chapter04 钻井系统与岩石1.ppt

1、,2013年2-7月,钻井与完井工程,主讲：李皋 Tel18628036781 E-mail： 油气井工程研究所 油气藏地质及开发工程国家重点实验室,授课内容,第四章：钻进工艺技术（1）,钻井的系统特性 地层岩石性质,钻井的系统特征 作业环节 工种配合 多专业协调 多因素环境影响 多渠道的横向调节 长战线后勤保障规模 系统目标： 安全、成功、效益 研究方法：黑箱子理论,第一节：钻井的系统特性,地层岩性 强度、硬度、研磨性、可钻性 钻井液性能 密度、固相含量、粘度、失水 钻头 类型及结构 水力参数 泵压、排量、喷嘴直径 钻井机械参数 钻压、转速,影响钻井过程（钻速）的

2、因素,地层岩性 地层岩性是影响因素中不可改变的客观因素，因此对它的研究工作主要是认识它，以便在钻进过程中去适宜它。 对地层岩性认识的准确和可靠与否，决定了钻进工艺技术的合理性。 必须从两方面入手：一是充分了解和掌握岩石的基本物理机械性质、基本破碎规律；二是准确预报、预测钻遇地层的岩石类型。,影响钻井过程（钻速）的因素,钻井液性能 钻井液性能是影响系统目标的重要可调变量。大量实验证明，钻井液的各性能对钻速都有一定影响，其中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，尤其是初失水； （5）含油量。,影响钻井过程（钻速）的因素,钻井液性能对钻速的影响

3、,钻井液性能粘度 钻井液粘度增大，将使循环压力增大，钻头水马力相应减少； 同时环空循环压力增大，相当于增大了钻井液密度； 使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。 这一系列效果的迭加，导致了钻速降低。,影响钻井过程（钻速）的因素,钻井液性能固相含量 钻井液固相含量对钻速有较大影响。在一般情况下，钻井液中固相含量每降低1， 钻速可以提高10左右。为此必须严格控制钻井液内固相含量，一般应低于4为宜。 在固相含量相同的情况下，固相在钻井液中的状态不同，也会出现不同的钻速。一般在4 的固相含量条件下，不分散钻井液比分散钻井液钻速提高将近1倍。,影响钻井过程（钻速）的因素,钻头类型

4、 水力参数 机械参数 （下次课内容）,影响钻井过程（钻速）的因素,岩 石 岩石的力学性质 影响岩石力学性质的因素 岩石的研磨性 岩石的可钻性,第二节：岩石性质,岩石力学性质： 岩石的变形特性和强度特性 变形特性 全应力-应变曲线 衡量岩石力学性质的参数 弹性、塑性、韧性、强度,岩石的力学性质,AB段：随着岩石内裂隙被压密，它的斜率为常数或接近于常数，其斜率定义为岩石的杨氏弹性模量E。 OA段：曲线稍向上凹，反映岩石试件内部裂隙逐渐被压密。,岩石变形特性,BC段：随着荷载的继续增大，变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态，这是破坏的先行阶段。应力应变曲线的斜率随着应力的增加而逐渐地减小到

5、零，曲线向下凹，岩石中引起不可逆变化。,典型岩石应力应变曲线,岩石变形特性,发生弹性到延性行为过渡的点B，通常称为屈服点，而相应的应力称为屈服应力。最高点C的应力称为强度极限（如为单轴试验便称为单轴抗压强度）。 CD段：曲线下降，是由于裂隙发生了不稳定传播，新的裂隙分叉发展，使岩石开始解体。CD段以脆性性态为其特征。,典型岩石应力应变曲线,杨氏弹性模量：E 剪切弹性模量：G=E/2(1+) 体积弹性模量：K=E/3(1-2) 泊松比：横向应变与纵向应变之比,岩石的弹性常数,简单应力状态 单轴抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 抗剪强度 大小比较 抗压强度抗 剪强度抗弯强度抗拉强度 以上数据由实验测定

6、，测定时对岩石的制备有一定的要求,简单应力条件下岩石的强度,单轴抗压强度实验,岩石强度实验,单轴抗拉强度实验 P:岩盘破裂时所施加的载荷，N r:岩盘的半径，mm t:岩盘的厚度，t,岩石强度实验,复杂应力条件下岩石的强度,（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,复杂应力条件下岩石的强度,复杂应力条件下岩石的强度,复杂应力条件下的强度,在室温条件下，对于所有的岩石，当围压增大时，其强度增大，但所增大的倍数，对于不同类型的岩石是不一样的。 随着围压增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，并且围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大。,常

