4钻进技术2.ppt

第四章：钻进工艺技术,钻井工艺技术,影响钻井过程（钻速）的因素地层岩性强度、硬度、研磨性、可钻性钻井液性能密度、固相含量、粘度、失水钻头类型及结构水力参数泵压、排量、喷嘴直径钻井机械参数钻压、转速,影响钻井过程（钻速）的因素,地层岩性地层岩性是影响因素中不可改变的客观因素，因此对它的研究工作主要是认识它，以便在钻进过程中去适宜它对地层岩性认识的准确和可靠与否，决定了钻进工艺技术的合理性要达到这个目的，必须从二方面入手：一是充分了解和掌握岩石的基本物理机械性质、基本破碎规律；二是准确预报、预测钻遇地层的岩石类型影响钻井过程（钻速）的因素,钻井液性能钻井液性能是影响系统目标的重要可调变量大量实验证明，钻井液的各性能对钻速都有一定影响，其中对钻速影响较大的钻井液性能主要是：（1）密度；（2）固相含量；（3）粘度；（4）失水，尤其是初失水；（5）含油量影响钻井过程（钻速）的因素,钻井液性能——粘度钻井液粘度增大，将使循环压力增大，钻头水马力相应减少；同时环空循环压力增大，相当于增大了钻井液密度；再有使钻头喷嘴紊流粘度相应升高，不利于钻头对井底的清洗和冲击作用这一系列效果的迭加，导致了钻速降低影响钻井过程（钻速）的因素,钻井液性能——固相含量钻井液固相含量对钻速有较大影响。

在一般情况下，钻井液中固相含量每降低1％， 钻速可以提高10％左右为此必须严格控制钻井液内固相含量，一般应低于4％为宜 在固相含量相同的情况下，固相在钻井液中的状态不同，也会出现不同的钻速一般在4 ％的固相含量条件下，不分散钻井液比分散钻井液钻速提高将近1倍岩 石,岩石的力学性质影响岩石力学性质的因素岩石的研磨性岩石的可钻性,岩石,岩石的力学性质岩石力学性质：岩石的变形特性和强度特性变形特性全应力-应变曲线衡量岩石力学性质的参数弹性、塑性、韧性、强度,OA段：曲线稍向上凹，反映岩石试件内部裂隙逐渐被压密AB段：随着岩石内裂隙被压密，它的斜率为常数或接近于常数，其斜率定义为岩石的杨氏弹性模量E岩石－变形特性,,BC段：随着荷载的继续增大，变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态，这是破坏的先行阶段应力－应变曲线的斜率随着应力的增加而逐渐地减小到零，曲线向下凹，岩石中引起不可逆变化发生弹性到延性行为过渡的点B，通常称为屈服点，而相应的应力称为屈服应力最高点C的应力称为强度极限（如为单轴试验便称为单轴抗压强度）CD段：曲线下降，是由于裂隙发生了不稳定传播，新的裂隙分叉发展，使岩石开始解体。

CD段以脆性性态为其特征岩石－变形特性,,,,,岩石的弹性常数,岩石的应力——应变关系杨氏弹性模量：E剪切弹性模量：G=E/2(1+)体积弹性模量：K=E/[3(1-2)]泊松比：横向应变与纵向应变之比,简单应力条件下岩石的强度,强度的概念物体受外力作用而达到破坏的应力，称为物体的强度简单应力状态(P112)单轴抗压强度抗拉强度抗弯强度抗剪强度大小比较抗压强度>抗剪强度>抗弯强度>抗拉强度以上数据由实验测定，测定时对岩石的制备有一定的要求岩石——强度实验,单轴抗压强度实验,,,,,,岩石,P 压力,P 压力,,,钢垫板,,,球座,,岩石——强度实验,单轴抗拉强度实验P:岩盘破裂时所施加的载荷，N,r0:岩盘的半径，mmt:岩盘的厚度，t,岩石复杂应力条件下的强度,（a):常规三轴实验 （b)：三面压缩（三液缸、真三维）（c):液压作用下的压扭 （d)：液压作用下两面柱塞压缩,岩石复杂应力条件下的强度,围压,强度极限（巴）,岩石复杂应力条件下的强度,岩性不一样，围压影响程度不一样复杂应力条件下的强度,常规三轴实验结果,在室温条件下，对于所有的岩石，当围压增大时，其强度增大，但所增大的倍数，对于不同类型的岩石是不一样的。

