1、第四節第四節 最優化鉆井技術最優化鉆井技術最優化鉆井技術基本概念及特點最優化鉆井技術基本概念及特點鉆進參數間基本關系鉆進參數間基本關系最優化鉆井技術目標函數最優化鉆井技術目標函數鉆井工程的總目標鉆井工程的總目標:以最低的成本鉆出高質量的井眼以最低的成本鉆出高質量的井眼.鉆井參數：鉆井參數： 表征鉆進過程中的可控因素所包含的設備、工具、表征鉆進過程中的可控因素所包含的設備、工具、鉆井液以及操作條件的重要性質的量，如鉆頭類型、鉆鉆井液以及操作條件的重要性質的量，如鉆頭類型、鉆井液性能參數、鉆壓、轉速、泵壓、排量、鉆頭噴嘴直井液性能參數、鉆壓、轉速、泵壓、排量、鉆頭噴嘴直徑、鉆頭水功率等。徑、鉆頭水

2、功率等。 鉆井參數優選鉆井參數優選： 指在一定的客觀條件下，根據不同參數配合時各指在一定的客觀條件下，根據不同參數配合時各因素對鉆進速度和鉆頭壽命的影響規律，采用最優化方因素對鉆進速度和鉆頭壽命的影響規律，采用最優化方法，選擇合理的鉆進參數配合，使鉆進過程達到最優的法，選擇合理的鉆進參數配合，使鉆進過程達到最優的技術和經濟指標。技術和經濟指標。一、最優化鉆井技術基本概念及特點一、最優化鉆井技術基本概念及特點1).1).把鉆井經驗與數學計算結合起來，建立若干數學模式反應鉆井把鉆井經驗與數學計算結合起來，建立若干數學模式反應鉆井中的客觀規律中的客觀規律2).2).對鉆井模式進行數學處理，采用電子計

3、算機求得各個鉆井參數對鉆井模式進行數學處理，采用電子計算機求得各個鉆井參數的最優值和各鉆井參數之間的最優配合。的最優值和各鉆井參數之間的最優配合。3).3).用電子計算機控制鉆井，在鉆井過程中，最大限度的采用優選用電子計算機控制鉆井，在鉆井過程中，最大限度的采用優選與優配的參數鉆井，最有效的發揮設備和技術的作用，更加合理與優配的參數鉆井，最有效的發揮設備和技術的作用，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、儲層埋藏深度以及地層如所鉆的地層、巖性、儲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 可可進行人為調節的因素。如地面機泵設備、鉆頭類型、鉆井液性能、進行人為調節的因素。如地面機泵設備、鉆頭類型、鉆井液性能、鉆壓、轉速、泵壓和排量等。鉆壓、轉速、泵壓和排量等。（一）、影響鉆進的主要因素及鉆（一）、影響鉆進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系增加壓增大呈線性關系增加 bcbc段：當鉆壓增大到一定值段：當鉆壓增大到一定值WbWb時，時，鉆壓增大，鉆速改進效果并不明顯。鉆壓增大，鉆速改進效果并不明顯。

5、實際應用中，以直線段為依據建立鉆壓實際應用中，以直線段為依據建立鉆壓（W）和鉆速（）和鉆速（Vpc）的定量關系。）的定量關系。 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，認為是鉆頭開始吃入鉆壓軸上的截距，認為是鉆頭開始吃入地層時的鉆壓，其值的大小主要取決于地層時的鉆壓，其值的大小主要取決于巖層性質，有較強的地區性。巖層性質，有較強的地區性。)(MWVpc2、轉速的影響、轉速的影響 鉆速隨轉速的增大而增大，并呈指數關系變化鉆速隨轉速的增大而增大，并呈指數關系變化其中：其中： 稱為轉速指數，一般小于稱為轉速指數，一般小于1，數值大小主要與巖層性質有關，

6、數值大小主要與巖層性質有關， 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、牙齒磨損對鉆速的影響、牙齒磨損對鉆速的影響 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，與鉆頭齒稱為牙齒的磨損系數，與鉆頭齒 型結構和巖層性質有關，由現場型結構和巖層性質有關，由現場 數據統計得到。數據統計得到。 h為牙齒磨損量，以牙齒的相對磨為牙齒磨損量，以牙齒的相對磨 損高表示損高表示 ，新鉆頭時新鉆頭時h=0；牙齒；牙齒 全部磨損時全部磨損時 h=1。hCVpc2112C4、水力因素對鉆速的影響、水力因素對鉆速的影響 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）來研究水來研究水力因素對鉆速的影響規律。力因素對鉆速的影響規律。 水力因素主要從以下兩個方面影響鉆速：水力因素主要從以下兩個方面影響鉆速： （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 化系數化系數 表示。其含義為表示。其含義為實際鉆速與實際鉆速與 凈化完善時的鉆速之比。凈化完善時的鉆速之比。 即：即： P實際比水功率，實際比水功率， 凈化完善時所需的水功率，凈化完善時所需的水功

