钻井工程5钻进参数优选.pptx

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1、钻进参数可分为钻进参数可分为固定参数固定参数和和可调参数可调参数两类：两类：固定参数固定参数地层参数、地层可钻性、地层对钻地层参数、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。及地温梯度、地层化学组分对钻井液的适应性等。可调参数可调参数钻进中的机械参数、水力参数、钻钻进中的机械参数、水力参数、钻井液性能和流变参数三大类参数。井液性能和流变参数三大类参数。第1页/共81页钻进参数采集钻进参数采集第2页/共81页第3页/共81页第4页/共81页机械参数机械参数-指钻头类型、钻压与转速指钻头类

2、型、钻压与转速水力参数水力参数-指泵型选择、泵压、排量和水眼组合指泵型选择、泵压、排量和水眼组合钻钻井井液液性性能能和和流流变变参参数数-指指钻钻井井液液体体系系、密密度度、初切力、流变学模式、流变参数初切力、流变学模式、流变参数可可调调参参数数的的优优选选都都应应以以地地层层固固定定参参数数为为依依据据。深深入入掌掌握握这这些些可可调调参参数数对对钻钻进进效效益益的的影影响响规规律律，建建立立钻钻进进数学模型数学模型数学模型数学模型，是实施优选参数钻井的重要基础。，是实施优选参数钻井的重要基础。多元统计分析多元统计分析可调参数可调参数第5页/共81页主要内容主要内容主要内容主要内容第一节第一

3、节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 （欠平衡钻井技术）（欠平衡钻井技术）第二节第二节 水力参数优选水力参数优选第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选第四节第四节 多元钻进模式多元钻进模式第6页/共81页第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理1Mechanismsofdrillingoptimizationondrillingrate 一、射流对井底的净化作用一、射流对井底的净化作用 钻井液通过喷射式钻头的喷嘴，能够形成钻井液通过喷射式钻头的喷嘴，能够形成喷射钻井喷射钻井喷射钻井喷射钻井所需钻井液所需钻井液射流射流射流射流是喷射式钻头与普通钻头的主要区别是喷射式钻头与普通钻头的主要区别

4、.实际钻井过程中，钻井液由喷嘴形成的射流属实际钻井过程中，钻井液由喷嘴形成的射流属淹没淹没淹没淹没非自由射流非自由射流非自由射流非自由射流。射流冲到井底以后能产生两种净化井底。射流冲到井底以后能产生两种净化井底的作用：的作用：一是一是射流对井底岩屑的射流对井底岩屑的 冲击压力冲击压力冲击压力冲击压力 作用。作用。二是二是漫流对井底岩屑的漫流对井底岩屑的 横推横推横推横推 作用。作用。第7页/共81页射流是指通过管嘴或孔口过水断面周界不与固体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。壁接触的液流。按射流流体与周围流体介质的关系划分，可分为按射流流体与周围流体介质的关系划分，可分为淹

5、没射流淹没射流（射流流体的密度小（射流流体的密度小于或等于周围流体的密度）和于或等于周围流体的密度）和非淹没射流非淹没射流（射流流体密度大于周围流体密度）；（射流流体密度大于周围流体密度）；按射流的运动和发展是否受到固壁限制，可分为按射流的运动和发展是否受到固壁限制，可分为自由射流自由射流（不受固壁限制）和（不受固壁限制）和非自由射流非自由射流（受到固壁限制）；（受到固壁限制）；按射流压力是否稳定划分，又可分为按射流压力是否稳定划分，又可分为连续射流连续射流（射流内某一点的压力保持稳定）（射流内某一点的压力保持稳定）和和脉冲射流脉冲射流（射流流束内的压力不稳定）等。（射流流束内的压力不稳定）等

6、。在喷射式钻头的井底条件下，在喷射式钻头的井底条件下，钻井液钻井液从普通喷嘴喷出形成射流后，被井筒内的从普通喷嘴喷出形成射流后，被井筒内的钻井液所淹没，并且其运动和发展受到井底和井壁的限制，因而钻井液所淹没，并且其运动和发展受到井底和井壁的限制，因而属淹没非自由射流属淹没非自由射流。第8页/共81页淹没非自由连续射流的基本特征淹没非自由连续射流的基本特征射流具有等速核和扩散角射流具有等速核和扩散角在射流横截面上中心速度最大在射流横截面上中心速度最大在射流轴线上，超过等速核以后射流轴线上在射流轴线上，超过等速核以后射流轴线上的速度迅速降低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撞击井

7、底后，形成井底冲击压力波和井底漫流流第9页/共81页射流轴线上的速度衰减规律射流轴线上的速度衰减规律为射流扩散角为射流扩散角dn为喷嘴直径为喷嘴直径L为射流轴线上某点距出口的距离为射流轴线上某点距出口的距离vjo为射流出口流速为射流出口流速vjm为距出口为距出口L处的最大流速处的最大流速喷射式钻头的井底射流特性喷射式钻头的井底射流特性第10页/共81页 射流在喷嘴出口断面，各点的速度基本是相等的，为初始速度。随着射流的运射流在喷嘴出口断面，各点的速度基本是相等的，为初始速度。随着射流的运动和向前发展，由于动量交换并带动周围介质运动，首先射流周边的速度分布受到动和向前发展，由于动量交换并带动周围

