§3-1直井防斜技術(shù)§3-2井斜的控制方法

§3-3鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系§3-4鉆進參數(shù)優(yōu)選§3-5水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計本章需要10學(xué)時一、軌跡的基本參數(shù)

所謂井眼軌跡，實指一口實鉆井的井眼軸線乃是一條空間曲線。描述軌跡的基本參數(shù)。

1、井深：指井口（通常以轉(zhuǎn)盤面為基準）至測點的井眼長度。也有人稱之為斜深，直井中為垂深。常以字母Dm表示，單位為米（m）。

2、井斜角：井眼軸線上某測點的切線與鉛垂線之間的夾角。就是井斜角。井斜角常以希臘字母α表示，單位為（°）一個測段內(nèi)井斜角的增量即井斜變化率，總是下測點井斜角減去上測點井斜角，以Δα表示。如圖所示，A點的井斜角為αA,B點的井斜角為αB，AB井段的井斜角增量為Δα=αB-αΑ。井斜角示意圖第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)

3、井斜方位角：

指井眼軸線上某測點的切線在水平面上的投影與正北方向的夾角稱為井斜方位角。以正北方位線邊，順時針方向旋轉(zhuǎn)到井眼方位線上所轉(zhuǎn)過的角度，即井眼方位角。注意，正北方位線是指地理子午線沿正北方向延伸的線段。所以正北方位線和井眼方位線也是有向線段，都可以用矢量表示。井斜方位角常以字母φ表示，單位為度（°）。井斜方位角的增量即井斜方位變化率是下測點的井斜方位角減去上測點的井斜方位角，以ΔФ表示。井斜方位角的值可以在0～360°范圍內(nèi)變化。如圖所示，A點的井斜方位角為фA，B點的井斜方位角為ФB，AB井段的井斜方位角增量為ΔФ=ФB-ФA。

井斜方位角示意圖第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)

需要注意的是，目前廣泛使用的磁性測斜儀是以地球磁北方位為基準的。磁北方位與正北方位并不重合而是有個夾角，稱為磁偏角。磁偏角又分為東磁偏角和西磁偏角。東磁偏角指磁北方位線在正北方位線的東面，西磁偏角指磁北方位線在正北方位線的西面。用磁性測斜儀測得的井斜方位角稱為磁方位角，并不是真方位角，需要經(jīng)過換算求得真方位角。這種換算稱為磁偏角校正。換算的方法如下：真方位角=磁方位角+東磁偏角真方位角=磁方位角-西磁偏角井斜方位角還有另一種表示方式，稱為“象限角”如圖所示。它是指井斜方位線與正北方位線或正南方位線之間的夾角。象限角在0-90度之間變化書寫時需要注名所在的象限，如N67.5oW。井斜方位角示意圖

第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)二、軌跡的計算參數(shù)

1、垂直深度：簡稱垂深指軌跡上某點至井口所在水平面的距離。垂深的增量簡稱為垂增。垂深常以字母D表示,垂增以ΔD表示。如圖3-1表示，A、B兩點的垂深分別為DA、DB,AB井段的垂增ΔD=DB-DA

2、水平投影長度指井眼軌跡上某點至井口的長度在水平面上的投影長度。平長的增量稱為平增。平長以字母LP表示，平增以ΔLP表示。平常和平增在圖中是指曲線的長度。

3、水平位移：簡稱平移指軌跡上某點和井口兩點在水平面上的投影的直線距離。水平位移常以字母S表示。在國外將水平位移稱作閉合距。而我國油田現(xiàn)場常特指完鉆時的水平位移為閉合距。

水平投影長度示意圖第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)4、平移方位角：指平移方位線所在的方位角。即以正北方位為始邊順時針轉(zhuǎn)至平移線上所轉(zhuǎn)過的角度，常以字母θ表示。如圖3-5所示A、B兩量點的平移方位角分θA、θB。在國外將平移方位角稱作閉合方位角。而我國油田現(xiàn)場常特指完鉆時的平移方位角為閉合方位角。5、N坐標和E坐標：是指軌跡上某點在以井口為原點的水平面坐標系里的坐標值。此水平面坐標系有兩個作標軸，一是南北坐標軸，以正北方向為正方向；一是東西坐標軸，以正東方向為正方向。如圖所示，Α、Β二點的水平坐標分別為NA、EA和NB、EB。水平坐標可以有增量，以ΔN、ΔE表示。

平移與視平移示意圖

第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)三、井斜的危害

1、使井眼偏離設(shè)計井位，將打亂油氣田開發(fā)的布井方案。

2、使井深發(fā)生誤差，使所得的地質(zhì)資料不真實。

3、給鉆井工作增加困難，甚至造成井下復(fù)雜事故。

4、使鉆柱磨損和折斷或造成井壁坍塌及鍵槽卡鉆等事故。

5、下套管困難，套管居中，影響固井質(zhì)量。

6、影響采油及注水工作，常引起油管和抽油桿的磨損和折斷，甚至造成嚴重的井下事故。所以，井斜過大對油氣田的勘探和開發(fā)都有很大危害。如何控制井斜是鉆井工作的一個重要課題。四、井斜的原因主要有地質(zhì)條件，鉆具結(jié)構(gòu)，鉆進技術(shù)措施，操作技術(shù)，以及設(shè)備安裝質(zhì)量等。

1、地質(zhì)條件地質(zhì)條件是產(chǎn)生井斜的重要原因。地層傾角；層狀結(jié)構(gòu)；各向異性；巖性軟、硬交替及斷層等。起主要作用的是地層傾角，

（1）地層傾角對井斜的影響

當?shù)貙觾A角小于45°時，井眼一般沿上傾方向偏斜；當?shù)貙觾A角大于60°時，井眼將順著地層面下滑發(fā)生偏斜；而在45°至60°之間是不穩(wěn)定區(qū)。即有時向上傾斜有時向下傾斜。第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)（2）層狀地層對井斜的影響鉆頭在傾斜的層狀地層中鉆進時，當鉆至每個層面交界處時，此處巖層不能長時間支持所加的鉆壓而趨向沿垂直層面發(fā)生破碎。在井眼上傾一側(cè)的小斜臺很容易鉆掉。相反，在井眼下傾一側(cè)卻殘留一個小斜臺；它就向小變向器作用一樣，對鉆頭施加一個橫向力，把鉆頭推向上傾的一側(cè)，從而引起井斜。鉆進通過層狀地層時井眼偏斜的原因鉆頭在不同方向上的破碎速度第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)鉆進通過層狀地層時井眼偏斜的原因鉆頭在不同方向上的破碎速度

