钻进工艺技术钻进参数优化井斜及控制.pptx

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1、第第5 5章章 钻进工艺技术钻进工艺技术第一节 影响钻速的主要因素第二节 钻进参数优选第三节 井斜及控制第1页/共54页第一节第一节 影响钻速的主要因素影响钻速的主要因素影响钻速的因素分为两大类：指客观存在、无法改变的因素，如：所钻地层的岩石物理机械性质、储层埋藏深度、地层压力等。不不可可变变因因素素可可变变因因素素指可人为选择和改变的因素，如：钻头类型、钻压、转速、牙齿磨损、水力参数、钻井液性能等。调节可变因素适应之调节可变因素适应之优选、设计优选、设计最主要的两个钻井参数最主要的两个钻井参数机械破岩参数机械破岩参数西部：西部：0.45m/h0.45m/h东部：东部：70m/h70m/h哈萨

2、克斯坦：哈萨克斯坦：0.2m/h(0.2m/h(巨厚盐膏层巨厚盐膏层2000-5000m)2000-5000m)第2页/共54页一、牙齿磨损对钻速的影响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。sH第3页/共54页是是直直接接作作用用于于钻钻头头上上的的压压力力，是是使使钻钻头头破破碎岩石的最基本参数。碎岩石的最基本参数。二、钻压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。条件：其它参数不变条件：其它参数不变第4页/共5

3、4页 实际应用中，以直线段为依据实际应用中，以直线段为依据建立钻压（建立钻压（W W）和钻速（）和钻速（VmVm）的定）的定量关系。量关系。即：即：式中：式中：W W0 0称为称为门限钻压门限钻压，它是，它是abab线在钻压轴上的截距，认为是线在钻压轴上的截距，认为是钻钻头牙齿刚开始吃入地层时的钻压头牙齿刚开始吃入地层时的钻压，其值的大小主要取决于岩层性质，其值的大小主要取决于岩层性质，有较强的地区性。有较强的地区性。条件：其它参数不变条件：其它参数不变第5页/共54页钻压对钻头牙齿磨损速度钻压对钻头牙齿磨损速度的影响关系式为：的影响关系式为：h h为牙齿的磨损量；为牙齿的磨损量；Dl和D2为

4、钻压影响系数，与钻头的尺寸有关；钻压与轴承磨损速度钻压与轴承磨损速度的关系式为：的关系式为：B B为轴承的磨损量；为轴承的磨损量；y是钻压指数，对于普通的水基洗井液y=1.5；因此，钻压不能无限制因此，钻压不能无限制地增加，存在最优值。地增加，存在最优值。第6页/共54页三、转速三、转速转速与钻速的关系曲线转速与钻速的关系曲线1 1软地层，井底清洁；软地层，井底清洁；2 2软地层，井底不净；软地层，井底不净；3 3硬地层，净化不充分。硬地层，净化不充分。转速与钻速的关系：为转速指数，一般小于为转速指数，一般小于1 1，与岩性有关。，与岩性有关。n为转速；因此，转速不能无限制地增加，存因此，转速

5、不能无限制地增加，存在最优值。在最优值。第7页/共54页四、水力因素四、水力因素在钻进过程中，从钻头喷嘴中喷射出的钻井液(射流)，对钻进过程发挥着三种作用：清洁、净化井底，避免重复切削；保持和扩大预破碎带裂缝；直接水力破岩（射流速度70m/s）。最主要的作用在岩石强度较低的地层，射流的冲击力超过了地层的破碎强度，直接破碎岩石。在岩石强度较高的地层，射流挤入岩石中由钻头机械力造成的微裂纹和微裂缝内，形成“水楔”，使微裂纹和裂缝扩展，从而大大降低岩石的破碎强度。第8页/共54页四、水力因素四、水力因素保持井底清洁要经过三个过程：首先是使破碎的岩屑离开岩石母体；然后是岩屑在井底被移动；最后由上返的钻

6、井液将其从环空举升到地面。对钻速影响最大压持效应：由于井内钻井液柱所形成的静液压力大于地层压力，使得岩屑被压持在井底不易脱离的现象。克服压持效应依靠射流的冲击压力和漫流的横向推力。第9页/共54页射流对井底的清洁净化作用射流对井底的清洁净化作用（1 1）漫流的横推作用）漫流的横推作用 射流冲击井底后，钻井液射流冲击井底后，钻井液便从冲击中心向四周高流速作横向流动，形便从冲击中心向四周高流速作横向流动，形成漫流，成漫流，从而对井底岩屑产生一个从而对井底岩屑产生一个横向推力横向推力，使其离开原来的位置。，使其离开原来的位置。（2 2）射流的冲击压力作用）射流的冲击压力作用 射流冲击井底后形成的射流

