專利名稱：實(shí)時(shí)實(shí)地鉆井全參數(shù)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石油和天然氣鉆井工程，特別是鉆井工程的鉆井工藝參數(shù)的優(yōu)化 方法。
背景技術(shù)：
石油天然氣開發(fā)一般都是通過鉆井的方式開采，鉆井是通過鉆頭的破巖過程來完 成的?，F(xiàn)代鉆井的主要方式是旋轉(zhuǎn)鉆井，旋轉(zhuǎn)鉆井是通過旋轉(zhuǎn)鉆頭來破巖的鉆井方式，鉆頭 的破巖效率直接影響鉆井速度。一般地，旋轉(zhuǎn)鉆井是通過對(duì)鉆頭加壓，使鉆頭能切入巖石表 面，并通過旋轉(zhuǎn)鉆頭的方式來提供剪切能量和通過移動(dòng)切削部位來破碎巖石。鉆井用的鉆 柱是中空的，鉆井過程中，泥漿泵通過加壓把鉆井泥漿經(jīng)過地面管匯再從鉆柱中心泵送到 鉆頭，再經(jīng)過鉆頭的噴嘴將泥漿噴射到井底并通過鉆柱和井眼之間的環(huán)形空間返回地面。泥漿泵的泵送速度是用泵排量來表示的，單位一般可用升/秒來計(jì)。鉆井過程 中，鉆井泥漿在鉆頭噴嘴的作用下高壓噴射，而對(duì)鉆頭的切削結(jié)構(gòu)和巖石的被切削面進(jìn)行 清潔。鉆井速度的提高可以從多方面入手，其中包括了鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作材料的選擇、 鉆井液泥漿密度、鉆井工藝參數(shù)的選擇和配備、鉆機(jī)可以提供的有效載荷等等。但是對(duì)于 給定的鉆機(jī)條件以及其輔助條件，鉆井速度的提高就只能通過現(xiàn)場(chǎng)改變鉆井工藝參數(shù)來實(shí) 現(xiàn)，這些現(xiàn)場(chǎng)鉆井工程師和司鉆可以直接控制的工藝參數(shù)主要是鉆頭水力學(xué)參數(shù)(主要是 通過泥漿泵的排量和鉆頭噴嘴的過流面積的組合來實(shí)現(xiàn))、對(duì)鉆頭施加的鉆壓(單位千牛 頓)和轉(zhuǎn)速(單位轉(zhuǎn)/分)?？墒?，鉆井參數(shù)對(duì)鉆速的影響不是線性的，鉆井參數(shù)之間又會(huì)相互影響其單一參 數(shù)的最佳值點(diǎn)。比如，鉆壓的增加在開始時(shí)是提高鉆速的，可達(dá)到一定值時(shí)，再增加鉆壓，鉆 井速度反而會(huì)下降，鉆壓再增加，可能還會(huì)導(dǎo)致鉆頭泥包失去切削能力，還可能使鉆頭提前 破壞，壽命大幅度縮短。因?yàn)樗@遇地層不能精確預(yù)測(cè)，鉆壓和轉(zhuǎn)速就無法通過預(yù)定的方法來實(shí)施最好的 優(yōu)化，而只能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化才有可能達(dá)到最佳。但是在實(shí)踐中，因鉆井速度受到眾多 因素的影響，操作人員通過對(duì)鉆速的直接觀察難以判斷出參數(shù)的最佳點(diǎn)。另外，泥漿的性能隨溫度和壓力變化，且又受鉆屑等污染物的影響，并且，泥漿的 流變模型都有偏差，鉆具的結(jié)構(gòu)和井筒幾何形狀都對(duì)鉆井泥漿水力計(jì)算有復(fù)雜的影響，從 而導(dǎo)致水力預(yù)測(cè)很難實(shí)施，優(yōu)化工作很難準(zhǔn)確?？梢姡裟茉谑┕がF(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)泥漿實(shí)際流變性和鉆柱及井筒的幾何參數(shù)進(jìn)行鉆井 泥漿水力優(yōu)化，并根據(jù)鉆遇地層的變化進(jìn)行鉆壓和轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)優(yōu)化，可以讓鉆井施工人員最 大程度地用足所給的鉆井條件，把鉆井效率、鉆井速度和鉆頭進(jìn)尺提高到最大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的就是要提供一種鉆井的實(shí)時(shí)實(shí)地全參數(shù)優(yōu)化方法，其可根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng) 的實(shí)際情況對(duì)鉆井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種實(shí)時(shí)實(shí)地鉆井全參數(shù)優(yōu)化方法，該方法包括水力優(yōu) 化、鉆壓優(yōu)化以及轉(zhuǎn)速優(yōu)化，其中，水力優(yōu)化的方法是通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定泥漿泵分別在至少兩 組條件下的泵壓泵排量Qsm的值來計(jì)算表示泵排量和整個(gè)鉆井循環(huán)系統(tǒng)的除 鉆頭外的其它部分的泥漿壓力降之間的特性關(guān)系的系數(shù)k和U，從而根據(jù)系數(shù)k 和u來確定優(yōu)化的泵排量和相應(yīng)的鉆頭噴嘴總過流面積，其中，k和u通過關(guān)系式log(AP
循環(huán)-測(cè)試)=log(k)+ulog(Q測(cè)試) 計(jì)算出， AP循環(huán)-測(cè)試AP循環(huán)-測(cè)試=Δ P系統(tǒng)-測(cè)試_ AP
鉆頭-測(cè)試計(jì)算出，ΔΡ鉆頭-測(cè)試代表每組條件下的鉆頭壓力降，其通過公式ΔΡ鉆頭-測(cè)試=P Q測(cè)試 7 (C2A2)來計(jì)算，該式中C是常數(shù)系數(shù)，A代表鉆頭噴嘴總過流面積，P代表泥漿密度；鉆壓 優(yōu)化的方法是通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整鉆頭的鉆壓大小來觀測(cè)其對(duì)應(yīng)的鉆頭單位破巖功，根據(jù)最小 的破巖功來確定優(yōu)化的鉆壓值；轉(zhuǎn)速優(yōu)化的方法是通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整鉆頭的轉(zhuǎn)速大小來觀測(cè) 其對(duì)應(yīng)的鉆頭單位破巖功，根據(jù)最小的破巖功來確定優(yōu)化的轉(zhuǎn)速。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定泥漿泵的 泵壓和泵排量值，來計(jì)算k和u的值，從而可根據(jù)k和u的值結(jié)合鉆井系統(tǒng)的已知條件來計(jì) 算優(yōu)化的泵排量和相應(yīng)的鉆頭噴嘴總過流面積，以實(shí)現(xiàn)鉆井泥漿的水力優(yōu)化，而鉆頭的鉆 壓和轉(zhuǎn)速的優(yōu)化值則分別通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)破巖功的方式來確定，這種全參數(shù)優(yōu)化方法完全根 據(jù)鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)實(shí)地情況來進(jìn)行，其實(shí)施科學(xué)而可靠，可以充分提高鉆井效率。