第5章--岩石力学在钻井工程的应用课件.ppt

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1、15 5.1 1 岩岩岩岩石石石石的的的的研研研研磨磨磨磨性性性性与与与与硬硬硬硬度度度度15 5.2 2 岩岩岩岩石石石石可可可可钻钻钻钻性性性性5 5.5 5 钻钻钻钻井井井井参参参参数数数数优优优优选选选选方方方方法法法法研研研研究究究究325 5.3 3 钻钻钻钻头头头头优优优优选选选选方方方方法法法法研研研研究究究究45 5.5 5 井井井井壁壁壁壁稳稳稳稳定定定定的的的的力力力力学学学学机机机机理理理理55.1 5.1 岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性：岩石的研磨性：5.1.1 5.1.1 岩石的研磨性岩石的研磨性岩石的研磨性岩石

2、的研磨性岩石磨损与之摩擦材料能力的大小称为岩石的岩石磨损与之摩擦材料能力的大小称为岩石的研磨性。研磨性。钻井工具（例如钻头、钎子等）钻井工具（例如钻头、钎子等）制造钻头的材料：淬火钢、硬质合金、金刚石制造钻头的材料：淬火钢、硬质合金、金刚石钻头刃的研磨性磨损：钻头刃的研磨性磨损：钻钻头头工工作作刃刃与与岩岩石石相相摩摩擦擦的的过过程程中中产产生生微切削、刻划、擦痕。微切削、刻划、擦痕。影响因素：影响因素：摩擦付材料的性质（例如化学组成和结构）摩擦付材料的性质（例如化学组成和结构）摩擦的类型和特点摩擦的类型和特点摩擦表面的形状和尺寸（例如表面的粗糙度）摩擦表面的形状和尺寸（例如表面的粗糙度）摩擦

3、面的温度、速度、接触压力摩擦面的温度、速度、接触压力磨损产物的性质和性状及其清除情况磨损产物的性质和性状及其清除情况参与摩擦的介质等因素参与摩擦的介质等因素5.1 5.1 岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性的研究方法岩石的研磨性的研究方法 5.1.1 5.1.1 岩石的研磨性岩石的研磨性岩石的研磨性岩石的研磨性 关关于于研研究究岩岩石石的的研研磨磨性性，许许多多学学者者采采用用了了各各种种不不同同的的方方法法。但但是是迄迄今今尚尚未未有有一一个个统统一一的的测测定定岩岩石石研研磨磨性性的的标标准准方方法法，所所以以许许多多研研究究成成果还很难进

4、行比较。这些方法，归纳起来不外乎有以下几类：果还很难进行比较。这些方法，归纳起来不外乎有以下几类：（1）钻磨法）钻磨法（2）磨削法）磨削法（3）微钻头钻进法）微钻头钻进法（5）摩擦磨损法（前苏联学者史立涅尔）摩擦磨损法（前苏联学者史立涅尔）研磨性对于正确地设计和选择使用钻头，提高钻头的进尺，延研磨性对于正确地设计和选择使用钻头，提高钻头的进尺，延长其工作面的寿命，对于提高钻井速度乃是极为重要的问题。长其工作面的寿命，对于提高钻井速度乃是极为重要的问题。5.1 5.1 岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度5.1.1 5.1.1 岩石的研磨性岩石的研磨性岩石的研

5、磨性岩石的研磨性摩擦磨损法（史立涅尔）摩擦磨损法（史立涅尔）1-旋转的金属环；2-平移的岩样；P-加在圆环上的载荷 岩岩石石的的研研磨磨性性质质可可以以用用一一个个比比例例常常数数来表示，来表示，可称为研磨系数，即有：可称为研磨系数，即有：式式中中：Vs为为金金属属的的单单位位摩摩擦擦路路程程的的磨磨损损，cm3/m；为研磨系数；为研磨系数；S为接融面积，为接融面积，mm2；pc为为接接触触压压力力，N/mm2；P为为摩摩擦擦面面上上的的接接触触载载荷，荷，N。Vs可可通通过过称称重重获获得得，它它等等于于金金属属环环磨磨损损后后的的失重除以该金属的比重，再除以摩擦总路程。失重除以该金属的比重

6、，再除以摩擦总路程。1PP25.1 5.1 岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度5.1.1 5.1.1 岩石的研磨性岩石的研磨性岩石的研磨性岩石的研磨性1）晶质岩石的研磨性）晶质岩石的研磨性(淬火钢淬火钢)摩擦磨损法（史立涅尔）结论：摩擦磨损法（史立涅尔）结论：0.750.500.25150100500单单位位磨磨损损体体积积Vs，10-7cm3/m1.00微硬度微硬度Pm，kbarP0研研磨磨性性由由小小到到大大的的顺顺序序:硫硫酸酸盐盐类类岩岩石石（石石膏膏、重重晶晶石石），碳碳酸酸盐盐岩岩（石石灰灰岩岩和和白白云云岩岩）、硅硅质质岩岩石石（玉玉髓髓和和