7、冲击井底后形成的冲击压力极不均匀，冲击压力极不均匀，极不均匀的冲击压力使岩极不均匀的冲击压力使岩屑受到一个屑受到一个翻转的力矩，翻转的力矩，从而离开井底从而离开井底。第10页/共54页常用常用钻头水功率钻头水功率表示井底的水力能量：表示井底的水力能量：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)N Nb b钻头水功率，钻头水功率，kWkW；P Pb b钻头喷嘴压降，钻头喷嘴压降，MPaMPa；Q Q排量，排量，L LS S。第11页/共54页钻头水功率钻头水功率 ，井底压持效应，井底压持效应 ，井底清洁程度，井底清洁程度 ，钻速，钻速 。钻速

8、与水力参数的关系曲线钻速与水力参数的关系曲线第12页/共54页五、钻井液性能五、钻井液性能钻井液密度、粘度、固相含量及其分散性等性能指标对钻速都有明显的影响。(1)(1)钻井液密度对钻速的影响钻井液密度对钻速的影响钻井液密度钻井液密度井底压差井底压差压持效应压持效应钻头的破碎效率钻头的破碎效率钻速钻速井底压差=钻井液液柱压力地层压力第13页/共54页(2)(2)钻井液粘度对钻速的影响钻井液粘度对钻速的影响钻井液粘度钻井液粘度 循环系统的压耗循环系统的压耗 钻头喷嘴的压降钻头喷嘴的压降 射流对井底的冲击力射流对井底的冲击力 钻速钻速 泵压传递（水功率传递）的基本关系式为：泵压泵压 地面管汇压耗地

9、面管汇压耗 钻柱内压耗钻柱内压耗 环空压耗环空压耗 钻头压耗钻头压耗循环系统压耗循环系统压耗第14页/共54页（3 3）钻井液固相含量对钻速的影响）钻井液固相含量对钻速的影响 固相含量增大，钻速降低。固相含量增大，钻速降低。钻速钻速第15页/共54页（4 4）钻井液分散性（固相颗粒的分散程度）对钻速的影响）钻井液分散性（固相颗粒的分散程度）对钻速的影响 分散性钻井液比不分散性钻井液钻速低。分散性钻井液比不分散性钻井液钻速低。为了提高钻速，应尽可为了提高钻速，应尽可能采用：能采用：低密度低密度低粘度低粘度低固相低固相不分散体系不分散体系钻井液钻井液第16页/共54页影影响响钻钻速速主主要要因因素

10、素不改变因素：地层性质、储层埋藏深度、地层压力等。可改变因素：钻头类型：根据地层选钻头；钻压：W，Vm ；转速：n，Vm ；牙齿磨损：h，Vm；水力参数：Nb，Vm ；钻井液性能：低密度、低粘度、低固相、不分散体系第17页/共54页钻机：钻机：钻头：三种钻头：三种钻柱：组成和功能钻柱：组成和功能钻井液：功用、类型和性能钻井液：功用、类型和性能课堂回顾课堂回顾第18页/共54页第二节第二节 钻进参数优选钻进参数优选要达到高效率、低成本钻井的目的，必须要进行：钻进参数优选。基本内容：建立钻进过程的数学模型，运用最优化理论，分析处理各种试验数据和钻井资料，寻求能使钻速最快、成本最低、进尺最多的参数组

11、合。机械破岩参数：钻压、转速 水力参数：喷嘴直径、泵压、泵排量技术关键：数学模型是否符合钻井客观规律第19页/共54页优选思路 确定优化目标 结合约束条件用最优化方法求解建立影响因素与优化目标 之间的数学模型（目标函数）确定影响目标的主要 因素和影响规律 目标函数：目标函数：每米钻井成本每米钻井成本钻速钻速 进尺进尺 影响规律：影响规律：钻速方程钻速方程牙齿磨损方程牙齿磨损方程 轴承磨损方程轴承磨损方程第20页/共54页一、钻速方程一、钻速方程K KR R 岩岩石石可可钻钻性性系系数数，与与岩岩石石硬硬度度、钻钻头头类类型型及及洗洗井井液液性性能能有有关关，可可由由实验确定；实验确定；C Cp

