《石油工业概论》课件-项目三：钻进工艺与参数优化

钻进作业钻井施工技术课程目录CONTENTS操作步骤01风险提示02常见井下故障预防03操作步骤01操作步骤01接好单根后，副司钻倒好闸门组，听到司钻开泵信号后再次确认，离开高压区发出开泵信号。02司钻得到信号后，二次挂合开泵，待钻井液返出井口，泵压正常后眼看指重表，泵压表，慢慢下放钻具，使方补芯进入方瓦，二次挂合启动转盘，逐至加到正常钻压，钻进。03司钻在方入余100mm左右时，摘转盘，转盘平稳后低速上提方钻杆，注意悬重变化，单根母接头出转盘面500mm时，摘低速，刹车，做吊卡，停泵，准备接单根。风险提示02风险提示01开泵时阀门倒错，造成憋泵，高压液体喷出伤人，控制措施：副司钻确认钻井泵安全，剪切销钉安装正确。泄压管线固定牢固，各阀门开关正确。02水龙带及高压软管脱落，高压管线刺漏造成人身伤害。控制措施：井架工确保水龙头，副司钻确保高压软管，必须栓牢保险绳，高压区域不许有人。03启动转盘时，人员站位不当或转盘有杂物。造成人身伤害。控制措施：内外钳工应及时清除转盘面上杂物，人员不能站在回转面上。常见井下故障预防03常见井下故障预防1.钻进时送钻要均匀，严防溜钻、顿钻2.刹把不能离人，接单根要早开泵，晚停泵，井内静止不能超过三分钟，防止卡钻.3.钻进过程中，泵压异常，及时判断采取相应措施处理。4.针对地层特点维护好钻井液性能，钻井液性能不好时不得盲目钻进。5.每打完一个单根要划眼1-2次，直井段每钻进200—400m，斜井段每钻进100—150m，水平段每钻进20—40m进行一次短程起下钻。6.发生异常憋钻、跳钻，应及时判断原因，防止发生卡钻、钻具或钻头故障。7.发现井漏时，应停钻堵漏，确认井下情况正常后，方可继续钻进。8.钻开油气层或高压水层1-2m应停钻循环观察，确认井下情况正常后，方可继续钻进。9.钻开油气层前应有专人坐岗，发现溢流时应停止钻进，迅速按程序关井，压稳后方可继续钻进。岩石的机械性质钻井施工技术课程目录CONTENTS岩石的组成01岩石的类型02岩石的层理03岩石的机械性质04岩石的组成01岩石的组成石油及天然气钻井中，遇到的主要是沉积岩。岩石是造岩矿物颗粒的结合体，最主要的造岩矿物分铝硅酸盐、云母、铁镁硅酸盐等八类20余种。岩石的性质在很大程度上取决于造岩矿物的性质。岩石的结构和构造对岩石的力学性质也有重要影响。岩石是矿物颗粒的集合体，颗粒之间或者靠直接接触面上的作用力联结，或者由外来的胶结物胶结。大多数岩石由两种以上的矿物成分组成。矿物是具有固定的化学成分和确定的物理性质的天然无机化合物。除了硫、碳的矿物及少数金属外，绝大多数矿物是由两种以上元素组成的化合物。岩石的类型02岩石的类型母岩风化后的产物经过搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石。石油及天然气大都储藏在沉积岩中。如：泥岩、砂岩、石灰岩、白云岩、石膏、岩盐。原油大都储存在沉积岩中。火成岩和沉积岩等由于高温高压作用或外来物质的加入，改变了原来的成分、结构，变成新的岩石。如:花岗岩→片麻岩，石灰岩→大理岩，石英砂岩→石英岩等。由岩浆（硅酸盐）容体冷凝而成。如：花岗岩、玄武岩、橄榄岩、安山岩等。岩石可分为三大类火成岩沉积岩变质岩岩石的层理03岩石的层理岩石的层理—岩石一层层迭起来的现象。倾斜的层状结构是沉积岩的主要构造特征。也就是说岩石的物理、化学性质不同，岩石就会出现不均质性的。形成层理的原因：颗粒大小在纵向上的变化某些矿物颗粒的定向排列岩石成分在纵向剖面上的变化123岩石的机械性质04井塌的处理弹性岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形随之消失，恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性。相应的变形称为弹性变形。塑性岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形不能完全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。脆性岩石在外力作用下变形量很小（小于3%）时就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。强度岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。硬度岩石抵抗其它物体表面压入的能力。石油工业中的岩石硬度是压入硬度，也称为史氏硬度，是由前苏联史立涅尔提出的。影响岩石强度的因素分为自然因素和工艺技术因素两类。1）自然因素包括：岩石的矿物成分、矿物颗粒的大小、岩石的密度和孔隙度。砂岩的强度随着石英含量的增加而增大：硅质胶结＞铁质＞钙质＞泥质。2）工艺技术因素（1）简单应力条件（岩石受单一外载）下岩石的强度有：抗拉强度—岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。抗压强度—岩石单纯受压缩应力力作用时的强度。抗剪强度—岩石单纯受剪切应力作用时的强度抗弯强度—岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。一般情况下抗拉强度＜抗弯强度≤抗剪强度＜抗压强度。（2）复杂应力条件下岩石的力学性质随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的塑性也越大。岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。不同的岩石，临界压力不同。在各向均匀压缩状态下，岩石永远不会破坏。井塌的处理岩石的硬度1）硬度:表示岩石抵抗其它物体表面压入的能力。2)硬度与抗压强度区别：硬度是岩石表面的局部抵抗外力压入的能力，抗压强度则是岩石整体抗压的能力。岩石的脆性和塑性变形物体具有在外力作用下发生变形的能力。当外力超过弹性限度后会出现两种情况，一是立即破碎，二是永久变形（塑性变形）。平底圆柱压头压入脆性岩石、塑脆性岩石、塑性岩石时的典型三种变形曲线。井塌的处理钻速影响因素钻井施工技术课程目录CONTENTS钻压对钻速的影响01转速对钻速的影响02牙齿磨损对钻速的影响03水力因素对钻速的影响04钻井液性能对钻速的影响05钻速方程06钻压对钻速的影响01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。目前实际钻井中通用的钻压取值一般都在图中AB这一线性关系范围内变化实际应用中,以直线段为依据建立钻压(W)与钻速(Vpc)的定量关系如下: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。转速对钻速的影响02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

