第四節(jié)最優(yōu)化鉆井技術(shù)

1、第四節(jié)第四節(jié) 最優(yōu)化鉆井技術(shù)最優(yōu)化鉆井技術(shù)最優(yōu)化鉆井技術(shù)基本概念及特點(diǎn)最優(yōu)化鉆井技術(shù)基本概念及特點(diǎn)鉆進(jìn)參數(shù)間基本關(guān)系鉆進(jìn)參數(shù)間基本關(guān)系最優(yōu)化鉆井技術(shù)目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化鉆井技術(shù)目標(biāo)函數(shù)鉆井工程的總目標(biāo)鉆井工程的總目標(biāo):以最低的成本鉆出高質(zhì)量的井眼以最低的成本鉆出高質(zhì)量的井眼.鉆井參數(shù)：鉆井參數(shù)： 表征鉆進(jìn)過(guò)程中的可控因素所包含的設(shè)備、工具、表征鉆進(jìn)過(guò)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。徑、鉆頭水

2、功率等。 鉆井參數(shù)優(yōu)選鉆井參數(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(shí)各指在一定的客觀條件下，根據(jù)不同參數(shù)配合時(shí)各因素對(duì)鉆進(jìn)速度和鉆頭壽命的影響規(guī)律，采用最優(yōu)化方因素對(duì)鉆進(jìn)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(jìn)參數(shù)配合，使鉆進(jìn)過(guò)程達(dá)到最優(yōu)的法，選擇合理的鉆進(jìn)參數(shù)配合，使鉆進(jìn)過(guò)程達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。一、最優(yōu)化鉆井技術(shù)基本概念及特點(diǎn)一、最優(yōu)化鉆井技術(shù)基本概念及特點(diǎn)1).1).把鉆井經(jīng)驗(yàn)與數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)合起來(lái)，建立若干數(shù)學(xué)模式反應(yīng)鉆井把鉆井經(jīng)驗(yàn)與數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)合起來(lái)，建立若干數(shù)學(xué)模式反應(yīng)鉆井中的客觀規(guī)律中的客觀規(guī)律2).2).對(duì)鉆井模式進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，采用電子計(jì)

3、算機(jī)求得各個(gè)鉆井參數(shù)對(duì)鉆井模式進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，采用電子計(jì)算機(jī)求得各個(gè)鉆井參數(shù)的最優(yōu)值和各鉆井參數(shù)之間的最優(yōu)配合。的最優(yōu)值和各鉆井參數(shù)之間的最優(yōu)配合。3).3).用電子計(jì)算機(jī)控制鉆井，在鉆井過(guò)程中，最大限度的采用優(yōu)選用電子計(jì)算機(jī)控制鉆井，在鉆井過(guò)程中，最大限度的采用優(yōu)選與優(yōu)配的參數(shù)鉆井，最有效的發(fā)揮設(shè)備和技術(shù)的作用，更加合理與優(yōu)配的參數(shù)鉆井，最有效的發(fā)揮設(shè)備和技術(shù)的作用，更加合理的利用鉆井投資的利用鉆井投資 1 1) )不不可控因素可控因素 是是指客觀存在的因素指客觀存在的因素, ,如所鉆的地層、巖性、儲(chǔ)層埋藏深度以及地層如所鉆的地層、巖性、儲(chǔ)層埋藏深度以及地層壓力等壓力等。 2 2) )可控因素

4、可控因素 可可進(jìn)行人為調(diào)節(jié)的因素。如地面機(jī)泵設(shè)備、鉆頭類型、鉆井液性能、進(jìn)行人為調(diào)節(jié)的因素。如地面機(jī)泵設(shè)備、鉆頭類型、鉆井液性能、鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓和排量等。鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓和排量等。（一）、影響鉆進(jìn)的主要因素及鉆（一）、影響鉆進(jìn)的主要因素及鉆速方程速方程 1 1、鉆壓的影響、鉆壓的影響 oaoa段：鉆壓小，鉆速段：鉆壓小，鉆速 VpcVpc很小很小 ab ab 段：鉆壓增大，鉆速段：鉆壓增大，鉆速Vpc Vpc 隨鉆隨鉆壓增大呈線性關(guān)系增加壓增大呈線性關(guān)系增加 bcbc段：當(dāng)鉆壓增大到一定值段：當(dāng)鉆壓增大到一定值WbWb時(shí)，時(shí)，鉆壓增大，鉆速改進(jìn)效果并不明顯。鉆壓增大，鉆速改進(jìn)效果并不明顯。