8、介质运动，首先射流周边的速度分布受到影响，且影响范围不断向射流中心推进，使原来保持初始速度运动的流束直径逐渐影响，且影响范围不断向射流中心推进，使原来保持初始速度运动的流束直径逐渐减小，直至射流中心的速度小于初始速度。射流中心这一部分保持初始速度流动的减小，直至射流中心的速度小于初始速度。射流中心这一部分保持初始速度流动的流束，称为射流等速核。流束，称为射流等速核。射流等速核的长度主要受喷嘴直径和喷嘴内流道形状的影射流等速核的长度主要受喷嘴直径和喷嘴内流道形状的影响。由于周围介质是由外向里逐渐影响射流的，在射流的任一横截面上，射流轴心响。由于周围介质是由外向里逐渐影响射流的，在射流的任一横截面

9、上，射流轴心上的速度最高，自射流中心向外速度很快降低，到射流边界上速度为零。等速核以上的速度最高，自射流中心向外速度很快降低，到射流边界上速度为零。等速核以内，射流轴线上的速度等于出口速度；超过等速核以后，射流轴线上的速度迅速降内，射流轴线上的速度等于出口速度；超过等速核以后，射流轴线上的速度迅速降低。低。第11页/共81页冲击压力冲击压力是当射流碰到井底后，将其动是当射流碰到井底后，将其动压力传递给井底而形成的，在数值大小上等压力传递给井底而形成的，在数值大小上等于射流到达井底时的动压力。于射流到达井底时的动压力。特征：特征：动压力、不均匀、移动变化动压力、不均匀、移动变化 翻转力矩冲击压力

10、梯度翻转力矩冲击压力梯度增大射流出口动压力增大射流出口动压力缩小喷嘴直径缩小喷嘴直径第12页/共81页射流冲击面积射流冲击面积岩屑翻转岩屑翻转 就整个井底而言，射流作用的面积内压力较高，而射流作用的面积以外压就整个井底而言，射流作用的面积内压力较高，而射流作用的面积以外压力较低。在射流的冲击范围内，冲击压力也极不均匀，射流作用的中心压力力较低。在射流的冲击范围内，冲击压力也极不均匀，射流作用的中心压力最高，离开中心则压力急剧下降。另外，由于钻头的旋转，射流作用的小面最高，离开中心则压力急剧下降。另外，由于钻头的旋转，射流作用的小面积在迅速移动，本来不均匀的压力分布又在迅速变化。由于这两个原因，

11、使积在迅速移动，本来不均匀的压力分布又在迅速变化。由于这两个原因，使作用在井底岩屑上的冲击压力极不均匀。作用在井底岩屑上的冲击压力极不均匀。极不均匀的冲击压力使岩屑产生一极不均匀的冲击压力使岩屑产生一个翻转力矩，从而离开井底。这就是射流对井底岩屑的冲击翻转作用。个翻转力矩，从而离开井底。这就是射流对井底岩屑的冲击翻转作用。第13页/共81页漫流漫流是射流冲向井底以后形成的沿井底的横向流动。是射流冲向井底以后形成的沿井底的横向流动。实验研究表明，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实验研究表明，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。它会对

12、井底岩屑产生横向推动力或牵引力，向流动的液流，具有相当高的流速。它会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。从而使岩屑离开原破碎点。漫流分布规律：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，约在速愈小。

13、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，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就要增大射流的喷速和流量和流量。第14页/共81页 研究表明，研究表明，在表面光滑的井底条件下，最大漫流在表面光滑的井底条件下，最大漫流速度出现在小于距井底速度出现在小于距井底 0.5 mm的高度范围内，最大的高度范围内，最大漫流速度值可达到射流喷嘴出口速度的漫流速度值可达到射流喷嘴出口速度的50-80。喷嘴出口距井底越近，井底漫流速度越高。正是这层喷嘴出口距井底越近，井

14、底漫流速度越高。正是这层具有很高速度的井底漫流，对井底岩屑产生一个横向具有很高速度的井底漫流，对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置，而处于被钻井液携带并推力，使其离开原来的位置，而处于被钻井液携带并随钻井液一起运动的状态。因而，随钻井液一起运动的状态。因而，井底漫流对井底清井底漫流对井底清洗有非常重要的作用洗有非常重要的作用。第15页/共81页射流对井底的破岩作用射流对井底的破岩作用 多年来的研究和喷射钻井实践表明，当射流的水功率足够大时，射流不但多年来的研究和喷射钻井实践表明，当射流的水功率足够大时，射流不但有有清洗井底清洗井底的作用，而且还有的作用，而且还有直接或辅助破碎岩石直接