（3）地層各向異性從生產(chǎn)實踐和實驗室的研究得知，由于巖層的成層狀況、層理、節(jié)理、紋理以及巖石的成分、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物、顆粒大小等因素造成巖層在不同方向上的強度不同，一般來說垂直地層層面的強度較小，鉆進時鉆頭將沿著這個破碎阻力最小的方向傾斜。第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)（4）巖性軟硬交錯變化對井斜的影響當鉆頭從軟地層進入硬地層時，如圖（a）所示。鉆頭在A測接觸到硬巖石，而在B側(cè)還是軟巖石，這樣在鉆壓作用下，由于A側(cè)巖石的硬度大，可鉆性小，鉆頭刀刃吃入地層少，鉆速慢；而在Ｂ側(cè)巖石的硬度小，可鉆性大，鉆頭刀刃吃入地層多，鉆速快。這樣鉆出井眼自然會偏斜。另外，由于鉆頭兩側(cè)受力不均，在Ａ側(cè)的井底的反力的合力比Ｂ側(cè)大，將產(chǎn)生一個彎距M，扭轉(zhuǎn)鉆頭，使其沿著地層上傾方向發(fā)生傾斜。第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)

當鉆頭由硬地層進入軟地層時，如圖（b）所示，開始時由于地層在軟地層一側(cè)吃入多，速快，而在硬地層一側(cè)吃如少，鉆速慢，井眼有向地層下傾方向傾斜的趨勢。但當鉆頭快鉆出硬地層時，此處巖石不能在支撐鉆頭的重負荷，巖石將沿著垂直于層面方向發(fā)生破碎，在硬地層一側(cè)留下一個臺肩，迫使鉆頭回到地層上傾方向。所以鉆頭由硬地層進入軟地層也有可能仍然向地層上傾方向發(fā)生傾斜。此外，斷層和破碎帶也常常會引起井斜?？偟膩碚f，由于地質(zhì)條件的影響，地層將作用于鉆頭一個橫向造斜力，使鉆頭偏離原來的井眼軸線，一般情況下是使井眼向地層上傾方向發(fā)生偏斜。第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)2、鉆具原因鉆具導(dǎo)致井斜的主要因素是鉆具的傾斜和彎曲。一是引起鉆頭傾斜，在井底形成不對稱切削；二是使鉆頭受到側(cè)向力的作用，迫使鉆頭進行側(cè)向切削。（1）導(dǎo)致鉆具的傾斜和彎曲的原因：①由于鉆具直徑小于井眼直徑鉆具和井眼之間有一定的間隙。②鉆壓使下部鉆具受壓彎曲。彎曲鉆柱將使靠近鉆頭的鉆具彎曲更大。③下入井內(nèi)的鉆具本來就是傾斜和彎曲的。第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)(2)鉆柱的一、二次彎曲對井斜的影響鉆井實踐表明，輕壓吊打，井打的比較直，鉆鋌穩(wěn)定垂直，但鉆壓小鉆速慢頭如圖

a。鉆壓逐步增大，當增至某一值p1時下部鉆鋌失去穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生圖b的一次曲，鉆鋌與井壁相切于切點1。P1是使鉆鋌喪失穩(wěn)定的軸向壓力的臨界值稱為一次彎曲臨界鉆壓，鉆頭傾角增大；如果再增大鉆壓，彎曲程度繼續(xù)增大，切點不斷下移，如圖

c.鉆頭傾角繼續(xù)增大，第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)當增大至第二次彎曲鄰界鉆壓P2時，下部鉆鋌產(chǎn)生二次彎曲。這時靠下部得彎曲部分不與井壁接觸靠上面的彎曲部分與井壁接觸與新的切點了，且切點提高如圖

d。鉆頭傾角減小。

3、安裝設(shè)備安裝質(zhì)量對井斜的影響天車、游車和轉(zhuǎn)盤三點不在一條鉛垂線上；轉(zhuǎn)盤安裝不平而引起鉆具一開始就傾斜等。第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)五、斜井內(nèi)鉆柱的受力分析

1、鉆壓w

由于井斜，鉆壓不是沿井眼軸線方向施加給鉆頭，而是偏離一個角度β。此時鉆壓可分解為與井眼軸線相平行得力P0和與井眼軸線相垂直的力FI

P0=Pcosβ它對井斜沒有什麼影響，而是使井眼沿著原井眼軸線的方向繼續(xù)向下鉆進。

Fi=Psinβ

式中P——鉆壓；

β——鉆頭傾斜角。

Fi將使鉆頭偏離井眼軸線，即增斜力。斜井內(nèi)鉆柱切點以下鉆柱受力情況第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)2、鐘擺力Fd斜井內(nèi)鉆柱切點以下鉆柱在垂直于井壁方向產(chǎn)生一個分力。此力使鉆頭側(cè)向破碎巖石，使井眼恢復(fù)垂直狀態(tài)，即為鐘擺減斜力。的減斜力Fd近

Fd≈1/2Wsinα

式中W——切點以下鉆鋌的重量；

α——井斜角。3、地層造斜力Ff

取決于地層傾角和各向異性等因素。在多數(shù)情況下增斜，也可能降斜綜合考慮上述諸力的作用，在鉆頭上作用一對相互矛盾著的力，即：造斜力F1=Psinβ+Ff

或F1=Psinβ—Ff自然增斜時Ff取正號，自然降斜時取負號。降斜力F≈1/2Wsinα斜井內(nèi)鉆柱切點以下鉆柱受力情況第三章鉆進技術(shù)§3-1直井防斜技術(shù)目前常采用控制井斜的方法有：滿眼鉆具、鐘擺鉆具、偏心偏重鉆鋌及塔式鉆具。一、鐘擺鉆具的工作原理及使用特點

1、工作原理就是利用斜井內(nèi)切點以下鉆鋌重量產(chǎn)生的鐘擺減斜力，把鉆頭推向井壁下方，以達到逐漸減小井斜的目的。

2、鐘擺減斜力的計算。

Fd≈1/2Lqmsinα

式中Fd—鐘擺減斜力KNL—切點以下鉆鋌長度，m

qm—泥漿中每米鉆鋌的重量KN/m

α—井斜角度第三章鉆進技術(shù)

§3-2井斜的控制方法鐘擺鉆具示意圖

從上式可看出，對一定斜度的井眼來說，井斜角α是一定的，因此增大鐘擺減斜力。一是使用大尺寸鉆鋌或加重鉆鋌，增大qm在同一鉆壓下，不易被壓彎，且切點位置高，切點以下鉆鋌長度L增大減斜力增大。二是使切點略高一些。在鉆鋌上安裝一個穩(wěn)定器，以提高切點以下鉆鋌的長度使減斜作用增大。（如圖）。除此之外，穩(wěn)定器對下部鉆鋌還起到扶正作用，因而可減小鉆頭傾斜角，限制增斜力的作用。當然，最理想的辦法是大尺寸鉆鋌加穩(wěn)定器，這樣組成的鐘擺長度大，重量也大，其減斜效果最好。鐘擺鉆具示意圖3、影響鐘擺減斜力的因素第三章鉆進技術(shù)

§3-2井斜的控制方法4、穩(wěn)定器安放位置對鐘擺鉆具來說，穩(wěn)定器的安放位置十分重要，它是這種鉆具的技術(shù)關(guān)鍵。如果安放位置偏低則減斜力小，效果差；如果安放便高，則穩(wěn)定器以下鉆鋌可能與井壁形成新的切點，使鐘擺鉆具失效。形成新的切點穩(wěn)定器理想位置的理論計算相當復(fù)雜和繁瑣。我們介紹我國著名石油鉆井專家楊勛堯提出揚勛堯提出的Lz計算公式如下鐘擺鉆具穩(wěn)定器的安放位置式中：A=π2·qm·Sinα第三章鉆進技術(shù)

§3-2井斜的控制方法B=82.04·W·r； C=184.6π2·E·J·r；r=(dh-dc)/2，M；W——鉆壓，KN；dh——井徑，M；dc——鉆鋌直徑，M。考慮到扶正器的磨損和井徑的擴大，在實際使用時，扶正器至鉆頭的距離可比計算的Lz降低5%~10%.