12、 p 压差影响系数，当压力平衡时，压差影响系数，当压力平衡时，C Cp p1 1；C CH H 水力参数影响系数，井底达到充分净化时，水力参数影响系数，井底达到充分净化时，C Ch h1 1修正公修正公式式使用最广泛杨格杨格(Young F(Young FS)S)hCnMWVm21)(+-=l第21页/共54页二、钻头牙齿磨损速度方程二、钻头牙齿磨损速度方程A Af f 地层研磨性系数，由实验确定；地层研磨性系数，由实验确定；a a1 1和和a a2 2转速影响系数，由钻头类型决定；转速影响系数，由钻头类型决定；Z Z1 1和和Z Z2 2钻压影响系数，由钻头直径决定；钻压影响系数，由钻头直径

13、决定；C C1 1 牙齿磨损减慢系数，均可从相应表中查得。牙齿磨损减慢系数，均可从相应表中查得。第22页/共54页三、钻头轴承磨损速度方程三、钻头轴承磨损速度方程b b为轴承工作系数，它取决于轴承结构、钻头类型、尺寸以为轴承工作系数，它取决于轴承结构、钻头类型、尺寸以及钻井液性能等因素，由实际钻井资料中求出。及钻井液性能等因素，由实际钻井资料中求出。B B为钻头的轴承磨损量，单位时间内的磨损量即为磨损速度，为钻头的轴承磨损量，单位时间内的磨损量即为磨损速度，新钻头新钻头B B0 0，轴承损坏则，轴承损坏则B B1 1。第23页/共54页四、目标函数的建立四、目标函数的建立C C 每米钻井成本，

14、元每米钻井成本，元/米；米；C Cb b钻头成本，元钻头成本，元/只；只；C Cr r 钻机作业费，元钻机作业费，元/h/h；t tr r 起下钻、接单根时间，起下钻、接单根时间，h;h;t t 钻头纯钻进时间，钻头纯钻进时间，h;h;H H 钻头总进尺，钻头总进尺，m m；衡量钻井技术经济效果的标准：每米钻井成本最低等。目标函数t=f1（W、n、h）H=f2（W、n、h）C=F（W、n、h）根据目标函数与钻速方程、磨损方程根据目标函数与钻速方程、磨损方程的关系，建立的关系，建立目标函数与机械破岩参目标函数与机械破岩参数数的关系模型。的关系模型。第24页/共54页(1)(1)建立钻头进尺建立钻

15、头进尺H H与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系第25页/共54页(2)(2)牙齿磨损量为牙齿磨损量为h hf f时的钻头工作时间时的钻头工作时间第26页/共54页目标函数C=F（W、n、h）第27页/共54页目标函数的极值条件和约束条件目标函数的极值条件和约束条件 1 1、极值条件、极值条件 2 2、约束条件、约束条件 （1 1）牙齿磨损量：）牙齿磨损量：（2 2）轴承磨损量：）轴承磨损量：（3 3）钻压：）钻压：（4 4）转速：）转速：3 3、优化算法：求解最优参数。、优化算法：求解最优参数。实际中：确定钻头磨损量，求在不同转速下的最优钻压，选取每米成本

16、最低的钻压、转速组合。第28页/共54页五、水力参数优选五、水力参数优选目的：目的：寻求合理的寻求合理的水力参数配合水力参数配合，使井底获得，使井底获得最大的水力能量分配最大的水力能量分配，从而达到最优的井底净化效果和提高机械钻速的目的。从而达到最优的井底净化效果和提高机械钻速的目的。由于人们在对由于人们在对水力作用清洗井底机理，提高钻速水力作用清洗井底机理，提高钻速的认识上的认识上不同，通常有三种标准优选水力参数不同，通常有三种标准优选水力参数：(1)(1)最大最大钻头水功率理论钻头水功率理论(2)(2)最大最大冲击力理论冲击力理论(3)(3)最大最大喷射速度喷射速度理论理论用得最多根据根据

