优选钻进参数方法研究及应用
第5章钻进工艺技术(钻进参数优化、井斜及控制)
四、水力因素
保持井底清洁要经过三个过程： 保持井底清洁要经过三个过程： 对钻速 影响最大 首先是使破碎的岩屑离开岩石母体； 首先是使破碎的岩屑离开岩石母体； 然后是岩屑在井底被移动； 然后是岩屑在井底被移动； 最后由上返的钻井液将其从环空举升到地面。 最后由上返的钻井液将其从环空举升到地面。 压持效应： 压持效应：由于井内钻井液柱所形成的静液压力大于地 层压力，使得岩屑被压持在井底不易脱离的现象。 层压力，使得岩屑被压持在井底不易脱离的现象。 克服压持效应依靠射流的冲击压力和漫流的横向推力。 克服压持效应依靠射流的冲击压力和漫流的横向推力。 射流的冲击压力
转速与钻速的关系曲线
软地层，井底清洁； 1－软地层，井底清洁； 软地层，井底不净； 2－软地层，井底不净； 硬地层，净化不充分。 3－硬地层，净化不充分。
四、水力因素
在钻进过程中，从钻头喷嘴中喷射出的钻井液 射流) 钻井液( 在钻进过程中，从钻头喷嘴中喷射出的钻井液(射流)，对 钻进过程发挥着三种作用 三种作用： 钻进过程发挥着三种作用：
(2)钻井液粘度对钻速的影响
钻井液粘度↗ 循环系统的压耗↗ 钻头喷嘴的压降↘ 射流对井底的冲击力↘ 钻速↘
泵压传递（水功率传递）的基本关系式为： 泵压传递（水功率传递）的基本关系式为：
ps = ∆p g＋∆p pi＋∆p pa＋∆pb
泵压 地面管汇压耗 钻柱内压耗 循环系统压耗 环空压耗 钻头压耗
三、钻头轴承磨损速度方程
dB 1 VB = = nW y dt b
结合约束条件 用最优化方法求解
一、钻速方程
n Vm = (W − M ) 1 + C2 h
λ
杨格(Young F． 杨格(Young F．S)
优化钻井
5优化钻井技术5.1 优化钻井的基本概念优化钻井是科学钻井的重要标志之一，它是应用最优化理论和技术寻求使钻井速度最快，钻井成本最低的钻井参数和技术措施。
对一口井全过程进行最优化处理，称为全局最优化。
对一口井的某一过程进行最优化处理，称为局部最优化。
对钻井过程的某些参数进行最优化处理，称为优选参数钻井。
优选参数钻井是应用优化理论分析影响钻井速度的因素，建立钻速方程，钻头磨损方程，钻井成本方程(目标函数)。
在此基础上确定相应的约束条件，用最优化方法确定达到最优化目标的解向量，即最优化钻井参数和技术措施。
5.2优化钻井的发展优化钻井是在喷射钻井和平衡钻井的基础上发展起来的。
（1）50年代以前，国外就有人研究钻压、转速、水力因素、泥浆性能等对钻速的影响。
当时采用高钻压、低转速、大排量钻进，未取得明显效果；（2）50－70年代，优化钻进技术发展很快，出现了各种钻进模式。
包括Sper和Moore的数学模型，古宁汉和Woods的钻头磨损方程，Woods和Gall的二元钻速方程，Young模式方程，Bourgyne 的多元钻速方程等。
（1）我国起步较晚，”6.5“期间进行了科技攻关。
油科院与辽河油田合作用阿莫柯模式进行了研究和试验，石油大学与中原油田合作，用扬格模式进行试验研究，西南石油学院与胜利油田合作，用修正的多元钻速方程进行了研究和试验，取得了一定成效5．3 影响钻井速度的因素及钻井模式方程影响钻井速度的主要因素有： 钻压、 转速、 水力因素、泥浆性能、井底压差、钻头型号、喷嘴组合、地层可钻性、地层埋藏深度、设备条件和操作水平。
上述因素又可分为相互独立和相互关联因素。
水力因素、泥浆性能、井底压差、喷嘴组合、操作水平是相互独立因素，不进入钻速方程。
而钻压、转速、地层特性、钻头类型是相互关联因素，这些因素要进入钻速方程。
5．3．1 相对独立因素对钻速的影响（1）泥浆性能对钻速的影响泥浆性能主要是泥浆密度、塑性粘度、固含、固相颗粒分散度及剪切稀释作用对钻速的影响。
钻进参数优选资料.