5、鐘擺鉆具使用特點（1）鐘擺鉆具組合的鐘擺力隨井斜角的大小而變化。所以，鐘擺鉆具組合多數(shù)用于對于井斜角已經(jīng)較大的井進行糾斜。（2）鐘擺鉆具組合的性能對鉆壓特別敏感。鉆壓增大，則增斜力增大，鐘擺力減小，所以鐘擺鉆具組合在使用中必須嚴格控制鉆壓。（3）在井尚未斜或井斜角很小時，多使用滿眼鉆具組合，僅在對軌跡要求特別嚴的直井（段）中，才使用鐘擺鉆具組合進行“吊打”。（4）扶正器與井眼的間隙對鐘擺鉆具組合性能的影響特別明顯，當扶正器直徑因磨損而減小時應(yīng)急時更換或修復(fù)。（5）多扶正器的鐘擺鉆具組合，需要較復(fù)雜的設(shè)計合計算。（6）鉆具的缺點是在直井內(nèi)無防斜作用。第三章鉆進技術(shù)

§3-2井斜的控制方法二、偏重鉆鋌的防斜原理及使用特點1、工作原理偏重鉆鋌是在普通鉆鋌的一側(cè)鉆一排孔眼，造成一邊重一邊輕（如圖）當鉆具旋轉(zhuǎn)時就產(chǎn)生一個朝向重邊的離心力，鉆具每轉(zhuǎn)一圈與鐘擺力重合一次，對井壁產(chǎn)生較大的沖擊糾斜力，達到降斜的目的。偏重鉆鋌在直井中更具有防斜作用，斜井中有偏重鉆鋌的糾斜作用。偏重鉆鋌

偏重鉆鋌的糾斜作用第三章鉆進技術(shù)

§3-2井斜的控制方法2、離心力的計算

F=mrω2式中F——離心力（或向心力）；

m——物體質(zhì)量；

r——圓的半徑；

ω——角速度。離心力與物體質(zhì)量、圓半徑以及角速度的平方成正比。故采用高轉(zhuǎn)速。偏重鉆鋌接近鉆頭，另外，鉆鋌重邊和輕邊的餓重量差要適當，推薦為鉆鋌總量的0.5-5%，不能低于0.1%，也不能大于10%。一般9米長的偏重鉆鋌就起到良好的糾斜作用。3、偏重鉆鋌的結(jié)構(gòu)在地層傾角達到30°時的幾十口井上，使用偏重鉆鋌進行了防斜和糾斜實驗，井斜一般均在3°以內(nèi)，結(jié)構(gòu)尺寸見圖。另外，在江漢油田和冷湖油田，所用偏重鉆鋌是用159毫米鉆鋌做成，長9米，鉆眼103個，孔深平均18毫米，孔徑60毫米，第三章鉆進技術(shù)

§3-2井斜的控制方法3、偏重鉆鋌使用特點（1）偏重鉆鋌是一種有效的防斜鉆具，可用于易斜地區(qū)，并能使用較大鉆壓。無論是在開鉆時就下井使用，或者在鉆開易斜層之前下井使用，它都有良好防斜效果。它即可用于防斜，也可用于糾斜。當井斜角達到規(guī)定限度前，可用偏重鉆鋌在較高鉆壓下糾斜，而且效果很好。（2）在鉆定向井時，如需減斜或者要將井眼恢復(fù)垂直，使用偏重鉆鋌也很有效，而且還可以使用較大鉆壓。（3）這種鉆具的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。一般在偏重鉆鋌之上接普通鉆鋌即可，不需要安放穩(wěn)定器，便于起下鉆，時效也高。（4）偏重鉆鋌在井下工作安全可靠，不易產(chǎn)生井漏和卡鉆的危險。但使用偏重鉆鋌時則不會出現(xiàn)這種危險。另外，使用偏重鉆鋌時，在井內(nèi)不易發(fā)生卡鉆或或鍵槽等復(fù)雜情況（5）在使用偏重鉆鋌時要特別注意防止泥包，以免影響防斜效果。第三章鉆進技術(shù)

§3-2井斜的控制方法三、塔式鉆具的應(yīng)用

1、概念：所謂塔式鉆具就是在鉆柱下部使用幾段變徑的鉆鋌，緊靠鉆頭處的鉆鋌直徑最大，往上直徑遞減，其形如塔一樣，故取名為塔式鉆具。

2、塔式鉆具的特點下部鉆具的重量大，剛度大，重心低，在較大鉆壓下不易歪曲，與井眼間隙小，有利于鉆頭的平穩(wěn)工作。

3、塔式鉆具應(yīng)用塔式鉆具一種防斜鉆具。鉆出的井眼比較規(guī)則，井斜變化率不大，主要應(yīng)用于井徑易擴大的地層（如松軟地層、鹽巖層等）；因為在這類地層中由于井徑擴大，使帶穩(wěn)定器的鉆具（鐘擺鉆具、滿眼鉆具等）起不到扶正和填滿作用，防斜作用很差。4、塔式鉆具組合（1）178×155.6×146毫米塔式鉆具，主要用于深井（2）228.6×203.2×178毫米的塔式鉆具主要用于超深井效果良好。

5、塔式鉆具使用注意的問題由于環(huán)形間隙較小，循環(huán)泥漿時泵壓高，轉(zhuǎn)盤負荷可能增大，鉆頭易泥包，易坍地層易卡鉆等。第三章鉆進技術(shù)

§3-2井斜的控制方法四、剛性滿眼鉆具控制井斜的技術(shù)1、扶正器滿眼鉆具（1）扶正器滿眼鉆具定義：滿眼鉆具一般是由幾個外徑與鉆頭直徑相近的穩(wěn)定器（3-5個）與一些較大尺寸的鉆鋌所組成。（2）扶正器滿眼鉆具的防斜原理基本上有兩條，一是由于此種鉆具比光鉆鋌剛度大，并能添滿井眼，因而在大鉆壓下不易彎曲，并能保持鉆具在井內(nèi)居中，減小鉆頭傾斜角。所以能減小和限制由于鉆柱彎曲產(chǎn)生的增斜力。二是在地層橫向力的作用下，穩(wěn)定器能支撐在井壁上限制鉆頭的橫向移動，同時能在鉆頭處產(chǎn)生一個抵抗地層力的糾斜力。主要表現(xiàn)下面三個方面：