進(jìn)一步地，水力優(yōu)化可以是針對(duì)鉆頭噴嘴的射流沖擊力的優(yōu)化，即通過測(cè)算鉆頭 噴嘴的射流沖擊力優(yōu)化值來完成鉆井泥漿的水力優(yōu)化，利用優(yōu)化的泥漿射流沖擊力來提高 鉆井效率更進(jìn)一步地，針對(duì)鉆頭噴嘴的射流沖擊力的優(yōu)化可以以泥漿泵的額定輸出功率 為限制條件。也就是說，在進(jìn)行鉆井水力優(yōu)化時(shí)，考慮用足泥漿泵所能提供的額定水功率， 從而測(cè)算最優(yōu)的泵排量和鉆頭噴嘴大小，使鉆井系統(tǒng)的水力最大程度地用到清潔鉆頭的切 削結(jié)構(gòu)和井底的被切削表面上。一般來說在泥漿泵的額定輸出功率的限定條件下，針對(duì)鉆頭噴嘴的射流沖擊力的 優(yōu)化是通過以下計(jì)算公式量化的優(yōu)化后的泵排量Qttft= (HHP/(k(u+2)))"(u+1)，其中HHP即是指定的泥漿泵的額定 輸出功率；優(yōu)化的整個(gè)鉆井循環(huán)系統(tǒng)的壓力降ΔΡ系統(tǒng)-優(yōu)化=(u+2) (k(Q優(yōu)化)u)；優(yōu)化的鉆頭壓力降Δ P
鉆頭-優(yōu)化=(u+l)/ (u+2) Δ P系統(tǒng)-優(yōu)化；優(yōu)化后的噴嘴總過流面積Attft= Ρ°_59_/(ΔΡ鉆頭_優(yōu)化(C2))0'5 ；優(yōu)化的射流沖擊力F優(yōu)化=P · Q優(yōu)化2/Α優(yōu)化。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定不同泵排量下的泵壓后測(cè)算出特性系數(shù)k和U，從而根據(jù)上述這些 公式來計(jì)算出最優(yōu)泵排量和噴嘴總過流面積以及射流沖擊力。更進(jìn)一步地，針對(duì)鉆頭噴嘴的射流沖擊力的優(yōu)化可以以泥漿泵的額定泵壓為限制 條件。在進(jìn)行鉆井水力優(yōu)化時(shí)，考慮到泥漿泵所能提供的水功率有富余，而限制因素是最 大額定泵壓，當(dāng)泵壓達(dá)到最大時(shí)，算出最優(yōu)的射流沖擊力，從而在額定泵壓作為制約的前提 下，使鉆井系統(tǒng)的水力最大程度地用到清潔鉆頭的切削結(jié)構(gòu)和井底的被切削表面上。一般來說，在額定泵壓的限制條件下，針對(duì)鉆頭噴嘴的射流沖擊力的優(yōu)化是通過 以下計(jì)算公式量化的優(yōu)化的鉆頭壓力降Δ P
鉆頭-優(yōu)化=u/ (u+2) ΔΡ系統(tǒng)-額定，其中Δ P系統(tǒng)-額定是指定的泥漿泵的額定泵壓；優(yōu)化后的泵排量Q優(yōu)化=(Δ P系統(tǒng)-額定2/ (u+2) /k)1/u ；優(yōu)化后的噴嘴總過流面積Attft= P°_5Q優(yōu)化/(ΔΡ鉆頭-優(yōu)化(C2))o.5 ；優(yōu)化的射流沖擊力Fttft= PQttft2/Attft。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定不同泵排量下的泵壓后測(cè)算出特性系數(shù)u和k，從而根據(jù)上述公式 在泥漿泵的額定泵壓前提下測(cè)算出最優(yōu)泵排量和噴嘴總過流面積，從而實(shí)現(xiàn)鉆井水力優(yōu) 化。進(jìn)一步地，水力優(yōu)化可以是針對(duì)鉆頭水功率的優(yōu)化，即通過測(cè)算出優(yōu)化的鉆頭水 功率來實(shí)現(xiàn)鉆井水力優(yōu)化。更進(jìn)一步地，針對(duì)鉆頭水功率的優(yōu)化可以通過以下計(jì)算公式量化的優(yōu)化的鉆頭壓力降Δ P
鉆頭-優(yōu)化=AP系統(tǒng)-額定_ΔΡ循環(huán)-優(yōu)化=u/ (u+l) AP系統(tǒng)-額定，胃
中APsms是指定的泥漿泵的額定泵壓，APip^ttft是整個(gè)鉆井循環(huán)系統(tǒng)的除鉆頭以外的 其它部分的壓力降；優(yōu)化后的泵排量Q優(yōu)化=(AP^_^/(u+l)/k)1/u；優(yōu)化后的噴嘴總過流面積A優(yōu)化=P°_5Q優(yōu)化/(ΔΡ鉆頭-優(yōu)化(C2))0'5優(yōu)化后的鉆頭水功率HHP鉆頭-優(yōu)化=ΔΡ鉆頭-優(yōu)化· Q優(yōu)化。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)定不同泵排量下的泵壓，求出特性系數(shù)U和k，從而在泥漿泵的額 定泵壓下求出最優(yōu)的泵排量和鉆頭噴嘴總過流面積以及最優(yōu)的鉆頭水功率，以使系統(tǒng)的水 力最大程度地用到清潔鉆頭的切削結(jié)構(gòu)和井底的被切削表面上。進(jìn)一步地，泵排量的優(yōu)化值也可以是在固定鉆頭的鉆壓和轉(zhuǎn)速的前提下，通過在 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整泵排量的同時(shí)觀察鉆頭單位破巖功的變化來實(shí)時(shí)找到使鉆頭單位破巖功最低的 泵排量，或找到維持較低鉆頭單位破巖功不變的而值更低的泵排量而得到的。優(yōu)選地，鉆壓和轉(zhuǎn)速的優(yōu)化過程可以不斷循環(huán)操作，以對(duì)一定泵排量下的鉆壓和 轉(zhuǎn)速進(jìn)行雙重優(yōu)化。優(yōu)選地，鉆壓和轉(zhuǎn)速的優(yōu)化過程可以不斷循環(huán)操作，以對(duì)所鉆的新地層的鉆井參 數(shù)中的鉆壓和轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)選地，單位破巖功可以是按下式計(jì)算的單位破巖功=K · [4 ·鉆壓/(圓周 率·鉆頭直徑2) +480 ·(轉(zhuǎn)速 扭矩)/ (鉆頭直徑2 ·機(jī)械鉆速)]，其中K為常數(shù)系數(shù)。根 據(jù)已知條件可以通過該公式測(cè)算單位破巖功。而常數(shù)系數(shù)K可以是任何非零實(shí)數(shù)。優(yōu)選地，在水力優(yōu)化中，可以通過確定循環(huán)系統(tǒng)的不計(jì)鉆頭的部分的壓耗和泵排 量的對(duì)數(shù)直線關(guān)系來計(jì)算出優(yōu)化的泵排量和相應(yīng)的鉆頭噴嘴總過流面積。優(yōu)選地，水力優(yōu)化可以是針對(duì)鉆頭射流水功率的優(yōu)化。也就是說，實(shí)際上，鉆井水 力優(yōu)化實(shí)際通過對(duì)鉆頭射流水功率的優(yōu)化而實(shí)施。優(yōu)選地，水力優(yōu)化是針對(duì)鉆頭射流沖擊力的優(yōu)化，即鉆井水力優(yōu)化實(shí)際上通過對(duì) 鉆頭射流沖擊力的優(yōu)化而實(shí)施。優(yōu)選地，單位破巖功也可以是按下式計(jì)算的單位破巖功=K ·[(鉆壓·機(jī)械鉆速)/ (鉆頭面積·機(jī)械鉆速)+ (60 ·轉(zhuǎn)速· 2 ·圓 周率)·(扭矩)/(鉆頭面積 機(jī)械鉆速)]，其中K是一個(gè)常數(shù)系數(shù)，根據(jù)已知的設(shè)備技術(shù)
