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)
λ
dH n Vm = = K R ⋅ C p ⋅ C H (W − M ) dt 1 + C2 h
使用最广泛
修正公 式
岩石可钻性系数，与岩石硬度、钻头类型及洗井液性能有关， KR 岩石可钻性系数，与岩石硬度、钻头类型及洗井液性能有关，可由 实验确定； 实验确定； 压差影响系数，当压力平衡时， Cp 压差影响系数，当压力平衡时，Cp＝1； 水力参数影响系数，井底达到充分净化时， CH 水力参数影响系数，井底达到充分净化时，Ch＝1．
二、钻头牙齿磨损速度方程
A f (a1 ⋅ n + a2 ⋅ n 3 ) dh = VH = dt ( Z 2 − Z1W )(1 + C1h)
地层研磨性系数，由实验确定； Af 地层研磨性系数，由实验确定； 转速影响系数，由钻头类型决定； a1和a2 转速影响系数，由钻头类型决定； 钻压影响系数，由钻头直径决定； Z1和Z2 钻压影响系数，由钻头直径决定； 牙齿磨损减慢系数，均可从相应表中查得。 C1 牙齿磨损减慢系数，均可从相应表中查得。
h ↑ ，Vm ↓
H s
二、钻压
是直接作用于钻头上的压力， 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。 碎岩石的最基本参数。
oa段 钻压小， oa段：钻压小，钻速很小 ab段 钻压增大， ab段：钻压增大，钻速随钻压 增大， 增大，呈线性关系增加 bc段 当钻压增大到一定值W bc段：当钻压增大到一定值Wb 钻压增大， 时，钻压增大，钻速改进效果 并不明显。 并不明显。
优选思路
确定优化目标 确定影响目标的主要 因素和影响规律 建立影响因素与优化目标 之间的数学模型（目标函数） 之间的数学模型（目标函数） 目标函数： 目标函数： •每米钻井成本 每米钻井成本 •钻速 钻速 •进尺 进尺 影响规律： 影响规律： •钻速方程 钻速方程 •牙齿磨损方程 牙齿磨损方程 •轴承磨损方程 轴承磨损方程
●清洁、净化井底，避免重复切削； 清洁、净化井底，避免重复切削； ●保持和扩大预破碎带裂缝； 保持和扩大预破碎带裂缝；
最主要的作用 ●直接水力破岩（射流速度>70m/s）。 直接水力破岩（射流速度>70m/s >70m/s）。 在岩石强度较低的地层，射流的冲击力 冲击力超过了地层的。 度，直接破碎岩石。 在岩石强度较高的地层， ② 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， 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。 从而大大降低岩石的破碎强度。
课堂回顾 钻机： 钻机： 钻头：三种 钻头： 钻柱： 钻柱：组成和功能 钻井液：功用、类型和性能 钻井液：功用、
第二节 钻进参数优选
要达到高效率、低成本钻井的目的，必须要进行： 要达到高效率、低成本钻井的目的，必须要进行：钻进 高效率 钻井的目的 参数优选。 参数优选。 基本内容： 基本内容： 建立钻进过程的数学模型，运用最优化理论， 建立钻进过程的数学模型，运用最优化理论，分析处 理各种试验数据和钻井资料，寻求能使钻速最快 钻速最快、 理各种试验数据和钻井资料，寻求能使钻速最快、成本最 进尺最多的参数组合 的参数组合。 低、进尺最多的参数组合。 • 机械破岩参数：钻压、转速 机械破岩参数：钻压、 • 水力参数：喷嘴直径、泵压、泵排量 水力参数：喷嘴直径、泵压、 技术关键： 技术关键：数学模型是否符合钻井客观规律
W ↑ ，Vm ↑
条件： 条件：其它参数不变
钻压对钻头牙齿磨损速度的影响关系式为： 钻压对钻头牙齿磨损速度的影响关系式为： 的影响关系式为 dh 1 为牙齿的磨损量； h为牙齿的磨损量； ∝ dt D2 − D1W 为钻压影响系数，与钻头的尺寸有关； D 和D 为钻压影响系数，与钻头的尺寸有关；
l 2
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 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) 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： 常用钻头水功率表示井底的水力能量： 钻头水功率表示井底的水力能量
影 响 钻 速 主 要 因 素
不改变因素： 不改变因素： 地层性质、储层埋藏深度、地层压力等 地层性质、储层埋藏深度、地层压力等。 可改变因素： 可改变因素： •钻头类型：根据地层选钻头； 钻头类型： 钻头类型 根据地层选钻头； •钻压：W↗ ，Vm ↗ ； 钻压： 钻压 •转速： n↗ ，Vm ↗ ； 转速： 转速 •牙齿磨损： h↗ ，Vm↘ ； 牙齿磨损： 牙齿磨损 •水力参数： Nb↗ ，Vm ↗ ； 水力参数： 水力参数 •钻井液性能：低密度、低粘度、低固相、 钻井液性能： 钻井液性能 低密度、低粘度、低固相、 不分散体系