• 1.2 钻头特性和使用要求 设计机械破岩参数必须考
虑钻头的承载力、机械钻速 和寿命、类型和结构特点以 及优化使用要求。
• 1.2.1 钻头承载力
牙轮钻头的承载力相对金刚 石材料钻头要高一些，这和 它们的结构特点和耐冲击的 能力有关系。钻头的承载力 还和其直径有关，直径越大， 承载力就越大。施加给钻头 的钻压不能超过其承载力， 否则会使钻头短命。
最基本和最重要的因素。地层 的各项机械力学特性对机械参 数的设计都有影响。
这些特性大都有了成熟的实 验方法。所得到的定量和等 级指标与钻压、转速之间也 有了一般相关关系的认识。
目前国内外主要用岩石的 抗压强度、硬度和可钻性来 进行机械参数设计，塑脆性 和研磨性是机械破岩参数设 计的参考指标。
一般随井深的增大，岩石的 抗压强度和硬度逐渐增大，可 钻性逐渐变差，且逐渐由脆转 塑，因此钻压一般随井深逐渐 增大，转速一般随井深先增后 减。但应注意一些特殊地层， 如异常高压地层、盐岩地层、 砾石层等(画图)。
• 1.2.2 钻头类型和结构特点
牙轮钻头钻压一般在30～ 300kN范围，金刚石钻头在30～ 80kN范围。滚动轴承牙轮钻头的 转速范围一般可达200r/min，滑 动轴承钻头的在30～80r/min， 金刚石钻头的转速范围一般在 150～400r/min。
• 1.2.3 钻头的钻速、寿命和进尺
厂家推荐的钻压和转速范 围是一个参考，所设计的钻 压和转速一般不超过厂家推 荐范围的上限，且一般不能 同时取上线,具体还应考虑钻 压和转速的乘积值。但可以 小于其下限。
• 1.2.5 钻头优化使用要求 跑合： 造型： 磨损过程中的钻压调节：
• 1.3 钻机和钻井方法的限制
所设计的机械破岩参数 都是在确定类型的钻机和采 用一定的钻井方法的基础上 来实施的，故设计机械破岩 参数必须考虑钻机功率、类型 和钻井方法的限制。
第1讲 钻进参数优选技术
第一讲 钻进参数优选技术
0、前言
1、最优化钻井技术发展历史
2、最优化钻井技术的研究内容 3、钻进过程中各参数间的基本关系 4、钻进参数优选
最优化钻井技术
第一讲 钻进参数优选技术
1、最优化钻井技术发展历史 1.1 概述
钻井技术发展的三个阶段
（1）经验打井阶段
（2）科学化钻井阶段
VPC1 VPC 6 VPC1
1 1 C2 h
1 1 C2 h
（4-17） （4-18）
VPC 5 KC p CH (Wmax M 1 )nmin
由式(4-17)除式(4-18)可消去方程中的不变量
最优化钻井技术
第一讲 钻进参数优选技术
3、钻进过程中各参数间的基本关系
整理可得:
率(称为比水功率)来表示。
（2）水力净化井底
最优化钻井技术
第一讲 钻进参数优选技术
3、钻进过程中各参数间的基本关系
4）水力因素对钻速的影响
是否存在 CH>1 ?
（2）水力净化井底
CH v pc v ps P Ps (4 4)
式中 CH为水力净化系数 Ps为净化完善时所需的 比水功率,kW/cm2
M1 Wmin
Wmax Wmin VPC 2 VPC5 VPC 2
(4-19)
同理,由3,4两点的试验数据,可得该试验转速下的门限钻压M2。
M 2 Wmin
Wmax Wmin VPC3 VPC 4 VPC3
(4-20)
•取M1,M2的平均值,即为该地层的门限钻压值M.