7、燧燧石石）、铁铁-镁长石岩、石英岩。镁长石岩、石英岩。晶晶质质岩岩石石的的研研磨磨性性是是与与组组成成它它的的矿矿物物的微硬度成正比。的微硬度成正比。多多晶晶矿矿物物岩岩石石研研磨磨性性决决定定于于这这些些组组成成矿物的平均硬度。矿物的平均硬度。多多晶晶岩岩石石和和单单晶晶岩岩石石的的矿矿物物硬硬度度相相同同的情况下，前者的研磨性略高于后者的情况下，前者的研磨性略高于后者 5.1 5.1 岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度5.1.1 5.1.1 岩石的研磨性岩石的研磨性岩石的研磨性岩石的研磨性摩擦磨损法（史立涅尔）结论：摩擦磨损法（史立涅尔）结论：2）碎屑

8、岩石的研磨性）碎屑岩石的研磨性(淬火钢淬火钢)钢的单位路程磨损与碎屑岩中石英含量的关系钢的单位路程磨损与碎屑岩中石英含量的关系2.01.51.00.550503020100石英含量，石英含量，磨磨损损体体积积Vs，107cm3/m32150503020100压入硬度压入硬度Py,kbar55砂岩砂岩钢的单位路程磨损与砂岩硬度的关系钢的单位路程磨损与砂岩硬度的关系60磨磨损损体体积积Vs，107cm3/m 砂岩的研磨性与其压入硬度成反比砂岩的研磨性与其压入硬度成反比 硬硬度度不不大大的的石石英英碎碎屑屑岩岩的的研研磨磨性性要要比比晶晶质质岩岩石石中中研研磨磨性性最最高高的的石石英英岩岩的的研磨性

9、还要大研磨性还要大 各种岩石按单位摩擦路程磨损的研磨性分类表5.1 5.1 岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度5.1.1 5.1.1 岩石的研磨性岩石的研磨性岩石的研磨性岩石的研磨性研磨性研磨性级别级别 岩岩 石石淬火钢淬火钢硬质合金硬质合金研磨性系研磨性系数数10109 9 相对研相对研磨性磨性 研磨性系研磨性系数数10109 9 相对研相对研磨性磨性 1 1泥岩和碳酸岩泥岩和碳酸岩 3.53.512 1 13 0.10.10.3 1 13 2 2石灰岩石灰岩 22226.56.50.60.66 63 3白云岩白云岩 20206 61.21.212125

10、 5硅质结晶岩硅质结晶岩 31319 92 220205 5含铁含铁-镁岩石及含镁岩石及含5%石英的低研磨性岩石石英的低研磨性岩石 353510102.52.525256 6长石岩长石岩 505012123 330307 7含石英多于含石英多于15%的长石岩及含石英颗粒的长石岩及含石英颗粒10%的较低研磨性岩石的较低研磨性岩石 555513135 550508 8石英晶质岩石石英晶质岩石 575716165.55.555559 9石英碎屑岩石，硬度大于石英碎屑岩石，硬度大于35 kbar 575790 161625 5 550501010石英碎屑岩石，硬度石英碎屑岩石，硬度2035 kbar及

11、含石英颗粒及含石英颗粒1020%的岩石的岩石 9090120 252530 5 550501111石英碎屑岩石，硬度石英碎屑岩石，硬度1020 kbar及含石英颗粒达及含石英颗粒达30%的岩石的岩石 120120200 353560 5 550501212石英碎屑岩石，硬度大于石英碎屑岩石，硬度大于35 kbar2002003006060955 550505.1.2 5.1.2 岩石的硬度与塑性系数岩石的硬度与塑性系数岩石的硬度与塑性系数岩石的硬度与塑性系数5.1 5.1 岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度 对对岩岩石石进进行行压压入入破破碎碎实实验验。岩

12、岩石石分分为为脆脆脆脆性性性性岩岩岩岩石石石石、塑塑塑塑脆性岩石、塑性岩石脆性岩石、塑性岩石脆性岩石、塑性岩石脆性岩石、塑性岩石三大类。三大类。硬硬度度Py即即为为脆脆性性破破碎碎时时接接触触面面上上单单位位面面积积上上的的载载荷荷，用用下下式计算：式计算：类别类别软软中中 软软中中 硬硬硬硬坚坚 硬硬极极 硬硬123556789101112硬度硬度100MPa112.5 2.55.0 5.010.0 1015 1520 2030 3050 5050 5060 6070 705.1.2 5.1.2 岩石的硬度与塑性系数岩石的硬度与塑性系数岩石的硬度与塑性系数岩石的硬度与塑性系数5.1 5.1