随着围压增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，并且围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大实验结果对破岩的意义,对于深井钻井说来，研究岩石从脆性到塑性的转变点具有很重要的实际意义因为脆性破坏和塑性破坏是两种从本质上不相同的破坏，所以破碎这两种状态下的岩石需要分别应用不同的破碎工具（不同结构的钻头类型），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等）以及不同的破碎参数的合理组合（钻压、转数及水力参数等）岩石的硬度及塑性系数,硬度：一种物体抵抗另一种物体浸入的能力，具体度量为岩石发生局部破碎时（形成破碎坑），作用于单位面积上的力，即： Py=P/SPy：岩石硬度 （Ｐa）P：产生脆性破碎时压 头上的载荷 NS：压头的底面积，m2,,岩石的硬度及塑性系数,岩石的硬度及塑性系数,岩石的塑性系数,岩石破碎前耗费的总功Ａf与弹性变形功Ａe为岩石的塑性系数K:,影响岩石力学性质的因素,动载冲击速度小于10m/s时，岩石的硬度和塑性系数变化不大，接近于静开时的数据冲击速度大于30m/s时，硬度和屈服极限明显增大在牙轮钻头冲击岩石的速度范围内（不大于5m／s），动载影响非常小影响岩石力学性质的因素,压力地应力（坍塌压力、侧压力）各向压缩效应地层孔隙压力降低了“各向压缩效应”。

各向压缩效应取决于Ｐ=围压-孔隙压力孔隙压力、泥浆液柱压力随着井的加深或泥浆密度的增大，钻速的下降不仅是由于岩石硬度的增大，而且也由于岩石塑性的增大影响岩石力学性质的因素,温度：保持围压一定情况下， 岩石的硬度（屈服极限）和塑性系数均随温度的升高而降低温度、压力联合作用下除盐岩外，其它岩石的极限强度随着井深的增加而增加影响岩石力学性质的因素,液体介质 在液体介质作用下，使固体在变形和破坏过程中，产生机械性质变化的主要原因是在固一液表面的物理－化学现象－润湿和吸附 水渗入到岩石中，润湿岩石颗粒表面，减弱颗粒间的联结力导致岩石强度降低岩石的研磨性,岩石的研磨性岩石磨损破岩工具表面的能力，它是由钻头工作刃与岩石相互磨擦过程中产生微切削、刻划、擦痕等造成的组成岩石的矿物硬度越大，该岩石的研磨性越大，研磨性由小到大的顺序为：硫酸盐类岩石（石膏、重晶石）、碳酸盐岩石（石灰岩和白云岩）、硅质岩石（燧石）、铁－镁长石岩、石英岩岩石的可钻性,定义：岩石破碎的难易程度是受各种钻井因素的综合影响K(d)=f(wob,rpm,Nbj,P,h,TYPEbit,Py)影响因素：天然的、工艺的、技术的度量和分类应建立在岩石力学性质的基础上，不受人为的技术的因素影响。

可钻性的研究方法及意义,研究方法室内实验：微钻头钻金法：Bit: 31.75mm, WOB: 907.2N, RPM:55, footage: 2.381mm, 测量钻时计算钻速通过测井分析计算岩石的可钻性、意义钻头选型及钻头磨损预测确定最优的钻井参数机械钻速预测确定钻井工作定额,岩石的各向异性,定义岩石在垂直于层理和平行于层理方向上的力学性质是不一样的力学性质包括岩石的弹性常数岩石的泊松比岩石的强度岩石的机械钻速,钻头——基本要求,钻头的结构（刮刀、牙轮、PDC)钻头的破岩原理重点掌握三牙轮钻头的运动分析及破岩原理,钻头——主要内容,石油钻井用钻头类型刮刀钻头(Drag bit)牙轮钻头(Cone rolling bit)金刚石钻头各型钻头的结构、破岩机理、合理使用钻头的选型,钻头的类型,刮刀钻头牙轮钻头金刚石钻头天然金刚石钻头（ＮＤ）人造聚晶金刚石钻头（ＰＤＣ）热稳定聚晶金刚石钻头（ＴＳＰ）特殊用途钻头取心钻头(Coring bit)扩眼钻头(reamer),刮刀钻头(Drag bit),刮刀钻头的破岩原理,破岩共同规律,破碎塑性岩石,刮刀钻头的破岩原理,破碎塑脆性岩石,撞击、压碎及小剪切、大剪切,刮刀钻头的破岩机理,塑脆性岩石刀翼向前推井碰撞刃前岩石刀翼在扭力Ｔ作用下压碎前方的岩石，使其产生小剪切破碎施转力增大。

