第5章 岩石力学在钻井工程的应用.ppt

5.4.3 水力参数设计 泵压 钻头水功率 喷嘴当量直径 喷嘴组合结构 最大水功率 最优 立压 最优 喷嘴方向，井底流场结构分析 排量 对于215.9mm的钻头，大庆中深井满足携岩最小上返速度和冷却钻头切削齿、清洁井底的需要，获得最大钻头水功率，井眼的排量应在28～32L／s，环空上返速度在1.0～1.5m／s。 按照最大钻头水功率标准优选排量： 最优排量 5.4 基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究 5.4.3 水力参数设计 喷嘴组合: 理论和实践业已证明，在相同的钻头水力功率条件下，不同尺寸的优选喷嘴组合，能改善井底流场和压力分布状况，提高漫流的清岩作用，减少钻头对井底岩屑的重复破碎，从而提高破岩效率和机械钻速。 喷嘴选择的原则是： （1）φ215.9mm钻头在软地层中，可采用二大一小，直径比为0.5的组合；在中硬地层中，可用一大一小双喷嘴，直径比为0.5的组合。 （2）大直径钻头，如φ311钻头，可采用一个中心喷嘴加两个不等径喷嘴。 （3）应尽可能选加长喷嘴、斜喷嘴和脉冲喷嘴等。 （5）设计中先求出水眼总面积，再确定最小直径喷嘴（为了防堵，喷嘴直径，一般不小于7mm），然后再配最大直径喷嘴，使直径差尽可能拉大，而总面积不变。 喷嘴组合直径级差多大合适，尚需进一步研究，目前一般采用直径级差δ（两喷嘴直径之差）为1～2mm，或用直径比值q=（0.5～0.62）进行组合。 5.4 基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究 1 5.1 岩石的研磨性与硬度 1 5.2 岩石可钻性 5.5 钻井参数优选方法研究 3 2 5.3 钻头优选方法研究 4 5.5 井壁稳定的力学机理 5 5.1 岩石的研磨性与硬度 岩石的研磨性： 5.1.1 岩石的研磨性 岩石磨损与之摩擦材料能力的大小称为岩石的研磨性。 钻井工具（例如钻头、钎子等） 制造钻头的材料：淬火钢、硬质合金、金刚石 钻头刃的研磨性磨损： 钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生微切削、刻划、擦痕。 影响因素： 摩擦付材料的性质（例如化学组成和结构） 摩擦的类型和特点 摩擦表面的形状和尺寸（例如表面的粗糙度） 摩擦面的温度、速度、接触压力 磨损产物的性质和性状及其清除情况 参与摩擦的介质等因素 5.1 岩石的研磨性与硬度 岩石的研磨性的研究方法 5.1.1 岩石的研磨性 关于研究岩石的研磨性，许多学者采用了各种不同的方法。但是迄今尚未有一个统一的测定岩石研磨性的标准方法，所以许多研究成果还很难进行比较。这些方法，归纳起来不外乎有以下几类： （1）钻磨法 （2）磨削法 （3）微钻头钻进法 （5）摩擦磨损法（前苏联学者史立涅尔） 研磨性对于正确地设计和选择使用钻头，提高钻头的进尺，延长其工作面的寿命，对于提高钻井速度乃是极为重要的问题。 5.1 岩石的研磨性与硬度 5.1.1 岩石的研磨性 摩擦磨损法（史立涅尔） 1-旋转的金属环； 2-平移的岩样；P-加在圆环上的载荷 岩石的研磨性质可以用一个比例常数ω来表示，ω可称为研磨系数，即有： 式中：△Vs为金属的单位摩擦路程的磨损，cm3/m；ω为研磨系数；S为接融面积，mm2； pc为接触压力，N/mm2；P为摩擦面上的接触载荷，N。 △Vs可通过称重获得，它等于金属环磨损后的失重除以该金属的比重，再除以摩擦总路程。 1 P P 2 5.1 岩石的研磨性与硬度 5.1.1 岩石的研磨性 1）晶质岩石的研磨性(淬火钢) 摩擦磨损法（史立涅尔）结论： 0.75 0.50 0.25 150 100 50 0 单 位 磨 损 体 积 ΔVs， 10-7 cm3/m 1.00 微硬度Pm，kbar P0 研磨性由小到大的顺序:硫酸盐类岩石（石膏、重晶石），碳酸盐岩（石灰岩和白云岩）、硅质岩石（玉髓和燧石）、铁-镁长石岩、石英岩。 晶质岩石的研磨性是与组成它的矿物的微硬度成正比。 多晶矿物岩石研磨性决定于这些组成矿物的平均硬度。 多晶岩石和单晶岩石的矿物硬度相同的情况下，前者的研磨性略高于后者 5.1 岩石的研磨性与硬度 5.1.1 岩石的研磨性 摩擦磨损法（史立涅尔）结论： 2）碎屑岩石的研磨性(淬火钢) 钢的单位路程磨损与碎屑岩中石英含量的关系 2.0 1.5 1.0 0.5 50 50 30 20 10 0 石英含量，％ 磨损体积ΔVs，10－7cm3/m 3 2 1 50 50 30 20 10 0 压入硬度Py, kbar 5 5 砂岩 钢的单位路程磨损与砂岩硬度的关系 60 磨损体积ΔVs，10－7cm3/m 砂岩的研磨性与其压入硬度成反比 硬度不大的石英碎屑岩的研磨性要比晶质岩石中研磨性最高的石英岩的研磨性还要大 各种岩石按单位摩擦路程磨