13、岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度CPoEBDPOA载荷(P)N吃入深度mm用用岩岩石石的的塑塑性性系系数数作作为为定定量量表表征征岩岩石石塑塑性性及及脆脆性性大大小小的的参参数数,塑塑性性系系数数为为岩岩石石破破碎碎前前耗耗费费的的总总功功A AF F与与岩岩石石破破碎碎前前弹弹性性变变形形功功A AE E的的比值。比值。KP=AF/AE =OABC的面积ODE的面积塑性系数：塑性系数：塑性系数：塑性系数：岩石按硬度的分类 5.1.2 5.1.2 岩石的硬度与塑性系数岩石的硬度与塑性系数岩石的硬度与塑性系数岩石的硬度与塑性系数5.1 5.1 岩石的研磨性

14、与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度岩石的研磨性与硬度序号序号层位层位井段井段塑性系数实验数据（塑性系数实验数据（MpaMpa ）平均值平均值数据数据1 1数据数据2 2数据数据3 3数据数据4 4数据数据5 5数据数据6 61 1嫩嫩2 2段段1628.571628.572.22.23.13.12.62.62.32.31.61.62.32.32 21629.11629.11.21.21.51.51.31.31.31.31.81.81.51.51.51.53 31628.911628.911.71.71.51.51.11.11.61.61.51.51.31.31.51.55 51629.

15、271629.271.31.31.51.51.21.21.31.31.21.21.31.35 51628.961628.962.82.82.32.32.52.56 61629.51629.52.12.11.81.81.91.91.91.91.81.81.21.21.71.77 7姚姚1 1段段1856.91856.91.21.21.31.31.11.11.11.11.11.11.11.18 81857.51857.52 21.81.81.51.51.31.31.71.71.61.69 91858.351858.351.21.21.31.31.51.51.31.31.81.81.81.81.51

16、.510101858.91858.91.51.51.71.71.31.31.21.21.31.31.51.51.51.511111857.71857.71.61.61.61.61.51.51.31.31.51.51.51.51212姚姚2+32+3段段1793.51793.51 11 11 11 113131793.251793.251.11.11.11.11.11.11.21.21.31.31.11.115151795.351795.351.51.51.21.21.21.21.21.21.21.21.21.215151795.951795.951.71.71.11.11.21.21.31.3

17、1.51.51.31.316161795.51795.51.21.21.21.21.21.21.11.11.21.21.21.25.2 5.2 岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性5.2.1 5.2.1 岩石可钻性的基本概念岩石可钻性的基本概念岩石可钻性的基本概念岩石可钻性的基本概念岩石可钻性概念有以下几种定义方法：岩石可钻性概念有以下几种定义方法：（1）在一定技术条件下钻进岩石的难易程度；）在一定技术条件下钻进岩石的难易程度；（2）岩石可钻性为钻井过程中岩石抗破碎的强度，岩石破碎的难易；）岩石可钻性为钻井过程中岩石抗破碎的强度，岩石破碎的难易；（3）岩石的坚固性在钻孔方面的表现，称为岩石

18、可钻性。）岩石的坚固性在钻孔方面的表现，称为岩石可钻性。岩石可钻性硬度分级法岩石性岩石性质质软软地地层层中硬地中硬地层层硬地硬地层层可可钻钻性分性分级级12355678910岩石硬度岩石硬度（MPa）100100200200500500700700150015002100210025002500350035003500350037005.2 5.2 岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性5.2.2 5.2.2 岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法 （1 1）室内岩心试验法）室内岩心试验法）室内岩心试验法）室内岩心试验法1）取样）取样 钻钻井井时时一

19、一般般会会钻钻遇遇多多套套地地层层，典典型型的的岩岩性性有有泥泥岩岩、页页岩岩、砂砂岩岩、石石灰灰岩岩、白白云云岩岩、盐盐岩岩、石石膏膏、砾砾岩岩、火火成成岩岩等等，不不同同岩岩性性岩岩石石的的物物理理力力学学性性质质是是不不同同的的。因因此此，在在取取样样时时，应应尽尽可可能能地地取取全全取取准准不不同同岩岩性性的的岩岩样样，使使测测试结果具有广泛的代表性。试结果具有广泛的代表性。5.2 5.2 岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性（1）室内岩心试验法）室内岩心试验法2）测试微钻头31.75mm，907.2N 钻压、转速55r/min，钻三深2.5mm孔，取其平均钻时。钻压和转速不变，孔