15、或辅助破碎岩石的作用。在岩石强度较低的地的作用。在岩石强度较低的地层中，射流的冲击压力超过地层岩石的破碎压力时，射流将直接破碎岩石。这种层中，射流的冲击压力超过地层岩石的破碎压力时，射流将直接破碎岩石。这种破岩形式在一口井的表层钻进中经常遇到。如有些地区钻破岩形式在一口井的表层钻进中经常遇到。如有些地区钻鼠洞鼠洞，只开泵不用旋转，只开泵不用旋转钻头就可完成。在岩石强度较高的地层中，钻头破碎井底岩石时，在机械力的作钻头就可完成。在岩石强度较高的地层中，钻头破碎井底岩石时，在机械力的作用下，在岩石中形成微裂纹和裂缝。高压射流流体挤入岩石微裂纹或裂缝，形成用下，在岩石中形成微裂纹和裂缝。高压射流流体

16、挤入岩石微裂纹或裂缝，形成“水楔水楔”，使微裂纹和裂缝扩大，使岩石强度大大降低，钻头的破碎效率大大提，使微裂纹和裂缝扩大，使岩石强度大大降低，钻头的破碎效率大大提高。高。第16页/共81页 二、二、钻井液性能钻井液性能对钻速的影响对钻速的影响 试验证明，钻井液试验证明，钻井液密度、粘度、失水量和固密度、粘度、失水量和固相含量及其分散性相含量及其分散性等，都对钻速具有不同程度等，都对钻速具有不同程度的影响。的影响。1.钻井液钻井液密度密度对对钻速钻速的影响的影响 钻井液密度的基本作用在于保持一定的液柱钻井液密度的基本作用在于保持一定的液柱压力，以控制地层内的流体进入井内。压力，以控制地层内的流体

17、进入井内。第17页/共81页主要原因是：主要原因是：井底压差对刚破碎的岩屑有井底压差对刚破碎的岩屑有压持作用压持作用，阻碍井底岩屑的及时清除，影响钻头的破岩效率，从阻碍井底岩屑的及时清除，影响钻头的破岩效率，从而使钻速相应下降。而使钻速相应下降。室内试验和钻井实室内试验和钻井实践证明，践证明，提高钻井液提高钻井液密度，增加井内液柱密度，增加井内液柱压力和地层压力之间压力和地层压力之间的压力差，将使钻速的压力差，将使钻速急剧下降。急剧下降。现场试验结果现场试验结果第18页/共81页实验证明实验证明，低渗透性岩层内低渗透性岩层内，压差对钻速的压差对钻速的影响比在高渗透性岩层内的影响大。因此，钻影响

18、比在高渗透性岩层内的影响大。因此，钻低渗透性岩层时，更应尽量降低钻井液密度，低渗透性岩层时，更应尽量降低钻井液密度，实施实施平衡压力钻井平衡压力钻井（欠平衡压力钻井欠平衡压力钻井）。降低钻井液密度虽能提高钻速，但它常受降低钻井液密度虽能提高钻速，但它常受地地质条件、井壁稳定质条件、井壁稳定等的限制，不能任意降低。等的限制，不能任意降低。多年来的钻井实践证明，为在确保安全钻井多年来的钻井实践证明，为在确保安全钻井的前提下尽量提高钻速，用的前提下尽量提高钻速，用近平衡压力近平衡压力钻进钻进.常规钻井常规钻井常规钻井常规钻井0.03-0.05g/cm3第19页/共81页 欠平衡压力钻井技术是八十年代

19、后期在欠平衡压力钻井技术是八十年代后期在美国德克萨斯州奥斯汀白垩系地层钻井时得美国德克萨斯州奥斯汀白垩系地层钻井时得以迅速发展起来的以迅速发展起来的。国内外现状国内外现状 欠平衡压力钻井技术欠平衡压力钻井技术,以空气钻井为先锋，以空气钻井为先锋，开始于开始于20世纪世纪50年代，主要采用空气压缩机年代，主要采用空气压缩机向井内注入空气和水的混合物。向井内注入空气和水的混合物。第20页/共81页欠平衡欠平衡压力钻井作为压力钻井作为能提高油气产能提高油气产量的一项重要量的一项重要技术，已在世技术，已在世界界2020多个国家多个国家35003500多口井上多口井上应用。应用。机械钻速较常规提高机械钻

20、速较常规提高 100%-500%！第21页/共81页欠平衡钻井概念欠平衡钻井概念Under Balanced Drilling(UBD)欠平衡钻井欠平衡钻井是指在钻井过程中，允许地层流体进入井内，循环出井并在是指在钻井过程中，允许地层流体进入井内，循环出井并在地面得到控制的一种钻井方式。地面得到控制的一种钻井方式。欠平衡钻井技术简介欠平衡钻井技术简介第22页/共81页1995年年1996年年1997年年1998年年美国美国2100250040004100加拿大加拿大3304255251500中国中国60年代实验、年代实验、90年代加速发展！年代加速发展！据据2003年年4月统计，我国海陆油田已