3、钻进过程中各参数间的基本关系
石油钻井钻进参数优选
3
第四章
钻进参数优选 概 述
钻井工程的总目标：以最低的成本钻出高质量的井眼 钻进成本公式：
C pm
Cb Cr (t tr ) Cb Cr (t tr ) H V pct
影响钻速和钻头寿命的因素： （1）不可控因素——是指客观存在的因素，如所钻的地层、岩性、储层埋藏深
度以及地层压力等。 （2）可控因素——可进行人为调节的因素，如地面机泵设备、钻头类型、钻井 液性能、钻压、转速、泵压和排量等。
应知应会
10.五点钻速法求解门限钻压、转速指数（书P164第3题）。
11.计算射流水力参数、钻头水力参数（书P164第4题） 。
12.循环压耗的计算，尤其是 13. （书P164第5题）
14. （书P164第8题）
pl mD aQ1.8
2
第四章
钻进参数优选
§4-1 钻进过程中各参数间 的基本关系 §4-2 钻进参数优选 §4-3 水力参数优化设计
P （4-4） Ps
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。 水力辅助破岩效果具体体现在门限钻压M值减小。
8
压持效应：由于井内洗井液柱所形成 第四章 钻进参数优选 的静液压力大于地层压力，使得岩屑 §4-1 钻进过程中各参数间的基本关系 被压持在井底不易脱离的现象。
v pc 1 1 C2 h
（4-3）
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。
7
第四章 钻进参数优选 §4-1 钻进过程中各参数间的基本关系
钻井参数优选新方法
』 ｍ”” Ｉ ≤≤ｍ ” ｍ ａ ｘ
Ｐ ≤ Ｐ ≤ … …
（ ６ ）
／ 一１ ｇ ０ ￣ｚ 。 （’ １ ＜ ｇ
３ 应 用 实 例
徐 家 围子 地 区 某 井 １９ ０ ２ ３ ０ ｍ 井 段 采 用 ５ ～ ０
【 … ≤ Ｑ≤ Ｑ Ｑ …
＋Ｒ ＋ 坐 ＋ｃ ｐ
ｃ一 （） ５ Ｃｏ Ｒ ＋
Ｊ＿
Ｉ
上
Ｉ ｌｋ ＇ Ｃ
Ｉ
Ｉ ｒ、
Ｊｓ／ Ｍｓ
（ ｄＫ Ｋ（Ｉ ｄＫ ） ） 『 享
… ２ ）
式中 Ｃ ＲＴ； 一 ， Ｃ＋ 垒 三 ０ Ｅ
；为 钻
井 泵 效 率 ； 为 钻 井 泵 排 量 ， ｓ Ｐ Ｑ Ｉ ； 为立 管 压 力 ， ／
ＭＰ ； 为压 力损耗 系数 ， 为 钻头 直径 ， ａＫ Ｄ ｍｍ。 式 （） ５ 目标 函数 的优 化 ， 钻井 ＿ 在 Ｔ艺上 应该 满 足
一
定 的条件 。这 些 条件既 包括 自变 量本 身 的限制条
件 ， 包括 各变 量 间 的 相互 配合 应 满 足 的 条件 。只 也 有 这些 约束 条件 完全 满 足 ， 优选 结果 才有 意 义 。 １ ）自身变 量本 身应满 足 的约束 条 件为 ：
井泵安 全使 用 ， 避免超 负 荷运行 。
Ｎ 叩 一Ｐ Ｑ≥ ０ 叩１ （） ８
（ １ ． ｝ ５ ９ｍｍ 钻 头 钻 进 ， 知该 钻 头 的价 格 为 １５ ０ ２ 已 ０ 元， 钻头 牙齿 的寿命 系数 为 １ ２ 邻井 相 同井段 的声 ．， 波时 差测 井资 料如 图 １所示 。该 地 区的钻 机作业 费
３ 一 ３ ０ 井 泵 ， 功 率 费 用 系 数 和 泵 压／ 数 分 别 ＮＢ １０ 钻 泵 眦系 世
石油工程 第5章优选参数钻井
Lv 2
di (3.2) (3.2)
2 A
0.2 pv
(3.2 d i v)
0. 2
Lv 2
di
0. 2
0. 8
Lv1.8 d 1.2 i LQ 1. 2 1 2 1.8 d i ( d i ) 4
1.8
0.2 pv
0. 2
0. 8
B
第五章
0. 2 pv
第五章 第一节 钻井参数作用机理
2. 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
第五章
第一节
钻井参数作用机理
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。
2. 循环系统压力损耗的计算 (1) 管内层流 (2) 环空内层流 (3) 流动状 态的判别(4) 紊流流态下压力损耗的计算
Lv 2 管内紊流： Pi 2 f di
Lv 2 环空内紊流： Pa 2 f dh d p
第五章
第二节
水力参数的优选
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。
3. 喷射钻井工作方式及最 优条件
第五章
第二节
水力参数的优选
(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。 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
钻进参数的优选方法