6條件，可以通過該公式測(cè)算出單位破巖功。當(dāng)然，此式中的常數(shù)系數(shù)K可以是任何非零實(shí) 數(shù)。優(yōu)選地，單位破巖功的最低值可以由被鉆巖石抗壓強(qiáng)度來確定。優(yōu)選地，單位破巖功的最低值可以通過下列公式來測(cè)算單位破巖功的最低值= K ·巖石抗壓強(qiáng)度，其中K是一個(gè)非零實(shí)數(shù)常數(shù)。優(yōu)選地，單位破巖功的最低值也可以通過鉆過井段的單位破巖功的一個(gè)最小值來 確定，也可以兩個(gè)或更多個(gè)低值點(diǎn)的連線而確定。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定泥漿泵的泵壓和泵排量來 確定優(yōu)化的泵排量和相應(yīng)的鉆頭噴嘴過流面積，從而完成鉆井水力優(yōu)化，另外分別通過現(xiàn) 場(chǎng)觀測(cè)破巖功的方式來確定優(yōu)化的鉆頭鉆壓和轉(zhuǎn)速，這種鉆井的全參數(shù)優(yōu)化在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí) 時(shí)實(shí)地完成，其易于實(shí)施，且結(jié)果可靠，從而可最大化鉆井效率，最大化鉆井機(jī)械鉆速，并提 高鉆頭的使用壽命或單只鉆頭的進(jìn)尺。


附圖1反映了通過監(jiān)測(cè)單位破巖功來對(duì)鉆壓進(jìn)行優(yōu)化的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作具體闡述。對(duì)鉆井的全參數(shù)優(yōu)化主要包含三部分，即對(duì)鉆井水力的優(yōu)化、對(duì)鉆頭鉆壓的優(yōu)化 以及對(duì)鉆頭轉(zhuǎn)速的優(yōu)化。一、對(duì)鉆頭水力的優(yōu)化鉆頭切削結(jié)構(gòu)和井底巖石被切削表面的清潔是保證鉆頭高效破巖的前提。清潔的 完成是通過鉆頭噴嘴把鉆井泥漿向鉆頭切削結(jié)構(gòu)和井底巖石高壓噴射而實(shí)現(xiàn)的。鉆井泥 漿是用泥漿泵通過中空的鉆桿泵送到鉆頭的，在鉆頭上泥漿出口處裝有可以選擇直徑的噴 嘴。一般地，對(duì)于一給定的鉆頭，泥漿的最佳清潔效果是以最大的噴嘴單位面積射流沖擊力 或以最大鉆頭噴嘴射流水功率來實(shí)現(xiàn)的。由于鉆井泥漿從泥漿泵中泵出后，需經(jīng)過地面管匯、鉆柱、鉆頭噴嘴和鉆井環(huán)形空 間而后才返回地面，泥漿泵提供給泥漿的能量的一部分需用于克服沿程的壓力損耗，而剩 余部分才能用于鉆頭噴嘴的噴射清潔作用。如果能在給定的泥漿泵額定功率和額定泵排 量、鉆具結(jié)構(gòu)、井身結(jié)構(gòu)和鉆井泥漿性能條件下，把泥漿泵提供的水力能量最大程度地分 配到鉆頭噴嘴上，這樣就形成對(duì)泵排量的優(yōu)化，而這種分配可以通過優(yōu)化噴嘴面積來實(shí)現(xiàn)。泵排量的優(yōu)化受到以上所述的眾多因素的影響，理論上講，可以通過測(cè)定泥漿流 變性能，根據(jù)所知的鉆具結(jié)構(gòu)、井身結(jié)構(gòu)等建立流動(dòng)方程來確立最大噴嘴清理效果所需的 噴嘴面積。然而，在實(shí)踐中，建立準(zhǔn)確的流動(dòng)方程十分困難，泥漿的流變性能在其流動(dòng)的各 個(gè)環(huán)節(jié)中因受到溫度和其他因素的影響都是不同的并且難以測(cè)定，鉆具在井筒中也未必居 中，因井壁失穩(wěn)井壁也未必規(guī)則，鉆具的旋轉(zhuǎn)又對(duì)泥漿的流動(dòng)產(chǎn)生攪動(dòng)，這些都對(duì)流動(dòng)的精 確計(jì)算帶來了艱難的挑戰(zhàn)。并且，因?yàn)橐蛩乇姸?，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用很難完成，或者說，其優(yōu)化操作的 復(fù)雜性和不準(zhǔn)確性導(dǎo)致其難以被廣泛應(yīng)用。然而，在鉆井現(xiàn)場(chǎng)，這些眾多因素的綜合效應(yīng)卻可以通過現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)泥漿時(shí)測(cè)定泵 壓和泵排量的方式來簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn)。這只需要在現(xiàn)有的已知噴嘴過流面積的條件下，對(duì)現(xiàn)有的
7正常鉆井設(shè)備進(jìn)行不同泵排量下的測(cè)壓，從而確立該鉆井設(shè)備的泵排量和壓力之間的特性 關(guān)系，然后再依據(jù)該特性關(guān)系來確定最佳噴嘴過流面積，從而優(yōu)化泵排量。所以泵排量的優(yōu) 化，事實(shí)上是在泥漿泵可提供的最大能量的前提下，最大程度地把該能量分配到鉆頭噴嘴 上，用于清潔鉆頭切削結(jié)構(gòu)和井底被切削表面。水力優(yōu)化可以從噴嘴射流沖擊力和水功率兩個(gè)不同的方面進(jìn)行優(yōu)化。(一 )針對(duì)鉆頭噴嘴射流沖擊力的優(yōu)化根據(jù)牛頓第二定律力F =質(zhì)量mX加速度a，而鉆頭噴嘴的射流沖擊力F可以用 下式表示射流沖擊力F = ma = Hi(V-Vtl)A,其中m是流體的質(zhì)量，V是泥漿射流的噴射初始 速度，Vtl是射流接觸噴射點(diǎn)的速度，t是射流從噴射初始到接觸噴射點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間。因?yàn)?泵的基本參數(shù)——體積流量Q =流體體積/t = m/ (泥漿密度· t)，如果假定Vtl = 0，流體 泥漿的密度為P，那么，射流沖擊力F =泥漿密度P ·泵排量Q ·流速V(式1)因?yàn)樵谡ｃ@井過程中的泵排量足以使鉆井液在鉆頭噴嘴中的流動(dòng)為紊流狀態(tài)， 實(shí)驗(yàn)證明鉆頭的壓力降則可以用下式表示Δ P鉆頭=泥漿密度ρ ·泵排量Q2/ (C2 ·噴嘴總過流面積A2) (式2)這里，C是一個(gè)常數(shù)系數(shù)。