--3920--4900--5880--6860>6860表4-9塑性系数分类表类别

1

23 45

6塑性系数

1

>1--2 2--33--4 4--66--∞岩石属性 脆性 塑脆性 塑性 低塑性----高塑性 第二节地层岩性第三章钻进工艺岩石磨损钻井工具材料的能力称为岩石研磨性。

由于岩石的研磨性取决于各种因素，因此有必要根据某一个量作为标准对岩石的研磨性进行分类，以便在实际应用时建立岩石相对研磨性的比较，从而能对设计钻井工具、钻头及选择使用参数并预计应用效果和对实际矿场使用效果的分析等提供参考依据。史立涅尔等根据研究的结果提出了这样的分类（见表4－10）。它是根据研磨系数ω值大小作出的分类，把各种岩石（包括晶质岩石和碎屑岩）按研磨性的大小共分为12级。四、岩石的研磨性第二节地层岩性第三章钻进工艺表4—10各种岩石按单位磨擦磨损的研磨性分类表研磨性级别 岩石 淬火钢 硬质合金

研磨性系数ω,10-9

相对研磨性 研磨性系数ω,10-9

相对研磨性1泥岩和碳酸盐岩3.5-121-30.1-0.31-32石灰岩226.50.663白云岩206.01.2124硅质结晶岩石3192.0205含铁-镁岩石及含5%石英的35102.525低研磨性岩石6长石岩40123.0307含石英多于15%的长石岩及含石45134.040英颗粒10%的较低研磨性岩石8石英晶质岩石57164.5459石英碎屑岩，硬度Py≥35千巴57-9016-2510石英碎屑岩，硬度Py=20—35千90-12025-35巴及含石英颗粒10—20%的岩石11石英碎屑岩，硬度Py=10—20千120-20035-605.050巴及含石英颗粒达30%的岩石12石英碎屑岩，硬度Py<10千巴200-30060-95第二节地层岩性第三章钻进工艺盐岩、泥岩和一些硫酸盐岩、碳酸盐岩（当不含有石英颗粒时）属于研磨性最小的岩石；其次应为石灰岩