20、深一定，可钻性级值，以Kd表示：必须确保每块岩样的实验条件不变5.2.2 5.2.2 岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法 5.2 5.2 岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性3）可钻性分级）可钻性分级 岩石可钻性分级的目的就是将岩石可钻性数值按大小排列，并划分岩石可钻性分级的目的就是将岩石可钻性数值按大小排列，并划分成各区间，以方便矿场应用。见下表。成各区间，以方便矿场应用。见下表。岩石可钻性的微钻头试验分级法可钻性可钻性分级分级22335555667788991010微钻速微钻速（m/h）2.0 2.01.0 1.00.5 0.50.3 0.

21、30.1 0.10.06 0.060.03 0.030.01 0.010.008 0.0080.005地层分级地层分级12355678910地层性质地层性质极软地层软地层 中软地层中中硬地层硬地层极硬地层 一一种种岩岩样样就就代代表表一一类类地地层层，根根据据测测定定的的岩岩石石可可钻钻性性级级值值，就就可可以以选选择择相相应应的的岩岩石石破破碎碎工工具具，进进行行钻钻头头选选型型。根根据据不不同同地地区区实实际际地地层层的的岩岩石石可可钻钻性性级级值值的的大大小小，我我国国生生产产的的牙牙轮轮钻钻头头就就有有对对应应的的不不同同系系列列，如如：极极软软（JR）、软软（R）、中软（）、中软（Z

22、R）、中（）、中（Z）、中硬（）、中硬（ZY）、硬（）、硬（Y）、极硬（）、极硬（JY）等。）等。5.2.2 5.2.2 岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法 5.2 5.2 岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性（2 2）岩石可钻性的实钻数据分析方法）岩石可钻性的实钻数据分析方法）岩石可钻性的实钻数据分析方法）岩石可钻性的实钻数据分析方法五点钻速法五点钻速法:nmin2nnmax6,1356wwminwmax式中：式中：Vpc钻速，钻速，m/h；W钻压，钻压，kN；Mo门限钻压，门限钻压，kN；n转速，转速，r/min；转速指数，一般小于转速指数

23、，一般小于1，数值大小与岩石性质有关；，数值大小与岩石性质有关；C2钻头的牙齿磨损系数，与钻头齿型结构和岩石性质有关；钻头的牙齿磨损系数，与钻头齿型结构和岩石性质有关；ht牙牙齿齿磨磨损损量量，以以牙牙齿齿的的相相对对磨磨损损高高度度表表示示，新新钻钻头头时时为为0，牙齿全磨损为牙齿全磨损为1；Cp压差影响系数，为实际钻速与零压差条件下的钻速比；压差影响系数，为实际钻速与零压差条件下的钻速比；CH水利净化系数，为实际钻速与净化完善时的钻速比；水利净化系数，为实际钻速与净化完善时的钻速比；Kd比例系数，称之为地层可钻性系数。比例系数，称之为地层可钻性系数。五点钻速试验求门限钻压和转速指数的过程，

24、其较适合于钻速较快的地层。五点钻速试验求门限钻压和转速指数的过程，其较适合于钻速较快的地层。5.2.2 5.2.2 岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法 5.2 5.2 岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性（3 3）声波时差法）声波时差法）声波时差法）声波时差法纵波速度与地层力学参数之间存在关系：纵波速度与地层力学参数之间存在关系：纵波速度与纵波时差的关系：纵波速度与纵波时差的关系：岩石声波时差与岩石可钻性关系模型岩石声波时差与岩石可钻性关系模型:5.2.2 5.2.2 岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测

25、方法 5.2 5.2 岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性（3 3）岩石破碎分形法）岩石破碎分形法）岩石破碎分形法）岩石破碎分形法 牙轮钻头牙轮钻头牙轮钻头牙轮钻头破碎岩石后，收集所有碎块，应用分级筛网称其不同尺破碎岩石后，收集所有碎块，应用分级筛网称其不同尺寸下的累计质量分布，质量统计法求称之为破碎分形维数。寸下的累计质量分布，质量统计法求称之为破碎分形维数。钻头破碎后得出岩心碎屑粒度分形规律：钻头破碎后得出岩心碎屑粒度分形规律：以以大大庆庆油油田田升升深深2-7井井岩岩屑屑为为例例进进行行试试验验，试试样样筛筛的的筛筛孔孔是是方方形形，孔孔径径分分级级为为1.0、1.6、2.0、5.0

