钻进参数优选
优选钻进参数方法研究及应用
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。
钻井参数优化
（2）由于钻头的旋转，射流作用的小圆面积在迅速移动。 本来就不均匀的压力分布，又在迅速发生变化。
第五章 第一节 钻井参数作用机理
漫流的横推作用：漫流是射流冲到井底后形成的沿井 底的横向流动。漫流是紧贴并平行于井底很薄的对井底遮 盖较好的一层横向流动的液流，具有相当高的流速。其对 井底岩屑产生横向推动力或牵引力，从而使岩屑离开原破 碎点。 作用特点：
射流任一点的动压力与该点射流速度和射流液体密度 有关：
（1）在射流的任一截面上，中心动压力最大，自中心向 外，动压力急剧衰减，在射流边界上动压力为零。
第五章 第一节 钻井参数作用机理
（2）射流等速核内各处的动压力相等，都等于射流刚出 口时的动压力。
（3）在射流中心轴线上，超过等速核以后，动压力急剧 下降：
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—— D1，D2——钻压影响系数，其值与牙轮
C1—— 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。
第五章 优选参数钻井
固定参数: 固定参数主要指地层参数，地层可钻性，地层 对钻压、转速、水力参数和钻井液参数的敏感指数，以及 地温梯度、地层化学组分对钻井液的适应性等。
可调控参数:可调参数主要指钻进中的机械参数、水力参 数、钻井液性能和流变参数三类大参数。
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；
在杨格模式中引入考虑井底压差和水力参数影响的修 正系数，便成为修正杨格模式。即
第五章 第一节 钻井参数作用机理
第四章 钻进参数优选-金业权
有: 33.1×0.9=27.79MPa
19.9×0.9=17.91L/s 根据限定条件: 地面泵压以不超过18MPa较合适
则:泵的工作额定泵压Pr=18MPa
工作额定排量Qr=17.91L/s
④计算按最大钻头水功率方式下的临界井深
第一临界井深为: Pr n LNc = 2.8mQ r1.8 m
18 5.7404×10 3 = 2.8 ×5.58 ×10 6 ×17.911.8 5.58 ×10 6 = 5367
第二临界井深为:
LNa Pr n 1 2.8mQa.8 m
18 5.7404 10 3 6 1.8 2.8 5.58 10 16 .75 5.58 10 6 6186
⑤计算优选排量
由于L=4000m小于第一临界井深，故：Qopt=Qr=17.91L/s
⑥确定喷嘴直径
Pb Pr Pl 18 5.05 12.95
0.081 d Q 3 0.081 1.64 17 .913 Nb 232 .3 C 2 d e4 0.98 2 1.36 4
MPa
kW
解:
①确定最小排量Qa
18.24 最低环空返速Va为： Va 18.24 0.515 Dh 1.64 21.59
由于要求环空返速不低于0.7m/s，故取Va=0.7m/s
携岩要求的最小排量：
π 2 Qa = ( Dh - D 2 )Va = 16.75 ( l/s) p 40
m/s
ηe——钻井液有效粘度，Pa· s。
携岩所需的最小排量:
Qa
40
2 2 ( Dh D p )va
（2）计算循环压耗系数 分别计算：Kg、Kc、m、a， KL = a + m D
硬质合金钻进技术参数
■ 一般情况下, 在软岩石或采用小口径钻进时, 可用高转速；当钻进研 磨性大的岩石或深孔钻进, 以及大口径钻进时, 应适当降低转速。
三、冲洗液量
■ 冲洗液量是指钻进时送入孔内的冲洗液的量, 有时也称为送水量或泵量。
■ 硬质合金钻进时, 衡量冲洗液量的指标有: ■ 总泵量Q—指送入孔内的总流量L/min。 ■ 单位泵量q—指每单位钻头直径的泵量L/s·m
。 岩粉量来确定；同时, 还应考虑到冲洗 液的质量。这对钻进效率有很大影响。