21、引进相应防月统计，我国海陆油田已引进相应防喷器近喷器近40套，套，克拉玛依、四川、长庆、玉门、塔克拉玛依、四川、长庆、玉门、塔里木、吐哈、中原、胜利、大港、辽河、大庆等油里木、吐哈、中原、胜利、大港、辽河、大庆等油田共进行了田共进行了107口欠平衡钻井。口欠平衡钻井。在大港千米桥发现一个亿吨级油田！（板深在大港千米桥发现一个亿吨级油田！（板深在大港千米桥发现一个亿吨级油田！（板深在大港千米桥发现一个亿吨级油田！（板深7 7、板深、板深、板深、板深8 8井）井）井）井）第23页/共81页0.0%5.0%10.0%15.0%20.0%25.0%30.0%35.0%19941995199619971

22、9981999200020012002200320042005百分比02000400060008000100001200014000井数欠平衡井占所有井的百分比欠平衡井占所有井的百分比欠平衡作业井数欠平衡作业井数完成完成完成完成82008200口口口口占总井数的占总井数的占总井数的占总井数的25%25%美国欠平衡井应用统计与预测第24页/共81页 加拿大加拿大计划用欠平衡钻井技术开发整个计划用欠平衡钻井技术开发整个油田油田；美国美国能源部和能源部和Maurer工程公司预工程公司预测，测，到到2005年年，全球运用欠平衡技术钻全球运用欠平衡技术钻井总数可达井总数可达12000口。口。美国和加拿大

23、拥有美国和加拿大拥有 先进的欠平衡钻井装备先进的欠平衡钻井装备 配套的欠平衡钻井技术配套的欠平衡钻井技术 专业技术服务公司专业技术服务公司第25页/共81页欠平衡钻井的优越性欠平衡钻井的优越性1.1.减少对产层的损害，有效保护油气层，从而提高油气井的产量。减少对产层的损害，有效保护油气层，从而提高油气井的产量。减少对产层的损害，有效保护油气层，从而提高油气井的产量。减少对产层的损害，有效保护油气层，从而提高油气井的产量。2.2.有利于及时发现和评价低压低渗油气层，为勘探开发整体方案设计提供准确有利于及时发现和评价低压低渗油气层，为勘探开发整体方案设计提供准确有利于及时发现和评价低压低渗油气层，

24、为勘探开发整体方案设计提供准确有利于及时发现和评价低压低渗油气层，为勘探开发整体方案设计提供准确依据。依据。依据。依据。3.3.大幅提高机械钻速，延长钻头使用寿命，缩短钻井周期，降低钻井成本。大幅提高机械钻速，延长钻头使用寿命，缩短钻井周期，降低钻井成本。大幅提高机械钻速，延长钻头使用寿命，缩短钻井周期，降低钻井成本。大幅提高机械钻速，延长钻头使用寿命，缩短钻井周期，降低钻井成本。4.4.有效控制漏失，减少和避免压差卡钻等井下复杂情况的发生。有效控制漏失，减少和避免压差卡钻等井下复杂情况的发生。有效控制漏失，减少和避免压差卡钻等井下复杂情况的发生。有效控制漏失，减少和避免压差卡钻等井下复杂情况

25、的发生。5.5.可以在钻井过程中生产油气。可以在钻井过程中生产油气。可以在钻井过程中生产油气。可以在钻井过程中生产油气。（美国、加拿大）（美国、加拿大）（美国、加拿大）（美国、加拿大）第26页/共81页欠平衡钻井的缺点欠平衡钻井的缺点1.1.钻井成本高钻井成本高钻井成本高钻井成本高（设备多、井场大、钻井液）（设备多、井场大、钻井液）（设备多、井场大、钻井液）（设备多、井场大、钻井液）2.2.存在不安全隐患存在不安全隐患存在不安全隐患存在不安全隐患（井喷、井塌、爆炸、腐蚀）（井喷、井塌、爆炸、腐蚀）（井喷、井塌、爆炸、腐蚀）（井喷、井塌、爆炸、腐蚀）3.3.地层损害地层损害地层损害地层损害（不能

26、形成泥饼，不持续欠平衡时发生）（不能形成泥饼，不持续欠平衡时发生）（不能形成泥饼，不持续欠平衡时发生）（不能形成泥饼，不持续欠平衡时发生）第27页/共81页适合实施欠平衡钻井的储层适合实施欠平衡钻井的储层有裂缝的碳酸盐岩，泥页式页岩有裂缝的碳酸盐岩，泥页式页岩有构造缺陷或压力衰竭的紧密砂岩有构造缺陷或压力衰竭的紧密砂岩多孔隙、高渗透白云岩，井漏严重多孔隙、高渗透白云岩，井漏严重某些趋向于多孔隙的火山岩某些趋向于多孔隙的火山岩第28页/共81页欠平衡钻井主流技术欠平衡钻井主流技术控流钻井控流钻井（Flowdrilling，也译，也译作边喷边钻、流钻等）作边喷边钻、流钻等）用纯液体钻井液进行的欠平