26、、10.0mm；天天平平主主要要是是称称量量每每级级筛筛上上的上返岩屑质量，进而计算出每一级筛下的的上返岩屑质量，进而计算出每一级筛下的质量百分比质量百分比质量百分比质量百分比。样本深度样本深度(m)筛网尺寸筛网尺寸(mm)1.01.62.05.010.032703.52575220.039627.7623873.5257595.5257532802.81030520.3757132.927572.2716695.73775.2.2 5.2.2 岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法 微钻头可钻性级值与分微钻头可钻性级值与分形维数之间的关系形维数之间的

27、关系:5.2 5.2 岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性（3 3）岩石破碎分形法）岩石破碎分形法）岩石破碎分形法）岩石破碎分形法样本深度样本深度(m)(m)3-D3-D分形维数分形维数D D相关系数相关系数327032700 07357352 226526592879287328032800 0692269222 2307830780 0919919岩屑分形维数与可钻性级值对应关系岩屑分形维数与可钻性级值对应关系类别类别软软中中硬硬可钻性可钻性级值级值1235567891011分形分形维数维数1.731.731.851.851.951.952.072.072.182.182.292.29

28、2.502.502.512.512.622.622.752.752.855.2.2 5.2.2 岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法岩石可钻性的预测方法 5.2 5.2 岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性岩石可钻性5.2.3 PDC5.2.3 PDC钻头可钻性与牙轮钻头可钻性的关系钻头可钻性与牙轮钻头可钻性的关系钻头可钻性与牙轮钻头可钻性的关系钻头可钻性与牙轮钻头可钻性的关系 Kdc1.02.03.05.05.06.06.57.08.09.010.0Kdp0.31.01.93.05.25.76.57.39.111.013.0与牙轮钻头相对应的与牙轮钻头相对应的PDC钻头可钻

29、性级值钻头可钻性级值5.3 5.3 钻头优选方法研究钻头优选方法研究钻头优选方法研究钻头优选方法研究5.3.15.3.1钻头选型的原则钻头选型的原则钻头选型的原则钻头选型的原则（1）选选择择哪哪种种型型号号、规规格格的的钻钻头头，最最重重要要的的依依据据就就是是地地层层。设设计计者者应应从从地地质质部部门门提提供供的的地地层层柱柱状状剖剖面面图图上上找找到到岩岩性性描描述述，根根据据所所钻钻岩岩石石的的机机械械性性能能，包包括括岩岩石石硬硬度度、塑塑脆脆性性、研研磨磨性性、可可钻钻性性等等数数据据，作为选择钻头类型的依据；作为选择钻头类型的依据；（2）不不同同的的钻钻头头类类型型，其其破破岩岩

30、机机理理及及适适用用的的地地层层有有所所不不同同，设设计计者者应应对对各各种种类类型型钻钻头头的的工工作作原原理理有有充充分分的的了了解解，这这是是合合理理选选择择钻钻头头的的重要环节；重要环节；（3）对对设设计计井井所所在在地地区区已已使使用用的的钻钻头头资资料料进进行行详详细细分分析析、评评价价，作作为钻头选型的比较标准，这是合理选择和使用好钻头的重要依据。为钻头选型的比较标准，这是合理选择和使用好钻头的重要依据。除上述原则之外，钻头选型时还应考虑：除上述原则之外，钻头选型时还应考虑：（1）浅浅井井段段：由由于于岩岩石石胶胶结结疏疏松松，宜宜选选择择能能获获得得高高机机械械钻钻速速的的钻钻

31、头；头；（2）深井段：由于起钻时间长，宜选用获得较大进尺的钻头；）深井段：由于起钻时间长，宜选用获得较大进尺的钻头；（3）若所钻地层含有砂岩夹层时，则应考虑用镶齿保径钻头；）若所钻地层含有砂岩夹层时，则应考虑用镶齿保径钻头；（5）对对易易产产生生井井斜斜的的地地层层，宜宜选选用用无无移移轴轴、无无保保径径、齿齿多多而而短短的的钻头；钻头；（5）若若起起出出钻钻头头的的外外排排齿齿磨磨损损严严重重而而中中间间齿齿的的磨磨损损较较轻轻时时，则则应应改选带保径齿的钻头；改选带保径齿的钻头；（6）若若牙牙齿齿磨磨损损速速率率比比轴轴承承磨磨损损速速率率低低得得多多，应应选选择择一一种种较较长长牙牙齿，