■ （一）冲洗液量对钻进的影响 ■ 从理论上看, 增大冲洗液量, 对提高
钻速有一定好处；当冲洗液量不足时, 孔 底颗粒大的岩粉不能被冲起, 从而造成 孔底重复破碎量的增大, 使破碎效率下 降；同时, 过多的岩粉堆积, 也造成合 金散热不好, 使温度增高, 耐磨性降低； 有时还易引起堵水、憋泵的现象。但过 大的泵量会冲毁岩心或孔壁, 并使钻压 下降, 使钻速降低。当采用大泵量时, 则必须给予一定的重视。
■ 在实际生产中, 经常采用两次加压法。两次加压法是在回次初期一个 较短的时 间内, 以不大的钻压钻进, 待合金消除 镶焊质量造成的出刃误 差而适应了孔底 的条件后, 再加全压（额定钻压）钻进。这种加压方 法, 获得了较好的效果。通 常以YG8合金镶焊的钻头, 在初期加压阶段 可采用额定钻压的3/5左右钻进20～ 30min；对YG4C合金钻头, 则初期 加压 钻进约40min。
三 硬质合金钻进技术参数
■ 钻进规程：一般指钻压（轴向压力）， 转速（回转速度）和冲洗液量（泵量） 三个钻进过程中可以控制的工艺参数。
一、钻压
■ 钻压也称轴向压力。硬质合金钻进表示钻压的方式有: ■ 单位钻压或单位压力: 表示每颗（或每组）合金上应加的钻压（压
钻井工程参数优选
一、目标函数的建立
衡量钻井技术经济效果的标准：
C pm = Cb + Cr (t + t r ) H
（4-28）
其中: Cpm—单位进尺成本，元/m；Cb—钻头成本，元/只；Cr—钻机作业费，元/h； tt—起下钻、接单根时间，h；t—钻头工作时间,h；H----钻头总进尺,m。
C F = h f + 1 h2 f 2
tf =
bB f nW 1.5
考虑牙齿磨损对 钻头磨速影响后 的钻头寿命系数。
5
tf =
F S
（4-39）
钻进参数优选
机械破岩参数优选
J Hf = E S
= F S
3.目标函数 目标函数
t
f
在此仅考虑 牙齿磨损决 定的寿命
C pm
J = C H C P K R (W − M ) S= E= A f (a1n + a2 n 3 ) Z 2 − Z1W C1 C −C h f + 2 2 1 ln(1 + C2 h f ) C2 C2 C1 2 hf 2
物理意义：考虑牙齿磨损对钻速和磨速影响后 的进尺系数。
则：H f =
J ⋅E S
J/S的物理意义：不考虑牙齿磨损影响时的理论进尺。
4
（4-36）
钻进参数优选
机械破岩参数优选
2.建立钻头寿命t与钻压、转速、 2.建立钻头寿命t与钻压、转速、磨损量等参数的关系 建立钻头寿命
由牙齿磨损决定 的钻头寿命
Af (a1n + a2n3 ) dh = dt (Z2 − Z1W )(1 + C1h)
第五章钻井参数优选介绍
第二节 水力参数的优选
喷射钻井中从钻头喷嘴中喷出的钻井液射流，速度高、水功率大，不仅能使 岩屑及时迅速离开井底，始终保持静底清洁，而且在一定条件下能直接破碎岩石。 这就是喷射钻井能大幅度提高钻速的主要原因。因此，如何选择泵型、泵的工作 方式，优选泵压、排量、喷嘴组合是合理利用地面泵功率、他，提高钻井效率的 关键，也是水力参数优化钻井的中心内容。
令
射流动压力：射流具有一定的密度，又有一定的速度。在射流前进方向上遇到 障碍物时，射流将给障碍物一个压力，着个压力就是射流具有的动压力。 射流任一点的动压力与该点射流速度和射流液体密度有关：
其分布规律与速度分布分布规律相近： （1）在射流的任一截面上，中心动压力最大，自中心向外，动压力急剧衰减，在 射流边界上动压力为零。 （2）射流等速核内各处的动压力相等，都等于射流刚出口时的动压力。 （3）在射流中心轴线上，超过等速核以后，动压力急剧下降：
提高冲击压力对井底的净化作用，必须提高冲击压力梯度，需 增大射流出口动压力和射流压力减低系数，或缩小喷嘴直径。
漫流的横推作用： 漫流是射流冲到井底后形成的沿井底的横向流动。 漫流是紧贴并平行于井底很薄的对井底遮盖较好的一层横向流动的液流，具 有相当高的流速。其对井底岩屑产生横向推动力或牵引力，从而使岩屑离开原破 碎点。 作用特点： 在射流冲击面积以内，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 流冲击面积边缘漫流速度达到最大。