泥漿在鉆頭噴嘴中的流速V也可以表示為V =泵排量Q/噴嘴總過流面積Α，因此， Δ Pttifc= Ρ ·ν2/(2，或者是V=C々幼鉆頭丨ρ M么,射流沖擊力F=CQaZpxAP^，或F = CP0 5Q(AP鉆頭)0.5·(式 3)一般地對(duì)于常規(guī)鉆井，泥漿出口的壓力可視為零。那么，整個(gè)鉆井水力系統(tǒng)的壓力 降A(chǔ)Pjus在數(shù)值上就等于立管壓力P3iff或泵壓，這個(gè)壓力降是鉆頭壓力降A(chǔ)Pttifc和泥漿在 循環(huán)系統(tǒng)其它部分(不包括鉆頭)的壓力降A(chǔ)PiwW總和，用公式表示為ΔΡ系統(tǒng)=ΔΡ鉆頭+ ΔΡ循環(huán)(式4)循環(huán)系統(tǒng)其它部分一般包括從泥漿泵到井口的地面管匯、從井口到鉆頭的整個(gè)中 空的鉆柱(不包括鉆頭噴嘴)和從鉆頭再到井口的泥漿上返的鉆柱與井眼之間的環(huán)形空 間。根據(jù)流體力學(xué)可知，一般地，對(duì)于某一流體在管路中的循環(huán)壓力降可用下式表 示循環(huán)壓力降=常數(shù)·泵排量u，因此，泥漿在循環(huán)系統(tǒng)其它部分(不包括鉆頭的其 它部位)壓力降QPiw)可以用下式表示八？循環(huán)=常數(shù)1^泵排量$，(式5)其中k和u是表示系統(tǒng)循環(huán)壓力降與泵排量關(guān)系的兩個(gè)特性常數(shù)，水力優(yōu)化的關(guān) 鍵在于先求出k和u的值，然后再確定其優(yōu)化參數(shù)點(diǎn)，k和u的具體確定方法將在下文說明。 一般地，當(dāng)流態(tài)全為紊流時(shí)，U = 2,當(dāng)流態(tài)全為層流時(shí)，u = 1，但因?yàn)槟酀{的流態(tài)在鉆柱中 不同部位是不同的，綜合效應(yīng)的結(jié)果應(yīng)是u在1和2之間。對(duì)于鉆頭射流沖擊力的優(yōu)化，有兩個(gè)限制條件——系統(tǒng)額定水功率和系統(tǒng)額定耐壓，下面分別根據(jù)這兩個(gè)限制條件來測(cè)算優(yōu)化的鉆頭射流沖擊力。1、當(dāng)鉆井系統(tǒng)額定水功率是限制條件時(shí)(額定水功率是已知常量系統(tǒng)壓力將低 于額定壓力)在鉆井水力的優(yōu)化時(shí)，假定用足泥漿泵所能提供的額定水功率(系統(tǒng)額定水功率 HHP為已知)，那么，Δ P系統(tǒng)=系統(tǒng)水功率HHP/泵排量Q(式6)因此根據(jù)式4、5和6，就有Δ P鉆頭=HHP/Q-k · Qu,根據(jù)式3有射流沖擊力F = C. P05-Q- (HHP/Q-k · Qu) 5 = C · P 5 · (Q · HHP-k · Qu+2) 5， 而最大射流沖擊力應(yīng)是當(dāng)泵排量Q使射流沖擊力F的導(dǎo)數(shù)等于零時(shí)的射流沖擊力，或者說， 為使該式成立，C · P °_5 · (HHP-k · (u+2) · Qu+1)必為零，C和P都是不隨Q而改 變的，并且不為零，從而(HHP-k· (u+2) · Qu+1)必為零，那么，最大射流沖擊力時(shí)的排量Q· 可由下式求出。HHP = ΔΡ系統(tǒng)-優(yōu)化· Q優(yōu)化=k · (u+2) · (Q優(yōu)化)u+1，所以，ΔΡ系統(tǒng)-優(yōu)化=(u+2) · (k · (Q優(yōu)化)u)(式 8)根據(jù)式5，有在優(yōu)化的排量的條件下泥漿在循環(huán)系統(tǒng)其它部分(不包括鉆頭的其
它部位)壓力降ΔΡ·_優(yōu)化=k· (Q優(yōu)化)u，所以，ΔΡ系統(tǒng)-優(yōu)化=(u+2) · ΔΡ循環(huán)-優(yōu)化，因此，由
式4可得優(yōu)化的鉆頭壓力降Δ P
鉆頭-優(yōu)化=Δ P系統(tǒng)-優(yōu)化_ Δ P系統(tǒng)_優(yōu)化I (u+2) ·最后，在泥漿泵的額定輸出功率的限定條件下，得出對(duì)鉆頭的泥漿射流沖擊力最 大化的優(yōu)化的鉆頭壓力降ΔΡ 鉆頭-優(yōu)化=(u+1)/(u+2) · Λ P 系統(tǒng)-優(yōu)化·(式 9)這說明，若能把整個(gè)系統(tǒng)的壓力降的(u+l)/(u+2)部分應(yīng)用到鉆頭噴嘴上，這個(gè) 鉆井系統(tǒng)的鉆頭射流沖擊力就得到了優(yōu)化。那么，問題解決的關(guān)鍵就是如何才能得到U的值，而U是所用鉆井系統(tǒng)的一個(gè)特性 指數(shù)，可以通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)定排量和壓力的關(guān)系而求出，方法如下描述。對(duì)于任何已知密度P的泥漿體系，在已知噴嘴總過流面積A和常數(shù)C的條件下， 在任何較高的排量Q(紊流流態(tài))時(shí)鉆頭的壓力降可用式2求得，而APsus可從泵壓 計(jì)讀得，這樣，泥漿在循環(huán)系統(tǒng)其它部分(不包括鉆頭的其它部位)的壓力降A(chǔ)Pei^sw =
Δ P系統(tǒng)-測(cè)試_ Δ P鉆頭-測(cè)試ift^T U MU。又因?yàn)锳Pw^sm =常數(shù)k ·泵排量Qsn/，所以在等式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)就有線性 關(guān)系log ( Δ P 循環(huán)-測(cè)試)=log(k)+u · Iog(Qsm)(式 10)那么，就可以通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)得的兩對(duì)(或更多對(duì))排量Qsw和對(duì)應(yīng)的
試作出IogQP循環(huán)-測(cè)試)和Iog(Qsw)的直線來，而直線的截距就是log(k)，而直線的斜率 就是u，這樣，u和常數(shù)k就被確定了。從式8的推導(dǎo)中知，HHP = ΔP系統(tǒng)-優(yōu)化· Q優(yōu)化=k · (u+2) · (Q優(yōu)化)u+1，所以優(yōu)化后的泵排量Qim就可以通過下式求得Q優(yōu)化=(HHP/(k · (u+2)))1/(u+1).(式 11)
那么根據(jù)式6就可得Δ P系統(tǒng)-優(yōu)化=HHP/Q優(yōu)化，那么根據(jù)式9就可得Δ P
