钻井与完井工程教材第四章钻进工艺

第四章 钻进工艺

在钻井工程中，大量的工作是破碎岩石、加深井眼的钻进过程。钻进工艺就是在分析和处理钻井数据和资料的基础上，全面、准确地认识钻井过程的客观规律，立足于现有装备条件，采用各种数学、物理方法确定合理的钻井参数及钻井措施，使钻进过程的整体经济效果达到最优的工艺技术。显然，掌握良好的基础理论知识，了解国内外先进技术动态，富有进取和创新精神，是学习钻进工艺必不可少的基础条件。

第一节 钻进过程的系统分析

一、系统特征

钻进过程是由多个子系统综合运行作业而汇集的复杂系统，其系统特征表现为“五多一长”，即：多工序的作业环节；多工种的操作配合；多专业的协调管理；多因素的环境影响；多渠道的横向调节；长战线的后勤保障规模。各子系统间的相互作用、约束及各子系统本身的行为构成了系统的整体行为。显然，各子系统的运行是否良好，各子系统之间的相互作用是否正常，对钻进过程全局有着直接的、重要的影响。

根据钻进过程的系统特征可知，系统目标主要体现在安全、成功、效益三个方面。在系统目标中，最重要的应该安全，即：人身安全、设备安全、井眼安全。如果安全得不到保证，出了事故，所造成的损失往往是非常严重的。系统目标中第二位的应该是成功：井身质量好、固井质量高、录井资料齐全、油气层得到保护等。系统目标中第三位的是效益指标：钻井速度、建井周期、成本等。实践证明：不安全、不成功的井，其经济效益指标肯定是很差的。这说明安全、成功与效益三个指标往往是相互联系的，不顾安全、不顾质量地一味追求高钻速、短周期、低成本，结果往往适得其反；而严密的安全措施、合理的质量保障本身就是效益。由于钻进过程系统目标中安全与成功二大因素是比较复杂的，难以量化，因而系统目标函数也难以建立。一般的解决办法，是把容易量化的效益指标作为系统目标，把安全与成功作为系统约束条件，建立系统目标函数。

按照系统论的观点与方法，钻进过程总是在自觉与不自觉中追求系统目标的实现。例如在一个新构造上，开始的几口井钻的不会太好，但随着这个地区钻井活动

的增加，各种经验教训的积累，以后的井就会越钻越好。这个趋势可用

“学习曲线”来表示，如图4-1所示。

图4-1 钻井学习曲线

“学习曲线”表明，如果不采用科学的理论与方法，而只依靠经验教训的简单积累，则“学习曲线”下降缓慢，说明离系统目标还有一定距离；反之，如果有意识地、积极地采用科学的理论与方法指导，分析钻进过程中出现的问题，寻找解决办法，则“学习曲线”下降十分迅速并趋于稳定，说明已十分接近系统目标。真正比较完善、成熟的钻进工艺技术，应该是在新区钻探少数几口井后，就可以使“学习曲线”下降到相对稳定的低点。而钻进工艺技术的优劣又取决于对钻进过程影响因素的了解和变化规律的的掌握程度。

二、影响因素

影响系统目标的因素很多，其中直接与钻进过程有关的主要因素，一般可分为两大类：一类是地层岩性等不可改变或不可任意改变的客观因素；一类是钻头类型、钻井液性能、水力参数和钻压、转速等可任意确定的可调变量。深入研究、掌握这些可调变量对钻进过程的影响规律，是实现系统目标的重要基础。

1、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。

对症下药必将收到预期的效果。

2、钻井液性能

钻井液性能是影响系统目标的重要可调变量。近三十年来许多科技人员对钻井液性能与系统目标中的重要指标——钻进速度的关系，进行了大量的深入研究。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。

这些钻井液性能对钻速的影响规律如图4-2示。

图4-2 钻井液性能对钻速的影响

钻井液密度对钻速的影响最大，密度越低则钻速越快。根据油田统计资料表明，钻井液密度由1.20以上降低到1.10-1.06的范围内时，平均机械钻速将提高近一倍。同时， 钻速在密度1.08处有一个突变点。小于1.08时钻速会大幅度上升，而大于1.08时钻速又下降很快。钻井液密度影响钻速的原因很多。有人认为，液柱与地层流体之间的压差（即岩层压持压力）使被钻头破碎的岩屑紧紧附在井底，井底净化不良自然要造成重复切削，降低钻头破碎岩石的效率，从而影响机械钻速

和钻头进尺。还有人认为，液柱压力与地层压力之差可以增大井底岩石的可钻强度使钻速降低；水马力一定时，钻井液密度越大，压力降越大，排量也越小，也会降低钻速。除此之外，过低的钻井液密度不能有效地平衡地层压力，容易引发井壁垮塌、井喷等事故；过高的钻井液密度又容易压漏地层、污染油气储层。确定合理的钻井液密度是实现系统目标中最难解决的问题之一。

钻井液粘度也是显著影响钻速的重要因素。钻井液粘度越小，钻速越小，钻速越快。当粘度变得很小时（接近清水），钻速有急剧的增加。钻井液粘度影响钻速的机理还不大清楚。有人认为，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，导致了钻速的降低。

钻井液失水量大则钻速较快，有的研究指出，失水影响钻速与粘度有关，降失水剂一般都增大液相粘度，所以使用降失水剂后，失水量下降，粘度增大，必然导致钻速下降。

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。

油基钻井液的钻速一般要比相同密度的水基钻井液约低20-30％，在一般的混油钻井液中， 少量的掺入油会使钻速略有增加，继续加大含油量又会使钻速降低。

钻井液性能选择的好坏基本上取决于选择者的知识、经验和对地层的认识，以及使用过程中的及时调整。所以，国外多家石油公司都研制了依据大量钻井液影响规律和使用经验的专家系统，让计算机做为一个有知识、有经验的钻井液专家，协助钻井工程师进行生产现场的钻井液性能选择和使用，通过自身的学习机制，最终成为一个完善的专家系统。

3、钻头类型

钻头类型钻进过程系统目标有重大影响。一方面不同的钻头类型，由于结构不同、破岩机理各异，因而有各自的适用范围。如刮刀钻头适用于极软、软及中硬地层；牙轮钻头从极软到坚硬地层都有相应的品种和系列可供选用；金刚石钻头主要用于中硬、硬及坚硬地层。只有钻头类型与钻井地层岩性相匹配，才能获得最好的钻井效果。另一方面，在相同类的钻头中，由于品种和系列不同，钻进效果也有很大的差异。对牙轮钻头来说，当使用长齿和大牙轮偏移角的钻头时，在软地层中的初钻速常常是最高的，而在硬地层中则由于牙齿迅速磨损而使钻速减慢。这就需要选用最合适的齿型、材料，配合最好的钻头工作条件，才能取得最低的单位进尺成本；刮刀钻头是按楔入岩石的破碎机理设计的，钻井效率取决于刀片数和井底切削角；金刚石和PDC钻头是按每转吃入深度设计的， 钻进效率由金刚石或复合片的大小和数量来决定。在大多数情况下，合理的钻头选型对实现钻进过程系统目标起着关键的作用。 4、水力参数

水力参数是指泵压、排量、喷嘴直径等与钻井液循环系统有关的参数。水力参数对钻进过程系统目标的影响关系比较复杂，目前的研究主要集中在水力因素对钻速的影响规律方面。通过机理分析和实验研究，一般认为水力参数对钻速的影响是由于射流的形成。钻井液通过喷嘴形成的射流有二方面的作用：一是水力破岩作用，二是水力清岩作用。射流的作用机理、合理的泵功率分配、排量和喷嘴直径的确定，是水力参数的必须解决的定量计算问题。 5、机械参数

钻压、转速是直接作用于井底藉以破碎岩石的基本参数。近三十年来，国外在这方面曾进行相当广泛深入的研究，并已取得了比较满意的成果。由于钻压、转速是通过钻头破碎岩石的，它们的作用不仅对钻进速度有影响，同时也会影响钻头的磨损速度和工作寿命。因此在选择钻压、转速时，必须综合考虑这两方面的影响，确定合理的配合。

三、研究方法

未知的钻进规律对我们来讲就相当于一个不知内部结构的“黑箱子”，这个黑箱子的行为是有规律的。为了得知黑箱子的行为规律，我们可以采用两种方法：一是打开黑箱子，研究其内部结构，这就相当于从力学、物理、化学的角度出发，从微观上研究事物的本质。待黑箱的内部结构都清楚了，黑箱的行为也就可以推断出来了。无疑，这是一种常规的建模方法。第二种方法就是不管黑箱的内部结构如何，只研究它的行为规律。所谓行为，就是指黑箱对于一定的输入状态，唯一地对应着一定的输出状态。通过对黑箱行为的一定量的观察（必要的情况下也可以设定一些主动实验），我们就可以找到黑箱行为的规律，这就是控制论中所谓的“黑箱理论”。一般在对钻进过程的影响规律分析时综合采用了这二种研究方法。

钻进工艺包括的内容非常广泛，可以说凡是涉及到钻井过程的决策与施工问题都属于钻进工艺的范围。对一口井的整个施工过程进行优化处理是钻进工艺追求的理想目标，希望能从系统工程的观点出发使整个施工过程达到优化。但由于钻井过程是一个多维的、复杂的大系统，系统本身存在着一定的不确定性——随机性和模糊性。根据“大系统与高精度不相容原理”，要实现这个理想目标难度很大。解决的办法，可将大系统分解成若干相对独立的小系统，通过实现小系统的优化处理来接近大系统的优化目标。

在钻进过程大系统的诸多子系统中，各子系统既对系统目标有比较独特的的影响，子系统间也有不可忽视的交互作用，且子系统间的交互影响规律难以定量描述。目前的研究办法，大多将各子系统作为相对独立的系统来考虑，在一定程度上淡化子系统间的交互作用，交互作用仅作为各个相对独立系统的约束条件出现。

综上所述，钻进工艺的研究方法遵循了系统工程的基本原则，是一种由大变小、由复杂到简单的简化过程，基本能够满足目前条件下工程实践的需要。随着科学技术的进步、交叉学科的发展，系统影响规律认识的进一步提高，对现有的简化过程需要进行补充和完善，逐步恢复到复杂大系统的本来面目，最终实现大系统的优化目标。这种认识上的螺旋发展、结果精度的不断提升，符合事物发展的客观规律，是认识论中立场、观点、方法的具体体现。

第二节 地层岩性

钻井的目的在于破碎岩石形成井眼。作用在井底岩石上的力，有上覆岩层压力、钻井液液柱压力、地层孔隙压力等。研究岩石在各种应力状态下的力学性质和破碎特点，有利于了解和掌握钻井所面对的工作对象----地层岩性。

由于地层岩性比较复杂，因而地层岩性是一个多指标的范畴（如强度、硬度等），不同的指标从不同的角度反映了地层岩性的本质，但又存在一定的差异。因此，在确定地层岩性时，应根据多种指标进行综合判定。

一、岩石的物理机械性质

1、弹性、塑性、弹性模量与泊松比的概念

任何物体，均为许多小质点所组成，这种质点称为分子；分子之间互有作用力（引力或斥力）。当有外力作用于物体使其变形时，这种分子间作用力便阻碍其变形。待物体因受外力而变形至某一程度，分子间的作用力适与外力相等而成平衡。此时物体便处于平衡状态。当除去外力，物体能回复原状的特性，称为弹性。当除去外力，物体不能恢复原状的特性，称为塑性，有的也称受范性。除了残余变形（非弹性变形）属于塑性的现象以外，松驰、后效、蠕变、疲劳等也属于塑性的变形现象。

弹性体在外力的作用下，其应力与应变的关系服从虎克定律，即

E （4-1）

式中s——物体的应力，为单位面积上的内力，MPa；

e——单位长度的变形，无量纲；

E——弹性模量，也叫弹性系数或杨氏系数，量纲与应力同。

由（4-1）式可以看出，外力引起弹性体的内力，内力随外力而变化。外力使

弹性体变形，而内力则抵抗变形，且企图消除弹性体已得的变形。弹性模量E则不随上述条件变化，只与弹性体本身的特性有关。这里

E代表了物体对弹性变形的抵抗能力。

当弹性体在纵向受外力后，引起纵向的应力sz，并在纵向产生变形，以应变ez表示之。与此同时，在横向也会引起变形，以ex、ey表示之。如果材料是各向同性的，便有以下关系式：

x/zy/z式中m——泊松比。

（4-2）

如（4-2）式中ex¹ey，便是各向异性的。 2、岩石的弹性模量与泊松比

上述几个概念，也适用于岩石。但是岩石一般不是理想的材料，因此受外力后不会服从理想弹性的虎克定律，岩石的弹性模量也不会是一个固定的数值，而在一个范围内变化。但组成岩石的矿物，在单独存在时一般都服从虎克定律。现列出一些矿物的弹性模量如表4-1。一些岩石的弹性模量及泊松比如表4-2。

表4-1 矿物的弹性模量

矿 物 刚 玉 黄 玉 石 英 长 石 方解石 石 膏 岩 盐

弹性模量E´10MPa 52 30 7.85~10 £8.0 5.8~9.0 1.2~1.5 £4.0 表4-2 岩石的弹性模量泊松比

4岩石 粘土 致密泥岩 页岩 砂岩 石灰岩 大理岩 E´10MPa 0.03 — 1.5~2.5 3.3~7.8 1.3~8.5 3.9~9.2 4泊松比m 0.38~0.45 0.25~0.35 0.10~0.20 0.30~0.35 0.28~0.33 —

白云岩 花岗岩 玄武岩 石英岩 正长岩 闪长岩 辉绿岩 岩盐

岩石的弹性模量还与应变种类和加载大小有很大的关系。当载荷小时，各种应变情况下的弹性模量差别不大。当载荷大时，这种差别就显著起来。当岩石被拉伸时，其弹性模量随载荷的增加而减小。与此相反，当岩石被压缩时，其弹性模量随载荷的增加而增加。如图4-3所示。

2.1~16.5 2.6~6.0 6~10 7.5~10 6.8 7~10 7~11 — — 0.26~0.29 0.25 — 0.25 0.25 0.25 0.44

图4--3 岩石在弹性范围内的应力应变简略曲线

1-拉伸情况；2-压缩情况

沉积岩的主要特征是层理。层理对弹性模量及泊松比有明显的影响。表4-3是几种沉积岩因层理所表现的数据上的差异，即岩石的各向异性。用平行于层理（以∥符号表示）和垂直于层理（以上符号表示）的试验方法得出。

表4-3 几种沉积岩的各向异性

岩石名称 粗砂岩 E´10MPa ∥ 0.93~4.19 ⊥ 1.73~4.54 ∥ 4泊松比m ⊥ 0.12~0.36 0.10~0.45

中砂岩 细砂岩 粉砂岩

二、岩石的强度 1、强度的概念

物体受外力作用而达到破坏时的应力，称为物体的强度。这是物体的机械性质，是物体抵抗外力破坏的能力。按破坏前物体残余变形的大小，可分为塑性和脆性的两种。脆性的物体在极小的残余变形下即被破坏，而塑性物体的破坏，只是在显著的残余变形之后才发生。

岩石的强度概念也是这样。通常用四种强度描述岩石的强度性质。 （1）单轴抗压强度

简称抗压强度。通常在常温常压下用抗压强度试验机测定，取压坏岩样时的外力除以岩样横截面积，即得岩样的单轴抗压强度。单位为兆帕。

许多部门都采用抗压强度这一性质，应用较广。抗压强度虽不能直接用于石油钻井的井下条件，但仍在使用。如美国IADC就使用岩石的抗压强度，以其高低划分地层，便于钻头选型。美国休斯公司也将常见岩石的抗压强度列在三牙轮钻头手册上，以便选用钻头时参考。