2. 泵的工作状态
3. 喷射钻井工作方式及最优条件
肯达尔和戈因斯分别从射流对井 底作用能量和压力等不同观点， 以井西能获得某一水力参数的最 大为目标，提出了： 最大钻头水功率工作方式 最大射流冲击力工作方式
最大喷射速度工作方式
(1) 最大钻头水功率工作方式Pbmax
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。
钻进参数优选
• 钻井的定义和基本工作： • 钻井的目标和影响因素分类： • 钻进参数及其优选：优选是指在一定的客 观条件下，根据不同参数配合时对钻井目 标的影响规律，选择合理的钻进参数配合， 使钻井达到最优的技术经济效果。 • 本章内容：机械破岩参数和水力破岩参数 的设计
第一节 机械破岩参数设计
• 定义：钻压w(kN)和转速n(rpm)。 • 设计方法：数学优化法和经验 法。经验法是通过直接对机械 破岩参数设计影响因素的分析， 掌握其影响规律，再结合
现场经验来综合设计钻压和 转速。这种方法不用现场测 量许多数据，方便实用，油 田大都使用经验法。
1 机械破岩参数设计 的影响因素分析
• 1.1 地层性质 是影响机械破岩参数设计的 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。
40下
42 42下 43 4下
3355 45
3380 25 3410 30 3460 50 3500 40
岩盐、油浸泥岩、灰色泥岩夹粉砂岩
灰色泥岩夹粉砂岩 岩盐、油浸泥岩、泥岩夹粉砂岩 灰色泥岩夹粉砂岩 岩盐、油浸泥岩、泥岩夹粉砂岩
序 层位 井段 号 （米） 型号
1 Q-N 0-151 P2 2 N-EI -900 P2
表5 江汉钻头长推荐的钻压和转速
钻头 IAD 正常钻压 转速 钻头 IAD 正常钻压 转速 r/min 型号 C代 r/min 型号 C代 kN/㎜ kN/㎜ 码 码 ATJ- 116 0.35-0.90 180-80 MAX 115 0.20-0.70 220-40 1 -G1
ATJ05C ATJ225 427 0.35-0.90 140-60 MAX 435 -11H 517 0.35-1.00 120-60 ATX- 435 11 0.20-0.70 350-80 0.20-0.70 200-80 0.50-0.70 150-160 0.60-0.90 80-40
钻井参数优选之钻压、顶驱转速配比分析
钻井参数优选之钻压、顶驱转速配比分析摘要：钻井是利用钻井工具在地层中形成一个油气通道，为了更好的经济效益，需要合理的钻井参数优选来帮助优快钻井，其中钻压的大小决定了牙齿吃入岩石的深度和岩石破碎体积的大小, 因此钻压是影响钻速最直接和最显著的因素之一；机械钻速与转速的关系为指数关系，是影响钻速最另一主要原因。
过去的文献中均对其单独对机械钻速的影响做出分析，本文将两者相结合，讨论钻压与钻速的关系对机械钻速的影响，对钻井参数优选的影响关键字：钻井参数优选，机械钻速，钻压，顶驱转速，钻压和顶驱转速配比1前言为了优快钻井，提高钻井施工效率和效益。
需要对钻井参数进行优选，科威特工区基本为一趟钻一开次、一钻头，因此钻井参数的优选的重点也就放在如何提高机械钻速上。
其中钻压的大小决定了牙齿吃入岩石的深度和岩石破碎体积的大小, 因此钻压是影响钻速最直接和最显著的因素之一。
机械钻速与转速的关系为指数关系, 且指数一般小于1 。
主要原因是岩石破碎的时间效应, 即随转速提高, 钻头的切削齿接触岩石的时间缩短, 从而引起吃入深度减少。
其中钻压和转速对机械钻时的影响最为显著，本文尝试通过实钻资料找出合理且科学的钻压及顶驱转速之间的最优配比，在此种配比下机械钻时最优。
2参照物确定及资料收集钻井技术条件和参数影响着机械钻速，在钻进过程中通过优化钻井液性能、钻压、转速以及水功率等可控制因素提高机械钻速。