密度计
（2）钻井液粘度对钻速的影响
在一定的地面功率条件下，钻井液粘度增大，将会增大环空压降， 在一定的地面功率条件下，钻井液粘度增大，将会增大环空压降，钻头 获得的水功率降低，钻速降低； 钻井液粘度增大，钻柱内压耗增大， 获得的水功率降低，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增大， 功率减小，清岩和破岩能力降低， 在泵压一定时钻头压降增大，钻头水 功率减小，清岩和破岩能力降低， 钻速下降。 钻速下降。
不同形状、 不同形状、直径的牙齿
牙齿磨损与钻速的关系曲线
牙轮钻头
4.水力因素对钻速的影响 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) 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 井底单位面积上的平均水功率 钻速的影响规律。 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， 井底比水功率越大，净化程度越好， 钻 速越快。 速越快。 水力净化能力通常用水力净化系数CH 水力净化能力通常用水力净化系数 表示,其含义为实际钻速与净化完善时的 表示 其含义为实际钻速与净化完善时的 钻速之比， 钻速之比，即： vpc P C = = H vpcs P s 井底完全净化后， 井底完全净化后，CH=1；否则，CH＜1。 ；否则， ＜ 。
二、 钻头磨损
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。 而增大。当钻压增大到某一 极限值时， 极限值时，牙齿磨损速度趋 于无穷大。 于无穷大。
dh ∝ dt Z
2
1 − Z 1W
钻压与牙齿磨损速度的关系曲线
Z1与Z2 称为钻压影响系数 与牙 与 称为钻压影响系数, 轮钻头尺寸有关。 轮钻头尺寸有关。 当钻压等于Z2／ 时 牙齿的磨损 当钻压等于 ／Z1时,牙齿的磨损 速度无限大。 速度无限大。 Z2／Z1是该尺寸钻头的理论极限 ／ 是该尺寸钻头的理论极限 压。
复合钻进条件下钻进参数优选方法研究的开题报告
复合钻进条件下钻进参数优选方法研究的开题报告一、选题背景及意义目前，随着钻井技术的不断发展，复合钻具已经逐渐成为钻井领域的主要工具之一。
复合钻具相较于传统钻具，具有载荷大、效率高、使用寿命长等优点，能够适应井深、岩性及地质条件等变化，因此被广泛应用于复杂地质条件下的钻井作业。
在复合钻进条件下的钻进过程中，钻井参数的优选对于提高钻井效率、降低成本和保障钻井安全等诸多方面都具有重要意义。
目前国内外对于复合钻进条件下的钻进参数优选研究较为薄弱，缺乏系统性、实用性的优选方法。
因此，如何建立一种适用于复合钻进条件下的钻进参数优选方法，成为当前钻井领域亟待解决的问题。
二、主要研究内容及方法本研究旨在建立适用于复合钻进条件下的钻进参数优选方法，具体研究内容包括：1. 复合钻具的结构、特点及适用范围的探究；2. 复合钻进条件下的钻进过程相关参数的分析；3. 钻进参数优选方法的建立。
本研究将采用实验和数值模拟相结合的方法进行研究，具体步骤包括：1. 对复合钻具进行结构分析、性能测试和适用范围确认；2. 建立复合钻进过程的物理模型，利用数值模拟方法对钻井参数进行优选；3. 设计实验方案，采用钻进测试系统进行参数测试和比较分析；4. 结合模拟和实验结果，建立适用于复合钻进条件下的钻进参数优选方法。
三、预期成果本研究力求取得如下预期成果：1. 确定复合钻具的结构、特点及适用范围，为钻井实践提供参考。
2. 分析钻进过程相关参数，形成复合钻进条件下的钻井参数体系。
3. 建立适用于复合钻进条件下的钻进参数优选方法，为钻井实践提供技术支持和指导。
4. 发表相关研究论文，提高钻井领域相关研究水平。
钻井工程参数优选
nW 1 .5 ( Z 2 − Z 1W ) nW 1 .5 C Bf = (h f + 1 h f ) A f ( a1 n + a 2 n 3 ) b 2
7
第四章 钻进参数优选
1 dH = C H C p K (W − M ) n dt 1 + C2 h
λ
dh dt
=
A (Z
2
f
(a1n + a 2 n 3 )
− Z 1W )( 1 + C 1 h )
dt =
Z 2 − Z 1W (1 + C1h ) dh 3 A f ( a1n − a 2 n )
CH C p K (W − M )n λ ( D2 − D1W ) 1 + C1h dH = ⋅ dh 1 + C2 h A f (Q1n + Q2 n3 )
9
钻进参数优选
机械破岩参数优选
3. 最优钻压
∂C
pm
∂W
D2 t E A f Q1n + Q2 n 3 2 W − 2 + D1 D1 F