极软地层λ≈1，随着岩石硬度增大，λ值减小。牙齿磨损对钻速的影响03牙齿磨损对钻速的影响随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。钻速与牙齿磨损量的关系曲线如图所示，其数学表达式可写成：式中，Ｃ２—牙齿磨损系数，与钻头齿形结构和岩石性质有关，它的数值需由现场数据统计得到；ｈ—牙齿磨损量，以牙齿的相对磨损高度表示，即磨损掉的高度与原始高度之比，新钻头时h＝0，牙齿全部磨损时h=1。水力因素对钻速的影响04水力因素对钻速的影响

水力因素：表征钻头及射流水力特性的参数统称为水力因素。水力因素的总体指标：比水功率比水功率：钻头水功率与钻头面积（井底面积）之比。通常用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）井底水力净化能力对钻速的影响。水力净化能力通常用水力净化系数

CH表示：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。P>Ps,CH=1（2）水力能量辅助破岩。井底比水功率越大（超过井底净化所需的水功率），机械钻速仍有可能增加。水力破岩作用对钻速的影响主要表现为使钻压与钻速关系中的门限钻压降低。钻井液性能对钻速的影响05钻井液性能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曲线如图所示，随着井底压差增加，钻速呈幂指数的规律下降。（1）钻井液密度对钻速的影响钻井液粘度与钻速的关系曲线，如图所示，钻井液的粘度并不直接影响钻速，它是通过对井底压差和井底净化作用的影响，而间接影响钻速的。一方面，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；另一方面，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。（2）钻井液粘度对钻速的影响钻井液性能对钻速的影响由固相含量对钻井指标的影响曲线图可知，钻井液固相含量增大，机械钻速降低。钻井液固相含量，对钻进速度和钻头消耗量，都有严重的影响。因此，严格控制固相含量，一般应采用固相含量低于４％的低固相钻井液。（3）钻井液固相含量及其分散性对钻速的影响钻井液中小于1μm的固体颗粒越多，对钻速的影响越大；分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低。（4）钻井液分散性对钻速的影响钻速方程06钻井液性能对钻速的影响通过分析钻进过程中各参数间对钻速的影响，我们可以的得到钻速方程，如下所示式中：Vpc—钻速,m/h；W—钻压,KN；M—门限钻压,kN；n—转速,r/minλ—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—地层可钻性系数，与地层岩石的机械性质、钻头类型以及钻井液性能等因素有关。钻井水力参数优化设计（一）钻井施工技术课程目录CONTENTS喷射钻井技术01射流及其对井底的作用02喷射钻井技术01喷射钻井技术喷射钻井技术就是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。射流及其对井底的作用02射流及其对井底的作用1.射流特性：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。射流分类：非淹没射流和淹没射流。射流运动和发展是否受固体边壁影响分：自由射流和非自由射流。射流出喷嘴后，由于摩擦作用。射流流体与周围流体产生动量交换，带动周围流体一起运动，使射流的周界直径不断扩大。射流形状具有等速核及扩散角。射流纵剖面上周界母线的夹角称为射流扩散角。它反映了射流的密集程度。α越小，则射流的密集性越高，能量就越集中。在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为初始速度；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；射流中心部分保持初始速度流动的流束，称为射流等速核。等速核长度与喷嘴直径和流道形状有关；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。射流及其对井底的作用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波，并不是作用在整个井底，而是作用在射流冲击面积上，如图所示，就小圆面积而言，射流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。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，如图所示。（2）漫流的横推作用射流撞击井底后，形成压力冲击波和沿井底高速流动的漫流。对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。对井底清洗有非常重要的作用。射流及其对井底的作用（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。钻井水力参数优化设计（二）钻井施工技术课程目录CONTENTS射流的水力参数01钻头水力参数02水功率传递的关系03射流的水力参数01射流的水力参数