鉆頭-優(yōu)化=(u+1)/(u+2) · ΔΡ系統(tǒng)-優(yōu)化，而根據(jù)式2就有ΔΡ鉆頭-優(yōu)化=ρ · (Q優(yōu)化)2/(C2· (Α優(yōu)化)2)，然后可得優(yōu)化后的噴嘴總過流面積Attft如下A優(yōu)化=P?！?· Q優(yōu)化/(ΔΡ鉆頭-優(yōu)化· (C2))0'5(式 12)最后，優(yōu)化的射流沖擊力F優(yōu)化=P · Q優(yōu)化2/A優(yōu)化(式13)這樣就可以通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)定不同排量下的立管壓力(或泵壓)，來求出系統(tǒng)的 特性系數(shù)u和k，從而求出最優(yōu)排量和應(yīng)配置的鉆頭噴嘴大小，在鉆井水功率是制約條件 時(shí)，使系統(tǒng)的水力最大程度地用到清潔鉆頭的切削結(jié)構(gòu)和井底的被切削表面上。2、當(dāng)鉆井系統(tǒng)額定壓力是限制條件時(shí)(受額定泵壓或最大立管壓力制約)同樣地，系數(shù)u和k的值是按1中所述的方法用式5求出。假定鉆井水力的優(yōu)化時(shí)，考慮到泥漿泵所能提供的水功率有富余，而限制因素是 系統(tǒng)最大額定壓力為已知，通常是額定泵壓或最大立管壓力)，那么，在系統(tǒng)壓 力達(dá)到最大時(shí)，ΔΡ鉆頭=ΔΡ系統(tǒng)-額定-ΔΡ循環(huán)(式14)根據(jù)式3、4、5得出射流沖擊力F = C. P05-Q - (ΔΡ 系統(tǒng)-額定-k· QT5 = C. P0.5· (Q2 Δ P 系統(tǒng)-額定-k · Qu+2)0.5對(duì)于最大射流沖擊力，上式的導(dǎo)數(shù)需為零， 也就是C · P 0 5 · (2Q 優(yōu)化 Δ P 系統(tǒng)-額定-k · (u+2) · Q 優(yōu)化u+1) = 0。因C· Pa5乒0，所以(2Q優(yōu)化八卩系統(tǒng)_額定-1^(11+2) .Q優(yōu)化u+1) =0，從而根據(jù)式5可 求得Δ P系統(tǒng)-額定=0.5 (u+2) (k · Q優(yōu)化u) = 0.5 (u+2) Δ P循環(huán)-優(yōu)化所以ΔΡ循環(huán)-優(yōu)化=2/(u+2) ΔΡ系統(tǒng)-額定ΔΡ鉆頭-優(yōu)化=ΔΡ系統(tǒng)-額定_ΔΡ循環(huán)-優(yōu)化=厶卩系統(tǒng)-額定-之/^+幻厶卩系統(tǒng)—額定，或者ΔΡ鉆頭-優(yōu)化=u/(u+2) · ΔΡ系統(tǒng)-額定(式15)這樣，在通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)定立管(或泵)壓力和泵排量的關(guān)系，并通過鉆頭壓力降 Δ Ptt+的計(jì)算用式5求得u和k后，就可以對(duì)優(yōu)化的排量Qttft和鉆頭噴嘴的總過流面積A優(yōu) Λ進(jìn)行計(jì)算了，具體方法如下描述。從上面可知APfHJg= 0. 5(u+2)kQ優(yōu)化u，所以優(yōu)化后的泵排量Q優(yōu)化就可以通過 下式求得Q 優(yōu)化=(AP^^e.2/(u+2)/k)lAl(式 16)因ΔΡ鉆頭-優(yōu)化=ρ · (Q優(yōu)化)2/(C2· (Α優(yōu)化)2)，優(yōu)化的噴嘴總過流面積A優(yōu)化就可以 通過下式求得Aim= P?！?· Q優(yōu)化/(ΔΡ鉆頭-優(yōu)化· (C2))0'5(式 17)從而優(yōu)化的射流沖擊力F優(yōu)化=P · Q優(yōu)化2/A優(yōu)化(式18)這樣就可以通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)定不同排量下的立管壓力(或泵壓)，來求出系統(tǒng)的 特性系數(shù)u和k，從而求出最優(yōu)排量和應(yīng)配置的鉆頭噴嘴大小，在額定泵壓是制約時(shí)，使系統(tǒng)的水力最大程度地用到清潔鉆頭的切削結(jié)構(gòu)和井底的被切削表面上。(二)針對(duì)鉆頭水功率的優(yōu)化與(一)中所述同樣地，U和k是通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)定壓力和排量并利用式5來確 定的。對(duì)于鉆頭水功率的優(yōu)化，僅需要考慮一種情況，那就是系統(tǒng)受到額定泵壓限制時(shí) 的優(yōu)化(Δ P系統(tǒng)-額定為已知，通常是額定泵壓或最大立管壓力)。鉆頭水功率HHPtt+與其壓力降Δ Ptt+和泵排量Q是成正比的，根據(jù)式5，在系統(tǒng)壓 力降為最大值Δ時(shí)鉆頭水功率可由下式表示HHP鉆頭=ΔΡ鉆頭*Q= ( Δ P系統(tǒng)-額定-Δ P循環(huán))*Q = ( Δ P系統(tǒng)-額定_k · Qu) *Q =當(dāng)鉆頭水功率為最大時(shí)，上式的導(dǎo)數(shù)應(yīng)為零，也就是^ =幼激-額定—Φ + 1)Q" = 0 (式 19)而此時(shí)的排量就是優(yōu)化排量Q優(yōu)化·所以有ΔΡ系統(tǒng)-額定-(u+1) · (k · Q優(yōu)化u) = 0.那么，APsus^e= (u+l)k · Q優(yōu)化u，優(yōu)化后的泵排量Q優(yōu)化就可以通過下式求得Q優(yōu)化=(ΔΡ系統(tǒng)-額定/(U+l)/k)"u(式 20)而根據(jù)式5，則有優(yōu)化的其它部分循環(huán)壓力降k· Qttftu，或者，ΔΡ系統(tǒng)-額定_(U+1) · ΔΡ循環(huán)-優(yōu)化=0，或者，ΔΡ循環(huán)-優(yōu)化=ΔΡ系統(tǒng)-額定/(u+1)。從而，根據(jù)式4，在受到額定泵壓限制時(shí)，優(yōu)化的鉆頭壓力降是ΔΡ鉆頭-優(yōu)化=ΔΡ系統(tǒng)-額定-ΔΡ循環(huán)-優(yōu)化=U/(U+1) · ΔΡ系統(tǒng)-額定(式21)還由式2得，ρ · (Qftft)2/(C2 · (Α優(yōu)化)2)，優(yōu)化后的噴嘴總過流面積 Attft就可以通過下式求得 優(yōu)化的鉆頭水功率HHP鉆頭-優(yōu)化=ΔΡ鉆頭-優(yōu)化優(yōu)化(式23)這樣就可以通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)定不同排量下的立管壓力(或泵壓)，來求出系統(tǒng)的 特性系數(shù)u和k，從而求出最優(yōu)排量和應(yīng)配置的鉆頭噴嘴大小，在額定泵壓條件下，使系統(tǒng) 的水力最大程度地用到清潔鉆頭的切削結(jié)構(gòu)和井底的被切削表面上。總之，以上提供的方法就可以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)在起鉆前通過測(cè)定兩對(duì)泵壓和泵排量的 值而確定的直線關(guān)系來確定優(yōu)化的鉆頭水力(鉆頭噴嘴和泵排量)，并在起鉆后為新下鉆 頭更換上新確定的鉆頭噴嘴，下鉆后以新確定的排量來鉆進(jìn)。而具體的步驟可以如下1)在起鉆前測(cè)定至少兩對(duì)泵壓和泵排量的值；2)按上述提供的方法計(jì)算出優(yōu)化鉆頭水力所需的泵排量和相對(duì)應(yīng)的鉆頭噴嘴總 過流面積；3)根據(jù)計(jì)算出噴嘴總過流面積和鉆頭設(shè)計(jì)噴嘴數(shù)量，計(jì)算出每支噴嘴的平均尺 寸；4)在下鉆前選擇并安裝鉆頭噴嘴使其總過流面積最接近步驟2)中的計(jì)算值；5)在鉆井過程中使用步驟2)所計(jì)算出的泵排量。二、對(duì)鉆壓和轉(zhuǎn)速的優(yōu)化