（2）抗拉强度

岩石的单轴抗拉强度也可用与金属拉伸试验相同的方法测定。岩样拉断时的应力即为岩石的抗拉强度，单位兆帕。这种求岩石抗拉强度的方法较为直观。

（3）抗剪强度

为在剪切力的作用下岩石破坏时的应力。较为直观的测定方法是将方块长条岩样固定在支架上，支架在岩样下方形成一个支点，与岩样上方的切刀合在一起构成一对剪切力，当剪切力足够大时，岩样被剪断。此时岩样单位面积上的剪应力即岩石的抗剪强度。

（4）抗弯强度

为在弯曲力矩作用下岩石发生破坏时的应力。可用简支梁法测定，将长方条形岩样下方支在两支点上，在上方位于两下支点中央处通过支点向下加压力。岩样受弯曲力矩。当岩样被压到折断时的应力即岩石的抗弯强度。

2.87~4.19 2.83~4.95 1.01~3.23 2.68~3.37 2.90~4.60 0.84~3.05 0.12 0.10~0.22 0.15~0.50 0.10~0.22 0.15~0.36 0.28~0.47

2、岩石的四种强度

岩石由于其本身结构、组成、成因等特点，其强度与应变形式有很大的关系。一些岩石的单轴抗压强度sc、抗拉强度st和抗剪强度ts的数值列于表4-4。

表4-4 岩石的抗压、抗拉、抗剪强度

岩石 sc MPa st MPa 5．1 5．20 7．95 1．7~8 3．2 1．9 2．4 5．8 6．9 9．1 12 14．3 13．5 14．4 13．4 ts MPa 9．6 11．8 14．5 19．8 22．1 24．4 31．6 34．7 粗粒砂岩 中粒砂岩 细粒砂岩 页岩 泥岩 石膏 含膏灰岩 安山岩 白云岩 石灰岩 花岗岩 正长岩 辉长岩 石英岩 辉绿岩

142 151 185 14~61 18 17 42 98．6 162 138 166 215．2 230 305 343 如以抗压强度sc为1，则其余应变形式的强度与抗压强度的粗略关系如表4-5所列。

表4-5 岩石各种强度间的比例关系

岩石 抗压强度 抗拉强度 抗剪强度 抗弯强度

花岗石 砂岩 石灰岩

沉积岩的层理对强度的影响甚大，表4-6是几种沉积岩在平行于层理方向（用∥表示）和垂直于层理方向（用⊥表示）测出的结果。

表4-6 几种沉积岩的各向异性（不同方向的强度）

抗压强度 岩石 ∥ 粗砂岩 中砂岩 细砂岩 粉砂岩 1185~1575 1170~2160 1378~2410 344~1045 *10MPa ⊥ 1423~1760 1470~2060 1335~2205 554~1147 -11 1 1 0.02~0.04 0.02~0.05 0.04~0.10 0.09 0.10~0.12 0.15 0.03 0.06~0.20 0.06~0.10 抗压强度 抗压强度 抗压强度 *10 MPa ∥ 44.3 5 77.0 80.7~118 — 52.0 60~79.5 — ⊥ 51.4~52.-1*10 MPa ∥ 483 336~594 432~595 48~113 ⊥ 470 482~618 524~649 -1*10 MPa ∥ 111~172 162~226 208.5~265.177.5 3 22.7~166 43.0 ⊥ 103 131~194 -1129~198

3、压力条件下岩石强度的特点

上面讨论的岩石强度问题，可以给出岩石关于强度的一般概念。石油钻井中所遇到的岩石是处于压力、温度、液体介质的条件下。显然这些条件会对岩石机械性质带来影响。这里简述压力的影响。

岩石在地层深处处于各方受压的状态，通过模拟这种压力条件的三轴试验，可以了解到岩石在压力条件下的强度特点。主要表现在两个方面：

（1）岩石强度增加。根据试验资料，当大理岩的围压从0增加到165兆帕时，其强度从136兆帕增大到390兆帕，增加了254兆帕。砂岩的强度，当围压从0增大到155兆帕时，其强度从69兆帕增大到330兆帕。根据另一试验资料可知，岩石不同，受围压的影响也不同。如砂岩试样当围压从0增大到200兆帕时，其抗压强度增大十二倍左右；而岩盐的抗压强度仅增大一倍左右。其余岩石，如白云岩、

硬石膏、大理岩、石灰岩、页岩试样的抗压强度，在此条件下约增大

4~10倍。

（2）岩石的塑性变形增大，脆性破坏转变为塑性变形或塑性破坏。岩石在围压影响下变形的试验资料列于表4-7。

一般认为岩石的总变形量达到3~5%，就开始具有塑性性质，或已实现了从脆性到塑性的转变。表4-7中除石英砂岩仍然保持脆性破坏之外，其余岩石均已具有明显的塑性性质。岩性不同，岩石从脆性转变为塑性的围压也不同。

表4-7 岩石的围压下的塑性变形

在下列围压下破坏的变形量% 岩石 围压100 MPa OIL CREEK 石英砂岩 HASMARK 白去岩 BLAIN 硬石膏 YULE 大理岩 BARUS 砂岩 MARIANNA 石灰岩 MUDDY 页岩 岩盐 2.9 7.3 7.0 22.0 25.8 29.1 15.0 28.8 围压200 MPa 3.8 13.0 22.3 28.8 25.9 27.2 25.0 27.5

三、岩石的硬度和塑性系数

前面讨论的岩石性质，主要是从力学角度出发建立的一些概念，与钻头在井下工作的状态差别较大。比较接近于钻头破碎岩石的机械性质，是岩石的硬度。牙轮钻头破碎岩石的过程中，有一种在垂直向下的载荷作用下压入岩石并破坏岩石的作用，把这种作用简化为用一压头压入岩石并使之破坏的作用过程，求出岩石局部压坏时的单位载荷，以此代表岩石的机械性质，称之为岩石的硬度。故硬度可理解为岩石抵抗其它物体压入其内的能力，即岩石的抗压入强度。

常用压模和压头压入法测定岩石硬度。作用在压模上的载荷与压入深度关系曲线见图4-4。

图4-4 载荷与压入深度关系曲线

由载荷与压入深度关系曲线图4-4可知，测定结果分三种。其中a图是脆性岩石，其特点是载荷P和吃深h成线性关系。硬度Py用下式计算。

PyP/S （4-3） 式中P——产生脆性破碎时压模上的载荷，N；

S——压模的底面积，mm。

塑性系数K为岩石破碎前耗费的总功AF与弹性变形功AE的比值。AF及AE用a图中P-h曲线下面的面积计算。故脆性岩石的塑性系数K为K=AF/AE=面积ODE/面积ODE=1。图4-4中b是塑脆性岩石，P-h曲线包含了弹性变形和塑性变形两个变形区，塑性变形末了也产生脆性破坏，故硬度Py的计算法仍可用4-3式。塑性系数K==AF/AE=面积OABC/面积ODE=1~6。这类岩石的K值一般取1~6。图4-4中c是塑性岩石，其特点是只有塑性变形，而无脆性破碎。故其硬度Py无法按4-3式计算，而取P-h曲线中的屈服点P0代替之。塑性岩石的K值，因AF不能从P-h曲线中求出，故取无穷大¥。

岩石硬度和塑性系数分类情况见下表4-8、表4-9。

表4-8 岩石硬度分类表

类别 级别 1 2 软 3 4 5 6 中 7 8 9 10 硬 11 12 2

硬度 N/mm

表4-9 塑性系数分类表

2< 98 -- 245 -- 490 -- 980 -- 1470 -- 1960 -- 2940 -- 3920 -- 4900 -- 5880 -- 6860 > 6860 类别 1 2 >1--2 塑脆性 3 2--3 4 3--4 5 4--6 6 6--∞ 塑性 塑性系数 1 岩石属性 脆性 低塑性----高塑性

岩石硬度及塑性系数两项机械性质，是直接用岩芯测出来的，这对于理解岩石破碎过程中的性质有所帮助。但是试验条件与实际情况不同，许多因素都没有考虑，如钻头结构、钻头转速、冲击载荷、洗井液性质、水力因素、岩石压力、地层压力、井下温度等。而这些因素的影响又是很显著的。因此，在利用这些数据时，还应考虑到这些因素的影响。

四、岩石的研磨性

在用机械方法破碎岩石的过程中，钻井工具（例如钻头、钎子等）和岩石产生连续的或间歇的接触和磨擦，从而在破碎岩石的同时，这些工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝、损坏。除了金刚石以外，制造钻头的材料多为淬火钢或硬质合金（近年来又出现了一些人造金刚石等超硬材料），岩石磨损这些材料的能力称为岩石研磨性

（Rock-abrasiveness）。钻头刃的磨损一般是表面的研磨性磨损， 在有些情况下也可能出下疲劳的磨损（例如牙轮钻头齿），至于刮刀钻头硬质合金工作刃或人造金刚石聚晶块的脱落折断不属于正常的磨损。 研究岩石的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（轴承的磨损及寿命问题不在此讨论之列），对于提高钻井速度是极重要的问题。下面仅就有关这方面的研究情况，包括研究方法、所发现的规律性关系以及对岩石按研磨性的分类等进行必要的讨论。

由于岩石的研磨性取决于各种因素，因此有必要根据某一个量作为标准对岩石的研磨性进行分类。这个分类应该包括有岩相的必要数据，以便在实际应用时建立岩石相对研磨性的比较，从而能对设计钻井工具、钻头及选择使用参数并预计应用效果和对实际矿场使用效果的分析等提供参考依据。史立涅尔等根据研究的结果提出了这样的分类（见表4－10）。

表4-10是根据研磨系数ω值大小作出的分类，把各种岩石（包括晶质岩石和碎屑岩）按研磨性的大小共分为12级。

通过对上述试验数据的分析可以认为，盐岩、泥岩和一些硫酸盐岩、 碳酸盐岩（当不含有石英颗粒时）属于研磨性最小的岩石；其次应为石灰岩和白云岩等， 属于低研磨性的岩石；火成岩的研磨性一般属于中等或较高，要看这些岩石中所含长石和石英成分的多少以及颗粒度和多晶矿物间的硬度差而定。含长石及石英成分少、粒度细、矿物间的硬度差小的研磨性也小些，反之则研磨性较高；含有刚玉矿物成分的岩石应属于高研磨性的岩石；沉积碎屑岩的研磨性主要视其石英颗粒的含量及其胶结硬度而定，石英颗粒含量越多、粒度越粗、胶结强度越小的岩石，其研磨性越高，反之，如石英颗粒的含量少、颗粒细、胶结强度大的岩石，则其研磨性应较低。

表4—10 各种岩石按单位磨擦路磨损的研磨性分类表

淬火钢 研磨性级别 研磨性系岩 石 数 ω,10 1 2 3 4 5 泥岩和碳酸盐岩 石灰岩 白云岩 硅质结晶岩石 含铁-镁岩石及含5%石英的低研磨性岩石 3.5-12 22 20 31 35 1-3 6.5 6.0 9 10 -9

硬质合金 研磨性系数ω,10 -9相对研磨性 相对研磨性 0.1-0.3 1-3 0.6 1.2 2.0 2.5 6 12 20 25

6 7 石英晶质岩石 8 石英碎屑岩，硬度Py≥35千巴 9 石英碎屑岩，硬度Py=20—35千巴及含石英10 11 石英碎屑岩，硬度Py < 10千巴 12 200-300 60-95 颗粒10—20%的岩石 石英碎屑岩，硬度Py=10—20千巴及含石英颗粒达30%的岩石 120-200 35-60 90-120 25-35 5.0 50 57-90 16-25 57 16 4.5 45 长石岩 含石英多于15%的长石岩及含石英颗粒10%的较低研磨性岩石 40 45 12 13 3.0 4.0 30 40

五、岩石的可钻性

可钻性一般理解为岩石破碎的难易性，由此把岩石分为难钻的和易钻的。在有些情况下，可钻性可以确定岩石在井底抗钻头破碎它的能力。 岩石的可钻性是个多变量的函数，这些变量包括有天然的、工艺的和技术的因素。因此到目前为止，适合于油气井钻井条件的岩石可钻性问题仍是个尚未彻底解决的问题。但是，对岩石可钻性的正确评价又是确定钻井参数、选择钻头类型、预测钻井效果以及规定钻进工作定额时所必需的。

近年来，不少研究者都逐渐认识到，单纯按某一项岩石机械性质去评价岩石的可钻性是不合适的，岩石可钻性是取决于所使用的钻井方法的。因此提出测定岩石可钻性的正确方法应该是“去钻岩石”才能得出合乎实际的有用数据，而这个“钻岩石”的方法又应与实际钻井方法的破岩方式相一致。在这种思想驱使下，国内外出现了很多研究可钻性的

方法。其中评价用牙轮钻头钻井时岩石可钻性的研究以罗劳(Rollow A.G.)在1962 年提出的微型钻头钻进法较为完善。

在罗劳方法的基础上，近年来在我国石油界也开展了这方面的研究工作，研制成功可钻性测试仪，经过对大量地下岩芯的试验数据的统计分析，得出了按微钻头钻时Ｙ（秒）取以2为底的对数，即Log2Y为指标，可将各地层按可钻性分为10级（注：Log2Y的整数值即为可钻性级别），见表4-11。

表4-11 地层可钻性分类表

测定值（秒） 级别 类别 1 2 软 3 4 5 6 中 7 8 9 硬 10 <4 --8 --16 --32 --64 --128 --256 --512 --1024 >1024

综上所述，地层岩性的研究对钻井工程是一项重要的基础工作，国内外各主要油田对地层岩性的测定相当重视我国各主要油田的地层可钻性已先后进行了测定。但是，地层岩性的测定，主要依靠取自井下的岩心，而岩心的获取和制备有一定的困难。利用测井资料确定地层岩性，是目前较为理想的一种方法，可以代替部分岩心实验。具体方法可参考有关资料。

第三节 钻头

油气埋藏在地下，为了寻找油气，取得地下资源，必须大量地破碎岩石、钻

穿地层。现在的钻井方法，主要是用机械方法破碎岩石，破碎岩石的工具就称为钻头。

钻头是破碎岩石形成井眼的主要工具，它直接影响着钻井速度，钻井质量和钻井成本。如果能用少量钻头迅速钻完一口井，那将会使整个钻进过程中，起下钻次数减少、建井速度加快、钻井成本降低。因此，选择破碎效率高、坚固耐用的钻头，以及使用好钻头，就具有特别重要的意义。

一、钻头类型 1、刮刀钻头

刮刀钻头是旋转钻井中最早使用的一种钻头。这种钻头结构简单，制造方便。刮刀钻头适用于松软一软的地层，例如在泥岩、页岩和泥质胶结的砂岩等地层，可以取得很高的机械钻速和钻头进尺。但是在硬而研磨性高的地层中钻进，刀片吃入困难，钻头磨损快，机械钻速低，有时还出现蹩跳现象，对钻具和设备寿命有一定影响。

虽然如此，只要正确地使用，充分发挥刮刀钻头在软地层中钻进的优势，对提高钻进速度，降低钻进成本仍然是有效的。常见的刮刀钻头如图4-5所示。

图4-5 刮刀钻头

2、牙轮钻头

牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。这是由于牙轮钻头旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用；牙齿与井底的接触面积小，比压高；工作扭矩小；工作刃总长度大等特点，因而使牙轮钻头能适用于多种性质的岩石。目前常用的牙轮钻头为三牙轮钻头，如图4-6所示。