32、较好的轴承设计，或在使用中施加更大的钻压。齿，较好的轴承设计，或在使用中施加更大的钻压。5.3 5.3 钻头优选方法研究钻头优选方法研究钻头优选方法研究钻头优选方法研究5.3.15.3.1钻头选型的原则钻头选型的原则钻头选型的原则钻头选型的原则5.3 5.3 钻头优选方法研究钻头优选方法研究钻头优选方法研究钻头优选方法研究5.3.25.3.2钻头优选方法钻头优选方法钻头优选方法钻头优选方法（1）定性方法）定性方法钻头类型与地层级别对应关系表钻头类型与地层级别对应关系表地层级别地层级别 地层级值地层级值K Kd d 3 33 3 K Kd d 5 55 5 K Kd d 6 66 6 K Kd

33、d 8 88 8 K Kd d 1010K Kd d 1010国国 际地层分类际地层分类粘软粘软SSSS软软S S软软 中中SMSM中中 硬硬MHMH硬硬H H极硬极硬EHEHIADCIADC钻钻头头编编码码铣齿钻头铣齿钻头1-11-11-21-21-3 2-11-3 2-11-5 2-21-5 2-22-3 3-12-3 3-12-5 3-22-5 3-23-3 3-3-3 3-5 5镶齿钻头镶齿钻头5-15-15-25-25-35-35-55-55-1 5-35-1 5-35-2 5-55-2 5-56-1 6-36-1 6-36-2 6-56-2 6-57-1 7-7-1 7-3 37-

34、2 7-7-2 7-5 58-1 8-1 8-38-38-2 8-2 8-58-5金刚石金刚石钻头钻头PDCPDC金刚石金刚石D1D1D1D1D2D2D3D3D5D5D5D5取心取心D7D7D7D7D7D7、D8D8D8D8D8D8D9D9刮刀刮刀钻头钻头硬质合金硬质合金聚晶聚晶5.3 5.3 钻头优选方法研究钻头优选方法研究钻头优选方法研究钻头优选方法研究（2）定量方法）定量方法1）经济效益指数法）经济效益指数法每米钻井成本计算模型：每米钻井成本计算模型：2）比能法（）比能法（HussainRabia.1985）将钻头比能作为衡量钻进效果好坏的主要因素。钻头比能越低将钻头比能作为衡量钻进效果

35、好坏的主要因素。钻头比能越低,表明钻头的破岩效率越高表明钻头的破岩效率越高,钻头使用效果越优。钻头使用效果越优。5.3.25.3.2钻头优选方法钻头优选方法钻头优选方法钻头优选方法5.3 5.3 钻头优选方法研究钻头优选方法研究钻头优选方法研究钻头优选方法研究3）模糊聚类分析法）模糊聚类分析法（2）定量方法）定量方法以成本为函数：以成本为函数：以成本为函数：以成本为函数：把钻井过程中很多不确定性因素如地层“软硬”，钻头寿命“长短”，机械钻速“快慢”等，这些集合的模糊随机的边界约束为概率密度函数。模型优化能够给出钻进方案中各参数的最大可靠度。这就意味着钻井过程将会以最大的可靠概率来完成。进尺约束

36、进尺约束可靠性约束可靠性约束失效概率约束失效概率约束影响因素影响因素进尺约束进尺约束可靠性约束可靠性约束5.3.25.3.2钻头优选方法钻头优选方法钻头优选方法钻头优选方法5.3 5.3 钻头优选方法研究钻头优选方法研究钻头优选方法研究钻头优选方法研究选型步骤及依据选型步骤及依据:(1)建立已知地层的岩石力学参数与钻头类型数据库。建立已知地层的岩石力学参数与钻头类型数据库。(2)计计算算所所钻钻地地层层岩岩石石力力学学参参数数，并并加加入入到到已已建建立立好好的的数数据库中。据库中。(3)参照最接近的已知地层所使用的钻头进行钻头选型。参照最接近的已知地层所使用的钻头进行钻头选型。根根据据上上述

37、述方方法法确确定定的的地地层层亲亲疏疏关关系系，就就可可参参照照与与所所钻钻地地层层最最接接近近的的某某一一或或某某儿儿种种己己知知地地层层的的钻钻头头选选用用情情况况选选择择钻头。钻头。5.3.25.3.2钻头优选方法钻头优选方法钻头优选方法钻头优选方法5.4 5.4 基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究5.4.15.4.1 基于可钻性的钻速模式建立基于可钻性的钻速模式建立基于可钻性的钻速模式建立基于可钻性的钻速模式建立钻速方程：钻速方程：大庆地区部分完井数据和岩石可钻性级值大庆地区部