27、衡钻井叫控流钻井，用纯液体钻井液进行的欠平衡钻井叫控流钻井，如水、盐水、水基泥浆、油、油基泥浆等。如水、盐水、水基泥浆、油、油基泥浆等。第29页/共81页控流钻井技术的研究控流钻井技术的研究确定合理负压差，设计钻井液密度确定合理负压差，设计钻井液密度1.从开发上讲，油层速敏、应力敏感性、出砂、从开发上讲，油层速敏、应力敏感性、出砂、坍塌的临界值决定了负压差的最高限。坍塌的临界值决定了负压差的最高限。2.从钻井工程上讲，泥页岩地层的井壁稳定性确从钻井工程上讲，泥页岩地层的井壁稳定性确定了负压差的最高限。定了负压差的最高限。3.地面设备的分离能力也限制了最高负压差。地面设备的分离能力也限制了最高负

28、压差。4.负压差大小还要视储层的产能而定，一般为负压差大小还要视储层的产能而定，一般为0.7MPa。第30页/共81页 为满足我国低压储层欠平衡钻井的要求，从为满足我国低压储层欠平衡钻井的要求，从美国美国Weatherford 公司引进了现场制氮充气钻公司引进了现场制氮充气钻井设备。包括压缩机、膜氮设备、增压器。井设备。包括压缩机、膜氮设备、增压器。第31页/共81页欠平衡钻井关键设备欠平衡钻井关键设备1、井口压力控制装置、井口压力控制装置 旋转控制头或旋转防喷器旋转控制头或旋转防喷器第32页/共81页静压静压35MPa动压动压17.5MPa美国美国Williams公司公司7100型旋转控制头

29、型旋转控制头目前世界上压力等级最高的旋转防喷器目前世界上压力等级最高的旋转防喷器欠平衡钻井关键设备欠平衡钻井关键设备1.井口压力控制装置井口压力控制装置 旋转控制头或旋转防喷器旋转控制头或旋转防喷器第33页/共81页2.地面流体处理设备地面流体处理设备开式：液气分离器、撇油开式：液气分离器、撇油罐和自动点火装置罐和自动点火装置闭式：四相分离器闭式：四相分离器第34页/共81页国内从九十年国内从九十年代中后期开始引进代中后期开始引进旋转防喷器等主要旋转防喷器等主要设备，进行欠平衡设备，进行欠平衡钻井的试验研究，钻井的试验研究，选择合适的地层进选择合适的地层进行探索性试验。行探索性试验。第35页/

30、共81页 常常规规防防喷喷器器组组合合、六六棱棱方方钻钻杆杆、斜斜台台肩肩钻钻杆杆、内内防防喷喷工工具具、重重泥泥浆浆储储备备罐罐以以及及消消防防安安全全器器材材，节节流流管管汇汇至至少少要要配配置置一一个个液液动动节节流流阀阀，井口最好使用套管头。井口最好使用套管头。3.钻井配套的设备、工具钻井配套的设备、工具第36页/共81页装备配套空气压缩机、增压机、制氮装备、套管阀等。测量配套电磁MWD、PWD等。软件计算与模拟SURE(适合于欠平衡钻井的油藏选择)等。套管阀套管阀欠平衡钻井与气体钻井配套技术第37页/共81页欠平衡压力钻井地面处理系统第38页/共81页 现场实施情况现场实施情况第39

31、页/共81页滚动生产井，滚动生产井，火成岩储层火成岩储层,地层压力系地层压力系数数0.96，三，三开实施欠平开实施欠平衡钻井。衡钻井。罗罗151-11井井三开采用硬胶泡沫钻井液，地面密度三开采用硬胶泡沫钻井液，地面密度0.6-0.7，设，设计井底负压差计井底负压差1.5MPa，完钻静止，完钻静止25min外溢外溢,试油试油日产日产18t/d,为邻井产量的两倍。为邻井产量的两倍。第40页/共81页江汉油田王场地区盐间非江汉油田王场地区盐间非江汉油田王场地区盐间非江汉油田王场地区盐间非砂岩储层欠平衡水平井。砂岩储层欠平衡水平井。砂岩储层欠平衡水平井。砂岩储层欠平衡水平井。该井水平段前段为中孔该井水

32、平段前段为中孔-特低渗孔隙型储层，后段特低渗孔隙型储层，后段为整体裂缝型储层，采用为整体裂缝型储层，采用饱和盐水混油乳化钻井液饱和盐水混油乳化钻井液欠平衡钻进。欠平衡钻进。王平王平1 1井井 王平王平1井水平段裂缝性井段实测地层压力系数井水平段裂缝性井段实测地层压力系数 1.62，采用，采用1.35-1.51的钻井液，井底静欠压的钻井液，井底静欠压1.43MPa，动欠压，动欠压 0.78MPa，投产后取得明显投产后取得明显的效果，日产的效果，日产65t/d。第41页/共81页 以往该地区钻井发生严重漏以往该地区钻井发生严重漏失，造成油层的污染，为解决这失，造成油层的污染，为解决这个问题决定采用