= 0
(
)W + t
E Af
(Q n + Q n ) D
3 1 2
D1 F
D 2 +M + 2 D D 1 1
Z 2 − Z1W hf dt = ∫ ∫0 (1 + C1h)dh A f (a1n + a2 n 3 )
tf 0
塔里木长裸眼定向优快钻井技术研究及应用
塔里木长裸眼定向优快钻井技术研究及应用发布时间：2021-08-16T10:19:28.381Z 来源：《科技新时代》2021年5期作者：范荣贵张宏信方洋马俊海[导读] 造成长裸眼定向钻进有效钻进时间少，平均机械钻速。
以上因素都给塔里木长裸眼定向提速带来了挑战。
（川庆钻探工程有限公司新疆分公司新疆库尔勒市 841000）摘要：塔里木油田钻井施工中二开定向井裸眼井段段长大都超过3000米，定向钻进受裸眼段长、托压严重及易发生粘卡等多种因素制约，机械钻速低。
本文通过系统分析长裸眼定向施工缓慢主要制约因素：直井段井眼轨迹质量、定向钻头的稳定性和攻击性、定向钻具组合及钻井液性能等，创造性提出应用刚性粒子钻井液防托压方法、混合钻头优选技术、钻柱扭摆工艺、水力震荡器等方式对塔里木钻井施工中的长裸眼定向钻井提出优快方案。
开展现场试验，试验井数8口，试验井平均裸眼段长平均4518米，平均机械钻速2.88米/小时，该工艺技术为塔里木定向长裸眼钻井提速提供技术支撑。
关键词：长裸眼定向混合钻头优快钻井技术塔里木油田台盆区长裸眼定向，裸眼段长度大多超过3000米，二开长裸眼段钻进需要穿越多套层序、不同压力系数的地层，容易发生井壁失稳、井眼垮塌、粘附卡钻等技术难题，保证泥饼润滑性困难。
上部长裸眼井段井眼轨迹差，易造成定向滑动钻进过程中发生粘卡，使用牙轮钻头定向，平均机械钻速低，且牙轮使用时间有限，往往需要多趟钻才能实现工程、地质目的，使用PDC钻头定向，由于扭矩大，造成频繁蹩钻，需要频繁上提活动钻具摆方位，损耗时间多，有效纯钻时间少，不利于安全、快速钻进，造成长裸眼定向钻进有效钻进时间少，平均机械钻速。
以上因素都给塔里木长裸眼定向提速带来了挑战。
一、提速制约因素目前塔里木长裸眼井普遍采用三开井身结构：一开406. 4 mm井眼钻至井深 1200m（或1500m），封固上部疏松地层，穿越层位古近系;二开241.3mm井眼钻至奥陶系良里塔格组，进入良里塔格组10m左右中完，穿越层位古近系、白垩系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系（可能缺失）、志留系和奥陶系良里塔格组，定向点井深5800米左右; 三开171.45mm（或152.4mm）井眼目的层定向钻进。
第四章 钻进参数优选2
(4-53)
• （三）钻头水力参数
• 钻头水力参数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。 0.05 d Q 2 pb • (4-54) C 2 A2
0
• 式中，pb——钻头压力降，MPa； ρ d——钻井液密度，g/cm3; C——喷嘴流量系数, 与喷嘴的阻力系数有关，C的值总是小于1。 • 如果喷嘴出口面积用喷嘴当量直径表示，则钻头压力降计算式为 •
p pi B d 0.2 L p Q1.8
0.8 4.8 dp
(4-75)
• 式中，ppi——钻杆内压耗，MPa; dp——钻杆内径，cm; B——常数，内平钻杆B=0.51655，贯眼钻杆B=0.57503； Lp——钻杆总长度，m。 下次课内容
• (3)钻杆外环形空间压耗
•
p pa 0.57503 d 0.2 L p Q1.8
L1 L3 L2 L4 1.8 Pg 0.51655 d 0.8 0.2 d 4.8 d 4.8 d 4.8 d 4.8 Q (4-74) 2 3 4 1
• 式中，Pg——地面管汇压耗，MPa; ρ d——钻井液密度，g/cm3; η ——钻井液塑性粘度，Pa· s; Q——钻井液排量，L/s。 L1 ， L2 ， L3 ， L4 和 d1 ， d2 ， d3 ， d4 分别为地面高压管线、立管、水龙带 （头）、方钻杆的长度和内径，长度单位为米，内径单位为厘米。 • (2)钻杆内压耗 •
• 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： 按与周围流体介质的关系划分：ρ 射>ρ 介，非淹没射流， ρ 射<ρ 介，淹没射流 按射流的运动和发展是否受到固壁限制分：无固体边界—自由射流 有固体边界—非自由射流 按射流压力是否稳定划分：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 • 自钻头喷嘴射出的射流为淹没非自由连续射流。
钻井工程5-钻进参数优选
所需钻井液射流是喷射式钻头与普通钻头的主要区别.