38、分完井数据和岩石可钻性级值比钻压比钻压KN/cm转速转速r/min比水功率比水功率KW/cm2密度密度g/cm3可钻性级值可钻性级值钻速钻速m/h1.5873700.6131.115.655.261.58731950.6131.125.753.161.90581950.6131.126.282.751.90581950.6131.126.562.821.90581950.6131.126.862.681.90581950.6131.156.722.851.90581950.6131.26.862.251.90581950.6131.217.752.012.53971200.2591.227.7

39、61.682.53971300.2591.238.021.562.6318600.7371.137.562.592.5581600.7371.137.562.28运运用用回回归归分分析析方方法法，建建立立了了钻钻压压指指数数、转转速速指指数数、水水力力指指数数、钻钻井井液液密密度度差差系系数数和和钻钻速速系系数数和和地地层层可可钻钻性性级级值值之间的函数关系。之间的函数关系。5.4.25.4.2 钻井参数优选目标函数的建立钻井参数优选目标函数的建立钻井参数优选目标函数的建立钻井参数优选目标函数的建立（1）进尺成本模式建立）进尺成本模式建立（2）多元优化模型的目标函数分析）多元优化模型的目标函数

40、分析变量本身应满变量本身应满足的约束条件足的约束条件钻头轴承负荷约束钻头轴承负荷约束泵功率约束 钻头寿命约束钻头寿命约束5.4 5.4 基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究5.4.25.4.2 钻井参数优选目标函数的建立钻井参数优选目标函数的建立钻井参数优选目标函数的建立钻井参数优选目标函数的建立 根根据据惩惩罚罚函函数数的的原原理理，将将上上述述多多元元化化模模型型变变成成无无约约束束的的优优化化模模型。惩罚函数的目标函数建立如下型。惩罚函数的目标函数建立如下:用模式搜索法解上式，就可

41、得出最优解用模式搜索法解上式，就可得出最优解5.4 5.4 基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究5.4.35.4.3 水力参数设计水力参数设计水力参数设计水力参数设计 泵压泵压泵压泵压钻头水功率钻头水功率钻头水功率钻头水功率喷嘴当量直径喷嘴当量直径喷嘴当量直径喷嘴当量直径喷嘴组合结构喷嘴组合结构喷嘴组合结构喷嘴组合结构最大水功率最大水功率最优最优立压立压最优最优喷嘴方向，井底喷嘴方向，井底流场结构分析流场结构分析排量排量排量排量 对于对于对于对于215.9mm215.9mm的钻头，大庆中

42、深井满足携岩最小上返速度和的钻头，大庆中深井满足携岩最小上返速度和的钻头，大庆中深井满足携岩最小上返速度和的钻头，大庆中深井满足携岩最小上返速度和冷却钻头切削齿、清洁井底的需要，获得最大钻头水功率，井眼冷却钻头切削齿、清洁井底的需要，获得最大钻头水功率，井眼冷却钻头切削齿、清洁井底的需要，获得最大钻头水功率，井眼冷却钻头切削齿、清洁井底的需要，获得最大钻头水功率，井眼的排量应在的排量应在的排量应在的排量应在282832L32Ls s，环空上返速度在，环空上返速度在，环空上返速度在，环空上返速度在1.01.01.5m1.5ms s。按照最大钻头水功率标准优选排量：按照最大钻头水功率标准优选排量：

43、最优排量最优排量5.4 5.4 基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究5.4.35.4.3 水力参数设计水力参数设计水力参数设计水力参数设计 喷嘴组合喷嘴组合:理理论论和和实实践践业业已已证证明明，在在相相同同的的钻钻头头水水力力功功率率条条件件下下，不不同同尺尺寸寸的的优优选选喷喷嘴嘴组组合合，能能改改善善井井底底流流场场和和压压力力分分布布状状况况，提提高高漫漫流流的的清清岩岩作作用用，减减少少钻钻头头对对井底岩屑的重复破碎，从而提高破岩效率和机械钻速。井底岩屑的重复破碎，从而提高破岩

44、效率和机械钻速。喷嘴选择的原则是：喷嘴选择的原则是：（1）215.9mm钻钻头头在在软软地地层层中中，可可采采用用二二大大一一小小，直直径径比比为为0.5的的组组合合；在在中硬地层中，可用一大一小双喷嘴，直径比为中硬地层中，可用一大一小双喷嘴，直径比为0.5的组合。的组合。（2）大直径钻头，如）大直径钻头，如311钻头，可采用一个中心喷嘴加两个不等径喷嘴。钻头，可采用一个中心喷嘴加两个不等径喷嘴。（3）应尽可能选加长喷嘴、斜喷嘴和脉冲喷嘴等。）应尽可能选加长喷嘴、斜喷嘴和脉冲喷嘴等。（5）设设计计中中先先求求出出水水眼眼总总面面积积，再再确确定定最最小小直直径径喷喷嘴嘴（为为了了防防堵堵，喷喷