17、目标函数目标函数、循环系统水功率传递的关系循环系统水功率传递的关系和和环空携岩的环空携岩的要求要求、地面泥浆泵条件地面泥浆泵条件，可对水力参数进行优选。，可对水力参数进行优选。第29页/共54页第三节第三节 井斜及控制井斜及控制垂直剖面图：井口为坐标原点 垂深、水平位移水平投影图：井口为坐标原点N坐标，E坐标垂直剖面图：垂直剖面图：经过井眼轨迹上每经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，这些铅垂线一个点作一条铅垂线，这些铅垂线构成了一个曲面，称为柱面。将此构成了一个曲面，称为柱面。将此柱面展开到一个平面上，就形成了柱面展开到一个平面上，就形成了垂直剖面图。垂直剖面图。水平投影图：俯视图。水平投影图

18、：俯视图。将井眼将井眼轨迹这条轨迹这条空间曲线空间曲线投影到井口所在投影到井口所在的水平面上，形成水平投影图。的水平面上，形成水平投影图。第30页/共54页第三节第三节 井斜及控制井斜及控制第31页/共54页第三节第三节 井斜及控制井斜及控制一、基本概念一、基本概念1 井斜：井眼轴线和铅垂线之间偏离。2 井斜角:井身轴线的切线与铅垂线的夹角。3 垂直井深:井口至井眼某点的垂直距离。4 水平位移：井口至井眼某点的水平距离。5 测量井深:井口至井眼某点的轨迹长度。第32页/共54页点井斜角点垂直井深HA井斜角:井身轴线的切线与铅垂线的夹角。垂直井深（垂深）:井口至井眼某点的垂直距离。水平位移：井口

19、至井眼某点的水平距离。测量井深（测深）：井口至井眼某点的轨迹长度。点测量井深：定向井的有关概念点水平位移SAAO第33页/共54页6 方位角：井眼轴线在水平面上投影的切线与正北方向的夹角(以正北方向为始边，顺时针方向旋转)。7 井底水平位移S：井口与井底两点在水平投影面上的直线距离。fAfB点水平位移：AOA第34页/共54页测深m：井口至井眼某点的轨迹长度。垂深：井眼轴线上某测点至井口的垂直距离。井斜角i：井眼轴线的切线与铅垂线的夹角。方位角：井眼轴线在水平面上的投影的切线与正北方向的夹角。井底闭合方位角h：从正北方向顺时针转至井口与井底的水平投影连线的夹角。井底水平位移Sh：井口与井底两点

20、在水平投影面上的直线距离。D D完钻井底完钻井底第35页/共54页第36页/共54页8 8 8 井斜变化率的概念井斜变化率的概念井斜变化率的概念井斜变化率a：单位井段的井斜变化A第37页/共54页9 9 9 9 方位变化率的概念方位变化率的概念方位变化率的概念方位变化率的概念方位变化率f：单位井段的方位变化fAfB第38页/共54页10 井眼曲率K：井眼轨迹曲线的曲率。指单位井眼长度内井眼全角的变化值，通常也叫狗腿度。（也称“全角变化率”）为狗腿角为狗腿角井眼轨迹的三大基本要素：井眼轨迹的三大基本要素：井深、井斜角、方位角井深、井斜角、方位角第39页/共54页井眼曲率井眼曲率K:K:井眼的空间

21、曲率井眼的空间曲率KAB实钻井眼轨迹通常是一条空间曲线 第40页/共54页二、井斜的危害二、井斜的危害井深会被歪曲，地质资料不真实，甚至会漏掉油、气层；由于实际钻开点和设计点偏离较远，可能会打乱油、气田的开发方案，降低原油采收率。起下钻困难，钻柱工作条件恶化，还会造成粘附卡钻、键槽卡钻等复杂情况。固井时，下套管遇阻，套管不能居中，固井质量难以保证。会对以后的采油、修井等作业带来困难。第41页/共54页三、井斜的标准三、井斜的标准井身质量要求按(SY5251-91)标准执行井井 深深m最大井斜最大井斜角角()全角变化全角变化率率()/25m井底水平位移井底水平位移m平均井径平均井径扩大率扩大率%

22、井斜测量井斜测量间距要求间距要求0-20003210501525m-300052108015-4000623012012-44507317510第42页/共54页1 1、地质因素对井斜的影响、地质因素对井斜的影响（1 1）地层几何产状（地层倾角）和地层可钻性）地层几何产状（地层倾角）和地层可钻性各向异性各向异性因素因素沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的可钻性低。可钻性低。钻头总是沿着阻力小的方向钻进。钻头总是沿着阻力小的方向钻进。四、井斜的原因四、井斜的原因 地质因素、钻具因素、钻进技术措施、井眼扩大、设备安装质量等。第43页/