1、在垂直或接近垂直井眼中鉆具的防斜作用。

2、增斜時鉆具的防斜作用

3．減斜時鉆具的作用。第三章鉆進技術(shù)

§3-2井斜的控制方法

在鉆具上至少要有三個穩(wěn)定點，即除靠近鉆頭有一穩(wěn)定器外，其上面應(yīng)再安放兩個穩(wěn)定器才能保持有三點接觸井壁。如果只有兩點接觸（如圖a所示），鉆具就能循沿一條曲線，不能保證井眼的直線性。

滿眼鉆具的防斜作用如果有三點接觸就不會發(fā)生這種情況（圖3-16b）而可以通過三點直線性來保持井眼的直線性和限制鉆頭的橫向移動。圖為穩(wěn)定器與井壁接觸情況第三章鉆進技術(shù)

§3-2井斜的控制方法2、滿眼鉆具抵抗地層橫向力作用1、滿眼鉆具在垂直井眼中鉆進第三章鉆進技術(shù)

§3-2井斜的控制方法

（3）扶正器滿眼鉆具的特點：

滿眼鉆具剛性大，與井眼的間隙小，在大鉆壓下不易彎曲，能保持鉆具在井內(nèi)居中減小鉆頭的傾斜角。直井中當?shù)貙訖M向力不大時，能保持直眼鉆進，在鉆遇增斜或減斜地層時也能有力地控制井斜變化率，使井斜不致過快地增大或減小，不會形成狗腿或鍵槽等影響井身質(zhì)量的隱患。

（4）扶正器位置的確定下面介紹揚勛堯提出的扶正器滿眼鉆具組合，簡稱YXY組合。（1）YXY組合的結(jié)構(gòu)

YXY滿眼鉆具組合結(jié)構(gòu)第三章鉆進技術(shù)

§3-2井斜的控制方法YXY組合一般包括四個扶正器，如圖所示自下而上，分別為：①近鉆頭扶正器：緊裝在鉆頭之上，簡稱近扶。近扶直徑較大，與鉆有直徑僅差1～2毫米。在易斜地區(qū)，近扶的長度可加長；在特別易斜的地層，可將兩個扶正起串聯(lián)起來，作為近扶。近扶的主要作用，是依靠其支撐在尚未擴大的井壁上，抵抗鉆頭所受的側(cè)向力，有效地防止鉆頭側(cè)向切削。同時，近扶由于直徑大，剛性大也可有效地防止鉆頭傾斜，從而阻止鉆頭的不對稱切削②中扶正器：簡稱中扶或二扶。中扶的位置需要經(jīng)過嚴格的計算。中扶的直徑與近扶相同。中扶的主要作用是保證中扶與鉆頭之間的鉆柱不發(fā)生彎曲，從而防止鉆頭對井底的不對稱切削。③上扶正器：簡稱上扶或三扶。安置位置在中扶之上一個鉆鋌的單根處。上扶的直徑一般與近扶和中扶相同，但要求可以放松。④第四扶正器：簡稱四扶，一般情況下可以不裝，僅在特別易斜的地層才裝，安裝位置在上扶之上一個鉆鋌單根處。直徑要求與上扶相同。上扶與四扶的作用在于增大下部鉆柱的剛度，協(xié)助中扶防止下部鉆柱軸線發(fā)生傾斜。第三章鉆進技術(shù)

§3-2井斜的控制方法（5）滿眼鉆具的使用滿眼鉆具組合的使用要注意以下問題：①在已經(jīng)發(fā)生井斜的井內(nèi)使用不能減小井斜角，只能做到穩(wěn)斜，主要功用是控制井眼曲率。②使用滿眼鉆具組合的關(guān)鍵在于一個“滿”字，即扶正器與井眼的間隙對滿眼鉆具組合的性能影響非常顯著。在使用中應(yīng)使間隙近可能小。設(shè)計間隙一般為Δd=dh=-ds=0.8～1.6mm。在使用中，因扶正器的磨損，間隙將增大。當間隙Δd達到或超過兩倍的設(shè)計值時，應(yīng)急時更換或修復(fù)扶正器。③保持“滿”的另一個關(guān)鍵在于井徑不的擴大。這要求有好的鉆井液護壁技術(shù)。但即使鉆井液護壁技術(shù)不好，井徑的擴大總要經(jīng)過一定的時間才會發(fā)生。只要搶在井徑擴大以前鉆出新的井眼，則仍可保持“滿”的效果。這就要求加快鉆速。我國現(xiàn)場工作人員將此概念總結(jié)為“以快保滿，以滿保直”。④在鉆進軟硬交錯，或傾角較大的地層時，要注意適當減小鉆壓，并要勤劃眼，以便消除可能出現(xiàn)的“狗腿”。⑤不宜在井眼曲率較大的井段使用。第三章鉆進技術(shù)

§3-2井斜的控制方法

一、概述1、鉆井工程的總目標：以最低的成本鉆出高質(zhì)量的井眼2、鉆進成本公式：3、影響鉆速和鉆頭壽命的因素：

（1）不可控因素——是指客觀存在的因素，如所鉆的地層、巖性、儲層埋藏深度以及地層壓力等。 （2）可控因素——可進行人為調(diào)節(jié)的因素，如地面機泵設(shè)備、鉆頭類型、鉆井液性能、鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓和排量等。4、鉆進參數(shù)：

表征鉆進過程中的可控因素所包含的設(shè)備、工具、鉆井液以及操作條件的重要性質(zhì)的量。如鉆頭類型、鉆井液性能參數(shù)、鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓、排量、鉆頭噴嘴直徑、鉆頭水功率等。5、鉆進參數(shù)優(yōu)選：

指在一定的客觀條件下，根據(jù)不同參數(shù)配合時各因素對鉆進速度和鉆頭壽命的影響規(guī)律，采用最優(yōu)化方法，選擇合理的鉆進參數(shù)配合，使鉆進過程達到最優(yōu)的技術(shù)和經(jīng)濟指標。第三章鉆進技術(shù)

§3-3鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系 二、影響鉆速的主要因素及鉆速方程

1.鉆壓對鉆速的影響

oa段：鉆壓小，鉆速Vpc很小。

ab段：鉆壓增大，鉆速Vpc

隨鉆壓增加成線性關(guān)系增大。

bc段：當鉆壓增大到一定值Wb

時，鉆壓增大,鉆速改進效果并不明顯。實際應(yīng)用中,以直線段為依據(jù)建立鉆壓(W)與鉆速(Vpc)的定量關(guān)系,即:

式中：M稱為門限鉆壓,它是ab線在鉆壓軸上的截距,認為是牙齒開始壓入地層時的鉆壓,其值的大小主要取決于巖層性質(zhì),并具有較強的地區(qū)性。鉆速與鉆壓的關(guān)系曲線第三章鉆進技術(shù)§3-3鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系