45、嘴嘴直直径径，一一般般不不小小于于7mm），然然后后再再配配最最大大直直径径喷喷嘴嘴，使使直直径径差差尽尽可可能能拉拉大大，而而总总面面积不变。积不变。喷喷嘴嘴组组合合直直径径级级差差多多大大合合适适，尚尚需需进进一一步步研研究究，目目前前一一般般采采用用直直径径级级差差（两喷嘴直径之差）为（两喷嘴直径之差）为12mm，或用直径比值，或用直径比值q=（0.50.62）进行组合。）进行组合。5.4 5.4 基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究5.55.5井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理

46、井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理5.5.15.5.1井眼围岩应力分布井眼围岩应力分布井眼围岩应力分布井眼围岩应力分布 井壁稳定问题影响着钻井的速度、质量及成本，对部分新探区还会因井壁不稳定而无法达到目的层延误勘探开发的速度，影响其综合经济效益。井壁失稳有两种基本形式：压缩剪切破坏和拉伸破坏。井壁失稳有两种基本形式：压缩剪切破坏和拉伸破坏。破坏形式：井径扩大（垮塌）、缩径、漏失。破坏形式：井径扩大（垮塌）、缩径、漏失。n（1）井径扩大通常发生在低强度的脆性地层，井壁破坏后，在环空钻井液流体的冲刷作用下井壁岩石坍塌、崩落掉块。井径扩大对测井和固井极其不利，坍塌一般是钻头或钻具卡钻的原因之一。n

47、（2）缩径一般发生在泥页岩、砂岩和盐膏岩等塑性地层，地层在高应力差的作用下产生不同程度的塑性变形，引起井眼直径减小。钻井作业需要不断划眼以避免卡钻的发生。n（3）拉伸破坏或水力压裂裂缝是造成钻井液漏失的主要原因。严重的井漏可使钻井液柱压力大幅度降低，为井喷埋下了隐患。5.55.5井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理井壁失稳的原因井壁失稳的原因:在在岩岩石石强强度度较较高高且且正正常常地地应应力力的的地地层层，一一般般不不会会发发生生井井壁壁失失稳稳问问题。导致井壁失稳问题的原因很多，包括天然和人为两个方面：题。导致井壁失稳问题的原因很多，包括天然和人为两个方

48、面：（1）天然因素：有地质构造类型和原地应力、地层的岩性和产状、含粘土矿物的类型、弱面的存在及其倾角、层面的胶结情况、地层强度、裂隙节理的发育、孔隙度、渗透率及孔隙流体压力等。（2）人为因素：钻井液的性能、钻井液和泥页岩化学作用的强弱、井眼周围钻井液侵入带的深度和范围、井眼裸露的时间、钻井液的环空返速对井壁的冲刷作用、循环波动压力和起下钻的抽吸压力、井眼轨迹的形状及钻柱对井壁的摩擦和碰撞等。解解决决井井壁壁失失稳稳的的问问题题，要要从从钻钻井井液液化化学学和和岩岩石石力力学学入入手手，抓抓住住主主要因素进行分析才能获得满意的结果。要因素进行分析才能获得满意的结果。5.5.15.5.1井眼围岩应

49、力分布井眼围岩应力分布井眼围岩应力分布井眼围岩应力分布5.55.5井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理假设条件：假设条件：地层均质各向同性线形弹性，小变形轴向平面应力或平面应变三维问题转化为二维问题 h r5.5.15.5.1井眼围岩应力分布井眼围岩应力分布井眼围岩应力分布井眼围岩应力分布5.55.5井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理 5.5.15.5.1井眼围岩应力分布井眼围岩应力分布井眼围岩应力分布井眼围岩应力分布5.55.5井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理5.5.25.5.2

50、 井壁坍塌压力计算井壁坍塌压力计算井壁坍塌压力计算井壁坍塌压力计算 井壁坍塌与否与井壁围岩的应力状态、围岩的强度特性等密切相关，主要表现为坍塌或缩径。（1）岩石的强度条件（强度准则）井壁稳定力学分析中，Mohr-Coulomb破坏判据表示为：5.55.5井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理井壁坍塌处的应力：有最大值，此时井壁坍塌处的有效应力公式为：5.5.25.5.2 井壁坍塌压力计算井壁坍塌压力计算井壁坍塌压力计算井壁坍塌压力计算 （3）利用库伦-摩尔强度准则计算坍塌压力 5.55.5井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理井壁稳定的力学机理