为了尽可能的减少其它因素对分析结果的影响。
决定选用WARA,MAUDDUD地层、油基泥浆、RSS钻进，最大可能的排出泥浆性能，钻具结构，钻井工况、地层岩性等对机械钻速的影响，以求结果更加准确。
2.1地层简介2.1.1WARA地层简介该地层的主要标志就是见到砂岩，由于上部有良好页岩盖层，油气含量丰富，见明显气测显示，钻时变快。
砂岩为主，含部分散沙及页岩。
底部为灰绿色、棕色泥岩。
2.1.2MAUDDUD地层简介该地层主要标志就是岩性由砂岩变为灰岩，空缝发育良好，含较好油气显示，气测值变高。
钻井工程：第四章 钻进参数优选
第四章钻进参数优选1．某井用直径φ200mm24l型钻头钻进，钻压W＝196kN,转速n=70r/min,井底净化条件较好，钻头工作14h以后起钻，已知Af=2.33×10-3。
求牙齿磨损量hf。
答：2．某井用直径φ200mm21l型钻头钻进，钻压W＝196kN,转速n=80r/min,钻头工作14h以后起钻，轴承磨损到B6级，求轴承工作系数b。
答：3．已知某井五点法钻进试验的结果如下表所示：求该地区的门限钻压M和转速指数。
答：4．某井使用215.9mm钻头钻进，喷嘴流量系数C＝0.96，井内钻井液密度为1.42g/cm3,排量为16L／s。
若要求井底比水功率为0.418kW/cm2,且三个喷嘴中拟采用一个直径为9mm,另两个为等径。
试求另两个喷嘴的直径，并计算射流水力参数和钻头水力参数。
答：5．某井钻进215.9mm井眼，使用127mm内平钻杆（内径108.6mm）,177.8mm钻铤（内径71.4mm）100m。
测得钻井液性能ρd=1.2g/cm3, PV =0.022Pa·s,Pg=0.34MPa,Q=22L/s。
试求m、a值及井深2000m时循环系统的压力损耗。
答：6．条件同题5，求允许泵压分别为17.3MPa时钻头所可能获得的压降及相应的喷嘴当量直径（喷嘴流量系统C＝0.96）和射流水力参数。
答：7．已知某井用215.9mm钻头钻进，井眼扩大处井径310mm,钻杆外径127mm,排量21L/s。
钻井液密度1.16g/cm3,其范氏粘度计600、300r/min的读数分别为65、39。
岩屑密度2.52g/cm3，平均粒径6mm。
试校核岩屑举升效率。
答：8．某井采用215.9mm钻头钻进（喷嘴流量系数C＝0.98），177.8钻铤（内径71.4mm）120m,所用钻杆为127mm内平钻杆（内径108.6mm）。
井队配备有两台NB－1000钻井泵，根据经验，对整个循环系统而言，地面泵压以不超过18MPa较合适；Kg取值1.07×10-３MPa·s1.8。
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。
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：
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• 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。
• 1.3.1 钻机分配给钻头的破岩
功率对机械参数设计的限制
• 1.1.2 射流形成的井底流场 • 1.1.3 射流对井底的清洗作用 • 1)射流对井底岩屑的冲击翻转 作用。图4-15和图4-16。 • 2)漫流的横推作用。 • 1.1.4 射流对井底的破岩作用
• 1.2 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。从衡量 射流对井底的清洗效果来看， 应该计算的是射流到达井底时 的水力参数。但由于计算困难， 工程上有时选择射流出口断面 作为水力参数的计算位置。
• 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
表5 江汉钻头长推荐的钻压和转速