射流水力参数包括射流的喷射速度、射流冲击力和射流水功率。计算位置：喷嘴出口断面。射流喷射速度：钻头喷嘴出口处的射流速度称为射流喷射速度，习惯上称为喷速，其计算式如下所示：式中：Vｊ──当量喷嘴射流喷速，ｍ／ｓ；Ｑ──通过钻头喷嘴的钻井液流量，Ｌ／ｓ；Ａ０──钻头当量喷嘴出口截面积，ｃｍ２；ｄｉ──喷嘴直径（ｉ＝１，２，…，ｎ），ｃｍ；ｎ──喷嘴个数

射流冲击力是指射流在其作用的面积上的总作用力的大小。喷嘴出口处的射流冲击力表达式可以根据动量定理导出，其形式如下：

式中Ｆｊ──相当喷嘴的射流冲击力，KＮ；ρｄ──钻井液密度，ｇ／ｃｍ３。射流在冲离岩屑、清洗井底和协助钻头破碎岩石的过程中，实质上是射流不断对井底和岩屑做功。单位时间内射流所具有的做功能量越多，其清洗井底和破碎岩石的能力就越强。单位时间内射流所具有的做功能量，就是射流水功率，其表达式为：射流在冲离岩屑、清洗井底和协助钻头破碎岩石的过程中，实质上是射流不断对井底和岩屑做功。单位时间内射流所具有的做功能量越多，其清洗井底和破碎岩石的能力就越强。单位时间内射流所具有的做功能量，就是射流水功率，其表达式为：钻头水力参数02钻头水力参数（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。公式如下所示：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；（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。公式如下所示：我们可以得到钻头水功率与射流水功率之间的关系式如下所示：水功率传递的关系03水功率传递的关系水功率传递的关系钻头水功率由钻井泵提供，钻井泵的输出功率(泵功率)：钻井液从钻井泵排出时，具有一定的水功率。水功率传递路径:钻井泵→地面管汇→钻柱内→钻头→环空→地面。(说明：1表示钻井泵2表示地面管汇3表示钻柱内,4钻头，5环空6地面,要求流体在各路径显示。）压力分配关系：水功率分配关系：式中：ΔPs、Ps—钻井泵压力及功率；ΔPg、Pg—地面管汇压耗及功率；ΔPst、Pst—钻柱内压耗及功率；ΔPan、Pan—环空压耗及功率；ΔPb、Pb—钻头压降及水功率。钻井水力参数优化设计（三）钻井施工技术课程目录CONTENTS钻井泵的工作特性01水力参数的优化设计02钻井泵的工作特性01钻井泵的工作特性

每一种泵都有一个最大输出功率，称为泵的额定功率；每一种钻井泵都有几种直径不同的缸套，每种缸套都有一定的允许压力，称为使用该缸套时的额定泵压。在额定泵功率和额定泵压时的排量，称为泵的额定排量；额定排量时的泵冲数为泵的额定冲数。泵的额定功率、额定泵压和额定排量的关系为：Ｐｒ＝ｐｒＱｒ式中：Ｐｒ—额定泵功率，ｋＷ；ｐｒ—额定泵压，ＭＰａ；Ｑｒ—额定排量，Ｌ／ｓ。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，由于泵压受到缸套允