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。

* 泥浆密度对钻速影响极大，在同样的钻井条件下，密度增加0.1钻井速度降低1倍；

* 固相含量对钻井速度有明显影响。固含增加钻井速度降低； * 固相颗粒分散度对钻井速度影响也很明显。固相颗粒越分散，对钻速影响越大；

* 塑性粘度对钻速的影响也很大，特别是水眼粘度影响更大。所谓水眼粘度是指泥浆通过喷嘴时的表观粘度。即：

dr

dv s p /0τημ+= (1) 由于在喷嘴出口的速梯很大，所以s p ημ=。因此，水眼粘度实际上是高速梯下的塑性粘度。而塑性粘度与固含有关，特别

是固相颗粒分散度。计算表明，水眼粘度降低一半，钻头压力降提高22％，而钻头功率提高34.7％。

* 剪切稀释作用

剪切稀释作用是指泥浆在高速梯下流动时变稀，而在低速梯时变稠的特性。剪切稀释作用越强，钻速越快。

上述表明，为了提高钻速，应仅可能采用低密度，低粘度，低固相，不分散，剪切稀释作用好的泥浆。如低固相或无固相，聚合物，不分散体系泥浆。这种泥浆体系具有良好的剪切稀释作用、絮凝冰雹包被作用、防塌作用。

（2）水力因素对钻速的影响

水力因素对钻速的影响是指钻头水功率力对井底清洗能力和破岩能力的影响。

（3）喷嘴组合对钻速的影响

喷嘴组合对钻速的影响实质是井底钻井流体流动规律对钻速的影响。研究表明，采用不等径喷嘴，单喷嘴及加长喷嘴有利于提高钻速。

（4）井底压差对钻速的影响

井低压差增大岩屑受到的压持作用越大，钻速越低。采用平衡或欠平衡钻井可以大大提高钻速。

5．3．2相互关联因素对钻速的影响

钻井过程是钻头破碎岩石与岩石反破碎的过程。因此，与破碎有关的钻头类型、钻压、转速、岩石可钻性及研磨性等是相关因素。这些因素彼此有最佳配合，才能取得最佳效果。优选参数就是优选钻压、转速、钻头类型及钻头工作时间，使钻井成本最低。

（1）钻压对钻速的影响

钻压对钻速起决定性作用，当井底充分净化时，钻速与钻压成正比。如图1所示。图中R为钻速，W为钻压，M为门限钻压，它是钻头牙齿刚吃入地层时的钻压。可正可负。

图 1 钻压与钻速的关系图 2 转速与钻速的关系

（2）转速对钻速的影响

钻速与转速成指数关系。如图所示2。图中N为转速， 为转速指数。

（3）牙齿磨损对钻速的影响

随着牙齿磨损，破碎效率下降。用牙齿磨损量表示牙齿磨损。（4）地层可钻性的影响

表征地层可钻性对钻速的影响因素是地层强度、硬度、研磨性。地层可钻性不仅与地层特性有关，而且与钻头类型、泥浆性能、井底压差、水力因素等都有关。用可钻性系数表示地层特性等对钻速的影响。用K表示可钻性系数

5．3．3钻速方程

反映钻压、转速、牙齿磨损量及地层可钻性对钻速的影响关

系，即钻速方程如下：

()H C N M W R 21+-=λ

（2）

式中，H —牙齿磨损量，用齿高磨损量与原齿高的比表示，规定新钻头H=0，坏钻头H=1；

C 2—牙齿磨损因数，与钻头类型和地层特性有关，物理

意义是牙齿磨损量为1时，钻速下降的倍数。

将钻速R 写成进尺y 对时间t 的微商，则有：

()H

C N W M dt dy 21+-=λ

（3） 其中，y －进尺；

t －时间。

5．4 钻头磨损方程

增加钻压可以提高钻速，但同时也加快了钻头磨损，缩短了钻头寿命。用钻头磨损方程确定钻头工时。

5．4．1牙齿磨损方程

用下式表示钻压、转速、钻头类型、钻头磨损量、钻头磨损状态、地层研磨性对钻速的影响。即牙齿磨损方程：

()

()()W D D H C QN PN A dt

dH f 1213

1-++= （4） 式中，H －牙齿磨损量；

A f －地层研磨性系数；

P 、Q －与钻头类型有关的系数，P/Q=22990；

D 1、D 2－钻头尺寸参数；