33、欠平衡钻井技术。个问题决定采用欠平衡钻井技术。商商741-平平1井井火成岩储层欠平衡水平井火成岩储层欠平衡水平井商商741-平平1井地质井地质预告储层压力系数小于预告储层压力系数小于1.0,用常规钻井液无法实用常规钻井液无法实现欠平衡，水平段采用充现欠平衡，水平段采用充氮气诱喷，实施欠平衡钻氮气诱喷，实施欠平衡钻进获得成功。进获得成功。该井水平段欠平衡钻进，井底动欠压该井水平段欠平衡钻进，井底动欠压3.1MPa，投产，投产60t/d以上，取得明显的效以上，取得明显的效果。果。第42页/共81页埕北埕北埕北埕北244244井井井井 该井在该井在2951.37米，钻井液密度米，钻井液密度1.06井

34、漏，井漏，1.04井涌，打不成钻。去年井涌，打不成钻。去年2月月16日日装旋转防喷器，边涌边钻，解决了潜山裂缝性储层上涌下漏的复杂情况，历经三个多月，装旋转防喷器，边涌边钻，解决了潜山裂缝性储层上涌下漏的复杂情况，历经三个多月，成功钻穿奥陶系，钻达目的层太古界。成功钻穿奥陶系，钻达目的层太古界。（评价井）（评价井）（评价井）（评价井）埕北埕北244井井 采用欠平衡钻井装备，探讨边涌边钻、边漏边钻的工艺，既保证了钻井采用欠平衡钻井装备，探讨边涌边钻、边漏边钻的工艺，既保证了钻井的成功，又有效地保护了油气层，确保了勘探成功率，经试油，取得的成功，又有效地保护了油气层，确保了勘探成功率，经试油，取得

35、 10mm油嘴油嘴日产日产油油235吨、日产气吨、日产气6940立方米的好成绩。立方米的好成绩。第43页/共81页 2.钻井液粘度钻井液粘度对钻速的影响对钻速的影响 钻井液粘度是通过对钻井液粘度是通过对循环压力损耗循环压力损耗和和井底井底净化净化等作用的影响而间接影响钻速的。等作用的影响而间接影响钻速的。在一定的地面功率条件下，降低钻井液粘在一定的地面功率条件下，降低钻井液粘度，可以减小钻柱和环形空间的循环压耗，度，可以减小钻柱和环形空间的循环压耗，使钻头喷嘴处的压降增加，提高射流对井底使钻头喷嘴处的压降增加，提高射流对井底的冲击力，加强清除岩屑的作用，从而使钻的冲击力，加强清除岩屑的作用，从

36、而使钻速也相应增加。速也相应增加。第44页/共81页实验证明，在一定的钻井液排量和喷射速度下，钻速随钻井液的运动粘实验证明，在一定的钻井液排量和喷射速度下，钻速随钻井液的运动粘度的增加而降低，如图度的增加而降低，如图52所示。所示。运动粘度运动粘度运动粘度运动粘度-指钻头喷嘴出口处视粘度与其密度的比值。指钻头喷嘴出口处视粘度与其密度的比值。第45页/共81页实际上，增加钻井液密度将加大井实际上，增加钻井液密度将加大井底的液柱压力，对钻速有不利影响。底的液柱压力，对钻速有不利影响。因此，在实际工作中通常先按因此，在实际工作中通常先按平衡平衡地层压力地层压力的要求，确定钻井液密度，然的要求，确定钻

37、井液密度，然后再调节钻井液性能，尽量降低钻头喷后再调节钻井液性能，尽量降低钻头喷嘴处的视粘度。嘴处的视粘度。第46页/共81页3.钻井钻井液液液液固相含量及其分散性固相含量及其分散性固相含量及其分散性固相含量及其分散性对钻速的影响对钻速的影响 钻井液的固相含量对钻井液的固相含量对钻进速度和钻头消耗量钻进速度和钻头消耗量都有严重的影都有严重的影响，因此必须严格控制钻井液内的固相含量，一般应尽量采用响，因此必须严格控制钻井液内的固相含量，一般应尽量采用固相含量低于固相含量低于4的低固相钻井液。的低固相钻井液。对钻井液固相含量的深入对钻井液固相含量的深入研究发现，不仅固相含量对钻研究发现，不仅固相含

38、量对钻速有影响，固体颗粒的分散度速有影响，固体颗粒的分散度也对钻速有影响。实验证明，也对钻速有影响。实验证明，钻井液内直径小于钻井液内直径小于 1m 的胶的胶粒越多，对钻速的影响越大粒越多，对钻速的影响越大.第47页/共81页此外，钻井液此外，钻井液失水和含油量失水和含油量等都对钻速有一定的等都对钻速有一定的影响。但因这些性能与钻井液粘度、固相含量及分影响。但因这些性能与钻井液粘度、固相含量及分散性等因素有关，钻井液失水量增大常会增大钻井散性等因素有关，钻井液失水量增大常会增大钻井液粘度，因此难于测定它们对钻速的独立影响，迄液粘度，因此难于测定它们对钻速的独立影响，迄今为止，通常都只调节钻井液