实际钻井过程中，钻井液由喷嘴形成的射流属淹没 非自由射流。射流冲到井底以后能产生两种净化井底 的作用：一是射流对井底岩屑的 冲击压力 作用。 二是漫流对井底岩屑的 横推 作用。
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。
按射流流体与周围流体介质的关系划分，可分为淹没射流 （射流流体的密度小于或等于周围流体的密度）和非淹没射
漫流分布规律：在射流冲击的面积以内，射流冲击中心的漫 流速度为零；离开中心，漫流速度逐渐增大；在射流冲击面 积的边缘，漫流速度达到最大。在射流冲击面积以外，漫流 速度与距冲击中心的距离成反比，即离冲击中心愈远则漫流 流速愈小。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，就要增大射流的喷速和流量。
第五章 钻进参数优选
Chapter 5 : Optimization of Drilling parameter
钻进参数－－表征钻进过程中的可控因素所包括的
设备、工具、钻井液和操作条件的重要性质的量。 钻进参数优选－－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
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
●可调参数的优选都应以地层固定参数为依据。深入
掌握这些可调参数对钻进效益的影响规律，建立钻进
数学模型，是实施优选参数钻井的重要基础。
多元统计分析
主要内容
静压35MPa 动压17.5MPa
第5章钻进工艺技术(钻进参数优化、井斜及控制)
(1)建立钻头进尺H与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系
dH 1 Vm CH C p K R (W M )n dt 1 C1h
1 dH CH C p K R (W M )n dt 1 C1h
Af (a1n a2n3 ) dh dt ( Z 2 Z1W )(1 C1h)
二、钻头牙齿磨损速度方程
Af (a1 n a2 n3 ) dh VH dt (Z 2 Z1W )(1 C1h)
Af 地层研磨性系数，由实验确定；
a1和a2 转速影响系数，由钻头类型决定；
Z1和Z2 钻压影响系数，由钻头直径决定； C1 牙齿磨损减慢系数，均可从相应表中查得。
C2—牙齿磨损系数， 与钻头结构和岩石性质有关。 h—牙齿磨损量=s/H， 牙齿磨损掉高度/原齿高 新钻头h=0；牙齿全部磨损时h=1。
h ，Vm
s
H
二、钻压
是直接作用于钻头上的压力，是使钻头破 碎岩石的最基本参数。
oa段：钻压小，钻速很小
ab段：钻压增大，钻速随钻压 增大，呈线性关系增加 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。
射流对井底的清洁净化作用
（1）漫流的横推作用 射流冲击井底后，钻井液便从冲击中心向四周高流速作横向流动，形 成漫流，从而对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。 （2）射流的冲击压力作用 射流冲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 屑受到一个翻转的力矩，从而离开井底。
克服压持效应依靠射流的冲击压力和漫流的横向推力。 增大射流喷速和流量 (增大钻井液在井底的水力能量) 常用钻头水功率表示井底的水力能量：
复合钻进条件下钻进参数优选方法研究
复合钻进条件下钻进参数优选方法研究
在对井下动力钻具(螺杆、涡轮)特性和应用井底动力钻具的复合钻井特点进行分析的基础上,通过比较得出螺杆钻具适用于最大钻头水功率的参数优选标准,而涡轮钻具在最大钻头水功率时不能使钻具功率得到有效发挥,需要按照钻具最大功率来优选。
同时提出了螺杆钻具最优工况时的钻井参数(钻压、转速)的计算方法,以及涡轮钻具最高机械钻速时,最大功率时的钻压的确定方法。
为了在设备承压能力下最大发挥泵的功率,在分析钻井泵工作特性的基础上,提出了在设备承压能力下能最大发挥钻井泵效率的缸套选择方法,并提出了在此缸套选择方法下的相关计算。
总结了循环压耗的计算方法,包括流型的判断、不同流体在不同流态下压耗的计算公式,总结提出了钻柱偏心时循环压耗的计算方法,并分析了斜井岩屑运移规律,总结提出了斜井最小环空返速的计算方法。
通过现场得数据对斜井岩屑的运移进行了验证,通过应用螺杆钻具的现场数据的喷嘴直径与计算所得喷嘴直径进行比较,得到较好吻合。