7、规三轴实验结果,实验结果对破岩的意义,对于深井钻井说来，研究岩石从脆性到塑性的转变点具有很重要的实际意义： 脆性破坏和塑性破坏是两种从本质上不相同的破坏，所以破碎这两种状态下的岩石需要分别应用不同的破碎工具（不同结构的钻头类型），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等）以及不同的破碎合理组合（钻压、转数及水力参数等）。,硬度：一种物体抵抗另一种物体侵入的能力，具体度量为岩石发生局部破碎时（形成破碎坑）作用于单位面积上的力： 即：Py=P/S Py：岩石硬度 （a） P：产生脆性破碎时压头上的载荷 N S：压头的底面积,岩石的硬度及塑性系数,岩石的硬度及塑性系数,岩石的硬度及塑

8、性系数,岩石的硬度及塑性系数,岩石的塑性系数,岩石破碎前耗费的总功F与弹性变形功E为岩石的塑性系数K:,岩石的研磨性：岩石磨损破岩工具表面的能力，它是由钻头工作刃与岩石相互磨擦过程中产生微切削、刻划、擦痕等造成的。 组成岩石的矿物硬度越大，该岩石的研磨性越大，研磨性由小到大的顺序为：硫酸盐类岩石（石膏、重晶石）、碳酸盐岩石（石灰岩和白云岩）、硅质岩石（燧石）、铁镁长石岩、石英岩。,岩石的研磨性,定义：岩石破碎的难易程度。是受各种钻井因素的综合影响。K(d)=f(wob,rpm,Nbj,P,h,hbit,Py) 影响因素： 天然的、工艺的、技术的 度量和分类建立在岩石力学性质的基础上，不受人为的

9、技术的因素影响。,岩石的可钻性,可钻性的研究方法及意义,研究方法 微钻头钻进法：Bit: 31.75mm, WOB: 907.2N, RPM:55, footage: 2.381mm, 测量钻时计算钻速 意义 钻头选型及钻头磨损预测 确定最优的钻井参数 机械钻速预测 确定钻井工作定额,影响钻速的参数主要有哪些,客观因素(固定参数)： 地质条件 岩层性质 钻井深度 具体如：岩石可钻性、致密性、埋藏深度、地层对钻压转速的敏感指数等参数。,2020/7/26,特点：不能任意改变,影响钻速的参数主要有哪些,主观因素(可调参数) 钻井液性能和流变性参数 机械参数：钻压、转速、钻头类型 水力参数：泵型选择

10、、泵压、排量和水眼组合。 具体如钻井液密度、粘度，钻头磨损 .,2020/7/26,特点：可调节的、可变化的,主观因素有较大的可变化性，而不同的钻进参数，所产生的钻进效果是不同的。应优选这些参数的变化范围，以获得预期的钻进效果。 泥浆参数泥浆设计 水力参数喷射钻井 机械参数主要目标,35,应优选的参数,如何进行优选,2020/7/26,确定优化目标,用最优化方法确定出各 参数应满足的条件的范围,建立影响因素与优化目标 之间的数学模型（目标函数）,确定影响目标的主要 因素和影响规律,钻速 每米成本,如何进行优选,2020/7/26,确定优化目标,用最优化方法确定出各 参数应满足的条件的范围,建立影响因素与优化目标 之间的数学模型（目标函数）,确定影响目标的主要 因素和影响规律,钻头类型影响 水力参数对钻速影响 钻井液性能对钻速影响 钻压、转速对钻速影响,如何进行优选,2020/7/26,确定优化目标,用最优化方法确定出各 参数应满足的条件的范围,建立影响因素与优化目标 之间的数学模型（目标函数）,确定影响目标的主要 因素和影响规律,钻速=f(钻压、转速） 钻速=f(泥浆密度） 钻速=f(泥浆粘度） 钻速=f(多因素.） 成本=f(),如何进行优选,2020/7/26,确定优化目标,用最优化方法确定出各 参数应满足的条件的范围,建立影响因素与