当扭力增大到极限值时，岩石沿剪切面产生大剪切破碎，然后扭力突然减小刮刀钻头的使用,刮刀钻头适用的地层泥岩及页岩等软地层参数配合增加转速，适当减小钻压，提高排量,三牙轮钻头,三牙轮钻头的基本结构钻头本体有三片牙掌组装焊接在一起,上部有连接丝扣牙轮：由牙轮体和牙齿组成锥形的金属体牙齿：分铣齿和镶齿两种类型轴承及其储油密封装置喷嘴,铣齿钻头,丝扣,牙轮,铣齿,巴掌,喷嘴,三牙轮铣齿钻头,,,丝扣,牙轮,镶齿,巴掌,镶齿钻头,喷嘴,,,,,,,牙轮钻头的破岩机理,牙轮钻头在井底工作的复合运动钻头的公转（牵连速度）牙轮绕牙轮轴的自转（相对运动）轮齿相对于岩石的滑动切削速度钻头的纵向振动,,,岩轮钻头的冲击、压碎作用,钻进时，钻头上承受的钻压经牙齿作用在岩石上，除此静载外，还有因钻头纵向振动造成的冲击载荷钻头的冲击载荷有利于破碎岩石，但也会使钻头轴承过早破坏，使牙齿特别是硬质合金齿崩碎，造成钻柱的疲劳失效因此，在钻井中，特别是钻硬地层时，要使用减震器牙轮钻头的冲击作用,,,,,,,牙轮钻头的剪切作用,通过牙轮在井底滚动的同时产生轮齿对井底岩石的滑动来实现产生滑动的三个因素：超顶、复锥和移轴超顶引起的滑动（滑动方向垂直于牙轮母线、即沿切线方向）移轴引起的滑动（滑动方向沿牙轴）复锥引起的滑动复锥牙轮包括主锥和副锥如主锥顶与钻头中心重合，则副锥顶必是超顶的，超顶引起切线方向上的滑移。

钻头运动方向和牙轮运动方向相反存在一点M，其合成速度为0，该点只有滚动，没有滑动不同岩性的地层需要不同的滑动量，地层越软，塑性越大，牙轮的滑动量就大，超顶越大牙轮超顶,钻头的运动,牙轮的运动,牙轮母线相对于井底的运动,牙轮的移轴,牙轮的移轴,,,,,,,r,x,y,x,y,,,,V,Vy,Vx,,,,(x,y),牙轮的移轴,对于牙轮顶点O’，沿着牙轮轴线的速度为：Vo’=ωb*SS为移轴的距离移轴的牙轮是一个刚体，在接触的母线上同时产生一轴向滑动速度,牙轮钻头破岩机理,牙轮钻头的剪切作用由移轴所引起的轴向滑动可以剪切掉齿圈间的岩石，而超顶和复锥所引起的切向方向上的滑动可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石滑动增加了牙齿的磨损对于极软到中硬地层的钻头，一般兼有移轴、超顶和复锥；中硬或硬地层钻头有超顶和复锥极硬地层，所选钻头为纯滚动（单锥、不超顶、不移轴）牙轮钻头的结构和类型,钻头直径牙轮的轴线偏移量软地层、高塑性的岩层，偏移值要大硬地层、低塑性的岩层，偏移值要小极硬地层、高研磨性地层，无偏移量牙轮轴线与钻头轴线的夹角=51°-55°软地层角较大，硬地层角较小,牙轮的形状及布置,牙轮的几何形状及尺寸主锥角、副锥角、牙轮总高牙轮最大外径、背锥角牙轮的布置非自洗式自洗不移轴自洗移轴,,,,主锥角2φ副锥角2θ牙轮总高H牙轮最大外 径d背锥角2γ,牙轮的几何形状尺寸,牙轮的布置方式,牙轮钻头,非自洗布齿方案,自洗不移轴布齿方案,自洗移轴布齿方案,牙轮钻头,牙轮上牙齿的布置钻头每转一周中，牙齿应全部破碎井底牙轮在重复滚动时应使牙齿不致落入别的齿已破碎的旧坑内。

各牙轮齿圈上的牙齿数应使每齿均匀地承担破碎井底岩石的任务所以外圈齿数应多些，内圈齿应少些布齿的一般原则长而稀疏的钢齿用来钻进软地层，稀疏布齿有利于钻头的清洗密而短的镶齿适合于钻硬地层牙轮钻头的牙齿,对于牙齿的基本要求是破岩效率高、寿命长为满足这一要求，一是牙齿的几何形状要合理；二是齿的材料要耐磨并有足够的强度目前牙轮钻头的牙齿有铣齿（也称钢齿）和硬质合金齿（简称镶齿）两大类牙轮钻头的牙齿（铣齿）,铣齿牙轮钻头的牙齿与牙轮壳体成一体，它是由牙轮毛坯经过铣削加工形成，为了提高牙齿的耐磨性，在齿面上敷焊硬质合金粉铣齿的齿型主要是楔形齿外排保径齿可作成型、T型、L形。