图4-6 三牙轮钻头

目前牙轮钻头按牙齿材料不同分为铣齿（也称钢齿）和镶齿（也称硬质合金齿）二大类。铣齿牙轮钻头的牙齿均为楔形齿，由牙轮毛胚直接铣削加工而成，如图4-7所示。

图4-7 铣齿类型

镶齿的硬度和抗磨性比铣齿高，寿命比铣齿长。常见镶齿如图4-8所示。

图4—8 镶齿类型

3、金刚石钻头

以金刚石做工作刃的钻头称为金刚石钻头。金刚石钻头早期是在地质钻探中使用，石油钻井中使用只有四十多年的历史。最初只用在极硬地层和研磨性大的地层。最近十多年来金刚石钻头技术取得了飞跃性的进展，金刚石钻头品种增加，使用范围扩大，取得了满意的效果。金刚石钻头品种主要有： 1940年 天然金刚石钻头

1978年 PDC钻头（聚晶金刚石复合片钻头）

1983年 巴拉斯钻头（Ballaset，热稳定聚晶金刚石钻头） 1985年 马赛克钻头（Mosaic钻头） 1987年 大复合片PDC钻头

目前金刚石钻头已不再是只能打坚硬地层的天然金刚石钻头的单一品种，而是形成一个能钻进从极软到极硬地层的完整系列。由于金刚石钻头能在低钻压、高转数下取得高钻速和高进尺，所以在许多钻井作业中，能取得牙轮钻头无法比拟的技术——经济效益，成为快速——防斜钻井、定向钻井、超深钻井、海洋钻井、高温钻井、井下动力钻井中高效、经济、安全的优良钻井工具。据专家预测，在本世纪末，各种金刚石钻头的钻井工作量有可能占总钻井工作量的30％。

金刚石钻头近年来取得飞跃发展的容观原因，是它适应了目前世界上石油钻井向海洋发展、向深井发展、向定向丛式钻井发展的结果，也是井下动力（涡轮钻、螺杆钻）钻井发展的必不可少的配套工具。

在以上这些钻井工程中钻机维持费用高昂、井下情况复杂（高压、高温、高密度钻井液、脆性岩石在深部转化为拟塑性岩石、以及地层的膨胀、坍塌、漏失等）需用高效、高安全度的钻头来代替牙轮钻头，节约频繁的起下钻换钻头、打捞井底牙轮钻头落物、清理井下事故等作业。定向钻井及井下动力钻井需要低钻压高转速的钻头，而这正是目前锒齿密封牙轮钻头所难以适应的。

金刚石钻头技术取得飞跃发展的另一原因是由于近年来高温高压物理技术及超硬材料技术的进步，创造出聚晶人造金刚石复合片，大尺寸（直径可达2”）复合片及热稳定聚晶金刚石切削块等新材斜。没有材料科学上的进步，金刚石钻头新产品的发展是不可想像的。 （1）金刚石钻头的结构

各种系列的金刚石钻头具有基本上相似的结掏，由以下几个主要部份组成；切削元件、胎体（包括浸渍金属）钢体、接头、喷嘴（或水眼）。如图4-9所示。

图4-9 金刚石钻头

PDC钻头、大复合片钻头、马赛克钻头采用硬质合金喷咀，其液流总面积（TFA）等于喷咀截面之和，天然金刚石及巴拉斯钻头的TFA等于冠顶部位高压水眼横截面之和并加一附加系数（考虑金刚石及聚晶块的出刃）。

（2）钻头切削元件

使用不同的切削元件就形成不同的钻头系列，金刚石钻头有四种基本的切削元件。

聚晶金刚石复合片——PDC钻头及大复合片钻头的切削元件，如图4-10所示。

图4-10 聚晶金刚石复合片

聚晶金刚石复合片是在16OOC，6~8万大气压的压力下由六面顶及双面顶压机一次烧结出来的复合材料，随着高温高压技术的进步，复合片直径由原来的1/2＇＇增大至1＇＇、11/2＇＇、2＇＇，复合片上部为聚晶金刚石薄层（0.6~0.635mm）是切削元件锋锐的刃口，硬度及耐磨性极高，但抗冲击韧性差。下部为碳化钨基片，其耐磨性仅为金刚石聚晶层的1/100，斯以在钻井过程中易于形成“自锐”，同时其抗冲击性好，为金刚石层提供良好的弹性依托。

标准PDC钻头的复合片尺寸为φ13.44*8 mm是在钻头烧结后，采用熔点较低的Ag一Cu合金铅焊于钻头胎体孔穴上的。PDC钻头见图4-11。

。

图4-11 PDC钻头

热稳定聚晶块——巴拉斯钻头切削元件，有Geooet，Syndax，Tripax几种产品，基本形状为等边三角形或园柱片。标准巴拉斯钻头的聚晶块尺寸为4mm（边长）*2mm（厚）。

热稳定聚晶块是在复合片的基础上发展起来的新材料，PDC复合片中的聚晶金刚石采用钴（Co）为粘结剂，由于钴与全刚石之间膨胀系救差异较大（钴为1.2*10C，金刚石为2.7*10C），所以当钻头钻进由磨擦热产生高温时，由于钴的膨胀导致金刚石晶粒间的热压力裂纹及剥落，当复合片工作温度达到730C时，其切削能力直线跌落。热稳定聚晶块就是采用化学方法将金刚石聚晶块中的钴滤析掉，以实现晶粒之间的C一C连结，或且采用热敏感较低的非金属材料作为催化剂，其工作温度可提高到1200C，因此，PDC钻头只适用于钻进产生摩擦热较少的软

-6

-5

——中软地层，巴拉斯钻头则可适用于钻进中——中硬并带有一定研磨性的地层。巴拉斯钻头见图4-12。

图4-12 巴拉斯钻头

马赛克切削块——马赛克钻头切削元件，是由热稳定聚晶块拼合成复合片的尺寸，然后以持殊工艺烧结于钻头胎体上。它既有热稳定聚晶块的耐高温性质，又同时兼具复合片的切削能力。

天然金刚石——天然金刚石钻头的切削元件，金刚石钻头使用的金刚石分为五种：优级（P）、标准级（R）、特优级（SP）、立方体钻石、黑钻石。优级与标准级金刚石为常用金刚石，特优级适用于硬及研磨性地层，立方体钻石颗粒大，带棱角，适用于较软地层提高钻速，但其抗冲击能力低，黑色钻石有最强的抗冲击性，适用于破碎型地层钻进。天然金刚石见图4-13。

图4-13 天然金刚石钻头

这五种钻头中，天然金刚石钻头和大复合片PDC钻头目前在各油田使用较多，并取得引人注目的经济效益。

4、其他钻头 （1） 取心钻头

取心钻头是钻出岩心的工具，它的切削刃分布在同一个园心的环形面积上，对岩石进行环形破碎，形成岩心。取心钻头的类型很多，目前使用的有刮刀取心钻头、硬质合齿取心钻头、金刚石取心钻头等几种。使用最多的是金刚石取心钻头。见图4-14。

为了提高取心收获率，钻头必须工作平稳。因此，要求钻头上的切削刃对称分布，耐磨性一致。并且底刃平面与钻头中心线垂直，以免因钻头工作时歪斜偏磨。在一定的条件下可以减少钻头的环形切削面积，以增大岩心直径。

图4-14 取心钻头

（2）双心钻头

“双心”的意思是有一个钻头本身旋转轴和一个与井眼同心的轴，这两条轴线距离决定偏心的程度。见图4-15。双心钻头适用于在通过一个较小的井眼或套管中钻出一个大井径的井眼。一般双心钻头用于钻穿易粘附的流动性盐岩或膨胀性页岩地层，双心钻头还用于加深井钻进，二次完井，增加套管环空，提高固井质量，

以及减少井下扩眼时所伴随的危险。

图4-15 双心钻头

双心钻头可选用PDC、巴拉斯、巴赛克和天然金刚石作切削元件以及任何标准的水力结构，此种钻头的几何结构可作变化以适用各种地层和井下扩眼要求。

（3）单牙轮钻头

对于小尺寸三牙轮钻头，由于结构限制，牙轮轴及轴承都很小，承压能力很低，导致机械钻速较慢、使用寿命短。单牙轮钻头在一定程度上弥补了小尺寸三牙轮钻头的不足。

在结构上，单牙轮钻头只有一个牙轮，牙轮轴及轴承都比同尺寸三牙轮钻头大得多，其承压能力和使用寿命也都大得多。如图4-16所示。

4-16 单牙轮钻头

使用表明，单牙轮钻头的进尺和机械钻速明显高于同尺寸三牙轮钻头，工作扭矩比PDC钻头低的多，其工作特性界于三牙轮钻头和金刚石钻头之间。

二、破岩机理 1、牙轮钻头的破岩机理

由于牙轮钻头结构的特点，以及井底的实际状况，使牙轮钻头在井底工作时的运动状态和受力状态比较复杂，虽做了大量实验研究，但至今未有一个完全成熟的理论，来园满解释实际工作中出现的一些现象。因此，对牙轮钻头的破岩原理，只能从理论上做一些简介。 （1）冲击、压碎作用

钻头在井底工作时， 钻头及其牙轮绕钻头轴线旋转（亦称“公转”）。由于地层对牙齿的阻力，也使牙轮同时绕其自身轴线旋转（亦称“自转”）。牙轮在旋转时，牙齿交替以单双齿轮流接触井底，如图4-17所示。

图4-17 牙轮纵向振动示意图

牙轮以单齿接触井底时，牙轮中心在0位置；双齿着地时，轮心降低到01； 单齿再次接触井底，轮心又升高到0位置。如此反复运动，牙轮轴心高度周期性的升高、降低， 使钻头产生纵向振动，振幅是轴心的垂直位移h。每次纵振过程中，轴心上行会压缩下部钻柱；轴心下行又使下部钻柱弹性伸长。因此，牙轮钻头在井底破岩时， 牙齿作用在岩石上的力，不仅有钻压产生的静载荷，还有因纵向振动而使牙齿以很高速度冲向岩石所产生的动载荷，前者使牙齿压碎岩石，称为压碎作用；后者使牙齿冲击破碎岩石，称为冲击作用。

（2）剪切作用

在硬地层中，利用钻头对井底的冲击、压碎作用，可以有效的破碎岩石。但在软和中硬地层中，除了要求牙齿对井底岩石有压碎、冲击作用外，还要有剪切刮挤的作用才能有效地破碎岩石，剪切刮挤作用来自牙轮在井底的滑动。具有复锥、超顶、移轴等结构的牙轮钻头，可使牙轮在井底产生滑动。现从理论上定性分析单锥超顶牙轮在井底产生滑动的原因，如图4-18所示。

4-18 单锥超顶滑动示意图

将牙轮看成一光滑园锥，井底和牙轮都是绝对刚体，牙轮与井底接触为一条直线ba，Vb表示牙轮随钻头一起转动的线速，Vc表示牙轮绕牙轮轴转运的线速度，直线上ba之任一点相对井底的运动Vgx均由 Vb和Vc合成，即Vgx = Vbx＋ Vcx,Vgx呈直线分布，它与ba交于m点，m点的合成速度为零，称为做纯滚动点，只有滚动，没有滑动。由此可知：具有单锥超顶牙轮的牙轮钻头在井底工作时，牙轮上的牙齿在井底以m点为中心，产生切向方向的扭转滑动。

在实际钻井工作中，不同岩性的地层，需要不同的滑动量，因此，不同类型的钻头，其移轴距、超顶距和主付锥角差值等都是不同的，地层越软、塑性越大、牙轮滑动量要求大些，反之则小些。 2、金刚石钻头的破岩机理

金刚石钻头在井底的工作状况，在实际工作是无法观察的，只能通过室内模拟试验和分析，以及从井底返出的岩屑形状，来研究金刚石破碎岩石的原理。

(1) 天然金刚石钻头

天然金刚石钻头破碎岩石的过程，可看成是单粒金刚石破碎岩石的过程，每一粒金刚石，可看为一球体。

图4-19 金刚石破岩特点

图4－19给出了单粒金刚石切割地层示意图。当钻某些硬地层时，钻头上的每粒金刚石在钻压作用下压入岩石使下面的岩石处于极高的应力状态，呈现塑性，同时在旋转扭矩的作用下产生切削作用，破碎岩石的体积大体上等于金刚石吃入岩石的位移体积。

上述金刚石钻头破碎岩石的概念，还不能适用于所有的钻井情况。如在一些脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩的作用下所产生的应力可使岩石沿最大剪切面产生裂缝，这种情况下岩石破碎的体积远大于金刚石吃人后位移的体积，脆性较大的岩石其破碎深度可达金刚石压入深度的2一5倍。金刚石破碎岩石的效果，除与岩石性能有关外，还与井筒和地层孔隙流体的压差的大小、钻压大小及金刚石的几何形状、粒度和出露量有关系。

以上分析的是单粒金刚石在静压入作用下旋转、破碎岩石的机理，而实际钻进时与试验情况很不相同，在实际工作中，钻头上许多粒金刚石同时作用于井底岩石上，应力分布受到影响；由于井底不平、钻具振动而承受动载；钻井液的冲刷等原因，使岩石变形和破碎规律发生改变。因此，使金刚石破碎岩石的原理更加复杂，还有待于进一步研究与探讨。

（2） PDC钻头

PDC钻头是以切削齿对地层进行切削来破碎岩石的，由于钻头在井下高速旋转，以及井下的高温环境，使得并底岩石具有一定的弹性和塑性，整个切削过程，与金属切削过程很相似。如图4－20所示。

图4-20 PDC钻头破岩特点

岩石的切削过程，实质上是一种挤压过程，在挤压过程中，岩石主要以 滑移变形方式成为切屑。当岩石开始接触切削齿的刀刃最初瞬时，接触点的应力使岩石

内部产生弹性应力和应变；当切削刃逼近岩石时，岩石内部的弹性应力逐渐增大，在岩石内某一位置，剪切应力达到岩石的屈服强度，因而岩石开始沿剪切力相等的

“初滑移面”滑移（图4－20中OA面），这个滑移面的左边代表弹性变形区域，右边代表塑性变形区域。

岩石经过OA面在当切削刃移动时，滑移变形愈来愈大，当岩石移到OE时，图中岩层1和2之间将不再沿OE滑移，而是一起沿切削齿前倾面流出，所以称OA为初始滑移曲线，而称OE为终止滑移曲线。

当岩石沿前倾面流出时，由于受到切削齿前倾面的压力和摩擦，切削的底层（靠近前倾面的一层）产生较大的挤压和剪切变形，结果下层膨胀，切削向前倾面相反方向流出，离开前倾面而成为切屑。

上述是切屑形成的典型过程，切削层首先产生弹性变形，经过切削层滑移和切削层离开切削齿等阶段而完成切削。由于PDC钻头底部是凹锥形，其空间体积根小，当钻井液以一定的射流喷射速度喷出，冲击井底时，凹锥形空间形成很高压力，岩屑在此高压力作用下能及时脱离井底流向环空。因此，PDC钻头在切削破岩对不存在由于压差作用引赶的岩屑清除障碍问题。

综上分祈，PDC钻头的破岩机理可概括为：PDC钻头切削齿在钻压作用下能自锐地吃入地层，在扭矩作用下向前移动剪切岩石。由此可以看出，PDC钻头充分利用了岩石抗剪强度较低的特点，同时不存在类似于牙轮钻头破岩时因压差引起的重复切削问题，因此，破岩效率比普遁刮刀钻头及牙轮钻头要高。