编制了井底动力钻具水力参数优选的软件程序。
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优选钻进参数方法研究及应用
摘要：在钻井作业中,如何利用好钻头对整个钻井作业是至关重要的，这是建立在对地层岩性有科学了解、钻头选型正确，而后科学地进行各种参数设计和应用的基础上的。
而对于钻进参数的设计以及在作业中根据钻头不同使用时期进行参数优化是经济有效地使用钻头的关键。
本文主要工作是在以往的优选钻进参数的方法上进行改进，使之能随钻头不同工作时期合理选择钻进参数，并且编制了相应的软件，经过现场应用，效果十分明显。
关键词：钻进参数优化软件钻井设计钻压
1.优选钻进参数的意义
钻井作业中，在根据地层特性选定了钻头后面临着如何用好钻头，达到最佳的使用效果；即综合考虑钻头的工作性能和使用井段的岩石特点等，合理选择水力参数、钻进参数和钻井液流变参数。
水力参数设计主要包括对排量、泵压、喷嘴、喷射速度、钻头水功率及冲击力等参数进行设计，以求获得最大钻头进尺和最低成本；钻井液参数设计选择主要指选择适当的钻井液类型及相关的性能参数，以求达到稳定井壁、高效携带岩屑的效果。
水力参数设计和钻井液参数设计都不是本文讨论的重点，本文着重讨论钻进参数设计，即优选钻压和转速。
优选钻压和转速就是既要有效破碎地层，又要兼顾钻压和转速对钻头牙齿和轴承的影响，使钻头具有较长的工作寿命。
一般说来，对于硬地层，必须施加较高的钻压才能破坏岩石的抗压强度，而对转速的敏感程度较低，宜采用低转速和高钻压相配合。
对于中硬地层，适当增加钻压和降低转速度可使钻头有效吃入地层，转速对提高钻速有影响，宜采用中等转速和高钻压；对于软地层，钻压加得过大钻头吃入地层过深，钻速反而不高甚至下降，转速对钻速的影响较大，因而采用低转速和高钻压相结合。
如果使用的是密封滑动轴承的牙轮钻头，考虑到轴承的承受能力，厂家给出了W N值(钻压和转速的乘积)，供使用时参考。
如果钻压选择不当，容易造成钻头牙齿的损坏(折断、碎裂、脱落)。
主要原因是牙齿受到“冲击”，而冲击载荷与所加的钻压成正比，与岩石硬度、牙轮的线速度等有关。
因而，钻头所承受的钻压和选择的转速直接影响钻头的使用效果和使用寿命，优选钻压和转速对于缩短钻井周期、节约成本是很有现实意义的。
2.优选钻进参数方法及评价
从理论上讲,在适当范围内钻压和转速成线性关系(如图1所示)。
开始时，钻压低，岩屑少，钻速基本上与钻压的平方成正比。
钻压加大后，岩屑增多，井底净化条件变差，钻速和钻压成线性关系。
当钻压升到一定值以后，井底净化条件变恶劣，钻速增长缓慢，甚至下降。
图1 钻压和机械钻速的关系图
而对于转速对钻速的影响，在转速度较低时，井底净化条件好,钻速基本随转速成线性增加。
超过这个值，钻速就与地层岩性、井底净化程度有关了。
在软地层，如果井底净化充分，钻速和转速成正比；对中硬和硬地层，转速对钻速的影响不大。
现场常常采用的优选钻压和转速的方法是试钻法，通过释放钻压法或者五点钻速法来确定最优的钻压和转速。
释放钻压法就是假定钻柱是一个弹性体，它的长度随受到的张力而异。
通过对钻头施加一定量的钻压，保持钻井泵排量和转速不变，刹住绞车，随着钻头下钻，更多的负荷吊在大钩上，加在钻头上的钻压就相应地减小。
通过观察每减小一定数量的钻压所需要的时间，而后找出其中所用时间最短的段，对应的钻压即为最佳钻压。
反复几次，求得最佳钻压的平均值。
同样保持钻压和水力条件不变，改变转速，可以得到最佳转速。
上述方法的实质是建立这样一个函数,Vsp=F(Wp,Rs) (其中，Vsp-钻头的机械钻速，m/h ；Wp-加在钻头上的钻压，kN；Rs-钻头旋转速度，r/min)，通过调整Wp和Rs，使得Vsp取得最大值。
释放钻压法中求得最佳钻压的方法，实际是在钻压与时间的关系图上，寻求变化相同的钻压(△Wp)下的最小时间段(△Ts)，认为此时对应的钻压为最佳钻压。
这种方法的优越性在于可操作性强，便于现场应用。
但在实际运用中，我们发现以下缺点：(1) 在现场条件下，经常发现试验得到的最佳钻压和最佳转速不匹配，将二者结合起来使用时，并不能得到最高机械钻速，原因在于二者试验条件有差异。
(2) 这种处理方法得出的钻压或者转速范围较理想化，对现场的指导性不是很强，而在钻井实际操作中，由于多种因素同时作用，要求给出相应的操作性较强的取值范围。
(3) 仅仅能给出认为最佳的钻压和转速取值范围，不能直观地看出当钻压和转速不在给定的范围时所能获得的钻头机械钻速。
