15.優(yōu)選參數鉆井鉆壓和轉速

1、 教 案 授課日期： 授課班級：石油13-301，302課題：影響鉆速的主要因素與優(yōu)選鉆壓和轉速教學目的：使學生清楚影響機械鉆速的主要因素及其原因，知道鉆速方程及優(yōu)選機械參數 的方法。教學方法：課堂講授與自主學習相結合教具模型：圖片、資料等最優(yōu)化方法簡介：最優(yōu)化問題的關鍵步驟是把實際問題抽象成數學模型，即建立目標函數并確定約束條件。然后，求目標函數在約束條件下的最大值或最小值。最優(yōu)化理論亦稱為規(guī)劃論（包括線性、非線性、整數、動態(tài)、多目標和隨機規(guī)劃等）。 任務2.6 優(yōu)選參數鉆井優(yōu)選參數鉆井（最優(yōu)化鉆井）是在現代鉆井科技成果的基礎上，應用最優(yōu)化數學理論分析和處理鉆井中的數據與資料，從而使鉆井的整

2、體經濟效果達到最佳的鉆井工藝技術。鉆井參數類型：不可控參數：即固定參數主要指地層參數，地層可鉆性，地層對鉆壓、轉速、水力參數和鉆井液參數的敏感指數，以及地溫梯度、地層化學組分對鉆井液的適應性等?？煽貐担嚎煽貐抵饕搞@進中的機械參數、水力參數、鉆井液性能和流變參數等三大類參數?？煽氐你@井參數：機械參數：鉆頭類型，鉆壓與轉速；水力參數：泥漿泵型號、泵壓、排量和鉆頭水眼直徑及其組合；鉆井液性能和流變參數：鉆井液體系、密度、粘度、切力、流變學模式、流變參數。1鉆壓對鉆速的影響鉆壓增加，鉆速增大。 鉆壓與鉆速一般呈線性關系變化。2.6.1 影響鉆速的主要因素2轉速對鉆速的影響轉速增加，鉆速增大。轉速

3、與鉆速一般呈指數關系。3牙齒磨損對鉆速的影響鉆速隨鉆頭牙齒的磨損而下降。鉆頭牙齒和軸承的磨損速度隨著鉆壓和轉速的增大而增加。式中 C2牙齒磨損系數 h牙齒磨損量，新鉆頭h=0，牙齒全部磨損h=1 井底清潔有利于提高鉆速；高速射流對較軟地層的的水力破巖作用明顯，即使對于硬地層，也具有輔助破巖作用。因此，有利于提高鉆速。4水力參數對鉆速的影響鉆速隨鉆井液密度的增加而降低。鉆速隨壓差的增加而下降。鉆井液密度增加井底壓差增大，壓持作用不利于清洗井底，另外巖石所受的圍壓增大，使其不易破碎。5鉆井液性能對鉆速的影響（1）鉆井液密度對鉆速的影響（2）鉆井液粘度對鉆速的影響鉆速隨鉆井液粘度的增大而降低。鉆井液

4、粘度增大，循環(huán)阻力增大，鉆頭水功率降低，另外粘度增大不利于清潔井底，使鉆速降低（3）鉆井液固相含量及其分散性對鉆速的影響低固相不分散鉆井液有利于提高鉆速。6鉆速方程 綜合以上各因素對鉆速的影響，可建立鉆速與鉆壓、轉速、牙齒磨損、壓差和水力因素之間的綜合關系式，并進行修正后得到修正的楊格模式（廣泛應用）KR 地層可鉆性系數；Cp 壓差影響系數;CH 水力參數影響系數；M0 門限鉆壓；C2 牙齒磨損鈍化因素；hf 牙齒磨損量。式中上式中的比例系數KR 通稱為地層可鉆性系數。實際上KR 值包含了除鉆壓、轉速、牙齒磨損、壓差和水力因素以外其他因素對鉆速的影響，它與地層巖石的機械性質、鉆頭類型以及鉆井液

5、性能等因素有關。在巖石特性、鉆頭類型、鉆井液性能和水力參數一定時，鉆速方程式中的KR、C2、M0都是固定不變的常量，可通過現場的鉆進試驗和鉆頭資料確定。2.6.2 優(yōu)選鉆壓和轉速一、鉆速方程修正的楊格模式鉆速方程（1）上式不僅與地層可鉆性系數KR 、壓差影響系數Cp 、水力參數影響系數CH 、門限鉆壓M0 有關，還與牙齒磨損鈍化因素C2 及牙齒磨損量hf 有關。鉆速方程（2）式中vpe 機械鉆速，m/h；d 鉆 壓指數，d=0.5366+0.1993kd，無因次量； kd 巖石可鉆性級值；式中 入 轉速指數，入=0.9250 - 0.0375kd ，無因次量； f 地層水力指數， f =0.7

