海洋石油钻井技术 第四章 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。
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
石油行业钻井技术手册
石油行业钻井技术手册第一章介绍石油行业钻井技术手册是为了指导钻井工程师和技术人员在石油行业开展钻井作业而编写的。
本手册详细阐述了钻井技术的原理、方法和操作流程，旨在提高钻井作业的效率和安全性。
第二章钻井勘探2.1 钻探目的钻井勘探是为了确定石油储量和矿藏质量，选择适宜的钻井点位和设计方案。
通过岩心取样和地层记录分析，可以评估油气资源的价值和开采潜力。
2.2 钻井点位选择钻井点位的选择是基于地质勘探和地层分析的结果，考虑到地下结构、资源分布以及环境因素。
综合地质勘探资料，确定最佳的钻井点位，以最大限度地提高勘探成功率。
2.3 预测井眼路径预测井眼路径是为了确定钻探井段的方向和造斜角度，以适应地下结构和实现最佳的石油开采效果。
通过地质勘探和地质力学分析，结合控制井斜的工具和技术，进行井眼路径的预测和规划。
第三章钻井装备3.1 钻井机械钻井机械是实施钻井作业的重要设备，包括钻机、钻杆、钻头、钻井液循环系统等。
合理选择和使用钻井机械，可以提高钻井效率和降低成本，同时保证作业安全。
3.2 钻井液体系钻井液体系是为了满足钻井作业的技术要求，包括平衡地层压力、冷却钻头、运输钻屑和控制井壁稳定等。
不同的地层和井型需要选择合适的钻井液类型和配方，以保证作业的顺利进行。
3.3 钻井管柱和下套管钻井管柱和下套管是连接钻机和钻头的关键部件，用于传递回转和下压力，支撑井壁和保持井眼稳定。
选择合适的钻井管柱和下套管，可以提高强度和耐腐蚀性，确保钻井作业的质量和安全。
第四章钻井操作流程4.1 钻头下套管操作钻头下套管操作是钻井作业的重要环节，主要包括套管下套、套管固井和套管测试等。
通过合理的套管操作，可以确保井壁稳定和井眼质量，提高钻井作业的成功率。
4.2 钻井液循环操作钻井液循环操作是为了冷却钻头、运输钻屑和控制井壁稳定，主要包括钻井液循环系统的建立和操作控制。
合理的钻井液循环操作可以提高钻井作业效率和安全性。
4.3 钻井井眼质量控制钻井井眼质量控制是为了确保井眼的规范和质量，主要包括井眼壁稳定、井眼直径控制和钻探井眼质量评估等。
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
《钻井工程理论与技术》课后题答案
第一章 钻井的工程地质条件2.简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理。
答：异常高压的形成是多种因素综合作用的结果，对于沉积岩地层的异常高压，目前世界上公认的成因是由于沉积物快速沉降，压实不均匀造成的。
在稳定沉积过程中，若保持平衡的任意条件受到影响，正常的沉积平衡就破坏。
如沉积速度很快，岩石颗粒没有足够的时间去排列，孔隙内流体的排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒与颗粒之间的压力，即无法增加它对上覆岩层的支撑能力。
由于上覆岩层继续沉积，负荷增加，而下面基岩的支撑能力没增加，孔隙中的流体必然开始部分地支撑本来应的岩石颗粒所支撑的那部分上覆岩层压力，从而导致了异常高压。
3.简述在正常压实的地层中岩石的密度、强度、孔隙度、声波时差和d c 指数随井深变化的规律。
答：在正常压实的地层中岩石的密度随井深的增加而增加；强度随井深的增加而增加；孔隙度随井深的增加而减小；声波时差随井深的增加而减小；d c 指数随井深的增加而增大。
5.某井井深2000m ，地层压力25MPa ，求地层压力当量密度。
解： ()()0.00981250.009812000 1.276h h P H ρ==⨯=(g/cm 3)答：地层压力当量密度是1.276 g/cm 36.某井垂深2500m ，井内钻井液密度为1.18 g/cm 3，若地层压力为27.5MPa ，求井底压差。
解：()27.52500 1.180.0098127.5 1.44b h P P P gh MPa ρ∆=-=-=⨯⨯-=答：井底压差是1.44MPa 。
7.某井井深3200m ，产层压力为23.1MPa ，求产层的地层压力梯度。
解： ()23.132000.0072/h h G P H MPa m ===答：产层的地层压力梯度0.0072MPa/m 。
