石油工程概论 第七章 钻进工艺技术

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第七章 钻进工艺技术钻进是通过选择和使用合适的工具，根据所钻地层的特 点，选择合理的工艺技术，使钻头在地层中沿预定的轨 道前进的过程，是一口井建井过程的最主要的环节。

钻进的任务是破碎岩石，钻进的速度快慢、质量和成本 的高低，受到地层的物理机械性能的制约，同时也受到 钻进设备、工具的性能及钻进工艺技术措施的影响。

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第一节 影响钻进的主要因素影响钻进的因素按其本身可否改变可分为两大类： 不 可 变 因 素 层 可 变 指可 因 素 压、 、 力 、 性钻进

指已经客观存在、无法改变的因素，如所要钻进地层 的岩石物理机械性质、地质构造、地下压力分布及地 的 性质其 ， 可变因素

为的

改变的因素，如钻 及本要素

钻

、钻 钻

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一、钻压

是直接作用于钻头上的压力，是使钻头破 碎岩石的最基本参数，也是最活跃的因素。 钻进速度 确定钻压的大小

钻头的磨损速度和工作寿命 钻压(W)与钻速(Vm)(直线ab段)的关系：

Vm ∝ (W W0 )W。称为门限钻压。它是ab线在钻 压铀上的截距，相当于牙齿开始压 入岩石时的钻压，其数值主要与岩 石性质有关。图7-1 钻压与钻速的关系曲线

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钻压对钻头牙齿磨损速度的影响关系式为：1 dh ∝ dt D2 D1Wh为牙齿的磨损量； Dl和D2为钻压影响系数，与钻头的尺寸有关；

钻压与轴承磨损速度的关系式为：

dB ∝ W dt

y

B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;

钻头牙齿的磨损量对钻速的影响关系式：1 Vm ∝ 1 + C2 hC2为牙齿磨损系数，与牙齿结构及地层岩性有关。

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二、转速如果每旋转一周都有相同的破碎深 度，那么钻速将会随转速的增加而 直线地增大。但实际上并非如此。 转速与转速的关系： λ m

V ∝n

n为转速； λ为转速指数，一般小于1,其值与岩性有关。

在钻压一定时，如果增加转速，牙齿 图7-2 转速与钻速的关系曲线 和轴承的磨损速度也将加快，它反过 1-软地层，井底清洁； 2-软地层，井底不净； 来又会影响到机械钻速和钻头寿命等。3-硬地层，净化不充分。

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三、水力因素在钻进过程中，从钻头上的喷嘴中喷射出的洗井液(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；

最主要的作用●直接水力破岩。

保持井底清洁要经过三个过程： 对钻速的 影响最大 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； 最后由上返的洗井液将其从环空举升到地面。

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压持效应：由于井内洗井液柱所形成的静液压力大于地 压持效应 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 漫流的横向推力 射流的冲击压力和漫流的横向推力 射流的冲击压力 漫流的横向推力。 射流喷速和流量 (洗井液的水力能量) 常用钻头水功率表示：

Pb Q Nb = 1.02Nb——钻头水功率，kW; Pb——钻头喷嘴压降，MPa; Q——排量，L/S。

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钻头水功率大，就会使井底的清洁程度高，从而减小重 复破碎所消耗的机械能，并能在一定程度上增加水力破 碎和使破碎带裂缝扩大的效果，使机械钻速提高。

图7-3 钻速与水力参数的关系曲线

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四、洗井液性能洗井液密度、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)洗井液密度对钻速的影响 洗井液密度↗,压持效应↗,钻头的破碎效率↘,钻速↘。(2)洗井液粘度对钻速的影响

洗井液粘度↘,循环系统的压耗↘,钻头喷嘴的压降↘, 射流对井底的冲击作用↗,改善清岩效果，钻进速度↗。(3)洗井液固相含量及其分散性对钻速的影响

固相含量增加会降低钻进速度和钻头、泥浆泵寿命； 小于lµm的胶体颗粒越多，对钻速的影响越大。 为了提高钻速，应尽可能采用低固相不分散体系洗井液。

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第二节 钻进参数选择钻进是钻压、转速、水力参数、洗井液性能等共同作用的过程。 要达到高效率、低成本钻井的目的，必须合理确定出 钻进施工中的各参数值及其相互的配合关系，采用先 进技术，提高钻进效益。

一、平衡压力钻井技术基本内容：在井内洗井液压力与地层压力相平衡的条件下进行 井内洗井液压力与地层压力相平衡的条件下进行 钻进，以便有效地保护油、气层不受洗井液的侵污，保证油气 钻进 井的生产能力，同时保证较高的钻进速度，缩短建井周期，降 低钻井成本。 科学依据：根据地层的压力来确定所用洗井液的密度。

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二、高压喷射钻井技术基本原理：使用新型喷射式钻头 喷射式钻头，改善井底流场， 喷射式钻头 提高水力清岩效率，并使水力作用与机械破碎相结 合，提高钻进速度与进尺。 三种不同的喷射钻井工作方式： (1)最大水功率理论及其工作方式 (2)最大冲击力理论及其工作方式 有时使用 (3)最大喷射速度理论 用得最多

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三、优选参数钻井技术使用最广泛 1.钻速模式 .

nλ Vm = (W W0 ) 1 + C2 h

杨格(Young F.S)λ

n Vm = K C p Ch (W W0 ) 1 + C2 h

修正公式

K───岩石可钻性系数，与岩石硬度、钻头类型及洗井液 性能有关，可由实验确定； Cp───压差影响系数，当压力平衡时，Cp=1; Ch───水力参数影响系数，井底达到充分净化时，Ch=1.

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2.钻头牙齿磨损速度模式

VH =

A f (Q1 n + Q2 n 3 ) ( D2

D1W )(1 + C1h)

Af───地层研磨性系数，其含义是当钻压、转速和牙齿的磨 损状况一定时，牙轮钻头牙齿的磨损速度与地层的研磨性成正 比，具体数值可由实验确定； Q1和Q2───由钻头类型决定的转速影响系数； D1和D2───由其直径决定的钻压影响系数； C1───牙齿磨损减慢系数，均可从相应表中查得。

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3.钻头轴承磨损速度模式

dB 1 y VB = = nW dt bb为轴承工作系数，它取决于轴承结构、钻头类型、尺寸以及 洗井液性能等因素，由实际钻井资料中求出。 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， 新钻头B=0,轴承损坏则B=1。

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4.钻进成本模式 .

Cb + Cr (Tt + Ts + Td ) Ct = HCt─── 每米钻进成本，元/米； Cb─── 钻头成本，元/只； Cr─── 钻机作业费，元/时； Tt、Ts、Td─── 分别为起下钻时间，接单根时间和纯钻进时间，时； H─── 钻头总进尺，米。

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第三节 井斜及控制一、井斜的基本概念井斜：井眼轴线和铅垂线之间的偏离。井眼轴线的切线与铅垂线之间的夹角。 井斜角α: 井眼轴线在水平面上投影的切线与正北方向 方位角θ: 的夹角(顺时针方向)。

井底水平位移S:指井眼轨道上某点至井口的距离在水平面上的投影。

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