5、實(shí)際應(yīng)用中，以直線段為依據(jù)建立鉆壓實(shí)際應(yīng)用中，以直線段為依據(jù)建立鉆壓（W）和鉆速（）和鉆速（Vpc）的定量關(guān)系。）的定量關(guān)系。 即：即： 式中：式中：M稱為門限鉆壓，它是稱為門限鉆壓，它是ab線在線在鉆壓軸上的截距，認(rèn)為是鉆頭開(kāi)始吃入鉆壓軸上的截距，認(rèn)為是鉆頭開(kāi)始吃入地層時(shí)的鉆壓，其值的大小主要取決于地層時(shí)的鉆壓，其值的大小主要取決于巖層性質(zhì)，有較強(qiáng)的地區(qū)性。巖層性質(zhì)，有較強(qiáng)的地區(qū)性。)(MWVpc2、轉(zhuǎn)速的影響、轉(zhuǎn)速的影響 鉆速隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，并呈指數(shù)關(guān)系變化鉆速隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，并呈指數(shù)關(guān)系變化其中：其中： 稱為轉(zhuǎn)速指數(shù)，一般小于稱為轉(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)，

6、數(shù)值大小主要與巖層性質(zhì)有關(guān)， 極軟地層極軟地層 =1隨巖石硬度的增大，隨巖石硬度的增大， 值減小。值減小。nVpc3、牙齒磨損對(duì)鉆速的影響、牙齒磨損對(duì)鉆速的影響 隨著鉆頭牙齒的磨損，鉆速下降。隨著鉆頭牙齒的磨損，鉆速下降。 式中：式中： 稱為牙齒的磨損系數(shù)，與鉆頭齒稱為牙齒的磨損系數(shù)，與鉆頭齒 型結(jié)構(gòu)和巖層性質(zhì)有關(guān)，由現(xiàn)場(chǎng)型結(jié)構(gòu)和巖層性質(zhì)有關(guān)，由現(xiàn)場(chǎng) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到。 h為牙齒磨損量，以牙齒的相對(duì)磨為牙齒磨損量，以牙齒的相對(duì)磨 損高表示損高表示 ，新鉆頭時(shí)新鉆頭時(shí)h=0；牙齒；牙齒 全部磨損時(shí)全部磨損時(shí) h=1。hCVpc2112C4、水力因素對(duì)鉆速的影響、水力因素對(duì)鉆速的影響 通

7、常用通常用井底單位面積上的平均水功率（稱為比水功率）井底單位面積上的平均水功率（稱為比水功率）來(lái)研究水來(lái)研究水力因素對(duì)鉆速的影響規(guī)律。力因素對(duì)鉆速的影響規(guī)律。 水力因素主要從以下兩個(gè)方面影響鉆速：水力因素主要從以下兩個(gè)方面影響鉆速： （1）水力凈化井底）水力凈化井底 井底比水功率越大，凈化程度越好，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鉆速越快，水力凈化能力通常用水力凈水力凈 化系數(shù)化系數(shù) 表示。其含義為表示。其含義為實(shí)際鉆速與實(shí)際鉆速與 凈化完善時(shí)的鉆速之比。凈化完善時(shí)的鉆速之比。 即：即： P實(shí)際比水功率，實(shí)際比水功率， 凈化完善時(shí)所需的水功率，凈化完善時(shí)所需的水功

8、率， 井底完全凈化后，井底完全凈化后， =1，否則，否則， 1.spcspcHPPvvCHCsPHCHC2/cmKW2/cmKW （2）水力輔助破巖）水力輔助破巖 井底比水功率越大，輔助破巖能力越強(qiáng)，鉆速越快。井底比水功率越大，輔助破巖能力越強(qiáng)，鉆速越快。 5、鉆井液性能對(duì)鉆速的影響、鉆井液性能對(duì)鉆速的影響 （1）鉆井液密度對(duì)鉆速的影響）鉆井液密度對(duì)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(gè)正壓差。隙壓力的情況下，產(chǎn)生一個(gè)正壓差。在正壓差作用下，井底巖屑難以離在正壓差作用下，井底巖屑難