2.轉(zhuǎn)速對鉆速的影響

鉆速隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，并呈指數(shù)關(guān)系變化。

其中：λ稱為轉(zhuǎn)速指數(shù),一般小于1，數(shù)值大小主要與巖層性質(zhì)有關(guān)。一般極軟地層λ≈1，隨著巖石硬度增大，λ值減小。

3.牙齒磨損對鉆速的影響

隨著鉆頭牙齒的磨損，鉆速下降。

式中：C2—稱為牙齒磨損系數(shù),與鉆頭齒形結(jié)構(gòu)和巖層性質(zhì)有關(guān),由現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到。

h—為牙齒磨損量,以牙齒的相對磨損高度表示,新鉆頭時h=0；牙齒全部磨損時

h=1。（4-2）（4-3）

第三章鉆進技術(shù)

§3-3鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系

4.水力因素對鉆速的影響通常用井底單位面積上的平均水功率(稱為比水功率)來研究水力因素對鉆速的影響規(guī)律。水力因素主要從以下兩個方面影響鉆速： （1）水力凈化井底 井底比水功率越大，凈化程度越好，鉆速越快。 水力凈化能力通常用水力凈化系數(shù)CH表示,其含義為實際鉆速與凈化完善時的鉆速之比，即：

井底完全凈化后，CH=1；否則，CH＜1。（2）水力輔助破巖 井底比水功率越大，輔助破巖能力越強，鉆速越快。水力輔助破巖效果具體體現(xiàn)在門限鉆壓M值減小。（4-4）

第三章鉆進技術(shù)

§3-3鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系

5.鉆井液性能對鉆速的影響

（1）鉆井液密度對鉆速的影響

鉆井液密度越大，井內(nèi)液柱壓力越大。在井內(nèi)液柱壓力大于地層孔隙壓力的情況下，產(chǎn)生一個正壓差。在正壓差作用下，井底巖屑難以離開井底，造成重復(fù)破碎現(xiàn)象，鉆速降低。此稱為壓持效應(yīng)。正壓差越大，鉆速越慢。 井底壓差與鉆速的關(guān)系：

壓差影響系數(shù)： （2）鉆井液粘度對鉆速的影響

鉆井液增大，將會增大環(huán)空壓降，使井底壓差增大，鉆速降低； 鉆井液粘度增大，鉆柱內(nèi)壓耗增大，在泵壓一定時鉆頭壓降減小，鉆頭水功率減小，清巖和破巖能力降低，鉆速下降。（4-5）（4-6）

第三章鉆進技術(shù)

§3-3鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系 （3）鉆井液固相含量對鉆速的影響

鉆井液固相含量增大，機械鉆速降低。

（4）鉆井液分散性對鉆速的影響

分散性鉆井液比不分散性鉆井液的鉆速低；鉆井液中小于1μm的固體顆粒越多，對鉆速的影響越大。

6.鉆速方程（修正楊格模式）

其中,vpc—鉆速,m/h；W—鉆壓,kN；M—門限鉆壓,kN；n—轉(zhuǎn)速,r/min λ—轉(zhuǎn)速指數(shù)；C2—牙齒磨損系數(shù)；CH—水力凈化系數(shù)；Cp—壓差影響 系數(shù)；h—牙齒磨損相對高度；KR—地層可鉆系數(shù)，與地層巖石的機械性質(zhì)、鉆頭類型以及鉆井液性能等因素有關(guān)。（4-7）

第三章鉆進技術(shù)

§3-3鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系

三、影響鉆頭壽命的主要因素及磨損方程

1.鉆壓對牙齒磨損速度的影響

牙齒磨損速度隨鉆壓的增大而增大。當鉆壓增大到某一極限值時，牙齒磨損速度趨于無窮大。

式中：Z1與Z2稱為鉆壓影響系數(shù),與牙輪鉆壓尺寸有關(guān)。當鉆壓等于Z2／Z1時,牙齒的磨損速度無限大。Z2／Z1是該尺寸鉆頭的理論極限鉆壓。

2.轉(zhuǎn)速對牙齒磨損速度的影響

增大轉(zhuǎn)速，牙齒磨損速度加快。式中：a1和a2是由鉆頭類型決定的系數(shù)。（4-8）（4-9）第三章鉆進技術(shù)

§3-3

鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系

3.牙齒磨損狀況對牙齒磨損速度的影響

牙齒磨損量增大，其工作面積增大，磨損速度減小。

式中：C1稱為牙齒磨損減慢系數(shù),

與鉆頭類型有關(guān),其數(shù)值見表4-2。

4.牙齒磨損速度方程

式中：Af通稱為地層研磨性系數(shù)，需根據(jù)現(xiàn)場鉆頭資料統(tǒng)計計算確定。

5.軸承磨損速度方程 軸承磨損量用B表示。軸承磨損速度用dB/dt表示。 式中：b稱為軸承工作系數(shù)，與鉆頭類型與鉆井液性能有關(guān)，現(xiàn)場資料確定。（4-10）（4-11）（4-12）第三章鉆進技術(shù)

§3-3鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系W、n、h考慮井底充分凈化條件，CH=1考慮井底壓差為0，CP=1M、λ、Cp、CH、KR、C2？第三章鉆進技術(shù)

§3-3

鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系四、鉆進方程中有關(guān)系數(shù)的確定Af、a1、a2、Z1、Z2、C1？

b=？第三章鉆進技術(shù)

§3-3

鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系

保持鉆壓和鉆速方程中的其它參數(shù)恒定，采用兩種轉(zhuǎn)速nmin、nmax鉆進同一地層，可得到兩個不同鉆速值vpcmin、vpcmax，代入鉆速方程，聯(lián)立求解轉(zhuǎn)速指數(shù)λ。保持轉(zhuǎn)速和鉆速方程中的其它參數(shù)恒定，采用兩種鉆壓Wmin、Wmax鉆進同一地層，可得到兩個不同鉆速值vpcmin、vpcmax，代入鉆速方程，聯(lián)立求解門限鉆壓M。1.M和λ的確定——五點法鉆速試驗（1）基本思路（2）試驗條件①試驗中鉆井液性能、水力參數(shù)恒定，一般取本地區(qū)常用值，使CH、CP不變，且避免水力因素變化對門限鉆壓M值的影響。②試驗井段或試驗時間盡可能短，以保證試驗開始和結(jié)束時的牙齒磨損量和地層巖性相差很小。第三章鉆進技術(shù)

§3-3

鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系

（3）試驗步驟:

準備：確定本地區(qū)鉆壓范圍（Wmin

，Wmax）和轉(zhuǎn)速范圍（nmin

，nmax）以及平均鉆壓、平均轉(zhuǎn)速（W0

，n0）。 第一步：用平均鉆壓和平均轉(zhuǎn)速（W0

，n0

）鉆進1米或0.5米,記錄鉆速vpc1。

第二步：用最小鉆壓和最小轉(zhuǎn)速（Wmin

，nmin）鉆進1米或0.5米,記錄鉆速vpc2。

第三步：鉆壓不變，用最大轉(zhuǎn)速（Wmin

，nmax

）鉆進1米或0.5米,記錄鉆速vpc3。

第四步：轉(zhuǎn)速不變，用最大鉆壓（Wmax

，nmax

）鉆進1米或0.5米,記錄鉆速vpc4。

第五步：鉆壓不變，用最小轉(zhuǎn)速（Wmax

，nmin

）鉆進1米或0.5米,記錄鉆速vpc5。

第六步：用平均鉆壓和平均鉆速（W0

，n0

）鉆進1米或0.5米,記錄鉆速vpc6。

為什么？第三章鉆進技術(shù)

§3-3

鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系（4）M、λ計算首先要檢驗實驗數(shù)據(jù)是否合格：試驗的相對誤差應(yīng)小于15%,試驗才算成功。

計算門限鉆壓M

據(jù)2,5兩點的試驗數(shù)據(jù),設(shè)該轉(zhuǎn)速下的門限鉆壓為M1,由轉(zhuǎn)速方程可得（4-17）（4-18）

由式(4-17)除式(4-18)可消去方程中的不變量第三章鉆進技術(shù)

§3-3鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系整理可得:(4-19)同理,由3,4兩點的試驗數(shù)據(jù),可得該試驗轉(zhuǎn)速下的門限鉆壓M2。(4-20)取M1,M2的平均值,即為該地層的門限鉆壓值M.(4-21)第三章鉆進技術(shù)

§3-3鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系

取λ1和λ2的平均值,即為試驗地層的轉(zhuǎn)速指數(shù)λ

計算轉(zhuǎn)速指數(shù)λ由2,3兩點和4,5兩點的試驗數(shù)據(jù),分別代入鉆速方程,并消去方程中的不變量。則可獲得兩個鉆壓下的轉(zhuǎn)速指數(shù)λ1和λ2。(4-22)(4-23)(4-24)第三章鉆進技術(shù)

§3-3鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系

2.地層可鉆性系數(shù)KR的確定根據(jù)新鉆頭的試鉆資料,此時牙齒磨損量h=0,由鉆速方程式得

3.牙齒磨損系數(shù)C2的確定

假定在鉆速工作過程中巖層性質(zhì)基本不變,各項鉆進參數(shù)又基本保持一致,起出鉆頭的牙齒磨損量為hf,開始鉆進和起鉆時的鉆速,由鉆速方程式得(4-25)(4-26)第三章鉆進技術(shù)

§3-3

鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系

4.巖石研磨性系數(shù)Af的確定由牙齒磨損速度方程式(4-14)積分得5.軸承磨損系數(shù)b的確定(4-27)(4-28)第三章鉆進技術(shù)

§3-3

鉆進過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系第三章鉆進技術(shù)

§3-4鉆進參數(shù)優(yōu)選一、目標函數(shù)的建立二、目標函數(shù)的極值條件和約束條件三、鉆頭最優(yōu)磨損量、最優(yōu)鉆壓和最優(yōu)轉(zhuǎn)速

目的：尋求最優(yōu)的鉆壓、轉(zhuǎn)速組合，使鉆井過程達到最佳技術(shù)經(jīng)濟效果。

優(yōu)選方法步驟：

確定標準→建立目標函數(shù)→在各種約束條件下尋求目標函數(shù)的極值點→滿足極值點條件的參數(shù)組合即為最優(yōu)參數(shù)。

一、目標函數(shù)的建立

衡量鉆井技術(shù)經(jīng)濟效果的標準：其中:Cpm—單位進尺成本，元/m；Cb—鉆頭成本，元/只；Cr—鉆機作業(yè)費，元/h；

tt—起下鉆、接單根時間，h；t—鉆頭工作時間,h；H----鉆頭總進尺,m。（4-28）第三章鉆進技術(shù)

§3-4鉆進參數(shù)優(yōu)選

1.建立鉆頭進尺H與鉆壓、轉(zhuǎn)速、牙齒磨損量等參數(shù)的關(guān)系（4-32）第三章鉆進技術(shù)

§3-4鉆進參數(shù)優(yōu)選

在式（4-32）中，令： (4-32)物理意義：新鉆頭（h=0)的初始鉆速。物理意義：新鉆頭（h=0）的初始磨損速度。物理意義：考慮牙齒磨損對鉆速和磨速影響后的進尺系數(shù)。則：J/S的物理意義：不考慮牙齒磨損影響時的理論進尺。（4-36）第三章鉆進技術(shù)

§3-4

鉆進參數(shù)優(yōu)選

2.建立鉆頭壽命t與鉆壓、轉(zhuǎn)速、磨損量等參數(shù)的關(guān)系由牙齒磨損決定的鉆頭壽命由軸承磨損決定的鉆頭壽命考慮牙齒磨損對鉆頭磨速影響后的鉆頭壽命系數(shù)。（4-37）（4-39）第三章鉆進技術(shù)

§3-4

鉆進參數(shù)優(yōu)選

3.目標函數(shù)鉆頭與起下鉆成本的折算時間在此僅考慮牙齒磨損決定的壽命第三章鉆進技術(shù)

§3-4

鉆進參數(shù)優(yōu)選 二、目標函數(shù)的極值條件和約束條件

1.極值條件約束條件（1）牙齒磨損量：0≤hf≤1（2）軸承磨損量：0≤Bf≤1（3）鉆壓：M＞0，M＜W＜Z2/Z1

M

＜0，0＜W＜Z2/Z1（4）轉(zhuǎn)速：n≥0軸承磨損量與牙齒磨損量的關(guān)系第三章鉆進技術(shù)

§3-4

鉆進參數(shù)優(yōu)選

三、鉆頭最優(yōu)磨損量、最優(yōu)鉆壓和最優(yōu)轉(zhuǎn)速

1.鉆頭最優(yōu)磨損量

給定（W，n），可求出在一定鉆壓、轉(zhuǎn)速下的鉆頭最優(yōu)磨損量。第三章鉆進技術(shù)

§3-4

鉆進參數(shù)優(yōu)選

2.最優(yōu)轉(zhuǎn)速根據(jù)給定的（W，hf），可求出最優(yōu)轉(zhuǎn)速。第三章鉆進技術(shù)

§3-4

鉆進參數(shù)優(yōu)選

3.最優(yōu)鉆壓根據(jù)給定的（n，hf），可求出最優(yōu)鉆壓。第三章鉆進技術(shù)

§3-4

鉆進參數(shù)優(yōu)選

4.最優(yōu)參數(shù)組合

理論上：求解由目標函數(shù)、極值條件和約束條件組成的方程組。

實際中：確定鉆頭磨損量→求不同轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)鉆壓→選取每米成本最低的鉆壓、轉(zhuǎn)速組合。第三章鉆進技術(shù)

