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工程钻探与取样技术:钻进过程参数间关系

时间:2023-10-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:实践证明,在一定的钻进条件下,钻压影响钻速的典型关系曲线如图7-1所示。在钻压和其他钻进参数保持不变的情况下,钻速可表述为:图7-2转速与钻速的关系曲线式中:λ——转速指数,一般小于1,其数值大小与岩性有关。冲洗液密度对钻速的影响,主要表现为由密度决定的孔内液柱压力与地层孔隙压力之间的压差对钻速的影响。图7-4固相体积含量和分散性对钻速的影响

工程钻探与取样技术:钻进过程参数间关系

1)钻压对钻速的影响

钻进中钻头上的轴向压力应为给进力(钻具重量+正或负的机械施加力)减去冲洗液浮力及孔内摩擦阻力后剩余的载荷。常用的表示钻压的方法有:

(1)钻压P——整个钻头上的轴向载荷,它受钻头类型、口径和切削具数量影响,可比性较差。

(2)钻头唇面比压p——切削具与岩石接触单位面积上的轴向载荷,它涵盖了钻头口径和类型的影响,可比性较好。

实践证明,在一定的钻进条件下,钻压影响钻速的典型关系曲线如图7-1所示。可见,钻压在很大的变化范围内与钻速近似成线性关系,当钻压取值在a点之前时,钻压太低,钻速很慢;在b点之后,钻压过大,岩屑量过多,甚至切削具完全吃入岩层,孔底冷却和排粉条件恶化,钻头磨损也加剧,使钻进效果变差。因此,可按图中的直线段来建立钻压P与钻速vm的定量关系,即:

图7-1 钻压与钻速的关系曲线

式中:W——ab线在钻压轴上的截距,相当于切削具开始压入地层时的钻压。它在石油钻井中称为门限钻压,主要取决于岩层性质。不同地层的门限钻压各异。

2)转速对钻速的影响

图7-2为钻进不同岩石时测得的钻速vm与转速n的关系曲线。

由图可知,在黏土类软而塑性大、研磨性小的岩层中钻进时(曲线Ⅰ),钻速vm与转速n关系基本呈线性关系;在中等硬度、研磨性较小的岩层中钻进时(曲线Ⅱ),钻速vm与转速n的关系开始呈直线关系,但随着n继续增大而逐渐变缓,转速愈高,钻速增长愈慢;在中硬、研磨性强的岩层中钻进时(曲线Ⅲ),开始时类似于曲线Ⅱ,但钻速随转速增大而增大的速率较缓慢,当超过某个极限转速n0(n0的大小随岩性、钻压和切削具形状而异)后,钻速vm还有下降的趋势。曲线Ⅱ、Ⅲ反映了岩石破碎过程的时间效应问题。

在钻压和其他钻进参数保持不变的情况下,钻速可表述为:

图7-2 转速与钻速的关系曲线

式中:λ——转速指数,一般小于1,其数值大小与岩性有关。

3)切削具的磨损对钻速的影响

在钻进过程中随着切削具的磨钝,切削具与岩石的接触面积逐渐增大,若此时钻压值保持不变,则机械钻速vm也必然逐渐下降。这一过程实质上是钻头唇面比压p下降引起的,故仍可归结为钻压的影响。(www.xing528.com)

4)水力因素对钻速的影响

在钻进过程中,及时有效地把钻头破岩产生的岩屑清离孔底,避免岩屑的重复破碎,是提高钻速的一项重要措施。孔底岩屑的清洗是通过钻头喷嘴(或水口)处形成的冲洗液射流来完成的。表征钻头及射流水力特征的参数统称为水力因素。在油气钻井的牙轮钻头、刮刀钻头及大口径表镶金刚石钻头中,水力因素的总体指标通常用孔底单位面积上的平均水功率(称为比水功率)来表示。一定的钻速条件下,意味着单位时间内钻出的岩屑总量一定,而该数量的岩屑需要一定的水功率才能完全清除,低于这个水功率值,孔底净化就不完善,则钻速降低。当然,对孕镶金刚石钻头和自磨式钻头而言,若遇到弱研磨性岩石,为了保持钻头唇面切削具的自锐能力还必须在孔底保存一定的岩粉量,这时过大的水功率将导致钻速下降,甚至引起钻头被抛光。

水力因素影响钻速的另一种形式是对软岩的水力破岩作用。当水力功率大于孔底净化所需的水功率后,由于水力参加破岩,使机械钻速仍可能升高。这时可理解为使钻压-钻速关系中的门限钻压值有所降低。

5)冲洗液性能对钻速的影响

冲洗液性能对钻速的影响比较复杂。大量的试验表明,冲洗液的密度、黏度、失水量和固相含量及其分散性都对钻速有不同程度的影响。

(1)冲洗液密度对钻速的影响。冲洗液密度对钻速的影响,主要表现为由密度决定的孔内液柱压力与地层孔隙压力之间的压差对钻速的影响。实验室研究和钻进实践都表明,孔底压差对刚破碎下来的岩屑有压持作用,阻碍孔底岩屑的及时清除,压差增大将使钻速明显下降。图7-3示出了钻进页岩时,孔底压差对实际钻速vm的影响曲线。数据处理后可得出

式中:v0——零压差时的钻速,m/h;

Δp——孔内液柱压力与地层孔隙压力之间的压差,MPa;

图7-3 孔底压差与钻速的关系曲线

β——与岩层性质有关的系数。

(2)冲洗液黏度对钻速的影响。冲洗液的黏度是通过影响孔底压差和孔底净化作用而间接影响钻速的。其他条件一定时,冲洗液黏度的增大,将使孔底压差增大,并使孔底钻头获得的水功率降低,从而使钻速降低。

(3)冲洗液固相体积含量及其分散性对钻速的影响。实践表明,冲洗液固相体积含量及其固相颗粒的大小和分散度对钻速和钻头寿命都有明显的影响。一般应采用固相体积含量低于4%的低固相不分散冲洗液。由图7-4可见,固相体积含量相同时,分散性冲洗液比不分散性冲洗液的钻速低。固相体积含量越少,两者的差别越大。

图7-4 固相体积含量(V)和分散性对钻速的影响

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