钻头 IAD 正常钻压 转速 钻头 IAD 正常钻压 转速 r/min 型号 C代 r/min 型号 C代 kN/㎜ kN/㎜ 码 码 ATJ- 116 0.35-0.90 180-80 MAX 115 0.20-0.70 220-40 1 -G1
ATJ05C ATJ225 427 0.35-0.90 140-60 MAX 435 -11H 517 0.35-1.00 120-60 ATX- 435 11 0.20-0.70 350-80 0.20-0.70 200-80 0.50-0.70 150-160 0.60-0.90 80-40
•
2)螺杆钻具的特点是扭矩增加 而转速不变，从空载到满载， 速度降低一般不超过10%。螺 杆钻具的转速与泵的排量成 正比，一般200rpm左右。
• 1.4 破岩、清岩与携岩的协调 • 1.4.1现代旋转钻井的破岩方式 总体是机械和水力联合破岩。对 极软地层，以水力破岩为主，机 械破岩为辅；岩石由软变硬，破 岩方式逐渐变为机械破岩为主， 水力破岩为辅；对硬到极硬的地 层，只有机械破岩作用。
钻头
尺寸 数 序 钻压 （mm） 量 号 kN 444.5 1 1 30-60 244.5 1 2 60-80
钻进参数
转速 排量 泵压 rpm L/s MPa 67 67 50 32 30 16.4 16.6
3 EI -1200 H126 -Eq1
215.9 1 3 60-100 67
4 Eq1 -2850 HA43 215.9 1 5 10067 -Eq3 7 1 160 PDC 5 Eq3 -2991 HJ51 215.9 1 6 30-50 200 -Eq4 7
• 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。
•
3)柴油机－液力变矩器钻机： 一种软驱动特性钻机，每档转 速有一定范围，且在其范围内 自动调节，基本恒功率输出。 4)直流电动机驱动钻机：同上。 5)交流变频电驱动钻机：同上。
井下动力钻： 1)涡轮钻具额定转速较高。其工 作转速由外转矩决定，随外转矩 的增大工作转速减小。经验证明， 直径在127～254㎜之间，普通涡 轮钻具的最大功率和最优效率所 对应的转速处在400～800r/min 内。
如果w和n过大，钻头的钻速快， 但寿命短，进尺小，起下钻频繁； 反之，虽寿命长，但钻速慢，钻 进的效率低，进尺也不会大；我 们的目标是钻头能获得较大的进 尺和整体钻井作业的较好的技术 经济效果。
• 1.2.4 厂家推荐 根据钻头的承载力、类型和结 构特点，考虑钻头的机械钻速 和寿命以及现场使用的统计数 据，钻头生产厂家会给出其钻 头的钻压、转速的推荐值范围 (表5)。
ATM- 117 0.35-0.90 300-80 J11C 447 G1 ATM- 547 0.5-1.05 33C 220-40 J33C 547
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。
• 喷射钻井技术： • 钻井水力参数定义及指标： • 水力参数优化设计的目的： • 水力参数优化设计的条件：充 分了解旋转钻井特点、钻机动 力驱动特性、钻井泵性能、钻 头水力特性、循环系统特性和 能量损耗规律。
1 喷射式钻头的水力特性
• 1.1 射流及其对井底的作用 • 1.1.1 射流特性 • 射流定义和种类： • 钻头喷嘴射流及特性：淹没非自由 射流。射流具有等速核和扩散角； 射流横截面上中心速度最大；超过 等速核以后射流轴线上的速度迅速 降低；撞击井底后，形成井底冲击 压力波和井底漫流(图4-13)。
第四章 钻进参数优选
• 钻井的定义和基本工作： • 钻井的目标和影响因素分类： • 钻进参数及其优选：优选是指在一定的客 观条件下，根据不同参数配合时对钻井目 标的影响规律，选择合理的钻进参数配合， 使钻井达到最优的技术经济效果。 • 本章内容：机械破岩参数和水力破岩参数 的设计
第一节 机械破岩参数设计