§3-4

鉆進參數(shù)優(yōu)選第三章鉆進技術(shù)

§3-5水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計概述一、噴射式鉆頭的水力特性二、水功率傳遞的基本關(guān)系三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算四、鉆井泵的工作特性五、水力參數(shù)優(yōu)選一、概述1、噴射鉆井的概念

在鉆頭上安裝可以產(chǎn)生高速射流的噴嘴，高壓鉆井液流過噴嘴時可產(chǎn)生高速流動的水射流，給井底以很大的沖擊力，把巖屑及時沖離井底，并輔助破碎巖石。該技術(shù)稱為噴射鉆井技術(shù)。2、水力參數(shù) 指表征鉆頭水力特性、射流水力特性以及地面水力設(shè)備性質(zhì)的量。主要包括鉆井泵的功率、排量、泵壓、以及鉆頭水功率、鉆頭水力壓降、鉆頭噴嘴直徑、射流沖擊力、射流噴速和環(huán)空鉆井液上返速度等。水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計 尋求合理的水力參數(shù)配合，使井底獲得最大的水力能量分配，從而達到最優(yōu)的井底凈化效果和提高機械鉆速之目的。第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

一、噴射式鉆頭的水力特性 （一）射流及其對井底的作用

1.射流特性

射流概念：射流是指通過管嘴或孔口過水斷面周界不與固體壁接觸的液流。

射流分類：

非淹沒射流——ρ射>ρ介， 淹沒射流——ρ射<ρ介， 自由射流——無固體邊界限制 非自由射流——有固體邊界 連續(xù)射流——射流內(nèi)某一點壓力保持平穩(wěn)

脈沖射流——射流流束內(nèi)壓力不穩(wěn)定，發(fā)生一定頻率的脈動

空化射流——氣體進入液體產(chǎn)生空穴，空穴破裂產(chǎn)生很高的壓力自鉆頭噴嘴射出的射流為淹沒非自由連續(xù)射流。第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

井底射流特性 （1）射流形狀 （2）擴散角α

射流縱剖面上周界母線的夾角稱為射流擴散角α。它反映了射流的密集程度。α越小，則射流的密集性越高，能量就越集中。

（3）速度分布規(guī)律

①在噴嘴出口斷面，各點的速度基本相等，為初始速度。

②在射流任一橫截面上，射流軸心上的速度最高，由中心向外速度很快降低，到射流邊界上速度降為零。

③射流中心部分保持初始速度流動的流束，稱為射流等速核。等速核長度與噴嘴直徑和流到形狀有關(guān)。

④在等速核以內(nèi)，射流軸線上的速度等于出口速度；超過等速核以后，射流軸線上的速度迅速降低。

（4）井底漫流 射流撞擊井底后，形成壓力沖擊波和沿井底高速流動的漫流。第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

2.射流對井底的清洗作用

（1）射流的沖擊壓力作用 射流撞擊井底后形成的沖擊壓力極不均勻。極不均勻的沖擊壓力使巖屑受到一個翻轉(zhuǎn)力矩，從而離開井底。

圖4-15射流沖擊面積圖4-16巖屑翻轉(zhuǎn)第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(2）漫流的橫推作用 射流撞擊井底后形成的漫流是一層很薄的高速液流（漫流），對井底巖屑產(chǎn)生一個橫向推力，使其離開原來的位置。第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

3.射流對井底的破巖作用

在巖石強度較低的地層，射流的沖擊壓力超過地層的破碎強度，直接破碎巖石。在巖石強度較高的地層，射流擠入巖石中由鉆頭機械力造成的微裂紋和微裂縫內(nèi)，形成“水楔”，使微裂紋和裂縫擴展，從而大大降低巖石的破碎強度。第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

（二）射流水力參數(shù) 表征射流水力能量大小的參數(shù)：噴射速度、射流沖擊力、射流水功率。 計算位置：噴嘴出口斷面

1.射流噴射速度

2.射流沖擊力

3.射流水功率

單位時間內(nèi)射流所具有的作功能量稱為射流水功率。（4-50）（4-51）（國際單位制）（工程單位制）（4-52）第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

（三）鉆頭水力參數(shù) 鉆頭水力參數(shù)是射流水力能量和噴嘴損耗能量的綜合反映，包括鉆頭壓力降和鉆頭水功率。

1.鉆頭壓力降 鉆頭壓力降是指鉆井液流過鉆頭噴嘴以后鉆井液壓力降低的值。

式中：C——噴嘴流量系數(shù),與噴嘴的阻力系數(shù)有關(guān)，C的值總是小于1。

de——噴嘴當量直徑，即與n個噴嘴出口截面面積總和相當?shù)膰娮熘睆?，cm；（4-53）（4-54）第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

2.鉆頭水功率

鉆頭水功率是指鉆井液流過鉆頭噴向井底所消耗的水力功率。

3.鉆頭水力參數(shù)與射流水力參數(shù)的關(guān)系第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

水功率傳遞路徑

鉆井泵→地面管匯→鉆柱內(nèi)→鉆頭→環(huán)空→地面。

水功率傳遞基本關(guān)系

ps——鉆井泵壓力，MPa；

pg——地面管匯壓耗，MPa；

pst——鉆柱內(nèi)壓耗，MPa；

pan——環(huán)空壓耗，MPa；

pb——鉆頭壓降，MPa。

N—水功率，kw。二、水功率傳遞的基本關(guān)系第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算

假設(shè)：（1）鉆井液為賓漢流體； （2）鉆井液在循環(huán)系統(tǒng)各部分的流動均為等溫紊流流動；（3）鉆柱處于與井眼同心的位置；（4）不考慮鉆柱旋轉(zhuǎn)；（5）井眼為已知直徑的圓形井眼；（6）鉆井液是不可壓縮流體。第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計（一）壓耗計算的基本公式第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

（二）摩阻系數(shù)f的確定

k—與管路條件有關(guān)的計算系數(shù)1.賓漢流體在紊流狀態(tài)下f與Re的關(guān)系2.循環(huán)系統(tǒng)摩阻系數(shù)計算公式管內(nèi)流：環(huán)空流：第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

（三）循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算公式1.分段計算公式第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

2.總壓耗計算公式第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

（四）提高鉆頭水力參數(shù)的途徑

第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計1.提高泵壓ps和泵功率Ps第一階段ps=13～15MPa，第二階段ps=17～18MPa，第三階段ps=20～22MPa，第四階段ps﹥30MPa水力傳遞基本關(guān)系2.降低循環(huán)壓耗系數(shù)Kl

（1）使用低密度鉆井液（2）減小鉆井液粘度（3）適當增大管路直徑Φ114鉆桿與Φ127鉆桿比較，雖然前者比后者直徑只小了13mm，可壓耗系數(shù)的差別很大。在其它條件相同的條件下，Φ114鉆桿的壓耗系數(shù)比Φ127鉆桿高出66%。其中第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計力參數(shù)鉆頭水3.增大鉆頭壓降系數(shù)Kb增大Kb的途徑可能是增大ρd，減小C和A0