三、钻头系列标准 1、国产三牙轮钻头系列标准

三牙轮钻头标准中规定，根据三牙轮结构特征，产品分成两大类，共八个系列，见表4-12、表4-13。国产牙轮钻头型号表示方法见图4-21。

图4-21 国产牙轮钻头型号表示方法

例：用于软地层、直径215.9毫米（8 1/2”）的镶齿滑动密封轴承，喷射式三牙轮钻头型号表示方法如下：

215.9×HP2 或 8 1/2×HP2

表4-12 国产三牙轮钻头系列

类别 铁 齿 钻 普通三牙轮钻头 喷射式三牙轮钻头 系 列 名 称 全 称 简 称 普通钻头 喷射式钻头 密封钻头 代号 Y P MP 滚动密封轴承喷射式三牙轮钻头

滚动密封轴承保径喷射式三牙轮钻头 头 滑动密封轴承喃射式三牙轮钻头 滑动密封轴承保径喷射式三牙轮钻头 镶齿 钻头 镶硬质合金齿滚动密封轴承喷射式三牙轮钻头 镶硬质合金齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头

密封保径钻头 滑动轴承钻头 滑动保径钻头 镶齿密封钻头 镶齿滑动轴承钻头 MPB HP HPB XMP XHP 2、 国际钻井承包商协会钻头统一编号

目前，国外在钻井上使用最多的仍是牙轮钻头。钻头的类型和结构比较繁杂，各厂家生产的钻头虽各有代号，但大都采用国际钻井承包商协会( IADC, International Associationof Drilling Congtractors)牙轮钻头编号，以便识别和选用。

IADC钻头编码用三位数字代表，各数字的意义如下述。 第一位数字 表示牙齿特征及所适用地层：

1─铣齿，软地层（低抗压强高；高可钻性） 2─铣齿，中到中硬地层（高抗压强度） 3─铣齿，硬地层（中等研磨性）

4─镶齿，软地层（低抗压强度和高可钻性） 5─镶齿，软到中硬地层（低抗压强度） 6─镶齿，中硬地层（高抗压强度）

7─镶齿，硬地层（中等研磨性） 8─镶齿，极硬地层（高研磨性）

第二位数字 表示所钻地层再由软到硬分为四个等级。 第三位数字 表示钻头结构特征：

1─标准型滚动轴承

2─用空气清洗和冷却的滚动轴承 3─滚动轴承保径钻头 4─密封滚动轴承 5─密封滚动轴承保径齿 6─密封滑动轴承 7─密封滑动轴承及保径齿 8─定向井钻头 9─其他

例1：321第一位数字3表示钢齿、硬地层；第二位数字表示硬地层2级； 第三位数字1表示标准轴承。

例2：817第一位数字8表示镶齿、极硬地层；第二位数字1表示极硬地层1级； 第三位数字表示滑动轴承、保径齿。

3、金刚石钻头

金刚石钻头目前还没有统一的系列标准，一般均为各生产厂家只有系列标准。以川石.克里斯坦森公司为例，其金刚石钻头系列见表4-13。

表4-13 川石.克里斯坦森公司金刚石钻头系列

系列号 R S M（Z） D C RC SC

四、钻头选择

名称 PDC复合片钻头 巴拉斯钻头 马赛克钻头 天然金刚石钻头 天然金刚石取芯钻头 PDC取芯钻头 巴拉斯取芯钻头 钻头类型的选择对钻井速度影响很大，往往由于钻头选型不当，使得钻井速度慢、成本高。正确的选择钻头，一方面要对现有钻头的工作原理与结构特点清楚的了解，另一方面还应对所钻地层岩石物理机械性能有充分的认识。钻头特性与地层性质的合理匹配，是钻头选择的基本额出发点。

1、选择时考虑的因素

1)研磨性地层的选择。研磨性地层会使牙齿过快磨损，机械钻速降低很快， 钻头进尺少，特别会磨损钻头的规径齿以及牙轮背锥与爪尖，使钻头直径磨小、轴承外露，加速钻头的损坏，这时最好选用镶齿钻头。

2)浅井段与深井段钻头类型的选择。为了达到最好的经济效果， 在浅井段应选用机械钻速较高的钻头类型， 深井段应考虑使用寿命长的钻头。 如上部松软地层可选用喷射式的P1和P2型钻头，深部的软地层可选用简易滑动喷射式HP2型钻头。 这样可达到降低每米成本的目的，特别是在海洋钻井与钻机成本较高的井队，经济效果更为明显。

3)深部软地层的选型。根据生产实践知道，约在3000米以下井深遇到泥岩、 页岩等软地层岩石时，如选用硬地层钻头钻进，机械钻速很低；如选用软地层钻头钻进，又容易造成过多断齿的现象。人们形象地称这种地层为“橡皮地层”，这是由于软岩石在深部处于各向高压状态时，岩石物理机械性能就要改变，岩石的硬度增大，塑性也增大。因而使用主要靠冲击破碎岩石的硬地层钻头类型时，破碎岩石效果差，机械钻速慢；而用软地层钻头加大刮剂作用来破碎岩石时，易断齿，钻头使用寿命短，所以这时最好的方法是用低固相优质轻钻井液，选择中硬地层钻头类型，往往效果较好。

4)易井斜地层的选型。地层倾角较大是造成井斜的客观因素， 而下部钻柱的弯曲与钻头类型选择不当，是造成井斜的技术因素。对于钻头类型与井斜的关系，过去往往不被人们所认识，通过理论分析与试验得出，移轴类型的钻头，在倾斜地层钻进时易造成井斜。所以应选用不移轴或移轴量很小的钻头。同时，保证移轴小的前提下，还应选用比地层岩石性能较软类型的钻头，这样可以在较低的钻压下提高机械钻速。

5)软硬交错地层的选型。一般应选择镶齿钻头中加高楔形齿或加高锥球齿， 这样既在软地层中有较高的机械钻速，也能保证对付硬地层。但在钻头钻进时的钻压及转速上应有区别，钻进软地层时可提高转速降低钻压，在硬地层井段应提高钻压降低转速，达到更好的经济效果。

2、按钻头产品目录选择钻头类型

钻头生产厂家通过大量的试验，对各型钻头的适用情况进行了界定，形成了钻头产品目录。根据钻头产品目录，结合所钻地层性质选择钻头类型，基本能够做到对号入座，匹配合理。表4-14为国产三牙轮钻头产品目录。

表4-14 国产三牙轮钻头型式与适应地层

地层性质 型 型式代号 式 极软 软 中 软 1 2 R 3 ZR 中软页岩 硬石膏 中 4 Z 硬页岩 石灰岩 中 硬 5 ZY 硬 6 Y 极硬 7 JY 燧石岩 花岗岩 石英岩 玄武岩 黄铁矿 原型式代号 JR 泥岩 石膏 盐岩 适用岩石举例 石英砂岩 硬白云岩 中软石灰岩 中软石灰岩 硬石灰岩 中软砂岩 中软砂岩 大理岩 软页岩 白垩 软石灰岩 钻头颜色

乳白 黄 淡蓝 灰 墨 绿 红 褐 例：某井井深4000m，石灰岩地层，试选用国产三牙轮钻头类型。

根据国产三牙轮钻头产品目录，适合一般石灰岩地层的钻头类型有3型和4型。考虑到井深较大，建议选用4型国产三牙轮钻头。

由于即使同一种岩性，其物理机械性能差别也很大，所以仅根据岩性按钻头产品目录来确定钻头类型是不够全面的，还应收集邻近井相同地层钻过的钻头资料及上一个钻头的磨损分析，结合本井的具体情况来选择。

金刚石钻头价格高昂，要取得良好的经济效益，关键在于根据地层岩性（硬度、研磨性、硬夹层的多少及分布）及井队的装备条件（钻机及钻井液的工作能力、 是否配备井下动力钻具筹），准确选用对号的金刚石钻头。金刚石钻头的选用可参考下表4-15。

表4-15 金刚石钻头

岩石级别 适用钻头 极软 软 中软 中 中硬 硬 坚硬 ←大复合片钻头→ ←PDC钻头→ ←马赛克钻头→ ←巴拉斯钻头→ ←天然金刚石钻头→

从原则上来说，大复含片钻头适用于极软——软，同时粘性极强，采用PDC钻头容易泥包的页岩、泥岩地层；PDC钻头适用于均质、夹层较少的软地层；马赛克钻头适用于中软——中等地层，同时也适用于含有较多夹层，因而用普通PDC钻头难以取得经济效益的软地层；巴拉斯钻头适用于中——中硬并带有一定研磨性地层，特别是石灰岩、白云岩、泥灰岩、页岩等地层；天然金刚石钻头则适用钻进硬——坚硬、研磨性高的地层。

3、最低成本是钻头选型与合理使用的标准

经济效益是衡量各种产品价值主要标准，也是选择产品类型与合理使用的主要指标，为此，对于钻头的选型与合理使用应按每米成本最低来考虑。目前常用每米成本计算公式为：

CtCbCrttt (4-4)

Hb式中 Ct──每米成本，元/m； Cb──钻头成本，元； Cr──钻机运转费用，元/h； tt──起下钻及接单根时间，h； t──钻头工作时间，h； Hb──钻头进尺，m。

现举例说明利用公式进行钻头选型的方法。

例：胜利油田菜1-51井与莱1-271井在某井段分别使用引进钻头8 1/2”J22

与国产钻头8 1/2”Pz型钻头钻进，钻进条件基本相同，试比较这二种类型钻头在该井段钻进时那种类型钻头经济上最合理。钻头钻进指标如表4-15。

表4-15 钻头钻进指标

井 号 钻头型号 钻进井段 进尺 钻头工作时间 平均钻速 钻头数

菜1-51 菜1-271

根据钻头选型的每米成本公式，已知Cb:P2型按600元/只，J22按8000元/ 只；tt ：2000-2500m起下钻一次按10h；Cr:大庆I型钻机暂按180元/h。 国产P2钻头每米成本：

81/2”J22 81/2”P2 m 2129-2674 2112-2696 m 545 584 h 111:54 81：42 m/h 4.87 7.15 1 5 只 Ct6005180(10581.7)45.73(元/m)

584引进J22钻头每米成本：

Ct8000180(10111.9)54.94(元/m)

545 所以用国产P2型钻头钻进584米比用引进J22钻头节约：

584(54.9445.73)5378.64元

从成本计算公式中可以看出，它是一个综合指标，能全面反映钻头的进尺、起下钻时间、钻头机械钻速、钻头的价格、钻机运转费用等各个因素，所以是较为合理的标准。而仅考虑钻头的进尺与钻头的使用时间，往往造成某些错误的概念，如在同一井段钻进的二只钻头，第一只钻头指标是进尺200m，使用时间50h，第二只钻头指标是200 m， 使用时间80h，若按钻头进尺多与使用时间长来考虑，会得出第二只钻头比第一只钻头指标高的错误结论。因而，会造成在钻头使用中，转速与钻压比钻头厂家推荐值低得多，以达到延长钻头使用时间，提高纯钻进时间与生产时效。结果，造成钻井并成本的增加，也拖长了建井周期。

第四节 水力参数

石油钻井工程已有近百年的历史。自1900年开始使用旋转钻机以来，钻头水眼一直作为循环通路，钻井液只起清洗井底、冷却钻头、携带岩屑、保护井壁等作用。直到三十年代初期，水射流技术在水力采煤中首先得到了应用，从而引起了石油钻井工程技术界的重视，由此联想到可以在旋转钻井中把水力破岩作用和机械破岩作用结合起来。1947年美国汉布尔石油公司进行了第一次试验，发现在较大的钻压和转速范围内，缩小喷嘴直径、增加射流喷射速度，可以显著提高机械钻速和钻头进尺。现场试验表明，采用喷射式钻头钻井，与普通钻头相比，在软地层中钻头进尺可提高50~100%，在硬地层中则可提高13~28%；机械钻速在软地层中可提高15~30%，在硬地层中可提高14~21%。

通过上述钻井实践，人们认识到了水力参数对钻速有着重要的影响。对此，许多工程技术人员进行了大量的理论分析和实验研究工作，不但取得了许多显著的应用成果，而且也对水力参数对钻速的影响机理形成了比较成熟的观点：

(1）水力破岩作用。喷嘴是能量转换器，它将钻井液中的压力能（由钻井泵提供）转换成钻井液射流的动能，直接作用于井底，产生水力破岩作用是显而易见的。当然，水力破岩作用依赖于射流冲击力与地层岩石性质的配合。试验表明，对于渗透性和半渗透性地层，泵压达到25个兆帕时就己有明显的水力破岩作用；而对于非渗透性地层，达到明显水力破岩作用的泵压高达80兆帕以上。显然，对于一般的生产条件是难以达到的；

(2）水力清岩作用。岩屑在井底由于如下愿因而不能迅逮离开：

l）钻屑在站井液柱压力和地层压力差的作用下，被紧紧地压在井底不能离开。过种情况称春压持效应；

2）钻井液在渗透性地层不断失水，在井底留下一层泥讲。岩屑和泥饼掺混在一起形成一个垫层；不但阻碍岩屑离升井底，还隔离了钻头。

由此可见，要使岩屑及时离开井底进入环空，就必须克服压持效应和垫层的影呐，而钻井液射流的作用就是它们的克星。实验证明，射流对井底的清岩作用是一个莲续的过程。先是由于射流冲击压力的不均匀使井底岩屑发生翻转，然后在井底漫流的作用推动下从中心移动到边缘进入环空，从而使岩屑及时地、迅违地离开井底，始终保持井底的干净。

由于目前的钻井生产条件只能达到20个兆帕左右的泵压，而钻进层大多为半渗透性和非渗透性地层，因而水力参数对钻速的影响机理，主要是水力清岩作用，水力破岩作用是辅助性的。

机理研究表明，钻进效益（速度、进尺等）——射流作用——水力参数是—条主线，钻进效益的提高取决于射流作用的加强，而射流作用的加强又取决于水力参数的合理性。水力参数的合理与否又与机泵条件、钻井液性能、钻具结构、井眼尺寸、井深大小等因素有关。

一、水功率传递原理

钻头压力降和钻头水功率是来自地面上钻井泵的泵压和泵功率，并且是依靠循环钻井液来传递。传递，就有个传递效率的问题，因为任何能量在传递过程中，总是要发生能量的损耗。钻井泵将压力和水功率传递到钻头上，也必须损耗一部分能量。我们的目的是想办法减少传递过程中能量的损耗，使钻头得到更多的压力降和水功率。这就要研究水功率的传递原理。 1、水功率传递的基本关系式

水功率从钻井泵传递到钻头上，是通过钻井液在循环系统中流动而实现的。钻井液循环系统大体上是由四部份组成。

（1）钻井液从钻井泵流出以后，先经过地面高压管线、立管、水龙带（包括水龙头）和方钻杆。这部分合称为地面管汇，这部分不随井深变化。

（2）钻井液从方钻杆流出后，即进入钻杆和钻铤内部。这部分合称为钻柱内部。这部分随着井深的增加而加大。

（3）钻井液从钻铤流出后，即进入钻头喷嘴，形成钻井液射流，清洗井底和破碎岩石。这是水功率传递的目的地。

（4）钻井液到达井底以后，又从钻柱与井壁的环形空间返出到达地面上，钻井液在返出时还要完成一个任务──携带岩屑。

钻井液流过这四部分，都要遇到阻力。克服阻力就要消耗压力和水功率。所以这四个部分都要使钻井液的压力降低。

由于钻井液流过1、2、4三个部分所消耗的压力和水功率是我们不希望要的， 我们将这部分压力降低和水功率称为循环系统的压力损耗和损耗功率。而钻井液流过钻头时的压力降和传给钻头的水功率是我们希望提高的，我们将这部分称为钻头压力降和钻头水功率。

这样，我们可以列出下列两个基本关系式

PsPlPbPgPplPclPbNsNlNbNgNplNclNb (4-5)