(4) 这种处理方法不能动态反映随着钻进的进行、地层地变化和钻头的磨损情况。
3.改进的优选钻进参数方法的应用
针对上述处理方法的弱点，结合现代录井技术,我们将处理方法进行了改进,并在现场作了应用,效果很好。
基本思路仍旧是建立这样一个函数,Vsp=F(Wp,Rs)，通过调整Wp和Rs使得Vsp取得最大值。
采用释放钻压法来收集有关钻压、转速参数，结合现代录井技术，钻井各种工程参数会每分钟更新。
利用收集到的钻进参数，绘制钻速和转压的关系曲线(其他条件相同，在不同的转速下)，结合数值处理方法作出拟合曲线，寻找相应的最佳钻压区间，可以很直观地得出不同钻压和不同转速下的机械钻速。
在塔河油田TK431井，我们作了优选择钻压和转速试验。
试验井段为第四系库车组，岩性为白、浅黄色粉砂、棕褐色泥岩及粉砂质泥岩、细粒岩屑长石；采用的钻头是12-1/4"H437钻头,试验结果如图2-图5所示。
从图2、图3及图4可以看出（钻头转数分别在40r/min、50r/min及50r/min），钻压在40kN-120kN之间时，机械钻速基本上是与钻压成正比的；在低于40kN时,由于数据采集时设备的系统误差，造成曲线略向上翘；在钻压超过120kN时，随着钻压的上升，机械钻速增加不明显，甚至降低。
钻头转速为40r/min时，可以获得的最大机械钻速约为29m/h；钻头转速为50r/min时,可以获得的最大机械钻速约为30m/h；而钻头转
速为60r/min时，可以获得的最大机械钻速约为26m/h。
由此可以看出，钻头转数最佳范围应该为45-55r/min 之间,此时井底的净化条件最好，获得的机械钻速最大。
如果继续增加钻头转速，从图5和图6(80r/min和90r/min)可以看出，相应的钻压也上升，而获得的机械钻速反而降低。
当钻头转速为80r/min时,可以获得的最大机械钻速约为19m/h；钻头转速为90r/min时,可以获得的最大机械钻速略有增长，约21m/h。
主要原因是在高转速和高钻压下，其他条件不变的情况下，钻头压碎和剪切的岩屑量急剧增加，井底净化条件变差，岩屑不能及时离开井底，造成重复切屑。
图2 机械钻速和钻压的关系(40rpm)
图3 机械钻速和钻压的关系(50rpm)
图4 机械钻速和钻压的关系(60rpm)
图5 机械钻速和钻压的关系(80rpm)
图6 机械钻速和钻压的关系(90rpm)
结合现场钻机设备条件和井队操作人员素质情况，我们决定钻进工程参数为：钻压100kN-120kN，转数45r/min～50r/min。
依据试验数据，结合数值方法，我们回归了钻压和钻速的关系式：Vsp = -0.0003Wp3 + 0.0642Wp2 - 2.8672Wp + 81.487。
由于造到了最优钻压和转速范围，较好延长了钻头使用寿命，使得机械钻速较高，获得平均机械钻速
22.32m/h，钻头总进尺1984.28米的好成绩。
随着钻头工作时间的延长,一方面钻头本身会有磨损，另一方面地层岩性的变化，都会导致机械钻速降低，而且最佳钻压和转速也发生了相应的变化。
我们综合计算机数据采集技术、计算机编程技术和数据处理技术等，编制了跟踪钻进参数的应用软件，通过它能动态地捕获、分析、处理钻进参数，给出钻头各个使用时期推荐的最佳钻进参数，为有效利用钻头提供了保障。
4.结论与建议
* 钻头使用是钻井作业中一项关键技术，如何高效利用钻头，获得最大钻头进尺，合理选择钻进参数是十分重要的。
* 本文介绍的合理选择钻进参数的适用性强，便于作业者操作，为合理有效利用钻头指出了方向。
* 应用编制的优选钻进参数软件，能自动跟踪钻头使用情况，同时给出拟合曲线，为作业者在钻头不同的使用时期确定钻进参数提供了直观的处理方法；经现场应用表明，这种方法是有效的。
* 钻井工程是一个复杂的系统工程，为更好地了解地层特性和钻头工作状态，单凭借钻进参数判断是不全面的，还应参考钻屑录井、泥浆性能等，综合多方面因素，才能较为客观地反映钻头在地下的工作情况。
[致谢]
在试验过程中，感谢项目部的同志给予的无私帮助，感谢中南5普511录井队的工程师的积极配合，感谢现场监督组全体同志的支持和鼓励。
[参考文献]
1. 刘希圣，主编《钻井工艺原理》，石油工业出版社，1990年。
2. 《钻井手册(甲方)》，石油工业出版社，1990年。
3. 《江汉钻头使用手册》，江汉石油管理局钻头厂编，1992年。
4. 《Rules-of-Thumb for the man on the rig》，Murchison Drilling schools，Edition 2，1989年. 优选钻进参数方法的应用。