第三章 钻进工艺（5）.ppt

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1、第五节 机械参数,机械参数一般是指钻头工作参数钻压和转速。一、牙轮钻头机械参数 根据使用经验，牙轮钻头机械参数的确定应遵循如下原则： 软地层采用低钻压、高转速； 硬及中硬地层、深部地层采用高钻压、低转速； 钻头安全承载能力一般取0.60.8KN/mm； 密封滑动轴承不宜采用高转速。,第三章 钻进工艺,美国休斯公司J系列钻头钻压与转速乘积的值:式中 W 钻压，吨； N 转速，转/分； C 轴承能力（bearing Capability），吨转/分。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,只是参考值,对于J系列钻头应按每种钻头试验曲线，在ab线范围内根据具体情况确定钻

2、头的最佳工作钻压与转速。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,曲线a以下：轴承不易破坏，钻头寿命长，但钻速低密封失效而破坏。曲线b以上：钻速快，但轴承损坏更快。a、b曲线内：牙齿、密封、轴承等效损坏每米成本低。,二、金刚石钻头机械参数（使用寿命高） 金刚石钻头机械参数的确定应遵循如下原则： 在软地层钻井中，增加转速可明显提高机械钻速； 在中等硬度地层，应将转速控制在较低的范围。 在硬的、高研磨性地层，应采用中高钻压，以及低中等转速。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,1、钻压 美国克里斯顿公司金刚石系列钻头,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,1bf=4.44822N,2、转速金刚石钻头的使用转速

3、应尽可能高些。用于涡轮钻的金刚石钻头一般300转/分，高的600900转/分。 对于天然金刚石钻头，一般认为在150转/分左右较合适。对于PDC钻头，转速可以较大的转速范围内使用，所以它可用于转盘钻，也可用于井底动力钻井。在转盘钻井时，推荐使用100转/分左右。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,3、排量 排量首先要满足环形空间的最低返回速度的要求，同时又要保证满足钻头清除岩屑和冷却金刚石的需要。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,使用PDC钻头时，机械钻速同样随比水力功率增加而增长。一般使用的比水力功率在250瓦/厘米2左右。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,金刚石取芯钻头，推荐钻压适用范

4、围如图所示。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,三、取芯钻头机械参数,四、机械参数优选方法(试验与实钻）1、建立钻速方程通过对影响钻速因素的分析，采用数学和物理的方法建立能反映钻进的客观规律的数学模型。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,鲍戈因杨格模式多元钻速回归,式中 Vm-钻速； Hb-钻头进尺； t-钻头工作时间； aj-待定系数； Xj-影响因素。,常数项a0岩石可钻性系数。其中包括岩石强度，以及与可钻性有关的钻头类型和钻井液性能等对钻速的影响。a1X1岩层埋藏深度，即所钻井深对钻速的影响。在正常情况下，岩层的压实程度随埋藏深度的增加而增加，因此钻速指数将随井深的增加而下降（成反比）。

5、指数X1为井深H的函数。取3000m处的相对钻速为1.0，则exp（a1X1）=1.0，所以,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,a2X2为岩层致密性对钻速的影响。它与岩层的埋藏深度L（m）及孔隙压力梯度 有关。钻井实践证明，钻速常随地层隙压力梯度的增加而加快。现以孔隙压力梯度 =1.07时的相对钻速为1.0，X2可定为,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,a3X3为井底压差对钻速的影响。以井底压差等于零时的相对钻速为1.0，则X3定义为 循环钻井液时井底的当量钻井液密度。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,a4X4为单位钻头直径的钻压对钻速的影响。以单位钻头直径的钻压为8KN/cm时的相对钻速为

6、1.0。大量实验证明，钻速与 成正比，因此X4的定义为 式中 W钻压，KN；db钻头直径，cm。 实验证明，钻头指数a4与井底净化程度有关，一般为0.62.0。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,a5X5为钻头转速的影响。以n =100r/min为标准，即此时相对钻速exp(a5X5)=1，因钻速与n成正比，所以X5的定义为 很多实验证明，转速指数a5一般为0.40.9，与岩层的软硬程度有关。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺, a6X6为水力参数对钻速的影响。X6可定义为 式中 钻井液密度；Q 钻井液排量； 钻头喷嘴出口处的钻井液粘度； dne钻头喷嘴当量直径；kH比例系数。,第五节机械参数

7、,第三章 钻进工艺, a7X7为牙齿磨损对钻速的影响。现规定 X7= -h h为根据磨损分级标准确定的齿高磨损量。新钻头h=0，齿高全部磨损时h=1。A7与钻头类型及岩层性质有关。使用硬质合金齿时，牙齿磨损对钻速的影响很小，可以认为a7=0（即不考虑牙齿磨损对钻速形成的影响）。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,多元钻速方程共有12个影响因素。（L、m 、 、e、p、db、 W、 n、Q、de、h、a0） 多元钻速方程是以大量的实测数据为基础，通过回归分析法建立的相关模型。它的准确性首先决定于指数方程中各回归系数的精确度。 用多元钻速方程来确定各种因素与钻速之间的定量关系时，首先必须根据该地区

8、一口以上井的准确资料，求出回归效果好的各值，然后才能用此模型分析计算各因素对钻速的具体影响，由此确定新设计井的最优化钻井措施。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,2、建立钻头磨损方程 由于钻头磨损的不同形式，牙轮钻头磨损方程有牙齿磨损方程和轴承磨损方程二种。牙齿磨损(铣齿) 轴承磨损(镶齿),第五节机械参数,第三章 钻进工艺,式中 Af-岩石研磨性系数；n-转速; D2-牙齿结构系数；Wmax-门限钻压;h -磨损量与与原齿高比。 B- 轴承相对磨损量；b-轴承磨损系数 -钻压指数。,3、建立目标函数 目前广泛应用的主要是单位进尺成本目标函数： 式中Cb钻头成本，元；r钻机作业费，元h； tt

9、起下钻时间，h； t钻头工作时间，h；b钻头进尺，m。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,b由钻速方程确定t由磨损方程确定,4、采用最优化方法 当目标函数确定后，即可对机械参数进行优选。根据最优化理论,令目标函数对各变量的偏导数为零,便可确定各相应参数的最优值,即,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,在目标函数中，只有对钻压、转速和牙齿磨损量求偏导数为零，对实际工作才有指导意义。 结合约束条件，即可确定最优钻压、转速和牙齿磨损量。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,要同时求得钻压、转速和钻头磨损的最优值，需求解联立方程组，有一定的难度。因而在实际应用中，采用确定了转速和钻头磨损的条件下对钻压进行优选的方法。,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,最优钻压可由下式计算Wt,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,最优钻压Pt下的单位进尺成本C、钻头进尺H和工作时间t可按下式计算：,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,5、实钻效果分析,第五节机械参数,第三章 钻进工艺,自动控制闭环系统,