6、011- 0.05682kd，無因次量； Ws 比鉆壓，kN/mm； nr 轉盤轉速，r/min； Hpe 噴嘴等效比水功率；W/mm2；km 鉆井液密度差系數，km =0.97673kd - 7.2703；無 因次量； Pbs 鉆頭比水功率，W/mm2； d1、d2、d3 鉆頭三個噴嘴的直徑，mm。 關于鉆頭磨損問題牙輪鉆頭磨損形式主要是牙齒磨損、軸承磨損和直徑磨損。1牙齒磨損鉆頭牙齒的磨損主要與鉆壓、轉速、地層以及牙齒自身的狀況等因素有關。1）牙齒磨損速度與鉆壓的關系不同直徑鉆頭牙齒磨損速度與鉆壓的關系式上式中的Z1與Z2稱為鉆壓影響系數，其值與牙輪鉆頭尺寸有關。當鉆壓等于Z2/Z1時，牙

7、齒的磨損速度無限大，說明Z2/Z1的值是該尺寸鉆頭的極限鉆壓。2）轉速對牙齒磨損速度的影響鉆壓一定時，增大轉速，牙齒的磨損速度也將加快。轉速與牙齒磨損速度的關系式式中的a1和a2是由鉆頭類型決定的系數。3）牙齒磨損狀況對牙齒磨損速度的影響鉆頭牙齒都是齒頂面積小而齒底面積大的梯形、錐形或球形齒。牙齒的工作面積隨著齒高的磨損將不斷增加，因此，當各種鉆進參數不變時，牙齒的磨損速度也將隨著齒高的磨損而下降，齒高磨損量與牙齒磨損速度的關系式式中C1稱為牙齒磨損減慢系數，與鉆頭類型有關。根據上述各關系式，引入一個比例系數Af，可建立牙齒磨損速度與各影響因素之間的綜合關系式式中Af通稱為地層研磨性系數。需要

8、根據現場鉆頭資料統(tǒng)計計算確定。2鉆頭軸承磨損牙輪鉆頭軸承的磨損量用bf表示，新鉆頭時，bf0，軸承全部磨損時，bf1。鉆頭軸承的磨損速度主要受到鉆壓、轉速等因素的影響，研究表明，軸承的磨損速度與鉆壓的1.5次冪成正比關系，與轉速成線性關系。軸承的磨損速度方程式式中b稱為軸承工作系數，鉆頭類型和鉆井液性能有關，應由現場實際資料確定。二、建立目標函數機械破巖參數優(yōu)選的目的是尋求一定的鉆壓、轉速參數配合，使鉆進過程達到最佳的技術經濟效果。首先需要確定一個衡量鉆進技術經濟效果的標準，并將各參數對鉆進過程影響的基本規(guī)律與這一標準結合起來，建立鉆進目標函數。一般以單位進尺成本作為標準，建立成本目標函數式中

9、Cu鉆井直接成本，元/m；Cb鉆頭成本，元/只；Cr鉆機作業(yè)費，元/h；t 鉆頭工作時間，h；tr 起下鉆、接單根時間，h；Fb單只鉆頭總進尺，m。鉆速方程和鉆頭磨損方程，是在一定條件下通過實驗和數學分析處理而得到的。方程中的地層可鉆性系數KR、門限鉆壓M0、轉速指數、牙齒磨損系數C2、巖石研磨性系數Af和軸承工作系數b與鉆井的實際條件和環(huán)境有密切關系，可以根據實際鉆井資料分析確定。含有五個變量（W、n、hf、CH、CP）目標函數三、鉆進參數優(yōu)選鉆進過程中的機械破巖參數主要包括鉆壓和轉速。機械破巖鉆進參數優(yōu)選的目的是尋求一定的鉆壓、轉速參數配合，使鉆進過程達到最佳的技術經濟效果。鉆進參數優(yōu)選的

10、目的是確定使進尺成本最低的各有關參數。（一）目標函數的極值條件和約束條件在鉆進目標函數中包括五個變量，即W、nr、hf、CH、CP。由CP和CH在函數表達式中所處的位置可以發(fā)現，為使鉆進成本最低，CP和CH的值應盡量增大。但按這兩個系數的定義，其最大值只能取1。故在鉆井實踐中，為使成本最低，CP和CH的值應盡量等于1。在確定了CP和CH的最優(yōu)取值以后，上式中W、nr、hf三個變量在實際工況限制下所確定的取值范圍，即為目標函數的約束條件，歸納起來可用四組不等式描述。1）牙齒磨損量hf 0hf12）軸承磨損量bf0bf13）鉆壓W M00時M0WZ2/Z1M00時0WZ2/Z14）轉速nrnr01鉆頭最優(yōu)磨損量對于一只在一定鉆壓、轉速條件下工作的鉆頭，鉆頭磨損到什么程度時起鉆，鉆井成本最低，這就是求最優(yōu)磨損量的問題。鉆進成本函數是受約束條件限制的，凡超出約束范圍的最優(yōu)磨損量是不可取的，這時只能用鉆頭牙齒或軸承的極限磨損量作為最優(yōu)磨損量。2最優(yōu)轉速和鉆壓優(yōu)選優(yōu)選最優(yōu)轉速和鉆壓時，最大鉆壓Wmax或最大轉速nmax不得超過鉆頭廠家推薦植（Wra或nra）。最優(yōu)鉆壓Wopt與最優(yōu)轉速nopt的乘積應小于鉆頭廠家推薦的鉆壓與轉速乘積的允許植，即（Woptnopt）(Wranra)。（二） 實際鉆壓和