9.岩石硬度与抗压强度有何区别？答：岩石硬度是岩石表面的局部抵抗外力压入的能力，抗压强度则是岩石整体抗压的能力。
10.岩石的塑性系数是怎么样定义的吗？简述脆性、塑脆性和塑性岩石在压入破碎时的特性。
钻井工程自学基本要求
10.油井水泥性能及与钻井的关系；
11.隔离液的作用及分类；
12.影响固井质量的因素及提高固井质量的措施；
13.完井的任务及原则；
14.完井的方式的类型及各自的特点。
【掌握】
1.套管的分类及各自的作用；
2.井设结构设计的原则；
3.井身结构设计的内容、依据和设计步骤；
2.刮刀钻头结构、破岩机理；
3.牙轮钻头的类型、结构、牙轮钻头的运动形式及破岩机理，三种特殊结构产生滑动的原因及产生滑动的方向和剪切掉的岩石；
4.金刚石材料的特点，金刚石钻头牙齿的镶装方式，金刚石钻头的结构、水力结构、破岩机理；
5.PDC钻头的意义，特点，结构特性，破岩机理；
6.钻柱的作用，组成，各部件的结构特点；
2.井眼内存在的各种压力及计算，井眼与地层压力的关系；
3.平衡压力钻井技术、欠平衡压力钻井技术的关键及适用范围；
4.溢流的原因及征兆；
5.气侵的途径及特点；
6.“U”型管平衡原理计算地层压力和压井液密度；
7.关井立管压力的测定；
8.压井遵循的原则；
9.压井参数的计算；
10.压井方法及步骤，参数的变化。
4.关井方式选择，关井的“四七”操作步骤；
5.“U”型管平衡原理计算地层压力和压井液密度，关井立管压力的测定；
6.压井理论（参数）的计算；
7.压井方法及步骤，参数的变化；
8.特殊压井方法。
【掌握】
1.概念：溢流、井涌、关井、压井、循环立管压力、初始立管循环压力、终了循环立管压力、平衡压力钻井技术、欠平衡钻井技术等；
7.岩石单轴强度的类型及大小关系等。
三、思考与练习
课后思考与练习题
上交作业
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
钻井与完井工程(第一至第四章)
(a)脆性岩石
(b)塑脆性岩石
(c)塑性岩石
W 硬度： p y A
屈服极限： 0 W0
A
AF 面积OABC 塑性系数：k AE 面积ODE
第二节 岩石的研磨性与可钻性
一、岩石的研磨性
岩石研磨性概念：钻井过程中，钻井工具和岩石产生连续的或间歇的接触
和摩擦，从而在破碎岩石的同时，这些工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚 至损坏。岩石磨损这些材料的能力称为岩石的研磨性。 研磨性磨损是由钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生微切削、刻划、擦痕等 所造成，属表面磨损。这种研磨性磨损除了与摩擦副材料性的性质（如化学组成和 结构）有关外，还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和尺寸（如表面粗糙 度）及摩擦面的介质等因素。研磨性磨损是一个十分复杂的问题。
σ σ =σ
1
σ
1
2
3
σ
3
σ
(a)液压作用下的压（拉）试验 （常规三轴试验） σ
1
2
(b)用三个液缸的柱塞进行的 三面压缩试验（真三轴试验） σ
1
σ
σ
2
3
(c)液压作用下的压扭试验
(d)液压作用下的两面柱塞 压缩试验
σ
1
σ
3
（a）压缩试验
（b）拉伸试验
常规三轴试验
P=σ
1
=σ
2
τ
2. 三轴应力下岩石的强度和变形的特点
由岩石可钻性概念和研究方法可知，岩石可钻性会因条件不同，所以实际应用时就有一定 的困难。如果设法固定工作条件，使可钻性指标只反映岩石破碎难易程度，有可能就能克 服应用时的问题，采用微钻头可钻性是行之有效的研究方法。 所谓微钻头岩石可钻性是指在室内固定测试条件下，通过微钻头模拟试验，将所测得 的微钻头指标称之为微钻头岩石可钻性或条件可钻性。我国钻井界目前广泛采用的岩石可 钻性测定仪为华东Ⅲ型微钻头测定仪。测试条件为：钻压W＝889.7牛，转速N＝55转／分， 钻头直径D＝31.75毫米（它是由八片厚2.5毫米硬质合金材料组成的，硬度为HRC ≌ 58）。 实测记录钻孔深度H为2.4毫米所需的时间。测量精度要求控制在测量仪器本身允许的误差 范围以内。 由测量值表示的钻速公式可知，当以钻速作为可钻性指标时，钻进速度V与测量钻进深度 H和钻进时间T之间的表达式为：