式中 Ps、Ns──钻井泵的泵压和水功率； Pb、Nb──钻头压力降和钻头水功率 Pl、Nl──循环系统的压力损耗和损耗功率； Pg、Ng──地面管汇的压力损耗和损耗功率； Ppt、Npt──钻柱内外的压力损耗和损耗功率； Pcl、Ncl──钻铤内外的压力损耗和损耗功率。

根据水力学原理，水功率等于压力降与排量的乘积，即N＝PQ。所以，只要对压力降基本关系式的两端都乘以Q即可变成水功率基本关系式。所以，这两个关系式虽然表示的概念不同，一个表示压力关系，一个表示功率的关系，但是事实上是一个关系式。

由压力降基本关系式可以看出，在泵压Ps一定的情况下，要提高钻头压降Pb，就必须设法降低循环系统的压力损耗P1 。

循环系统压力损耗的计算是一项非常复杂的问题。这是因为，一方面钻井循环系统的管路是不规则的，另一方面钻井液是一种非牛顿流体，其流变特性变化较大。所以在工程上往往要进行简化计算，主要采用以下二点假设：钻井液流变特性符合宾汉流变模式；钻井液流动状态为紊流状态。

2、循环系统压耗计算 （1）理论计算法

循环系统压耗计算可以利用流变学知识解决。为了便于分析，假定钻井液流变特性接近宾汉模型，并对经典的循环系统压耗计算式进行适当变化。

如果不计地面管汇压耗，整个循环系统压耗公式为：

1.8 P1pppc(KpKc)Q式中

KlQ1.8 (4-6)

Kp0.80.20.516550.57503Lp (4-8) 4.831.8(DDp)(DDp)dp Kc0.80.2Lc0.516554.8dc0.57503 (4-9)31.8(DDc)(DDc)

KlKpKc (4-10)

式中 Pl──循环系统压耗，MPa；

Pp──钻杆内外压耗，MPa； Pc──钻铤内外压耗，MPa； ρ──钻井液密度， g/cm；

η──钻井液塑性粘度，pa.s； Q──钻井液排量，l/s；

Kl──循环系统压耗系数； Kp──钻杆内外压耗系数； Kc──钻铤内外压耗系数； dp──钻杆内径，cm； Dp──钻杆外径，cm； Lp──钻杆总长，m； Dc──钻铤内径，cm； Dc──钻铤外径，cm； Lc──钻铤总长，m； D──井眼直径，cm；

3

当循环系统的结构和钻井液性能已确定时，我们即可计算出KP和Ke，进而算出K1，这就容易计算出整个循环系统的压耗了。

不难发现，循环系统压耗系数K1是井深L的隐函数，关系不直观。为此可作适当变形。

令

mKpLLc (4-11)

nKcLcKp (4-12)

LLc得到循环系统压耗计算的另一种形式：

P1K1Q式中 L──井深，m；

m──与井深有关的摩阻系数； n──与井深无关的摩阻系数。

1.8(mLn)Q1.8 (4-13)

循环系统压耗的显式对分析问题和进行喷射钻井设计时，都非常有利。 （2）实测法

不难发现，理论计算方法比较繁琐。生产现场多采用实测法确定循环系统压耗。实测法是利用下钻过程进行特定井下条件的循环系统流动试验，步骤如下：

1）测定钻头压耗Pb

在方钻杆下接钻头，开泵循环，读出立管压力表数值，即为钻头压耗Pb（未计地面管汇压耗）；

2）测定钻铤的内外压耗Pc

钻头上接长为Lc的钻铤入井，再接上方钻杆，开泵循环，读出立管压力表数值，此时数值减去钻头压耗Pb即为钻铤的内外压耗Pc；

3）测定钻杆的内外压耗Pp

钻铤上接钻杆入井至井深L处，再接上方钻杆，开泵循环，读出立管压力表数值，此时数值减去钻头压耗Pb和Pc即为钻杆的内外压耗P p；

4)计算

KcPc (4-15) Q1.8 KpPpQ1.8 (4-16)

由此可计算出整个循环系统的压耗。 二、水力参数计算 1、水力参数

射流与钻头的五个水力参数：射流喷速V0、射流冲击力Fj、射流水功率Nj、钻头水功率Nb和钻头压降Pb。由于Nb和Nj之间仅差个系数C，本质上是一个参数，所以在实际工作中只计算Nb不计算Nj，所剩下四个水力参数：

2

Q2 PbKb4 (4-17)

d V0KvQ (4-18) 2dQ2 FjKFd2 (4-19)

NKQ3 bQPbbd4 (4-20)

K0.8bc22其中:

K40v

K4F100 式中 Pb──钻头压降，MPa； Vo──射流喷速，m/s； Fj──射流冲击力，KN； Nb──钻头水功率，KW； ρ──钻井液密度，g/cm3

；

Q ──钻井液排量，l/s； d ──喷嘴直径，cm；

C ──钻头喷嘴流量系数，常数。

以上四个公式表明了四个水力参数随着排量Q的变化情况。随着排量变化，四个水力参数的变化规律是不同的。这就给我们提出了一个问题：四个力参数中究竟哪个对钻进影响最大？我们在选择和确定排量时，究竟应该以提高哪个水力参数为准？这个问题就是工作方式问题。

到目前为止，共提出了四种工作方式，即最大射流喷速（Vomnx），最大钻头水功率指标（Nbm2x），最大射流冲击力以及组合式工作方式。

四种工作方式观点各不相同。Nbmax工作方式认为清洗井底是对岩屑作功，所以认为水功率越大越好，Fjma 工作方式却认为射流冲击力是清洗井底的主要因素， 应以冲击力达到最大为标准。 Vomax工作方式实际上是提高射流动压力，从而增大井底的压力梯度。概括地说，Nbmax工作方式是“功”的观点，Fjmax工作方式是“力”的观点，Vomax工作方式是“动压”的观点。

这四种工作方式，究竟哪种最好？长期以来，一直有不同的看法。直到目前还未能从理论上给以分析和回答。1975年，有人通过实验，认为在Nbmax、Fjmax和Vomax三种工作方式中，以Fjmax最好，Nbmax次之，Vomax方式最差。但这只是一种看法。究竟哪种工作方式最好，还有今后的理论研究和实践检验。目前国内各油田使用最普通的是Nbmax 和Fimax工作方式。 2、目标函数

水力因素对钻速的影响规律目前还不十分清楚。根据对工作方式的讨论，可以认为对钻速的影响与工作方式有密切的关系。当工作方式确定后，采用相应的水力参数就能获得较好的钻进效果。综合分析水力参数的计算式，结合埃凯尔的研究结

果，可以得到不同工作方式下的钻速目标函数，并同时认为目标函数的最大值即为钻进效果的最佳值：

Q VmK (4-21)

d式中 Vm──钻速目标函数； Q──排量； d──喷嘴直径； K──综合系数；

α──工作方式排量指数； β──工作方式喷嘴直径指数。

由钻头压降公式可知喷嘴直径d与排量Q的关系为：12 dQ4KbPsPl (4-22)式中 Pl──钻井液循环压降； kb──系数

循环压降Pl与排量Q的关系式为：

PK1.8llQ (4-23)

式中 kl─系数，是井深L的函数kl＝f（L）。

化简后得：

K2 VmQ(PsKlQ1.8)4 (4-24)

Kb 通过分析发现：

（1）在一定的生产条件下，钻速正比于排量。排量越大，钻速一般也随之增加； （2）排量不能太大，不然将导致循环压降上升，反而使之使钻速下降，因此， 在一定的生产条件下，排量Q应有一个最优值；

（3）排量与喷嘴直径有一一对应的关系，因此最优排量对应有最优喷嘴直径。事实上， 最优排量只是保证了泵功率的合理分配，而钻头是否能得到分配的份额，需要由选配最优喷嘴直径来实现。 3、选择排量和喷嘴直径 钻井泵有二种工作状态：

（1）额定功率状态，即在钻井过程中保持泵功率不变，始终等于钻井泵的额定功率。要维持这个状态，需要不断地调整排量和泵压。这种工作状态在钻井过程中很少采用；

（2）额定泵压状态，即在钻井过程中保持泵压不变，始终等于钻井泵所选缸直径的额定泵压。除了在浅井段，钻井过程中多采用这种工作状态。 额定泵压状态的条件为：

PsPr QQr (4-25)

式中 Pr──钻井泵额定泵压；

Qr──钻井泵额定排量。 代入泵压条件得到：

K2 VmQ(PrKlQ1.8)4 (4-26)

Kb 为获得目标函数极值，令：

Vm0 (4-27) Q 解得：

Pr20.1Pl (4-28)

2上式表明了获得目标函数极值的条件。显然，排量指数a和喷嘴直径指数b 不同，获得目标函数极值的条件是不一样的。而不同排量指数a和喷嘴直径指数β， 又对应着不同的工作方式，如冲击力、水马力、喷射速度、漫流速度等等。在不同的工作方式情况下，获得目标函数极值的条件如表4-16所示。

表4-16 获得目标函数极值的条件

目标函数 冲击力Fj α 2 β 2 2α-0.1β/2α-β 1.9

水马力NO 喷速VO 漫速VO 组合指标Nbfjva 组合指标NOfj 组合指标NbVO 组合指标FjVo 说明：

（1）在各种工作方式中，有三项获得目标函数极值的条件相同（Pr＝2.8Pl）， 其中最简明的指标是水马力，因此Pr＝2.8Pl是目前应用最广泛的目标函数极值条件之一， 被称为最大水马力理论。

（2）另有二项获得目标函数极值的条件也相同（Pr ＝1.9Pl），因此，Pr ＝1.9Pl被称为最大冲击力理论，也是目前应用最广泛的目标函数极值条件之一； （3）最大喷速工作方式获得的目标函数极值条件是Pr＝∞，这在一定的机泵条件下，不可能由Q ＝∞来实现，只能出d=0来实现。因此，这个条件从一个侧面反映出喷嘴直径越来越小， 钻速越快的影响规律。

相对于目标函数极值条件，最优排量Qt和最优喷嘴直径dt即可得到：

11.83 1 1 6 5 4 3 4 2 1 8 6 6 4 2.8 ∞ 1.9 2.8 2.35 3.7 2.8 Qt(2)Pr (4-29)

20.1kl

Q (4-30)

PrklQt1.82t14 dtKb

事实上，最优排量Qt和最优喷嘴直径dt是目标函数极值条件的另一种表达形式。只要采用了最优排量Qt和最优喷嘴直径dt，也就满足了目标函数极值条件，目标函数就能达到极值。

值得注意的是，由于额定泵压状态的条件，最优排量Qt不能超过额定排量Qr；再由于钻井液携岩机理研究结果，最优排量Qt不能小于钻井液携岩所需的最小排量Qa。由此得到最优排量Qt的限制条件:

QaQtQr (4-31)

三、钻头喷嘴组合

三牙轮钻头一般有n(n=1,2,3)个水眼，可以安装n个喷嘴，计算出的最优喷嘴直径，是指n个喷嘴的当量直径，与各个喷嘴直径的关系如下：

d2tdi1n2i (4-32)

显然，在已知最优喷嘴直径dt后，满足上式的n个喷嘴直径有多种组合形式， 到底哪种喷嘴组合比较好，能充分发挥破岩和清岩的水力作用，需要进行井底流场的研究。

研究井底流场是用流体力学的理论和试验方法来研究井底水力能量的合理分布。既在一定的条件下，在最合理地分配整个循环系统水力能量的基础上，通过科

学地设计钻头喷嘴组合布置方案，把钻头喷嘴所能得到的井底总水力能量最合理进行分布，从而在井底获得最好的净化效果和破岩效果，提高钻井速度。

由于射流的作用和井壁的限制，井底流场存在滞流、漩涡和逆流等各种流动状态，增加了井底流场的复杂性，很难单纯用数学和力学的理论方法进行分析，而多借助于试验的研究方法。自六十年代以来，国外许多家研究单位一直在进行有关井底流场的试验架研究工作，逐步揭示了井底流场的复杂现象和机理，成为极为重要的、不断深入的研究领域，研究成果成功地用于钻井生产，收到了明显的效益。

根据试验表明，不同的喷嘴数目、不同的喷嘴组合对射流的井底压力和速度分布影响极大，见表4-17。

表4-17 喷嘴组合影响

喷嘴组合 等径三喷嘴 不等径三喷嘴 等径双喷嘴 不等双喷嘴 单喷嘴

当量直径（mm） 17.82 16.98 16.97 17.49 15.00 压力梯度（Mpa/cm） 0.016 0.025 0.032 0.061 0.138 压力梯度越大，射流对井底岩屑的清移效果就越好，显然，由表5-2可知， 使用不等径双喷嘴（直径比0.6～0.7左右）和单喷嘴，会收到很好的效果，而使用常规的三等径喷嘴组合，清岩效果就比较差。这个结论已做为一种行之有效的生产措施广泛应用于钻井中，有力地支持了喷射钻井的推广使用。

改变钻头喷嘴组合能提高钻进速度的机理还不完全清楚，根据目前的研究成果有如下几点看法：

（1）喷嘴组合使得钻头水力能量相对集中，增加了水力作用的频率和幅度，使之更有利于井底清岩和破岩，如图4-22所示。

图4-22 组合喷嘴射流幅度

（2）喷嘴组合减少了各喷嘴射流的相互影响，改善了井底流场的流动状态，加强了横向漫流的推举作用。这种作用效果对单喷嘴的情况是最为明显的。

四、水力参数设计方法

根据前面的讨论得到了最优排量、最优喷嘴直径和最佳喷嘴组合，还需要结合钻井的实际工况进行工程设计，才能最后圆满地完成选择水力参数的任务。

为什么要进行工程设计呢？不难发现，最优排量和最优喷嘴直径这二个水力参数都是井深的函数，随着井深的增加而连续变化。但是，在实际工作中最优排量和最优喷嘴直径无法做到这一点。这是因为：

(1)钻头一入井，喷嘴就不可能随时换装；

(2)钻井泵缸套选定后，额定排量就不可能有很大的变化范围。

这二个问题的存在，给选择水力参数的实施带来了一定困难。因此，必须采用工程设计的方法解决上述矛盾。

水力参数的工程设计方法是采用分段设计，即将要钻进的井段分成n个小段， 在第i段(i=1，2,...n)，以底部井深Li为设计井深，据此计算最优排量和最优喷嘴直径。如图4-23所示。

工程设计的实质是以点代段，即以每段底部井深点的最优水力参数在这个井段中施行， 从而逼近全井段的最优水力参数。显然，段分得越多、越细，理论与实际的差距就越小。但太细的井段划分在工程上是无法做到，也没有必要做到。

图4-23 分段设计示意图

根据上述工程设计思想，水力参数工程设计的步骤如下： （1）根据理论计算法或实测法，求得循环压耗系数m和n；

（2）根据工程实际情况，选定最小排量Qa，这是钻井过程中不能低于的排量； （3）根据机泵实际条件，选择缸套直径，确定额定泵压Pr和额定排量Qr，指钻井过程中不能超过的泵压和排量；

（4）根据钻头使用情况，将所钻井深划分成n段；

（5）计算第i段的最优排量Qt和最优喷嘴直径dt，同时注意校核Qr≥Qt≥Qa； （6）根据最优喷嘴直径dt，配置喷嘴组合；

（7）重复（5），（6）二步，进行第i＋1段的设计，直到i＝n为止； （8）设计结果列表。 五、实例

某井使用21.6mm钻头，17.8mm钻铤80m,12.7mm钻杆。设计井深4000m,钻井液平均密度1.2g/cm,二台NB8—600泵,试按最大水马力方式进行喷射钻井设计。