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，鉆速越快。井底比水功率越大，輔助破巖能力越強，鉆速越快。 5、鉆井液性能對鉆速的影響、鉆井液性能對鉆速的影響 （1）鉆井液密度對鉆速的影響）鉆井液密度對鉆速的影響 鉆井液密度越大，井內液柱壓力越大，在井內液柱壓力大于地層孔鉆井液密度越大，井內液柱壓力越大，在井內液柱壓力大于地層孔隙壓力的情況下，產生一個正壓差。隙壓力的情況下，產生一個正壓差。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、以離開井底，造成重復破碎現象，鉆速降低。開井底，造成重復破碎現象，鉆速降低。此現象稱為此現象稱為壓持效應壓持效應井底壓差與鉆速的關系：井底壓差與鉆速的關系：ppcopcevv壓差影響系數：壓差影響系數： 式中：式中： 實際鉆速，實際鉆速，m/h; 零壓差時的鉆速，零壓差時的鉆速，m/h; 井內液柱壓力與地層孔隙壓力之差，井內液柱壓力與地層孔隙壓力之差，Mpa; 與巖石性質有關的系數。與巖石性質有關的系數。ppcopcpevvCpcvpcovp（2）鉆井液粘度對鉆速的影響）鉆井液粘度對鉆速的影響 鉆井液粘度增大，將會增大環空壓降，鉆井液粘度增大，將會增大環空壓降，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，鉆柱內壓耗增大，在鉆井液粘度增大，鉆柱內壓耗增大，在泵壓一定時鉆頭壓差減小，鉆頭水功率減小，泵壓一定時鉆頭壓差減小，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）鉆井液固相含量對鉆速的影響）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。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）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，對鉆速的影響越大。顆粒越多，對鉆速的影響越大。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 轉速轉速 ，r/min ; 轉速指數，轉速指數， 牙齒磨損系數，牙齒磨損系數， 水力凈化系數，水力凈化系數， 壓差影響系數，壓差影響系數， h 牙齒相對磨損高度，牙齒相對磨損高度， 地層可鉆系數，與地層巖石的機械性質、鉆頭類型地層可鉆系數，與地層巖石的機械性質、鉆頭類型 及鉆井液性能等因素有關。及鉆井液性能等因素有關。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、鉆壓對牙齒磨損速度的影響、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，當牙齒磨損速度隨鉆壓的增大而增大，當鉆壓增大到某一極值時，牙齒磨損速度趨于鉆壓增大到某一極值時，牙齒磨損速度趨于無窮大。無窮大。 式中：式中： 和和 稱為鉆壓影響系數，其值稱為鉆壓影響系數，其值 與牙輪鉆頭尺寸有關。與牙輪鉆頭尺寸有關。 當鉆壓等于當鉆壓等于 時，牙齒磨損速度無限大，時，牙齒磨損速度無限大， 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、轉速對牙齒磨損速度的影響、轉速對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。是由鉆頭類型決定的系數。 見表見表4-2。)(321nanadtdh1a2a3、牙齒磨損狀況對牙齒磨損速度的影響、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。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，稱為壓齒磨損減慢系數， 與鉆頭類型有關，其數值見表與鉆頭類型有關，其數值見表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。為地層研磨性系數。 需根據現場鉆頭資料統計計算確定。需根據現場鉆頭資料統計計算確定。)1)(W(

14、)(112321hCZZnanaAdtdhffA二、鉆進參數優選二、鉆進參數優選目的：目的：尋求最優鉆壓、轉速組合，使鉆井過程達到最佳的經濟技術尋求最優鉆壓、轉速組合，使鉆井過程達到最佳的經濟技術 效果。效果。優選方法步驟：優選方法步驟： 確定標準確定標準 建立目標函數建立目標函數 在各種約束條件下尋求在各種約束條件下尋求 目標函數的極值點目標函數的極值點 滿足極值點條件的參數組合即為最優滿足極值點條件的參數組合即為最優 參數。參數。一、目標函數的建立一、目標函數的建立 衡量鉆井技術經濟效果的標準：衡量鉆井技術經濟效果的標準：HtttCCCdcntrb)(式中：式中：C單位進尺成本，元單位進尺

15、成本，元/米；米； 鉆頭成本，元；鉆頭成本，元； 鉆機作業費，元鉆機作業費，元/h； 起下鉆時間，起下鉆時間，h; 接單根時間，接單根時間，h 鉆頭工作時間，鉆頭工作時間，h; H 鉆頭總進尺，鉆頭總進尺， m；bCrCttcntdt例題例題 鉆頭總進尺及其工作時間可用修正楊格鉆速模式和鉆頭鉆頭總進尺及其工作時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：考慮牙齒磨損對鉆速和磨損速度影響后的考慮牙齒磨損對鉆速和磨損速度影響后的鉆頭壽命系數鉆頭壽命系數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）時的初始鉆速。（新鉆頭）時的初始鉆速