對(duì)于某一種單位體積的巖石，其破碎需且僅需一定的能量，稱為巖石單位破碎能， 可以視為巖石的一個(gè)性能參數(shù)。在鉆頭的鉆進(jìn)過程中，鉆頭鉆破單位體積的巖石所作的功 稱為單位破巖功。理論上，單位破巖功應(yīng)等于巖石單位破碎能。但實(shí)際上，總會(huì)有一部分能 量損失了，從而造成單位破巖功一般總是高于巖石單位破碎能。單位破巖功超過這個(gè)巖石 單位破碎能，說明鉆頭破巖效率不是最佳，并且有一部分功沒有用于破巖上。實(shí)踐中，可以 在不知道巖石單位破碎能時(shí)，對(duì)一個(gè)井段的單位破巖功進(jìn)行相對(duì)比較，其中單位破巖功相 對(duì)較小的，鉆頭破巖效率相對(duì)較高，反之，那些鉆頭破巖功相對(duì)較大的，鉆頭破巖效率相對(duì) 較低。鉆井過程中，在一定時(shí)間長(zhǎng)度上鉆頭破巖所做的功和相應(yīng)的破巖體積都是可以實(shí) 時(shí)測(cè)知的。那么，鉆頭的單位破巖功就可以實(shí)時(shí)計(jì)算取得，其單位可以是焦耳/立方米，也 可以簡(jiǎn)化成壓強(qiáng)單位——帕斯卡。而鉆頭的單位破巖功可以用下式表示單位破巖功=((鉆壓 機(jī)械鉆速)+ (60·轉(zhuǎn)速·2·圓周率)·(扭矩))/(鉆頭 面積·機(jī)械鉆速)(式24)或者可以簡(jiǎn)化為，單位破巖功=4 ·鉆壓/(圓周率·鉆頭直徑2)+480 ·(轉(zhuǎn)速·扭矩)/(鉆頭直徑 2 ·機(jī)械鉆速)(式25)其中，單位破巖功單位兆帕鉆壓?jiǎn)挝磺ｎD鉆頭直徑單位毫米轉(zhuǎn)速單位轉(zhuǎn)/分鐘扭矩單位千牛頓 米機(jī)械鉆速單位米/小時(shí)。若把一定鉆井井段每個(gè)井深深度的單位破巖功加以實(shí)時(shí)計(jì)算，這樣，對(duì)某一鉆井 參數(shù)的調(diào)整就可以有實(shí)時(shí)的反饋，鉆井操作人員就可以通過觀察同一參數(shù)在不同值時(shí)對(duì)破 巖效率的改變而找到最佳參數(shù)點(diǎn)。因鉆頭鉆壓、轉(zhuǎn)速和泥漿水力等都會(huì)影響鉆頭的機(jī)械鉆 速，所以理論上講，鉆頭鉆壓、轉(zhuǎn)速和泥漿水力都可以通過這種方式來優(yōu)化。一般地，強(qiáng)度越高的地層，鉆頭破巖所需的能量也就越高，巖石單位破碎能與巖石 強(qiáng)度在數(shù)值上基本相當(dāng)。但是，由于一般地鉆頭輸出的功不可能完全用于破巖，實(shí)踐中，鉆頭所作的單位破 巖功都大于巖石單位破碎能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使在較理想的條件下，一般地，單位破巖功= K·巖石單位破碎能，所以，單位破巖功=K ·巖石抗壓強(qiáng)度(式26)其中K是一個(gè)實(shí)數(shù)常數(shù)系數(shù)。對(duì)于不同鉆頭，由于切削齒和切削結(jié)構(gòu)的不同，即使 都在其最高破巖效率的條件下，所耗的單位破巖功是不同的。但研究發(fā)現(xiàn)，它們的差異并不 很大。一般地，這個(gè)系數(shù)K在1到10之間。地層巖石的強(qiáng)度可以通過測(cè)量聲波傳導(dǎo)速度的 方式進(jìn)行確定，也可以通過對(duì)巖石樣品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)來測(cè)定。這樣就可以通過對(duì)地層 巖石強(qiáng)度的確定就可以確定理想單位破巖功基線或最高破巖效率基線。把實(shí)際鉆井操作中 所獲得的單位破巖功與之相比，就可以知道鉆井參數(shù)優(yōu)化的好壞了，從而也就知道調(diào)整的需要T。巖石理想單位破巖功基線的確立也可以通過實(shí)時(shí)觀測(cè)單位破巖功的值隨鉆井參 數(shù)的改變而改變來求得。石油天然氣鉆井所鉆遇的巖石一般都是沉積巖。因?yàn)榈貙訋r石的 強(qiáng)度和其沉積過程中的受上覆地層重力壓實(shí)是直接相關(guān)的，在一定井深的條件下，由于壓 實(shí)條件相似，巖石強(qiáng)度在相當(dāng)長(zhǎng)一段井段一般變化較小，特別是在同一種巖性的情況下，而 且，一般地，巖石的強(qiáng)度一般有隨埋深深度逐漸變大的趨勢(shì)。因此，鉆頭的理想單位破巖功 也應(yīng)是有規(guī)律可循的，其值也應(yīng)是在一定井段內(nèi)變化較小和隨著所鉆地層的埋深加深逐漸 變大的。而實(shí)際鉆井操作中，在改變鉆井參數(shù)鉆進(jìn)時(shí)，在一定的井段內(nèi)取得的單位破巖功應(yīng) 是有高有低的，或者說，鉆頭的單位破巖功主要是隨鉆井參數(shù)的優(yōu)劣而變。在沒有根據(jù)巖石 強(qiáng)度作出基線的情況下，對(duì)這些有高有低的單位破巖功的低值點(diǎn)的連線，就可以作為破巖 效率基線或巖石理想單位破巖功基線來為鉆井參數(shù)優(yōu)化操作提供參照?？傊陨咸峁┝艘环N實(shí)時(shí)優(yōu)化鉆壓和轉(zhuǎn)速的方法。該方法通過實(shí)時(shí)計(jì)算和監(jiān)測(cè) 鉆頭的單位破巖功來了解鉆頭是否處于最佳的切削狀態(tài)，從而可以在保證鉆頭的最佳切削 狀態(tài)條件下，實(shí)施最高的鉆壓和轉(zhuǎn)速來獲得最高鉆井速度和最大鉆頭進(jìn)尺。具體地，可以通 過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)采集、單位破巖功計(jì)算和單位破巖功曲線顯示，而鉆井操作 人員只需在鉆井過程中觀察單位破巖功曲線的變化并據(jù)此改變鉆壓或轉(zhuǎn)速使計(jì)算出的單 位破巖功向更低或基線靠近。三、對(duì)鉆頭水力優(yōu)化的進(jìn)一步微調(diào)在第一項(xiàng)關(guān)于對(duì)鉆頭水力優(yōu)化的介紹中所確定的鉆頭水力只是對(duì)當(dāng)時(shí)的井筒結(jié) 構(gòu)、泥漿性能、噴嘴大小以及排量的優(yōu)化，并不一定能保證其在整個(gè)鉆井井段的優(yōu)化。