1．计算循环压耗系数m和n

根据临近井实测法得到：m=4.406*10；n=6.02*10。 2．根据工程实际情况确定最小排量Qa

根据钻井液环空携岩理论的研究成果，当钻井液环空返速大于0.5~0.6m/s时，即可满足岩屑输送比和隙核比的要求。为安全起见，一般选用钻井液环空返速为1.0m/s左右。由此可确定最小排量Qa

-6

-4

3

QaD4022DPVa



21.640212.72*1.023.94(l/s)

3．根据机泵实际条件选择缸套直径

选择原则是：在机泵条件允许时（即泵工作状态好，连接件承压能力强等），尽可能选用小尺寸缸套，尽可能提高额定泵压Pr。

对于NB8—600泵，根据“钻井手册”提供的资料，可选用130mm直径的缸套，额定泵压Pr=19.6Mpa，每分钟65冲时的额定排量Qr=15.34l/s,采用双泵时Qr=30。68l/s。

4．根据钻头使用情况，合理划分所钻井深为n段

由于没有钻头使用资料，只能将4000m井深简单的平均分为8段，各段底部井深分别为：

Li500ii1,2...85．计算第1段的最优排量Qt1

11.8

Qt1(2)Pr20.1kl1

11.8(2)Pr20.1mL1n(2*34)*19.6642*30.1*44.406*10*5006.02*1077.15(l/s) 由于最优排量Qt1大于了额定排量Qr（双泵），故取：

11.8

Qt1Qr30.68(l/s)

6．计算第1段的最优喷嘴直径dt1

14 dt1KbQ 1.8Prkl1Qt12t10.8Q221.8cPmLnQr1t12t1140.8*1.230.6822641.80.98*3.1419.64.406*10*5006.02*10*30.681.51(cm)214 8.配置喷嘴组合

综合考虑井下情况，钻头泥包或喷嘴砂堵不太严重，故选用双不等径喷嘴组合，直径比取0.6，得到

d10.6d22d12d221.51

解得

d10.78(cm)d21.29(cm)最后根据现有喷嘴系列进行适当调整。 9．计算第1段的水力参数 泵功率：

Ns1Ps1Qt1PrQt119.6*30.68601.328(KW)

循环压耗：

Pl1mL1nQt11.8

4.406*106*5006.02*104*30.681.81.33(MPa)钻头压耗：



Pb1PrPl119.61.3318.27(MPa)

钻头水马力：

Nb1Pb1Qt118.27*30.68560.52(KW)

冲击力：

22Qt24Qt14*1.230.681Fj1KF26.3106(KN) 22dt1100dt1100*3.141.51喷速:

V0KvQ40Q40*30.68171.4(m/s) d2d2*1.5129．设计第2~6段（从略） 10．计算第7段的最优排量Qt7

(2)Pr

20.1kl711.811.8 Qt7(2)Pr20.1mLn7(2*34)*19.6642*30.1*44.406*10*35006.02*1029.3(l/s)11.8

由于最优排量Qt7小于额定排量Qr（双泵）且大于最小排量Qa，合适。

11．计算第7段的最优喷嘴直径dt7

14Q dt7Kb1.8PkQrl7t72t70.8Q221.8cPmLnQr7t72t7140.8*1.229.322641.80.98*3.1419.64.406*10*35006.02*10*29.31.62(cm)21412.配置喷嘴组合

d10.6d22d12d221.62

解得

d10.83(cm)d21.39(cm)13．计算第7段的水力参数 泵功率：

Ns7Ps7Qt7PrQt719.6*29.3574.3(KW)

循环压耗：

Pl7mL7nQt17.8

4.406*106*35006.02*104*29.31.87.0(MPa)钻头压耗：



Pb7PrPl719.6712.6(MPa)

钻头水马力：

Nb7Pb7Qt712.6*29.3369.2(KW)

冲击力：

Qt274Qt274*1.229.32Fj7KF24.997(KN) 22100100*3.14dt7dt71.62喷速:

V07KvQt740Qt740*29.3142.2(m/s) 222dt7*1.62dt714．设计第8段（从略） 15．结果列表

表4-18 设计结果

井深 缸径 泵压 排量 喷嘴 直径 泵功率 循环压耗 (Mpa) 钻头 压耗 钻头水马力 冲击力 喷速 （KW） （MPa） （KN） （m/s） 560.5 528.4 496.3 464.2 432.2 400 369.2 343.6 6.310 6.118 5.929 5.735 5.532 5.323 4.997 4.652 171 166 161 155.8 150 144.6 142 142 18.27 17.22 16.18 15.13 14.1 13.04 12.6 12.6 （m） (mm) （Mpa） （l/s） （cm） （KW） 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 130 130 130 130 130 130 130 130 19.6 19.6 19.6 19.6 19.6 19.6 19.6 19.6

30.68 30.68 30.68 30.68 30.68 30.68 29.3 27.3 1.51 1.53 1.56 1.58 1.61 1.64 1.62 1.56 601.3 601.3 601.3 601.3 601.3 601.3 574.3 534.6 1.33 2.38 3.42 4.47 5.51 6.56 7 7

机械参数

机械参数一般是指钻头工作参数——钻压和钻速。由于钻井条件非常复杂，影响因素很多，机械参数的作用规律难以确切掌握，因此要做到机械参数的量化优选还有一定的困难，主要还是依靠钻头生产厂家提供的参考数据和使用经验的积累，对机械参数做出相对合理的确定。

一、牙轮钻头机械参数

牙轮钻头机械参数的确定取决于所钻地层岩性、钻头自身的力学机械特性、下部钻柱形式等情况。根据使用经验，牙轮钻头机械参数的确定应遵循如下原则：

软地层采用低钻压、高钻速；

硬及中硬地层、深部地层采用高钻压、低钻速； 钻头安全承载能力一般取0.6~0.8KN/mm； 密封滑动轴承不宜采用高钻速。

美国休斯公司J系列钻头，根据大量的实验室试验资料，给出不同尺寸规格下的钻压与转速乘积的值，即

W*NC (4-33) 式中 W ── 钻压，KN；

N ── 转速，rpm；

C ── 轴承能力（bearing Capability），KN·RPM。 C值见表4-19。

C值是一个基本值，应用时可在此值的上、下范围内变动，如7通过大量试验获得钻压-转速曲线如图4-24。

7²的J22钻头，8

表4-19 J系列W·N（C值）KN·RPM

类型 尺寸 J11 J22 J33 J44 J55 J55R J77 J99 （英寸） 4/4 5/2 6 6/8 6/4 6/2 6/4 7/8 8/8 8/2 8/8 9/2 9/8 10/8 5713137311173 15650 16110 18150 20640 10210 15650 16560 18150 22690 21100 10210 9980 11570 11570 11570 15650 15650 16560 16560 22690 21100 11120 16110 15880 19060 20190 22690 27450 6350 11340 9750 9530 9530 13160 16110 14970 15880 19060 20190 13160 16110 19060 20190 22690 16110 15880 19060 20190 22690 13160 16110 15880 19060 20190

11 12/4 12/4 17/2 131 26090 26770 24730 36300 26770 40380 21320 32890 24730 21780 32890 32890 32890 注：上面轴承能力没有考虑牙轮钻头的压裂与密封失效的限制。

图4-24 钻压-转速曲线

钻头工作时的钻压与转速值在a•虚线以下，这时钻头的轴承可以较长时间运转不致损坏，那时钻头轴承的损坏是由于密封圈失效，轴承进入洗井液而损坏或由于钻头牙齿损坏而换钻头。若钻头工作时的钻压与转速值在b虚线以上，钻头轴承将很快损坏。钻头在ab虚线内工作,轴承工作一段时间后也要发生损坏，但钻头的牙齿、•密封圈与轴承在近似等寿命下的损坏，这样可充分发挥各部分的作用，通过现场大量实践证明，这时经济效果最佳，每米成本可达到最低，而在a线以下工作虽然钻头寿命较长，但机械钻速较低，在b线以上工作钻头机械钻速虽然较高，但钻头寿命较短，进尺少每米成本也高。因此，对于J系列钻头应按每种钻头试验曲线，在ab线范围内根据具体情况确定钻头的最佳工作钻压与转速。

二、金刚石钻头机械参数

根据使用经验，金刚石钻头机械参数的确定应遵循如下原则：

在软地层钻井中，钻头主要通过剪切破碎岩石，增加转速可明显提高机械钻速；而钻压对钻速的影象则不十分显著，而且钻压过大可能会导致钻头泥包，使机械钻速骤减。因此，最佳钻压值应在较低的范围。

在中等硬度地层，钻头以剪切、预破碎、冲击、犁削等综合方式破岩，钻压对转速的影响增大，而钻速的增加对机械钻速的增加的影响已不太明显。中等硬度地层硬度与研磨性比软地层高，钻头切削块磨损加剧，使用寿命降低。因此，在保持最佳机械钻速的同时，应将转速控制在较低的范围。

在硬的、高研磨性底层，钻压对机械钻速的影响较为显著。较高的转速会钻头产生大量的摩擦热，导致切削块严重磨损。金刚石钻头具有较长的使用寿使命并保持一定的机械钻速，应采用中到高钻压，以及低到中等转速。

1、钻压

美国克里斯顿公司金刚石系列钻头，根据大量的实验室试验资料，给出不同尺寸规格下的钻压推荐值，如图4-25所示。

钻压的确定考虑了地层岩性和水力清洗这两个因素。对于天然金刚石钻头，在最小钻压和最高钻压范围内，每次钻压增加按9千牛增量加大钻压，不要突然一下增加很大，以防金刚石损坏。对于PDC钻头，钻压可用较低的钻压钻进，一般仅为同尺寸牙轮钻头的30%，即1

—2千牛/平方厘米。如165.1—215.9毫米钻头，钻压为10—40千牛，使用后期可增至100千牛。

图4-25 推荐钻压

2、 转速

金刚石钻头的使用转速应尽可能高些。在钻柱和其他设备、工具允许下，转速增至300转/分效果更好。金刚石钻头已成功地用于600—900转/分的涡轮钻并取得很好效果。对于天然金刚石钻头，一般认为在150转/分左右较合适。对于PDC钻头，转速可以较大的转速范围内使用，最高转速可达数百转每分钟，所以它可用于转盘钻，也可用于井底动力钻井。在转盘钻井时，推荐使用100转/分左右。

3、 排量

排量首先要满足环形空间的最低返回速度的要求，同时又要保证满足钻头清除岩屑和冷却金刚石的需要。图4-26中的曲线是不同尺寸钻头建议采用的排量范围。

图4-26 推荐排量

使用PDC钻头时，和其他钻头（刮刀、牙轮）一样，机械钻速同样随比水力功率增加而增长（见图4-27）。一般使用的比水力功率在250瓦/厘米左右。

2

图4-27 机械钻速与比水力功率关系

三、取芯钻头机械参数

对于金刚石取芯钻头，推荐钻压适用范围如图图4-28所示。

图4-28 取芯钻头推荐钻压

四、机械参数优选方法

机械参数是钻进技术中的重要参数，机械参数优选是科学化钻进技术的重要标志。机械参数优选的技术关键是要建立各种符合钻进客观规律的数学模型，并用最优化数学理论和方法，分析处理各种实验数据和实钻资料，由此选定能使钻速更快、成本更低的机械参数，用以指导钻井实践。

由于各地区的地质条件差别较大，室内试验又难于确切模拟井下的工作情况，因此建立数学模型不但困难较大，而且有一定的地区局限性，不能大范围的完全套用。虽然各地区的情况不同、观点各异，建立的数学模型差别较大，但通过多年的探索，机械参数优选方法已基本定型。对于牙轮钻头机械参数的优选，一般可按如下过程进行：

1、建立钻速方程

通过对实验资料或实钻数据所含信息的深入分析，采用各种数学、物理方法，建立能反映钻进客观规律的数学模型——钻速方程，同时根据实际情况确定方程内的待定系数，使钻速方程能最大程度的与实际情况相吻合。目前钻速方程的形式较多，这里主要介绍多元钻速方程。

鲍戈因（Bourgoyne）和杨格运用多回归分析法，考虑了井深、岩层特性、井底压差、钻压、转速及水力参数等主要因素对钻速的综合影响，建立了一个多元钻速回归方程：

7dHexpaaX Vm0jj （4-34） dtj1式中 Vm----钻速，m/h；

H----钻头进尺，m； t----钻头工作时间，h； aj----待定系数； Xj----影响因素。 所考虑的影响因素为：

1） 常数项a0岩石可钻性系数，其中包括岩石强度，以及与可钻性有关的钻头类型

和钻井液性能等对钻速的影响。

2） a1X1为岩层埋藏深度，即所钻井深对钻速的影响。在正常情况下，岩层的压实

程度随埋藏深度的增加而增加，因此钻速指数将随井深的增加而下降。指数X1为井深L的函数。取3000m处的相对钻速为1.0，则exp（a1X1）=1.0，所以

X13000-L （4-35）

式中 L——井深，m

3） a2X2为岩层致密性对钻速的影响。它与岩层的埋藏深度L及地层孔隙压力当量

密度（即与地层孔隙压力相等的液柱压力密度）ρP有关。钻井实践证明，钻速常随地层孔隙压力当量密度的增加而加快。现以地层孔隙压力当量密度ρP =1.07 g/cm (相当于含盐量10%的盐水柱压力当量密度)时的相对钻速为1.0，X2可定为

3

X2L0.69(P1.07) （4-36）

式中 ρP——地层孔隙压力当量密度，g/cm

4） a3X3为井底压差对钻速的影响。以井底压差等于零时的相对钻速为1.0，则X3

定义为

X3LPe （4-37）

3

式中 e——钻井液循环当量密度（即与钻井液柱压力加上环空循环压耗相等的液柱压力密度），g/cm

5） a4X4为单位钻头直径的钻压对钻速的影响。以单位钻头直径的钻压为8KN/cm时

3

W的相对钻速为1.0。大量实验证明，钻速与db成正比，因此X4的定义为 a4 X4lnW8db （4-38）

式中W——钻压，KN；

db——钻头直径，cm。

实验证明，钻头指数a4与井底净化程度有关，一般为0.6~2.0。

6) a5X5为钻头转速的影响。以n =100r/min为标准，即此时相对钻速exp(a5X5)=1，因钻速与n成正比，所以X5的定义为

nX5ln  （4-39）

100式中n——转速，r/min

很多实验证明，转速指数a5一般为0.4~0.9，与岩层的软硬程度有关。 7) a6X6为水力参数对钻速的影响。X6可定义为

X6lnkHQ （4-40） de式中——钻井液密度,g/cm；

3

Q ——钻井液排量,l/s；

 ——钻头喷嘴出口处的钻井液粘度,Pa.s；

de——钻头喷嘴当量直径,cm； kH——水力系数。

8）a7X7为牙齿磨损对钻速的影响。现规定

X7= -h （4-41）

h为根据磨损分级标准确定的齿高磨损量。新钻头h=0，齿高全部磨损时h=1。A7与钻头类型及岩层性质有关。使用硬质合金齿时，牙齿磨损对钻速的影响很小，可以认为a7=0（即不考虑牙齿磨损对钻速成的影响）。

根据以上规定的X1~X7所代表的参数，多元回归钻速方程中共包含了井深L、地层孔隙压力当量密度ρp、钻井液循环当量密度ρe、钻头直径db、钻压W、转速n、牙齿磨损量h、钻井液排量Q、钻井液密度ρ、钻井液粘度μ和钻头水眼当量直径de等11个因素，再加上常数项a0中地层性质的影响，共有12个影响因素。因此，这个多元钻速方程能够更全面、更精确地反映钻进过程的客观规律。但必须指出，多元钻速方程是以大量的实测数据为基础，通过回归分析法建立的相关模型。它的准确性首先决定于指数方程中各回归系数ａｊ的精确度，如果回归系数不准确，由此规定的回归方程就毫无实际意义。因此，用多元钻速方程来确定各种因素与钻速之间的定量关系时，首先必须根据该地区多口井的准确资料，求出回归效果好的各ａｊ值，然后才能用此模型分析计算各因素对钻速的具体影响，由此确定新设计井的最优化钻井措施。