9、以離開(kāi)井底，造成重復(fù)破碎現(xiàn)象，鉆速降低。開(kāi)井底，造成重復(fù)破碎現(xiàn)象，鉆速降低。此現(xiàn)象稱為此現(xiàn)象稱為壓持效應(yīng)壓持效應(yīng)井底壓差與鉆速的關(guān)系：井底壓差與鉆速的關(guān)系：ppcopcevv壓差影響系數(shù)：壓差影響系數(shù)： 式中：式中： 實(shí)際鉆速，實(shí)際鉆速，m/h; 零壓差時(shí)的鉆速，零壓差時(shí)的鉆速，m/h; 井內(nèi)液柱壓力與地層孔隙壓力之差，井內(nèi)液柱壓力與地層孔隙壓力之差，Mpa; 與巖石性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。與巖石性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。ppcopcpevvCpcvpcovp（2）鉆井液粘度對(duì)鉆速的影響）鉆井液粘度對(duì)鉆速的影響 鉆井液粘度增大，將會(huì)增大環(huán)空壓降，鉆井液粘度增大，將會(huì)增大環(huán)空壓降，使井底壓差增大，鉆速降低。使井底

10、壓差增大，鉆速降低。 鉆井液粘度增大，鉆柱內(nèi)壓耗增大，在鉆井液粘度增大，鉆柱內(nèi)壓耗增大，在泵壓一定時(shí)鉆頭壓差減小，鉆頭水功率減小，泵壓一定時(shí)鉆頭壓差減小，鉆頭水功率減小，清巖和破巖能力降低，鉆速下降。清巖和破巖能力降低，鉆速下降。（3）鉆井液固相含量對(duì)鉆速的影響）鉆井液固相含量對(duì)鉆速的影響 鉆井液固相含量增大，機(jī)械鉆速降低。鉆井液固相含量增大，機(jī)械鉆速降低。（4）鉆井液分散性對(duì)鉆速的影響）鉆井液分散性對(duì)鉆速的影響 分散性鉆井液比不分散性鉆井液鉆速低，鉆井液中小于分散性鉆井液比不分散性鉆井液鉆速低，鉆井液中小于1 的固體的固體 顆粒越多，對(duì)鉆速的影響越大。顆粒越多，對(duì)鉆速的影響越大。m6、鉆速方

11、程（修正楊格模式）、鉆速方程（修正楊格模式）其中：其中： 鉆速，鉆速，m/h; W 鉆壓，鉆壓，KN； M 門限鉆壓，門限鉆壓，KN； n 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 ，r/min ; 轉(zhuǎn)速指數(shù)，轉(zhuǎn)速指數(shù)， 牙齒磨損系數(shù)，牙齒磨損系數(shù)， 水力凈化系數(shù)，水力凈化系數(shù)， 壓差影響系數(shù)，壓差影響系數(shù)， h 牙齒相對(duì)磨損高度，牙齒相對(duì)磨損高度， 地層可鉆系數(shù)，與地層巖石的機(jī)械性質(zhì)、鉆頭類型地層可鉆系數(shù)，與地層巖石的機(jī)械性質(zhì)、鉆頭類型 及鉆井液性能等因素有關(guān)。及鉆井液性能等因素有關(guān)。HC2CpcvpCRKHpRpcCCCnMWKv211)(（二）、影響鉆頭壽命的主要因素及磨損方程（二）、影響鉆頭壽命的主要因素及磨損方程