唯一有效的途徑是減小噴嘴直徑。噴嘴直徑的縮小，對提高Kb很顯著。例如，當噴嘴直徑由Φ12縮小到Φ11時，Kb可以增加42%。是否都可行？

4.優(yōu)選排量Q第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計為什么不說增加排量？ 四、鉆井泵的工作特性

（一）鉆井泵的性能參數(shù)

額定功率——鉆井泵的最大輸出功率，Pr

額定泵壓——所用缸套的允許工作壓力，pr

額定排量——在額定泵功率和額定泵壓時的排量，Qr

額定泵沖——額定排量時的泵沖數(shù)。額定功率、泵壓、排量的關(guān)系：表4-73NB1000鉆井泵性能表第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

（二）鉆井泵的工作狀態(tài)

根據(jù)泵排量的大小，可將鉆井泵的工作分為兩種工作狀態(tài)：

（1）額定泵壓工作狀態(tài)

當Q≤Qr時，ps=pr，PS≤Pr

（2）額定功率工作狀態(tài)當Q＞Qr時，Ps=Pr

，pSpr

鉆井泵的實際工作狀態(tài)取決于所選用鋼套的大小。選用的鋼套大，額定工作壓力低，額定排量（額定泵沖時的排量）大，此時泵往往處于額定泵壓工作狀態(tài)。反之則處于額定功率工作狀態(tài)。只有當泵排量等于額定排量時，鉆井泵才能同時達到額定輸出功率和額定泵壓。因此，應(yīng)盡量選用額定排量與實用排量相近的鋼套。第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

五、水力參數(shù)優(yōu)選

（一）優(yōu)選標準

目標：獲得最大的射流水力參數(shù)或鉆頭水力參數(shù)。第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

標準：最大鉆頭水功率、最大射流沖擊力、最大射流噴速 （二）獲得最大鉆頭水功率的條件

目標函數(shù)：

1.基本條件 （1）在額定泵功率狀態(tài)下 （2）在額定泵壓狀態(tài)下 第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

2.最優(yōu)排量隨井深的變化（1）鉆頭水功率隨排量和井深的變化規(guī)律

第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

（2）臨界井深

井深DPc和井深Dpa選擇排量時具有特殊的意義，分別稱為第一臨界井深和第二臨界井深。

第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

3.噴嘴直徑的確定

鉆頭水功率能否達到最大，還取決于鉆頭噴嘴直徑的大小。因為噴嘴直徑大小決定鉆頭上的壓力降，因而決定泵的工作壓力。第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

（三）最大射流沖擊力最大射流沖擊力標準認為射流沖擊力是井底清洗的主要因素，射流沖擊力越大，井底清洗的效果越好。1.獲得最大射流沖擊力的條件（1）在額定功率工作狀態(tài)下，式（4-90）可變?yōu)椋?/p>

(4-103)在式(4-103)中，F(xiàn)j達到最大值時，必然有條件，則可得最優(yōu)排量（2）在額定泵壓工作狀態(tài)下，式（4-91）可變?yōu)椋?/p>

(4-104)

第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計由，變換得可求得獲取最大射流沖擊力的條件為：

(4-105)(4-106)2.最大射流沖擊力隨排量和井深的變化規(guī)律將代入式(4-103)和式(4-104)可得：當Q＞Qr時(4-107)當Q＜Qr時(4-108)不同井深和排量下射流沖擊力的變化規(guī)律圖象如圖4-22所示。理論上推出的獲得最大射流沖擊力的工作路線為1＇→2→3→4→5。第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

由于1‘→2段Q＞Qr，這對泵的工作不利，實際工作取1→2→3→4→5。LFc和LFa分別稱為最大射流沖擊力標準下的第一臨界井深和第二臨界井深。由于當L=LFc時，最優(yōu)排量，同時還應(yīng)滿足式（4-106），得第一臨界井深

圖4-22射流沖擊力隨排量和井深的變化規(guī)律

(4-109)當井深L=LFa時，最優(yōu)排量，同時也應(yīng)滿足式（4-106），由此可求得第二臨界井深為

(4-110)LFcLFa第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

3.最優(yōu)噴嘴直徑的確定

當L≤LFc時，，則

(4-111)

當LFc＜L≤LFa時，，則

(4-112)

當L＞LFa時，，則

(4-113)當L≤LFc時，噴嘴直徑應(yīng)隨井深的增加而逐漸增大；當LFc＜L≤LFa時，噴嘴直徑應(yīng)隨井深的增加而逐漸減?。划擫＞LFa時，噴嘴直徑則又應(yīng)隨井深的增加而逐漸增大。第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

（四）水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

1.主要任務(wù)

水力參數(shù)優(yōu)化標準是獲得最大鉆頭水功率。能否獲得最大鉆頭水功率，取決于排量、噴嘴直徑和鉆井泵的工作狀態(tài)（與鋼套選擇有關(guān)）。因此，水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的主要任務(wù)是確定鉆井液排量、選擇合適的鉆頭噴嘴直徑和泵的鋼套直徑。

2.設(shè)計方法和步驟

（1）確定攜巖要求的最小排量第三章鉆進技術(shù)

§3-5

水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計最小排量是指鉆井液攜帶巖屑所需要的最低排量。確定最小環(huán)空返速的方法有多種。一種方法是根據(jù)現(xiàn)場工作經(jīng)驗來確定；另一種方法是用經(jīng)驗公式計算。通常使用的經(jīng)驗公式為

(4-114)式中，va——最低環(huán)空返速，m/s；

ρd——鉆井液密度，g/cm3；

Dh——井徑，cm。

最低環(huán)空返速與鉆井液的環(huán)空攜巖能力有關(guān)，鉆井液的攜巖能力通常用巖屑舉升效率（或稱為巖屑運載比）來表示。巖屑舉升效率是指巖屑在環(huán)空的實際上返速度與鉆井液在環(huán)空的上返速度之比。即

(4-115)其中，Ks——巖屑舉升效率，無因次；

va——鉆井液在環(huán)空的平均上返速度，m/s；

vs——巖屑在環(huán)空的實際上返速度，m/s。一般要求Ks≥0.5。設(shè)巖屑在鉆井液中的下滑速度為vs1，而且vs=va-vs1則。巖屑的下滑速度與鉆井液的性能有關(guān)，其計算公式為

(4-116)式中，vH——巖屑在鉆井液中的下滑速度，m/s；

ρs，ρd——分別為巖屑和鉆井液密度，g/cm3；

e——鉆井液有效粘度，Pa·s。ds——巖屑直徑，cm；

e可按下式計算：

(4-117)

其中，Dh，Dp——井徑和鉆柱外徑，cm；

va——鉆井液上返速度，m/s；

K——鉆井液稠度系數(shù)，Pa·sn；

n——鉆井液流性指數(shù)，無因次。最低返速確定以后，即可根據(jù)下式確定攜巖所需的最小排量。