2、建立钻头磨损方程

钻头在机械参数的作用下取得进尺的同时，自身也要磨损。应当建立钻头磨损方程来描述钻头磨损的客观规律。由于钻头磨损的不同形式，钻头磨损方程有牙齿磨损方程和轴承磨损方程二种。与钻速方程相同，钻头磨损方程也要根据实际情况确定方程内的待定系数，才能使钻头磨损方程能最大程度的与实际情况相吻合。这里主要介绍牙轮钻头的钻头磨损方程。

对于铣齿钻头，钻头磨损形式主要为牙齿磨损，故钻头牙齿磨损方程为：

dhdtAfQ1nQ2n3

(D2D1W)(1C2h) （4-42）

对于镶齿钻头，钻头磨损形式主要为轴承磨损，故钻头轴承磨损方程为：

dBnW （4-43） dtb式中 Af----岩石研磨性系数；

D1，D2----钻压影响系数；

Q1，Q2，C1----转速影响系数；

B---- 轴承相对磨损量；

b----轴承磨损系数；

σ----钻压指数。

3、建立目标函数

由于钻速方程和钻头磨损方程对机械参数的要求是相互矛盾的（高的钻速必然带来大的磨损），在机械参数优选时就应该有一个合理的准则，即目标函数。虽然目标函数的种类很多，目前广泛应用的主要是单位进尺成本目标函数：

C式中cb——钻头成本，元；

cr——钻机作业费，元／h； tt——起下钻及接单根时间，h； t——钻头工作时间，h； Ｈ——钻头进尺，m。

钻头进尺H及其工作时间t，可由钻速方程和钻头磨损方程确定。

cbcrttt （4-44）

H单位进尺成本目标函数综合考虑了钻速和钻头磨损的矛盾，在最小单位进尺成本的前提下，能获得较大的钻速、较大的进尺。显然，当钻头成本和钻机作业费一定时，要想得到最小单位进尺成本，必须有较少的起下钻接单根时间、较少的钻头工作时间、较大的钻头进尺。这是一种比较合理的解释。

4、采用最优化方法

当目标函数确定后，即可对机械参数进行优选。根据最优化理论,令目标函数对各变量的偏导数为零, 结合约束条件，便可确定各相应参数的最优值，即

C0 (4-45) Xj值的指出的是：

由于井深和地层孔隙压力梯度都不是可调变量；井底压差又受安全钻井要求限制，不能任意调节；钻井水力参数的优选问题已经解决（见本章前一节），因此，只有对钻压、转速和钻头磨损求偏导数为零，对实际工作才有指导意义。

要同时求得钻压、转速和钻头磨损的最优值，需求解联立方程组，有一定的难

度。由于国内现有钻井设备大多不具备无级调速功能，同时钻头的合理磨损又可根据邻近井的钻头资料确定，因而在实际应用中，主要还是用于在确定转速和钻头磨损的条件下对钻压的优选。

据此，最优钻压可由下式计算Wt：

2W'Z4W'D21W'Z2D2Z1 (4-46)  Wt2FD1FFD1式中 Wt——最优钻压，KN W、Z、F——中间变量

’

W'TeAfQ1nQ2n3D1Te (4-47)

cbtt (4-48) crZ1a4 (4-49) a4FhC12h (4-50) 2 最优钻压Pt下的单位进尺成本C、钻头进尺H和工作时间t可按下式计算：

CcrTeSF (4-51)

JEHJE (4-52) SFt (4-53)

S式中 S、J、E——中间变量

SAfQ1nQ2n3D2D1W (4-54)

6JexpaaX0jj (4-55)

j1E1a7hacacache (4-56) 7171712a75、实钻效果分析

机械参数优选的过程是一个循序渐进的过程，需要不断的对钻速方程和钻头磨损方程修正和完善，才能逐渐地逼近理想的情况。因此，对实钻效果分析工作十分重要。目前，针对机械参数优选的特点，结合计算机技术，已经有了自动控制闭环系统，展现出钻进技术的良好发展前景。

对于刮刀钻头和金刚石钻头的机械参数优选，仍可按上述方法进行，但钻速方程和磨损方程不相同。目前已有一些研究成果可供参考。

五、实例

根据实测资料，某地区3000m井段多元转速方程的各回归系数为：

a0=2.5 a1=0.0002 a2=0.0015 a3=0.001

a4=1.1 a5=0.68 a6=0.5 a7=1

3

该井段ρp=1.07 g/cm，Af=0.00228，使用直径251mm的21型钻头，cb=900

元/只，h=0.75，cr=250元/小时，tt=5.75小时。钻井液密度ρ=1.15g/cm（取钻井液循环当量密度等于钻井液密度）,钻井液喷嘴粘度粘度μ=5Pa.s，钻井液排量=39.4l/s，钻头水眼当量直径de=1.905cm，水力系数kH=1.2。

3

试求n=60、120、180rpm的最优钻压Wt，及相关的单位进尺成本C、钻头进尺H和工作时间t。

1. 确定有关系数

根据钻井手册，直径251mm的21型钻头有关系数为： D2=6.44 D1=0.01433 C1=5 Q1=1.5 Q2=0.000653

2.计算Wt

由

Tecb900tt5.759.35(h) cr2501a411.11.91 a41.1ZFhC125h0.75*0.7522.156 22得n=60rpm时的最优钻压

3TAQnQn1.91*0.00228*1.5*600.000653*603ef12'W159.4D10.01432W'Z4W'D21W'Z2D2Z1  Wt2FD1FFD121159.4*1.912*6.44159.4*1.914*159.4*6.44**1.91122.1560.014332.156*0.014332.156333(KN)又有

SAfQ1nQ2n3D2D1Wt0.00228*1.5*600.000653*6030.1388

6.440.01433*3336JexpaaX0jj

j1expa0a1X1a2X2a3X3a4X4a5X5a6X62.50.0002*00.0015*00.001*(240)exp1.1*0.5060.68*(0.511)0.5*(0.561)8.931a7C1a7C1a7C1hea7h2a7

E

15155*0.75*e0.751.398得n=60rpm时的单位进尺成本C、钻头进尺H和工作时间t

CcrTeSF250*9.35*0.13882.15669.19(元/m)

JE8.93*1.398HJE8.93*1.39889.94(m) S0.1388F2.156t15.53(h)

S0.1388再计算n=120、180rpm的情况（略），结果见表4-20。

表4-20 计算结果

转速（rpm） 牙齿磨损 最优钻压（KN） 单位进尺成本（元/m） 进尺（m） 钻进时间（h） 钻速（m/h） 60 0.75 333 69.19 89.94 15.53 5.79 120 0.75 296 71.18 57.77 7.10 8.14 180 0.75 272 90.41 36.07 3.69 9.77

不难发现：最优钻压与转速成反比，转速越高，最优钻压越低；低转速下单位进尺成本较低，对应的进尺较大、钻进时间较长，但钻速较慢；高转速下单位进尺成本较大，对应的进尺较小、钻进时间较短，但钻速较快。

综合考虑，选用n=120rmp、w=296KN的钻井参数比较合理。

第六节 钻具

在钻井中除必须配备一整套地面钻井设备外，还要配备一系列井下钻进工具，它们包括钻井时下入井内的钻头、钻柱、井下动力钻具、取心工具以及一些辅助钻井工具（如事故处理工具）等。井下钻井工具也简称为钻具。

一、

钻柱

钻柱是从钻头到地面全部管柱的总称。钻柱是优质快速钻井的重要手段和工具，是连通地面与地下的枢纽。随着现代钻井深度的不断增加，钻进工艺的不断发展，对钻柱的性能要求也越来越高。目前，已广泛使用具有防斜、防震、防卡等作用，由一种或数种钻具组合而成的复合钻柱。这种复合钻柱配合不同的工艺措施，可以控制井斜变化，改善钻头工作状态，减少卡钻事故的发生，进而获得多方面的综合效益。

由于钻柱使用贯穿钻井作业的全过程，因此钻柱的作用有： （1）起下钻头； （2）施加钻压； （3）传递动力； （4）输送钻井液。

钻柱在井下工况复杂，环境恶劣，往往是钻井设备和工具中的薄弱环节。正确选配钻柱和合理使用好钻柱，对于提高钻井速度，降低钻井成本有着不可忽视的重要意义。

钻柱由多种不同的钻具组成，其组成方式随钻井条件和钻井方法不同而有区别。一般组成钻柱的基本钻具是：方钻杆、钻杆、钻铤、配合接头。如图4-29所示。

1、 方钻杆

方钻杆连接在钻柱的最上部，一般采用四方形截面的方钻杆。方钻杆与转盘中的方补心内孔相配合，当方钻杆进入转盘后只能随转盘转动和上下移动。这样，在转盘旋转时，就能带动方钻杆、钻杆，钻铤和钻头旋转钻进。方钻杆长度约为12米左右。

图4-29 钻柱组成

2、 钻杆

钻柱中最长的一段是钻杆。钻杆连接在钻铤和方钻杆之间。钻杆每根长约９米，靠两端的接头相互联接。钻井工人习惯称单根钻杆为“单根”，2—3根钻杆连在一起时称之为“立根”。

钻杆的壁厚较薄，是钻柱中最薄弱的部件。近年来高强度铝合金钻杆的广泛使用，减轻了钻柱重量，增加了钻柱强度，减少了钻柱事故的发生。

3、 钻铤

钻铤位于钻柱的下部，与钻头相联，用它自身的重量给钻头施加压力。钻铤每根长约９米，靠两端的接头相互联接。钻铤的特点是壁厚、强度和刚度大，受压后不易弯曲。虽然钻铤总长度只有200米左右，但其重量在钻柱中占有很大的比例。在一些特殊情况下，可以用加重钻杆（比一般钻杆壁厚要大）取代部分钻铤。

4、 配合接头

由于组成钻柱的钻具种类不同、尺寸不同，需要使用配合接头连接，才能组成统一和谐的钻柱。

配合接头有二种，一种是钻具自带的接头，用于种类相同、尺寸相同的钻具间的连接，如同尺寸钻杆间的连接；二是单独的接头，用于种类不同、尺寸不同的钻具间的连接，如钻杆与钻铤间的连接。

生产现场常用数字型接头代号，便于钻井作业中及时准确地选配。如下例所示。

NC50 -- 6 3 G

在这组数字中，NC50表示接头螺纹代号， 其中NC是数字型接头的英文缩写；6表示所配钻具名义外径代号；3表示所配钻具重量代号；G表示所配钻具钢级代号。据此，上例意为：接头螺纹为NC50；所配钻具名义外径代号为6；所配钻具重量代号为3；所配钻具钢级代号为G。

除此之外，生产现场还常用流道型接头代号，不同之处仅在于第一项的表示方法不同，如下例所示。

41/2IF -- 6 3 G

在这组数字中，41/2IF表示接头螺纹代号， 其中IF是内平型接头的英文缩写。

常用配合接头螺纹代号见表4-21。对于钻杆，其名义外径和重量代号见表4-22。

表4-21 接头螺纹代号（ GB4775-84）

接头螺纹名称 接头螺纹代号 可互换的接头螺纹名称 可互换的接头螺纹代号 23/8IF 27/8IF 31/2IF 4FH 4IF 41/2IF 数字型23 数字型26 数字型31 数字型35 数字型38 数字型40 数字型44 数字型46 数字型50 数字型56 数字型61 数字型70 数字型77 贯眼型51/2 正规型23/8 正规型27/8 正规型31/2 正规型41/2 正规型51/2 正规型65/8 正规型75/8 正规型85/8 NC23 NC26 NC31 NC35 NC38 NC40 NC44 NC46 NC50 NC56 NC61 NC70 NC77 51/2FH 23/8REG 27/8REG 31/2REG 41/2REG 51/2REG 65/8REG 75/8REG 85/8REG -- 内平型23/8 内平型27/8 -- 内平型31/2 贯眼型4 -- 内平型4 内平型41/2 *IF--内平型；FH--贯眼型；REG--正规型。

表4-22 钻杆名义外径和重量代号（GB4775--84）

钻杆名义外径 名义外径代号 重量 mm 60.3 1 kg/m 7.2 9.9 73.0 2 10.2 15.5 88.9 3 14.1 19.8 23.1 101.6 4 17.6 20.8 23.4 114.3 5 20.5 24.7 29.8 34.0 36.7 38.0 127.0 6 24.2 29.0 38.1 139.7 7 28.6 32.6 36.8

壁厚 mm 4.83 7.11 5.51 9.19 6.45 9.35 11.4 6.65 8.38 9.65 6.88 8.56 10.92 12.7 13.97 14.61 7.52 9.19 12.7 7.72 9.17 10.54 重量代号 1 2 1 2 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 5 6 1 2 3 1 2 3 API规定的钻杆钢级有D级、E级、 95（X）级、105（G）级和135（S）级共五种，其中X级、G级和S级钻杆为高强度钻杆。

综上所述，钻铤、钻杆、方钻杆、配合接头几种钻具，构成了基本的钻柱形式。随着钻进工艺的发展，在钻井中除使用上述基本钻具外，还研制使用了一系列能进一步提高钻井工作效率的钻具。使用最广泛的是四器（稳定器、减震器、震击器和悬浮器）。

5、 稳定器

钻具稳定器是满眼、钟摆和增稳降斜钻具组合中必需的部件。在钻井实践中往往根据地层的不同性质和防斜的要求，用稳定器构成多种防斜钻柱。稳定器通常要使用好几个，下稳定器紧接在钻头上，中稳定器距钻头约十几米。钻进时，稳定器与井壁接触，对钻头起扶正和导向作用。为了保证正器能较好地接触与支承进壁，其外径尽可能接近钻头直径。

使用较为普遍的稳定器结构为螺旋稳定器,即稳定片是螺旋形的。这种结构的稳定器,蹩劲小。国产标准整体式螺旋稳定器的结构,如图4-30所示。

图4-30 螺旋稳定器结构

6、 减振器

减震器是利用工具内部的减震元件或可压缩液体吸收或减小钻井过程中对钻头和钻具的冲击和振动负荷,保护钻头牙齿、轴承和钻具,延长钻头寿命和减少钻具

刺漏的一种钻井工具。

液压减震器的减震作用,主要是通过具有可压缩的硅油来实现的。钻井作业中钻头和钻具受到冲击和震动时,其作用力使工具以极快的速度向上运动,此时油腔内的液压油不仅受到压缩,而且一部分将以极高的流速经阻尼孔流入缸套腔内,从而起到了吸能及缓冲的作用。钻头上的冲击和震动负荷减小或消失时,液体膨胀,下接头以下钻具在自身重量的作用下向下运动。

使用钻柱减振器能吸收钻井过程中所产生的冲击和震动负荷，从而提高钻头使用寿命，减轻钻铤及其它井下钻具的疲劳。减震器一般都装在靠近钻头的地方。

7、 震击器

在钻井作业中，下落的钻屑、地层的膨胀缩径、井下落物、压差或其它原因都可以引起钻柱被卡。在当今的钻井作业中，为避免因卡钻而使大段钻具落井，常在钻柱中安放震击器，大大提高了钻井效益，为钻柱提供了更大的安全系数。

震击器的结构类型很多，既有液力向上震击和机械向下震击的特性，又有机械锁紧，以进行长期的随钻作业的特点。震击器的主要部件是液力震击系统，其震击力通过超拉钻柱悬重而储存在钻柱中，经一定时间，超拉达一定值时，震击器释放能量迅速作用在被卡钻柱上而发生震击。如果需要，震击器可多次重复震击，直到解卡为止。