隨著 井的加深，優(yōu)化點(diǎn)會(huì)發(fā)生一定的偏離，那么，其進(jìn)一步的優(yōu)化是需要的，這可以通過在現(xiàn)場(chǎng) 觀測(cè)鉆頭單位破巖功的方式來對(duì)排量進(jìn)行微調(diào)?；蛘哒f，在調(diào)整泵排量增大或減小時(shí)若單 位破巖功得以進(jìn)一步降低，就說明其調(diào)整方向正確并使水力進(jìn)一步優(yōu)化。反之，若單位破巖 功上升，則說明其調(diào)整方向相反，應(yīng)改變調(diào)整方向。實(shí)例1——鉆頭噴嘴射流沖擊力的優(yōu)化計(jì)算某一現(xiàn)場(chǎng)水力優(yōu)化的泵排量和測(cè)壓數(shù)據(jù)如表1所示，并且還已知測(cè)壓時(shí)舊鉆頭噴 嘴的總過流面積、泥漿密度、額定泵壓和泥漿泵的額定輸出水功率，并已知新鉆頭設(shè)計(jì)有三 個(gè)噴嘴，優(yōu)化限定條件是額定泵壓。表1.鉆頭水力優(yōu)化時(shí)的已知數(shù)據(jù) 選常數(shù)C = 1. 10，根據(jù)式10可以得到u = 1.658和k = 0.079，再通過式16、17 和18就可以得到如下的優(yōu)化泵排量、鉆頭噴嘴總過流面積和優(yōu)化的鉆頭射流沖擊力，如表
132所示。表2.鉆頭水力優(yōu)化計(jì)算出的數(shù)據(jù) 根據(jù)計(jì)算出優(yōu)化鉆頭噴嘴總過流面積202平方毫米和新鉆頭設(shè)計(jì)噴嘴數(shù)量3，每 支噴嘴的過流面積應(yīng)為202 + 3 = 67. 33平方毫米或直徑為4. 63毫米。從而，在下新鉆頭 時(shí)，所裝的噴嘴直徑要盡可能接近4. 63毫米，而鉆進(jìn)中的泵排量也要是盡可能接近26. 8升 /秒，這樣，鉆頭的射流沖擊力就可達(dá)到最大，約為5029牛頓。實(shí)例2——對(duì)鉆壓的優(yōu)化附圖1所示是鉆壓優(yōu)化的一個(gè)實(shí)例。其是在控制恒定鉆頭水力(泵排量、泵壓) 和轉(zhuǎn)速時(shí)而僅改變鉆壓的優(yōu)化操作。由此可見，當(dāng)鉆壓從小到大改變時(shí)歷經(jīng)A-B-C-D時(shí)間 段，在此時(shí)間段中可以看出在較低鉆壓A段單位破巖功較大，隨著鉆壓的加大，從B到C段 單位破巖功都較小，而當(dāng)鉆壓加大到D段時(shí)單位破巖功又增加到較大值，說明在鉆壓段B和 C時(shí)，鉆頭的切削效率都很高，而在A和D段時(shí)由于鉆壓過小和過大，鉆頭的切削效率都很 低。機(jī)械鉆速雖有些滯后，但可以看到在低切削效率時(shí)機(jī)械鉆速的較低。最后，根據(jù)變化鉆 壓試鉆的結(jié)果，最佳鉆壓確定為C段鉆壓，因此在后來的井段(E段)的試壓后的正常鉆進(jìn) 中，鉆壓就控制與C段相同的優(yōu)化鉆壓。以上對(duì)本發(fā)明的特定實(shí)施例結(jié)合圖示進(jìn)行了說明，但本發(fā)明的保護(hù)內(nèi)容不僅僅限 定于以上實(shí)施例，在本發(fā)明的所屬技術(shù)領(lǐng)域中，只要掌握通常知識(shí)，就可以在其技術(shù)要旨范 圍內(nèi)，進(jìn)行多種多樣的變更。
1權(quán)利要求
一種實(shí)時(shí)實(shí)地鉆井全參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于該方法包括以下組成部分(1)水力優(yōu)化通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定泥漿泵分別在至少兩組條件下的泵壓ΔP系統(tǒng) 測(cè)試和泵排量Q測(cè)試的值來計(jì)算表示泵排量和整個(gè)鉆井循環(huán)系統(tǒng)的除鉆頭外的其它部分的泥漿壓力降ΔP循環(huán) 測(cè)試之間的特性關(guān)系的系數(shù)k和u，從而根據(jù)系數(shù)k和u來確定優(yōu)化的泵排量和相應(yīng)的鉆頭噴嘴總過流面積，其中，k和u通過關(guān)系式log(ΔP循環(huán) 測(cè)試)＝log(k)+ulog(Q測(cè)試)計(jì)算出，ΔP循環(huán) 測(cè)試通過公式ΔP循環(huán) 測(cè)試＝ΔP系統(tǒng) 測(cè)試 ΔP鉆頭 測(cè)試計(jì)算出，ΔP鉆頭 測(cè)試代表每組條件下的鉆頭壓力降，其通過公式ΔP鉆頭 測(cè)試＝ρQ測(cè)試2/(C2A2)來計(jì)算，該式中C是常數(shù)系數(shù)，A代表鉆頭噴嘴總過流面積，ρ代表泥漿密度；(2)鉆壓優(yōu)化通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整鉆頭的鉆壓大小來觀測(cè)其對(duì)應(yīng)的鉆頭單位破巖功，根據(jù)最小的破巖功來確定優(yōu)化的鉆壓；(3)轉(zhuǎn)速優(yōu)化通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整鉆頭的轉(zhuǎn)速大小來觀測(cè)其對(duì)應(yīng)的鉆頭單位破巖功，根據(jù)最小的破巖功來確定優(yōu)化的轉(zhuǎn)速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，所述水力優(yōu)化是針對(duì)鉆頭噴嘴的射 流沖擊力的優(yōu)化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，針對(duì)鉆頭噴嘴的射流沖擊力的優(yōu)化 以泥漿泵的額定輸出功率為限制條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，針對(duì)鉆頭噴嘴的射流沖擊力的優(yōu)化 是通過以下計(jì)算公式量化的優(yōu)化后的泵排量Qim= (HHP/ (k(u+2)))1/(u+1)，其中HHP是指定的泥漿泵的額定輸出功率；優(yōu)化的整個(gè)鉆井循環(huán)系統(tǒng)的壓力降A(chǔ)Psu^ttft= (u+2) (k(Qttft)11)； 優(yōu)化的鉆頭壓力降ΔP鉆頭-優(yōu)化=(u+l)/ (u+2) Δ P系統(tǒng)-優(yōu)化； 優(yōu)化后的噴嘴總過流面積Aim= P ° 5Q優(yōu)化/(八P鉆頭-優(yōu)化(C2)) 5 ； 優(yōu)化的射流沖擊力F優(yōu)化=P · Q優(yōu)化2/Α優(yōu)化。