12、1、鉆壓對(duì)牙齒磨損速度的影響、鉆壓對(duì)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(dāng)牙齒磨損速度隨鉆壓的增大而增大，當(dāng)鉆壓增大到某一極值時(shí)，牙齒磨損速度趨于鉆壓增大到某一極值時(shí)，牙齒磨損速度趨于無(wú)窮大。無(wú)窮大。 式中：式中： 和和 稱為鉆壓影響系數(shù)，其值稱為鉆壓影響系數(shù)，其值 與牙輪鉆頭尺寸有關(guān)。與牙輪鉆頭尺寸有關(guān)。 當(dāng)鉆壓等于當(dāng)鉆壓等于 時(shí)，牙齒磨損速度無(wú)限大，時(shí)，牙齒磨損速度無(wú)限大， 是該尺寸鉆頭的極限鉆壓。是該尺寸鉆頭的極限鉆壓。WZZdtdh1212Z1Z12/ZZ12/ZZ2、轉(zhuǎn)速對(duì)牙齒磨損速度的影響、轉(zhuǎn)速對(duì)牙齒磨損速度的影響 增大鉆速，牙齒磨損速度加快。增大鉆速，牙齒磨損速度

13、加快。 式中：式中： 和和 是由鉆頭類型決定的系數(shù)。是由鉆頭類型決定的系數(shù)。 見(jiàn)表見(jiàn)表4-2。)(321nanadtdh1a2a3、牙齒磨損狀況對(duì)牙齒磨損速度的影響、牙齒磨損狀況對(duì)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。牙齒磨損量增大，其工作面積增大，磨損速度減小。式中：式中： 稱為壓齒磨損減慢系數(shù)，稱為壓齒磨損減慢系數(shù)， 與鉆頭類型有關(guān)，其數(shù)值見(jiàn)表與鉆頭類型有關(guān)，其數(shù)值見(jiàn)表4-2。hCdtdh1111C4、牙齒磨損速度方程、牙齒磨損速度方程式中：式中： 為地層研磨性系數(shù)。為地層研磨性系數(shù)。 需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆頭資料統(tǒng)計(jì)計(jì)算確定。需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆頭資料統(tǒng)計(jì)計(jì)算確定。)1)(W(

14、)(112321hCZZnanaAdtdhffA二、鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選二、鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選目的：目的：尋求最優(yōu)鉆壓、轉(zhuǎn)速組合，使鉆井過(guò)程達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)技術(shù)尋求最優(yōu)鉆壓、轉(zhuǎn)速組合，使鉆井過(guò)程達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)技術(shù) 效果。效果。優(yōu)選方法步驟：優(yōu)選方法步驟： 確定標(biāo)準(zhǔn)確定標(biāo)準(zhǔn) 建立目標(biāo)函數(shù)建立目標(biāo)函數(shù) 在各種約束條件下尋求在各種約束條件下尋求 目標(biāo)函數(shù)的極值點(diǎn)目標(biāo)函數(shù)的極值點(diǎn) 滿足極值點(diǎn)條件的參數(shù)組合即為最優(yōu)滿足極值點(diǎn)條件的參數(shù)組合即為最優(yōu) 參數(shù)。參數(shù)。一、目標(biāo)函數(shù)的建立一、目標(biāo)函數(shù)的建立 衡量鉆井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的標(biāo)準(zhǔn)：衡量鉆井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的標(biāo)準(zhǔn)：HtttCCCdcntrb)(式中：式中：C單位進(jìn)尺成本，元單位進(jìn)尺

15、成本，元/米；米； 鉆頭成本，元；鉆頭成本，元； 鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)，元鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)，元/h； 起下鉆時(shí)間，起下鉆時(shí)間，h; 接單根時(shí)間，接單根時(shí)間，h 鉆頭工作時(shí)間，鉆頭工作時(shí)間，h; H 鉆頭總進(jìn)尺，鉆頭總進(jìn)尺， m；bCrCttcntdt例題例題 鉆頭總進(jìn)尺及其工作時(shí)間可用修正楊格鉆速模式和鉆頭鉆頭總進(jìn)尺及其工作時(shí)間可用修正楊格鉆速模式和鉆頭牙齒磨損模式確定牙齒磨損模式確定ESJHF F的物理意義：的物理意義：考慮牙齒磨損對(duì)鉆速和磨損速度影響后的考慮牙齒磨損對(duì)鉆速和磨損速度影響后的鉆頭壽命系數(shù)鉆頭壽命系數(shù)J J的物理意義：的物理意義：牙齒磨損量牙齒磨損量h=0h=0（新鉆頭）時(shí)的初始鉆速。（新鉆頭）時(shí)的初始鉆速