39、密度、粘度和固体含今为止，通常都只调节钻井液密度、粘度和固体含量及其分散度等主要性能来提高钻速和确保安全。量及其分散度等主要性能来提高钻速和确保安全。只有钻到复杂地层和含油气层时，才按特定要只有钻到复杂地层和含油气层时，才按特定要求控制失水或混入一定量的油类，甚至完全用油基求控制失水或混入一定量的油类，甚至完全用油基钻井液钻井，这时钻速即使有所下降，也应该满足钻井液钻井，这时钻速即使有所下降，也应该满足井下的特殊需要。井下的特殊需要。第48页/共81页钻井实践证明，钻井液性能是影响钻速的重钻井实践证明，钻井液性能是影响钻速的重要因素，它与水力参数密切配合对钻进速度的影要因素，它与水力参数密切配

40、合对钻进速度的影响，比其它任何可控变量的影响都大。响，比其它任何可控变量的影响都大。但因钻井液性能受井下工作条件的影响，难但因钻井液性能受井下工作条件的影响，难以严格控制，因此至今还没有一个能够确切反映以严格控制，因此至今还没有一个能够确切反映钻井液性能影响规律的数学模式，这是优选钻进钻井液性能影响规律的数学模式，这是优选钻进参数中需要进一步研究解决的重要课题。参数中需要进一步研究解决的重要课题。钻井液（密度、粘度、固相含量及其分散性）钻井液（密度、粘度、固相含量及其分散性）第49页/共81页 三、三、钻压、转速钻压、转速对钻速的影响对钻速的影响 钻压、转速是直接作用于井底籍以破碎岩钻压、转速

41、是直接作用于井底籍以破碎岩石的基本参数。石的基本参数。由于钻压、转速是通过钻头破碎岩石的，由于钻压、转速是通过钻头破碎岩石的，它们的作用它们的作用不仅对钻进速度有影响不仅对钻进速度有影响，同时也，同时也会会影响钻头的磨损速度和工作寿命影响钻头的磨损速度和工作寿命。因此在优选钻压、转速时，必须综合考虑因此在优选钻压、转速时，必须综合考虑这两方面的影响，确定最优配合。这两方面的影响，确定最优配合。第50页/共81页1.钻压、转速对钻速的影响钻压、转速对钻速的影响 图图53 是钻进试验的典型拟合曲线。是钻进试验的典型拟合曲线。钻压对钻速的影响钻压对钻速的影响 图图53（a）是在其它钻进参数保持不变的

42、情况下，钻速与钻压的关系曲线。）是在其它钻进参数保持不变的情况下，钻速与钻压的关系曲线。vpef(W)井底净化充分井底净化不充分Oa段段钻压小，净化好，钻速与钻压的平方钻压小，净化好，钻速与钻压的平方成正比成正比ab段段钻压逐渐增大，净化逐渐变差，钻压逐渐增大，净化逐渐变差，钻速钻速与钻压成线性关系与钻压成线性关系bc段段钻压继续增大，净化严重恶化，钻速钻压继续增大，净化严重恶化，钻速增长缓慢，至增长缓慢，至 c 点不再增长，甚至下降点不再增长，甚至下降第51页/共81页转速对钻速的影响转速对钻速的影响 图图53（b）是在钻压和其它钻进参数保持不变的条件下，钻速与转速的关系曲）是在钻压和其它钻

43、进参数保持不变的条件下，钻速与转速的关系曲线。线。vpef(n)通常通常，1，原因是转速提高，原因是转速提高后钻头工作刃与岩石接触时间缩后钻头工作刃与岩石接触时间缩短，每次接触时的破碎深度减少，短，每次接触时的破碎深度减少，即岩石破碎时的时间效应问题。即岩石破碎时的时间效应问题。第52页/共81页牙齿磨损量对钻速的影响牙齿磨损量对钻速的影响随着钻头不断破碎岩石，钻头牙齿也随之磨损，钻头工作效率随着钻头不断破碎岩石，钻头牙齿也随之磨损，钻头工作效率明显下降，钻进效率也随之降低。明显下降，钻进效率也随之降低。当钻压、转速等各种钻进参当钻压、转速等各种钻进参数保持不变时，钻速与牙齿数保持不变时，钻速

44、与牙齿磨损量的关系：磨损量的关系：C2牙齿磨损系数牙齿磨损系数h牙齿磨损量，即磨损掉的高度与原牙齿磨损量，即磨损掉的高度与原始高度之比始高度之比第53页/共81页假设假设W、n、h均为互不影响的独立变量均为互不影响的独立变量钻速方程钻速方程Young模式模式修正修正Young模式模式K K岩石可钻系数W W,W WM M钻压，门限钻压C C2 2，h h牙齿磨损系数及磨损高度C Cp p,C,Cp p压差、水利参数影响系数，3 3与岩层性质有关的影响系数G GDsDs地层压力梯度地层压力梯度 Pa/mPa/mD Dv v垂直井深，垂直井深，m mP Ps s实际钻头比水功率,KW/KW/m m