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• 1.3.2 钻机类型和钻井方法对 转速的限制 • 钻机类型：按照动力和传动系 统特性不同,钻机可分为硬驱动 特性钻机和软驱动特性钻机两 种类型。前者的几档转速是恒 定的，后者的几档转速都在一 定范围内随旋转载荷而变化。
转盘钻和顶驱钻： 1)柴油机－机械传动钻机：一 种硬驱动特性钻机，每档转 速恒定。如大庆130－Ⅱ型钻 机，一档转速是67rpm，二档 117rpm，三档217rpm。 2)交流恒频电驱动钻机：同上。
• 4)因破岩功率∝钻压×转速，故 井深摩阻大时，要注意钻机破岩 功率的限制； • 5)转速的设计应在钻机和钻井方 法的限制内进行； • 6)如有井眼轨迹控制要求，则必 须满足；
• 7)在钻进过程中，还应根据钻头 优化使用要求和变化的地层情况 进行调整。 • 3 实例分析 井号：王西11斜－2井 井型/设计井深：定向井/3500米 设计地层剖面和钻进参数设计表
现在我们在许多页/砂层序 的沉积盆地打井时，在浅井 段都采用低钻压和低转速， 而且水力参数设计都采用经 济水功率方式，其原因就是 为了保证破岩与清岩、携岩 的协调。
水力参数设计：主要应注意 的是深井段等难钻地层。此 时携岩的速度易大于破岩和 清岩的速度，应注意适当控 制钻井液的排量。
• 1.5 井眼轨迹控制要求 井眼轨迹是井的质量控指 的最重要目标，机械参数设 计与这一目标有关系。 • 1.5.1 钻压与井斜的关系 • 1.5.2 转速与井斜的关系
• 在一些井段，当井眼轨迹超 越有效钻进，成为最重要目 标时，机械参数设计必须服 从这一目标的需要，对钻压 和转速应严格控制(举例)。
2 机械破岩参数设计的经验法 • 1)一般钻压是主角,转速是配角； • 2)根据所钻地层的岩性，参考厂 家的推荐，再结合现场经验来确 定钻压和转速的可用范围； • 3)浅井段软地层时，要注意破岩 与清岩、携岩的速度协调以及机 械破岩和水力破岩的协调配合；
6 Eq4 -3560 HA51 215.9 1 7 10067 7 160
30
17.8
30 30
16.6 17.4
第二节 水力参数优化设计
• 清岩和携岩的重要性及其定义： • 对清岩和携岩的认识过程：轻 清岩、重携岩的观念→ “大排 量、大水眼洗井技术”；清岩 与携岩协调，重清岩的新观念 →“喷射钻井技术”。
• 钻机功率的分配： • 顶驱钻和转盘钻破岩功率的来 源：旋转系统，旋转系统功率 =空旋转钻柱的功率+旋转钻头 的功率。
• 井下动力钻破岩功率的来源： 循环系统，其功率=循环钻井 液的功率+动力钻具消耗的功 率+钻头消耗的功率。 • 复合钻破岩功率的来源：旋 转和循环系统，且以后者为 主。
主要是在井相对较深、井 斜较大、旧钻机或钻机功率 相对有限等的情况下有功率 对机械参数设计的限制问题， 应加以考虑。
上第三系广华组 500
1100 600 1550 450 2150 600 3050 900 3080 30
下 新 第 潜 生 三 江 界 系 组 潜 四 上
41
41下
40 40中
3130 50
3160 30 3310 150
盐岩、油浸泥岩、泥岩夹粉砂岩
灰色泥岩夹粉砂岩 岩盐、油浸泥岩、泥岩夹粉砂岩
40下
42 42下 43 4下
3355 45
3380 25 3410 30 3460 50 3500 40
岩盐、油浸泥岩、灰色泥岩夹粉砂岩
灰色泥岩夹粉砂岩 岩盐、油浸泥岩、泥岩夹粉砂岩 灰色泥岩夹粉砂岩 岩盐、油浸泥岩、泥岩夹粉砂岩
序 层位 井段 号 （米） 型号
1 Q-N 0-151 P2 2 N-EI -900 P2
• 1.4.4 机械参数设计如何保证 破岩与清岩、携岩的协调和 机械破岩与水力破岩的协调 问题的性质和判断方法：1)实测 返出钻井液的岩屑浓度;2)观察 钻进时旋转扭矩和泵压是否正 常;3)起下钻有无阻卡;4)起出钻 柱和钻头有无泥包。
机械破岩参数设计：主要应 注意的是浅井段等易钻的地 层。因为地层容易钻，机械 和水力联合破岩的速度更容 易大于清岩和携岩的速度。 此时应严格控制钻压和转速。 必要时，还得控制给钻头的 破岩水功率。