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，針對(duì)鉆頭噴嘴的射流沖擊力的優(yōu)化 以泥漿泵的額定泵壓為限制條件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，針對(duì)鉆頭噴嘴的射流沖擊力的優(yōu)化 是通過以下計(jì)算公式量化的優(yōu)化的鉆頭壓力降ΔΡ鉆頭-優(yōu)化=u/(u+2)AP系統(tǒng)-額定，其中ΔP雜-額定是指定的泥漿泵 的額定泵壓；優(yōu)化后的泵排量Q優(yōu)化=(Δ P系統(tǒng)-額定2/ (u+2) /k)1/u ；優(yōu)化后的噴嘴總過流面積A優(yōu)化=P 0 5Q優(yōu)化/( Δ P鉆頭-優(yōu)化(C2)) 5 ；優(yōu)化的射流沖擊力F優(yōu)化=P Q優(yōu)化2/Α優(yōu)化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，所述水力優(yōu)化是針對(duì)鉆頭水功率的 優(yōu)化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，針對(duì)鉆頭水功率的優(yōu)化是通過以下 計(jì)算公式量化的優(yōu)化的鉆頭壓力降ΔP鉆頭-優(yōu)化=AP系統(tǒng)-額定循環(huán)-優(yōu)化=u/(u+l) AP系統(tǒng)-額定， 其中ΔΡ是指定的泥漿泵的額定泵壓，整個(gè)鉆井循環(huán)系統(tǒng)的除鉆頭以外的其它部分的壓力降；優(yōu)化后的泵排量Q優(yōu)化=(Δ P系統(tǒng)-額定/ (u+1) /k)1/11優(yōu)化后的噴嘴總過流面積A優(yōu)化=P 0 5Q優(yōu)化/( Δ P鉆頭-優(yōu)化(C2))0 5優(yōu)化后的鉆頭水功率HHP鉆頭-優(yōu)化=ΔΡ鉆頭-優(yōu)化· Q優(yōu)化。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，泵排量的優(yōu)化值是在固定鉆頭的鉆 壓和轉(zhuǎn)速的前提下，通過在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整泵排量的同時(shí)觀察鉆頭單位破巖功的變化來實(shí)時(shí)找到 使鉆頭單位破巖功最低的泵排量，或找到維持較低鉆頭單位破巖功不變的而值更低的泵排 量而得到的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，鉆壓和轉(zhuǎn)速的優(yōu)化過程不斷循環(huán)操 作，以對(duì)一定泵排量下的鉆壓和轉(zhuǎn)速進(jìn)行雙重優(yōu)化。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，鉆壓和轉(zhuǎn)速的優(yōu)化過程不斷循環(huán)操 作，以對(duì)所鉆的新地層的鉆井參數(shù)中的鉆壓和轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，所述的單位破巖功是按下式計(jì)算 的單位破巖功=K · [4 ·鉆壓/(圓周率·鉆頭直徑2)+480 ·(轉(zhuǎn)速·扭矩)/(鉆頭直徑 2 ·機(jī)械鉆速)]，其中K為常數(shù)系數(shù)。
13.權(quán)利要求12所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，常數(shù)系數(shù)K是任何非零實(shí)數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，在水力優(yōu)化中，通過確定循環(huán)系統(tǒng) 的不計(jì)鉆頭的壓耗和泵排量的對(duì)數(shù)直線關(guān)系來計(jì)算出優(yōu)化的泵排量和相應(yīng)的鉆頭噴嘴總 過流面積。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，所述水力優(yōu)化是針對(duì)鉆頭射流水功 率的優(yōu)化。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，所述水力優(yōu)化是針對(duì)鉆頭射流沖擊 力的優(yōu)化。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，所述的單位破巖功是按下式計(jì)算的單位破巖功=K ·[(鉆壓·機(jī)械鉆速)/ (鉆頭面積·機(jī)械鉆速)+ (60 ·轉(zhuǎn)速· 2 ·圓周 率)·(扭矩)/ (鉆頭面積·機(jī)械鉆速)]，其中K是一個(gè)常數(shù)系數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，常數(shù)系數(shù)K是任何非零實(shí)數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，單位破巖功的最低值是以被鉆巖石 抗壓強(qiáng)度來確定的。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，單位破巖功的最低值=K·巖石抗 壓強(qiáng)度，其中K是一個(gè)實(shí)數(shù)常數(shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全參數(shù)優(yōu)化方法，其中，單位破巖功的最低值是以鉆過井段 的單位破巖功的一個(gè)最小值或多個(gè)較小值的連線來確定的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種實(shí)時(shí)實(shí)地全參數(shù)優(yōu)化鉆井方法，其主要包括水力優(yōu)化、鉆壓優(yōu)化及轉(zhuǎn)速優(yōu)化三部分。該法通過實(shí)地測(cè)量出的泵排量和泵壓的關(guān)系來確定最優(yōu)的水力參數(shù)，以及選定鉆頭噴嘴的尺寸，在此前提條件下，再通過實(shí)時(shí)觀測(cè)在調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)速時(shí)鉆頭所作的單位破巖功的變化以確定關(guān)于當(dāng)前鉆進(jìn)地層的最佳鉆壓和轉(zhuǎn)速。鉆井現(xiàn)場(chǎng)施工人員據(jù)此可以對(duì)鉆井水力、鉆壓和轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)和實(shí)地優(yōu)化，從而最大化鉆井效率，最大化鉆井機(jī)械鉆速，并提高鉆頭的使用壽命或單只鉆頭進(jìn)尺。
文檔編號(hào)E21B21/08GK101899969SQ201010142378
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月24日
發(fā)明者王洪 申請(qǐng)人:蘇州銳石能源開發(fā)技術(shù)有限公司