45、2 2P Psnsn钻头充分净化时要求的钻头比水功率,KW/KW/m m2 2V Vpenpen钻头充分净化时的钻速第54页/共81页 2.钻压、转速对钻头磨损的影响钻压、转速对钻头磨损的影响 牙轮钻头的磨损包括两个方面：牙轮钻头的磨损包括两个方面：一是：一是：牙齿的磨损牙齿的磨损 一是：一是：钻头轴承的磨损钻头轴承的磨损第55页/共81页（1）钻压、转速对）钻压、转速对牙齿牙齿牙齿牙齿磨损速度的影响磨损速度的影响 钻头牙齿的磨损速度，可以用齿高磨损量对时间的钻头牙齿的磨损速度，可以用齿高磨损量对时间的导数导数来表示。它与钻压、转速来表示。它与钻压、转速及齿高磨损量的关系曲线（图及齿高磨损量的

46、关系曲线（图55）。）。第56页/共81页（2）钻压、转速对）钻压、转速对钻头轴承钻头轴承钻头轴承钻头轴承磨损速度的影响磨损速度的影响 在某些研磨性较低的岩层内，或用牙齿耐磨性很高的镶齿牙轮钻头时，钻头在某些研磨性较低的岩层内，或用牙齿耐磨性很高的镶齿牙轮钻头时，钻头牙齿往往磨损不多而轴承先期磨损。牙齿往往磨损不多而轴承先期磨损。这时钻头的工作寿命则应由轴承的磨损速度来确定。这时钻头的工作寿命则应由轴承的磨损速度来确定。B B轴承磨损量轴承磨损量第57页/共81页实际钻进过程中，钻压、转速和水力参数实际钻进过程中，钻压、转速和水力参数在井底的破岩、清岩作用是同时发生的，很难在井底的破岩、清岩作

47、用是同时发生的，很难确定水力参数只起清岩作用而不起破岩作用。确定水力参数只起清岩作用而不起破岩作用。研究表明：在切削齿使岩石产生裂缝的前提研究表明：在切削齿使岩石产生裂缝的前提下，水力对破碎坑的冲蚀和水楔作用有利于扩下，水力对破碎坑的冲蚀和水楔作用有利于扩展裂纹而加速岩石的破碎。展裂纹而加速岩石的破碎。机械参数与水力参数机械参数与水力参数是相辅相成的，同时提是相辅相成的，同时提高这两种参数将有利于提高机械钻速。高这两种参数将有利于提高机械钻速。第58页/共81页第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选2Optimizationofhydraulicparameter喷喷射射钻钻井井中中从从钻

48、钻头头喷喷嘴嘴中中喷喷出出钻钻井井液液射射流流，速速度度高高、水水力力功功率率大大，它它不不仅仅能能使使岩岩屑屑及及时时迅迅速速地地离离开开井井底底，始始终终保保持持井井底底干干净净，而而且且在在一一定定条条件件下下可可直直接接破破碎碎岩岩石石。这这这这就就就就是是是是喷喷喷喷射射射射钻钻钻钻井井井井能能能能够够够够大大大大幅幅幅幅度度度度提提提提高高高高钻钻钻钻速的主要原因。速的主要原因。速的主要原因。速的主要原因。因因此此，如如何何选选择择泵泵型型、机机泵泵工工作作方方式式、优优选选泵泵压压、排排量量、喷喷嘴嘴组组合合是是合合理理利利用用地地面面泵泵功功率率、提提高高钻钻井井效率的关键。效

49、率的关键。第59页/共81页 一、射流水力参数和钻头水力参数一、射流水力参数和钻头水力参数 对喷射钻井有实际意义的是对喷射钻井有实际意义的是射流水力参射流水力参数数。但由于钻井液流经喷嘴时要产生一部分。但由于钻井液流经喷嘴时要产生一部分能量损耗，因此，在喷射钻井设计中，不仅能量损耗，因此，在喷射钻井设计中，不仅要计算射流的能量，而且要考虑喷嘴损耗的要计算射流的能量，而且要考虑喷嘴损耗的能量。能够反映出这两部分能量的，就是能量。能够反映出这两部分能量的，就是钻钻头的水力参数头的水力参数。第60页/共81页 1.射流水力参数射流水力参数 射流水力参数包括：射流水力参数包括：喷射速度、射流冲击力喷射

50、速度、射流冲击力和和射流水功率射流水功率。工程上，常选择射流出口断面作为水。工程上，常选择射流出口断面作为水力参数的计算位置。力参数的计算位置。v vj j 射流速度，射流速度，m/sm/sW Wj j 射流冲击力，射流冲击力，N NP Pj j射流水功率，射流水功率，W WQ Q钻井液排量，钻井液排量，m m3 3/s/sA Antnt喷嘴出口截面积，喷嘴出口截面积，m m2 2d dnene喷嘴当量直径，喷嘴当量直径，m;m;d dnini第第i i个喷嘴直径个喷嘴直径,m,m第61页/共81页2.钻头水力参数钻头水力参数-钻头压力降和钻头水功率钻头压力降和钻头水功率钻头压力降和钻头水功率