23、共54页地层可钻性的各向异性导致井斜地层可钻性的各向异性导致井斜第44页/共54页（2 2）地层倾斜、软硬交错的影响）地层倾斜、软硬交错的影响 地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向钻头在上倾侧先接触到硬岩石，在下倾侧仍为软岩石。这样在钻压作用下，由于上倾侧岩石的硬度大，可钻性差，钻头吃入地层少，钻速慢，而在下倾侧，可钻性好，吃入地层多，钻速快，因此，井眼向上倾侧偏斜。第45页/共54页开始时由于钻头在软地层一侧吃入多，钻速快，而在硬地层一侧吃入少，钻速慢，井眼有向地层下倾方向倾斜的趋势。（2 2）地层倾斜、软硬交错的影响）地层倾斜、软硬交错的

24、影响 地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向第46页/共54页2 2、钻具因素、钻具因素 主要原因是钻具的主要原因是钻具的倾斜倾斜和和弯曲弯曲：引起钻头倾斜，造成钻头受力不平衡，在井底形成引起钻头倾斜，造成钻头受力不平衡，在井底形成不对称切削不对称切削；使钻头受侧向力作用，产生使钻头受侧向力作用，产生侧向切削侧向切削。第47页/共54页导致钻具倾斜和弯曲的原因：导致钻具倾斜和弯曲的原因：钻具和井眼有一定的空隙钻具和井眼有一定的空隙 钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲（“轻压吊打轻压吊打”）钻具本身的弯曲

25、，转盘安装不平、井架安装不钻具本身的弯曲，转盘安装不平、井架安装不正等。正等。3 3、井眼扩大、井眼扩大 钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼轴线不重合，导致井斜。井眼轴线不重合，导致井斜。地质因素：客观因素，不可改变的。地质因素：客观因素，不可改变的。其它：主观因素。其它：主观因素。第48页/共54页井井斜斜原原因因客观因素：地层几何产状、地层可钻性各向异性地层倾斜、软硬交错主观因素：钻具倾斜和弯曲（钻具本身弯曲，转盘安装不平、井架安装不正等）钻进措施不当井眼扩大 第49页/共54页五、井斜的控制五、井斜的控制井斜出现后采取相应的纠斜钻具和

26、措施进行纠斜。井斜出现后采取相应的纠斜钻具和措施进行纠斜。通过使用防斜钻具和措施防止井斜的出现；1 1防斜钻具及原理防斜钻具及原理防斜原理：防斜原理：使钻头上面的一段钻铤具有尽可能大的刚度和大使钻头上面的一段钻铤具有尽可能大的刚度和大的直径，的直径，与井眼保持较小的间隙，以便在钻进过程中受钻压与井眼保持较小的间隙，以便在钻进过程中受钻压作用时不易弯曲作用时不易弯曲，并保持钻柱始终居于井眼中心，使钻头轴，并保持钻柱始终居于井眼中心，使钻头轴线与井眼轴线基本一致，迫使钻头沿着原来的井眼方向钻进。线与井眼轴线基本一致，迫使钻头沿着原来的井眼方向钻进。防斜钻具：采用刚性大的大尺寸钻具（刚性满眼钻具组合

27、、塔式防斜钻具、光钻铤防斜钻具等）。第50页/共54页2纠斜钻具及原理(1)钟摆钻具纠斜利用斜井内切点以下钻铤重量所产生的横向力将钻头推向井眼下侧，以达到减小井斜的目的。钟摆力(2)偏重钻铤纠斜钻具在旋转时，产生一个朝向重边的离心力，且转速越高，离心力越大。这样就对斜井眼的下侧井壁产生一个较大的冲击力，而使井斜减小。(3)涡轮钻具纠斜涡轮钻具与造斜工具相结合，向原井斜的反方向造斜，以达纠斜之目的。(4)微机控制自动垂直钻井系统（VDS、PowerV）产生机械力，使井眼保持垂直。第51页/共54页利用斜井内切点以下钻铤重量所产生的横向力将钻头推向井眼下侧，以达到减小井斜的目的。第52页/共54页本章重点本章重点影响钻进速度的主要因素及影响规律；影响钻进速度的主要因素及影响规律；了解钻进参数优选的主要思路；了解钻进参数优选的主要思路；井斜的基本概念；（井深、井斜角、方位角等）井斜的基本概念；（井深、井斜角、方位角等）井斜的原因井斜的原因第53页/共54页感谢您的观看！第54页/共54页