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， 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 便从冲击中心向四周高流速作横向流动 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。 横向推力， 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， 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 冲击压力极不均匀 屑受到一个翻转的力矩 从而离开井底。 翻转的力矩， 屑受到一个翻转的力矩，从而离开井底。
第5章 钻进工艺技术
第一节 影响钻速的主要因素 ☆ 第二节 钻进参数优选 第三节 井斜及控制 ☆
第一节 影响钻速的主要因素
影响钻速的因素分为两大类： 影响钻速的因素分为两大类： 不 可 变 因 素
变因素 愓
指客观存在、无法改变的因素， 指客观存在、无法改变的因素，如：所钻地层的岩石 物理机械性质、储层埋藏深度、地层压力等 物理机械性质、储层埋藏深度、地层压力等。
钻压与轴承磨损速度的关系式为： 钻压与轴承磨损速度的关系式为： 的关系式为
dB ∝ W dt
y
B为轴承的磨损量； 为轴承的磨损量； y是钻压指数，对于普通的水基洗井液y=1.5； 是钻压指数，对于普通的水基洗井液y=1.5； y=1.5
V m ↑ W ↑ dh ↑ ⇒ Tb ↓ dt
（3）钻井液固相含量对钻速的影响 固相含量增大，钻速降低。 固相含量增大，钻速降低。
钻速
（4）钻井液分散性（固相颗粒的分散程度）对钻速的影响 钻井液分散性（固相颗粒的分散程度） 分散性钻井液比不分散性钻井液钻速低。 分散性钻井液比不分散性钻井液钻速低。 为了提高钻速， 为了提高钻速，应尽可 能采用： 能采用： •低密度 低密度 •低粘度 低粘度 •低固相 低固相 •不分散体系钻井液 不分散体系钻井液 不分散体系
可 变 因 素
指
为恒
改变的因素， 改变的因素，如：钻 、 力
恒、 恒、
类
、钻压、 钻压、
悹的两 钻 机械 岩
速、恱蘲 ： ： ：
、钻
惉性
等。
恿
层
一、牙齿磨损对钻速的影响
1 Vm ∝ 1 + C2 h
牙齿磨损系数， C2—牙齿磨损系数， 牙齿磨损系数 与钻头结构和岩石性质有关。 与钻头结构和岩石性质有关。 牙齿磨损量=s/H h—牙齿磨损量=s/H， 牙齿磨损量=s/H， 牙齿磨损掉高度/ 牙齿磨损掉高度/原齿高 新钻头h=0；牙齿全部磨损时h=1。 新钻头h=0；牙齿全部磨损时h=1。 h=0 h=1
条件：其它参数不变 条件：
实际应用中， 实际应用中，以直线段为依据 建立钻压（ 和钻速（Vm） 建立钻压（W）和钻速（Vm）的定 量关系。 量关系。
V 即： m ∝ (W − W0 )
式中： 称为门限钻压 门限钻压， 式中：W0称为门限钻压，它是 ab线在钻压轴上的截距 认为是钻 线在钻压轴上的截距， ab线在钻压轴上的截距，认为是钻 头牙齿刚开始吃入地层时的钻压， 头牙齿刚开始吃入地层时的钻压， 其值的大小主要取决于岩层性质， 其值的大小主要取决于岩层性质， 有较强的地区性。 有较强的地区性。
钻井液密度、粘度、固相含量及其分散性等性能指标对钻速 钻井液密度、粘度、固相含量及其分散性等性能指标对钻速 都有明显的影响。 都有明显的影响。 (1)钻井液密度对钻速的影响 (1)钻井液密度对钻速的影响 钻井液密度↗ 钻井液密度↗ 井底压差↗ 井底压差↗ 压持效应↗ 压持效应↗ 钻头的破碎效率↘ 钻头的破碎效率↘ 钻速↘ 钻速↘ 井底压差=钻井液液柱压力－ 井底压差=钻井液液柱压力－地层压力
井斜、井径扩大 井斜、 缩径
钻进的任务是破碎岩石，钻速的高低、 钻进的任务是破碎岩石，钻速的高低、井身质量的优劣 任务是破碎岩石 和成本的高低，受到地层性质的制约，同时也受到钻进 和成本的高低，受到地层性质的制约，同时也受到钻进 地层性质的制约 设备、工具的性能及钻进工艺技术措施的影响。 设备、工具的性能及钻进工艺技术措施的影响。 的影响
Pb ⋅ Q Nb = 1.02
Nb——钻头水功率，kW； 钻头水功率，kW； 钻头水功率 钻头喷嘴压降， Pb——钻头喷嘴压降，MPa； 钻头喷嘴压降 MPa； 排量， Q——排量，L／S。 排量
钻头水功率↗ ，井底压持效应↘ ，井底清洁程度↗ ，钻 速↗ 。
钻速与水力参数的关系曲线
五、钻井液性能
课堂回顾 钻头： 钻头：三种 钻柱： 钻柱：组成和功能 井口工具 钻井液：功用、类型和性能 钻井液：功用、
第5章 钻进工艺技术
是根据所钻地层的特点， 钻进是根据所钻地层的特点 钻进是根据所钻地层的特点，通过选择和使用合适的工 具，选择合理的工艺技术措施，使钻头在地层中沿预定 选择合理的工艺技术措施， 的轨道前进的过程，是一口井建井过程的最主要的环节。 的轨道前进的过程，是一口井建井过程的最主要的环节。
因此，钻压不能无限制 因此， 地增加，存在最优值。 地增加，存在最优值。
三、转速
转速与钻速的关系： 转速与钻速的关系：
Vm ∝ n
n为转速； 为转速；
λ
λ为转速指数，一般小于1，与岩性有关。 为转速指数，一般小于1 与岩性有关。
V m ↑ n ↑ dh ↑ ⇒ Tb ↓ dt
因此，转速不能无限制地增加，存 因此，转速不能无限制地增加， 在最优值。 在最优值。