8、 悬浮器

悬浮器是一种新型的钻井工具。将该工具安装在钻柱的中和点附近，并在规定的操作条件下使用，在不影响扭矩和正常输送钻井液的情况下，利用悬浮器的工作行程，隔离了悬浮器上、下钻柱间的轴向力联系，从而使常规钻井时，中和点以上钻柱变化的旋转离心力作用下产生的轴向伸缩传递不到钻头上，因而消除了常规钻井时，钻头上受到的巨大峰值钻压影响。这样就基本上消除了钻头的剧烈跳动，从而增加了钻头在井底的有效工作行程，提高了钻头的机械钻速，减少了峰值钻压对牙轮钻头的轴承及轮齿或其它钻头切削刃的破坏，大大减少了钻杆高速旋转对井壁

泥饼及地层的破坏作用，使油层少受污染，大幅度减少了井塌及电测井遇阻的可能性，有效地缩短了建井周期，减少了井内事故，降低了能耗和钻井成本。

二、

其他钻具

1．井下动力钻具

井下动力钻具是指接在钻柱下部，随钻柱一起下到井底的动力机，它有液力驱动（利用高压钻井液的能量作为动力）和电驱动二类。前者有涡轮钻具、螺杆钻具、冲击钻具，后者为电动钻具。

使用井下动力钻具的一般优点是钻井时钻柱不转动，可以减少钻柱的疲劳与磨损，减少钻杆折断事故。再由于钻柱不转动，钻井时钻柱与井壁间的摩擦功率损失很少，传递到井底的功率就较高。因此，井下动力钻具被广泛地用于打定向井和修井、侧钻等作业。 （1）涡轮钻具

图4-31 涡轮钻具结构示意图

在涡轮钻井中，涡轮钻具在地面钻井泵打出的高压钻井液驱动下，带动钻头旋转破碎岩石。涡轮钻具是一种特殊结构的水涡轮，其作用原理和南方农村车水用的水车或磨面用的水磨是相似的。它靠液流的力量冲击叶片或叶轮，从而带动轮轴转动进行工作。图4-31即为涡轮钻具的结构示意图。

涡轮钻具由外壳，涡轮定子和转子、中心轮轴、轴承等主要部件组成。定子固定在外壳内，外壳与钻柱相连，它们都是不转动的。转子固定在中心转轴上，中心转轴与钻头连接。它们是转动的。定子和转子的叶片是向相反方向弯曲的。当高压钻井液通过钻柱进入涡轮钻具后，钻井液顺着定子叶片的偏斜方向流动，正好有力地冲击到转子叶片上。这种冲击力作用下，转子就带动中心轴旋转，从而使钻头转动。实际上，涡轮钻具是由成百对定子和转子串联组成的，所以中心轴上能产生很大的扭矩和功率，使钻头高速地钻进。

为了提高涡轮钻井的技术经济指标，近年来发展了多种新型涡轮钻具，其结构与性能比普通涡轮钻具有了很大提高。改进的主要方向是发展了低转速大扭矩的涡轮钻具，以及适合于金刚石钻头及高压喷射钻头钻井的新型涡轮钻具，取得了良好的生产效果。 （2）螺杆钻具

图4-32 迪纳钻具结构剖面图

螺杆钻具是一种由高压钻井液驱动的容积式井下动力钻具。它的特点是输出轴的扭矩与钻井液在螺杆钻具内的压力降成正比，转速与钻井液排量成正比。由于钻头上所需的扭矩与钻压成正比，因此，当钻压增加时，螺杆钻具轴上的扭矩增加，通过它的钻井液压力降也增加，但其工作转速却几乎不受扭矩或钻压的影响。这种特性对钻井时控制钻压特别有利。钻压的变化引起了地面泵压的变化，因而地面钻井泵的压力表可以当做钻压指示器使用，司钻可以据此而控制钻压。螺杆钻具比涡轮钻具得到较大的扭矩和功率；由于它在小排量下工作，转速较低，因而使钻头的进尺比涡轮钻井时高。图4-32所示为美国迪纳钻具的结构剖面图。

这是一种单头的螺杆钻具。它由外壳、定子、转子、万向轴、主轴等主要部件组成。钻具的主要工作元件是转子和定子。定子为橡胶衬套，在全长上形成一个由椭园形截面构成的螺旋通道，通道中有一根象麻花一样的螺旋形转子。转子的二端的轴是偏心安装的，上端可以自由旋转，下端通过万向轴与主轴相连。当高压钻井液从钻杆进入螺杆钻具时，就从转子和定子螺旋形通道之间的空间往下挤，钻井液靠其压力迫使麻花形的转子在定子的螺旋通道中不断移位，从而构成转子的旋转并

产生扭矩。

迪纳（单头螺杆）钻具发展较早，在世界各地都用它来打定向井，进行修井、侧钻等特殊作业。在直井中钻井也有一些应用，其所用的钻井深度已达6000米以上。

（3）冲击钻具

近年来，国外试验在普通转盘钻井中增加高频冲击的钻井方法，即冲击旋转法。它在硬地层条件下能提高钻井指标。产生这种冲击的井下工具是冲击钻具，它可以直接装在钻头上，利用循环介质（液体或气体）的动力，对钻头产生高频冲击。从这个意义上来说，冲击钻具也是一种井下动力钻具，不过它的操作是往复式的，旋转扭矩仍靠转盘提供。

最初试验的是用矿山的风动工具改装而成的冲击钻具，以空气为动力。试验表明，提高冲击频率可以提高钻速，调整冲击力可以产生大小比较合理的岩屑。在大多数情况下，使用冲击钻具的钻头进尺比不带冲击钻具的高。

上述空气冲击钻具只能用于空气钻井，空气冲击钻具已被广泛采用。国外还试验了用循环水或钻井液为动力的液力冲击钻具。它们可以直接用于普通转盘钻井，不需要增加其它设备。液力冲击钻具在尚处于试验阶段。 （4）电动钻具

利用特制的井底电动机作为动力的钻井工具称为电动钻具（电钻）。电钻除能体现井下动力钻具的一般优点外，它的工作性能不受钻井液参数变化的影响，甚至可以用于空气钻井。电钻的控制比较灵活，可以利用直接来自井底的信号，效率高，容易实现自动化。其缺点是结构较复杂，制造较困难，需要特殊的电缆，在使用刚性钻杆时，增加了连续电缆等项操作，而且比较容易出故障。最近由于柔性钻杆的出现，为电钻简化了一部分接电缆的操作。

电动钻具有有杆电钻和无杆电钻二类，主要发展的是有杆电钻。美国正在研制带遥测资料的新型电钻。 2、取心工具

钻井过程中，可以通过岩屑录井，钻时录井，地层测试，地球物理测井，钻井液录井等方法，了解地下地质情况，为勘探开发油气田提供资料。这些方法虽各有优点，但都存在一定局限性。如果能将井底大块岩石取出地面，直接观察分析，就可以取得更完整、准确的地质资料。因此，根据需要，在预定层位，利用特殊的钻井工具，在井底钻出一个园柱形岩石，并将其取到地面的钻进工艺，称为取心钻井，

取出的岩石称为岩心，使用的钻井工具称为取心工具。

图4-33 取心工具

取心钻进的工艺过程包括形成岩心，保护岩心和取出岩心三个主要环节。它与普通钻井方法有所不同，井下钻具也不一样。取心工具的种类很多，结构各异，但一般都由取心钻头，岩心筒，岩心爪，单流凡尔，悬挂轴承以及稳定器等部件组成。如图4-33所示。

（1）岩心筒 岩心筒由内筒和外筒组成。内筒用以容纳岩心和保护岩心，防止岩心受钻井液的冲蚀。外筒用来联接钻柱，传递和承受钻压，带动钻头旋转和保护内筒。

为了使岩心顺利进入内岩心筒，要求内壁光滑、无弯曲和变形，并用悬挂轴承悬挂在外筒顶部。钻进时，内筒不随外筒旋转。外岩心筒必须使用高强度钢管，以免加压后弯曲，使钻头工作不平稳。

一节内外岩心筒长度约9米。为了提高单筒进尺，有时将几节岩心筒联成长筒。但岩心筒长后，影响岩心收获率和井下安全钻进。因此，必须根据岩性确定心筒长度。一般软地层岩心强度低，易于破碎，用一节岩心筒即可。

（2）岩心爪 岩心爪的作用是割取岩心及承托的岩心柱，防止其掉落。对岩心爪的要求是：取心钻进时，岩心能顺利通过，并不被破坏；起钻时，又能可靠地托住岩心，不会掉落。因此，岩心爪必须具备足够的弹性、强度和耐磨性能。

岩心爪的类型较多，不同的岩性需选用不同的岩心爪。现常使用的有卡箍式，卡板式，卡簧式。卡簧式岩心爪由较薄的钢片制成，适用于松软地层，但由于钢片容易碎断在井内，现已不大使用。卡箍式及卡板式岩心爪，适用于中硬及坚硬的地层。

（3）稳定器和单流凡尔 稳定器分外筒稳定器和内筒稳定器。外筒稳定器可以保护外筒工作平稳，不弯曲。带稳定器的刚性取心钻具组成还可防止井斜。内筒稳定器可以保持内筒稳定，使内筒居中，岩心容易进入，并不被偏磨。

使用外筒稳定器时，必须井身质量好，钻井液性能稳定，否则容易被卡。 单流凡尔装在岩心筒顶部，钻进时，阻止钻井液时入内岩心筒冲蚀岩心。当岩心进入内筒时，又可排出岩心顶部的钻井液。由于这种只出不进的作用，故称为单流凡尔（阀）。

为了保证取心工具下井后能有效的工作，入井前，按要求检查取心工具各部件：内外筒要直，每米弯曲不得大于1毫米；岩心爪内径应比钻头内径3—4毫米；钻头底面要平，内外出刃应达到要求尺寸，金刚石颗粒无脱落；内筒转动应灵活。经全部检查合格后，才能下井。

除了上述需用钻井工具外，在钻井中还有许多用于处理复杂事故的专用工具，如公锥、母锥、卡瓦打捞筒、套铣筒、磨鞋、随钻打捞杯、磁铁打捞器等等。另外，在中途测试等作业中，需要使用一些专用工具设备，这里就不一一叙述了。

三、深井钻柱的设计

作用于钻柱上的力有拉力、压力、弯曲力矩、扭矩等，大多可以利用力学分析方法根据实际工况确定。其中经常作用（不论是起下钻或正常钻时）且数值较大的力是拉力。因此，钻柱设计一般以拉伸计算为主，再考虑一些钻柱实际工作条件的需要。其方法和步骤如下述。

1．钻柱设计的强度条件

一般以钻柱在钻井液中空悬时的情况为计算条件，钻柱上部拉伸负荷应满足以下条件：

PtPa

(4-57)

式中Pt——钻柱上部拉伸负荷，KN； Pa——钻柱的最大允许静拉负荷，KN。

钻柱最大允许静拉负荷的大小取决于钻柱材料的屈服强度以及强钻柱的工作使用条件。

（1）钻柱在屈服强度下的抗拉负荷Py

先考虑钻柱材料的屈服强度，很明显，钻柱所受拉伸负荷必须小于屈服强度下的抗拉负荷，它等于

Py0.1sF (4-58) 式中

s

——材料的最小屈服强度，MPa；

2

F——钻柱的横截面积，cm。

Py——最小屈服强度下的抗拉负荷，KN。可以计算，也可以从钻井手册中查得。

（2）钻柱的最大工作负荷Pw

如果拉力负荷达到Py时，材料发生屈服而不能继续使用，因此，一般把它的90%作为最大工作负荷。

[7]

Pw0.9Py (4-59)

式中Pw——钻柱最大工作负荷，KN；

（3）钻柱的最大允许静拉负荷Pa

此静拉负荷是当钻柱自由悬挂时允许的大钩负荷。考虑到钻柱的实际工作条件，如动载、上提解卡和卡瓦挤毁等，它必须小于钻柱的最大工作负荷Pw。

目前有三种方法可用于确钻柱的最大允许静拉负荷Pa。 1）安全系数法

采用安全系数法的理由是保证钻柱的工作安全，通过它来考虑起下钻的动载及其他力的作用，大致取为1.30。

安全系数=

式中Pa——最大允许静拉负荷，KN；

2）考虑卡瓦挤毁钻杆的设计系数法

对于深井钻柱来说，由于钻柱重量大，当它坐于卡瓦中时，将受到很大的箍紧力。当合成应力接近或达到材料的最小屈服强度时，就会导致卡瓦挤毁钻杆。为了防止钻杆被卡瓦挤毁，要求钻柱的屈服强度与拉伸应力的比值不能小于一定数值。此值是根据钻柱抗挤毁条件得出，由下式确定

Pw (4-60) PasdeKdeK1t2Ls2Ls式中

s

2 (4-61) 12——材料的屈服强度,MPa；

——悬挂在吊卡下面的钻柱拉伸应力,MPa；

t

de——钻柱外径,mm；

Ls——卡瓦与钻杆的接触长度,mm；

K——卡瓦的横向负荷系数（以平均值计算，K=4）

K1 (4-62)

tg() ——卡瓦锥角，一般为92745； ——摩擦角。

现将K值和

s

/

t

比值的计算结果列入表4-21中，设计时可直接查表。

这就是说，为了防止卡瓦挤毁钻杆，钻杆拉伸负荷应受到限制，即屈服强度与拉伸应力的比值不能小于表4-23中的数值，并以此值作为设计系数。

表4-23 防止卡瓦挤毁钻杆的

s

/

t

最小比值

卡瓦 长度 m米 摩擦 系数 横向负载系数 K 60.3 73.0 钻 杆 尺 寸， m 米 83.9 101.6 s114.3 /t127.0 139.7 最小比值

0.06 0.08 304.3 0.10 0.12 0.14 0.06 0.08 406.4 0.10 0.12 0.14 ①①4.36 4.00 3.68 3.42 3.18 4.36 4.00 3.68 3.42 3.18 1.27 1.25 1.22 1.21 1.19 1.20 1.18 1.16 1.15 1.14 1.34 1.31 1.28 1.26 1.24 1.24 1.22 1.20 1.18 1.17 1.43 1.39 1.35 1.32 1.30 1.30 1.28 1.25 1.23 .21 1.50 1.45 1.41 1.38 1.34 1.36 1.32 1.29 1.27 1.25 1.58 1.52 1.47 1.43 1.40 1.41 1.37 1.34 1.31 1.28 1.66 1.59 1.54 1.49 1.45 1.47 1.42 1.38 1.35 1.32 1.73 1.66 1.60 1.55 1.50 1.52 1.47 1.43 1.39 1.36 *摩擦系数0.08用于正常澜骨情况

设计系数3）拉力余量法

sPw (4-63) tPc所谓拉力余量法就是在设计中选择的最大允许静拉负荷Pa应小于最大工作负荷Pw一个合适的数值，以它作为余量，以便于当钻柱被卡时上提解卡。此拉力余量的选择应从实际钻井条件出发，井下情况危险程度越大，则所取拉力余量应越高。

拉力余量PwPa (4-64)

在采用拉力余量法设计钻柱时，必须使最大工作负荷Pw与钻柱每个断面上最大允许静拉负荷Pa之差值相同。这样当提拉钻柱时就不会有某个薄弱断面来限制和影响总的提拉负荷量。

用Py代替Pw，则采用上述三种方法所确定的Pa值如下：

Pa0.9Py安全系数 (4-65)

Pa0.9Pys/t (4-66)

Pa0.9Py拉力余量 (4-67)

一般来说，在钻柱设计中，钻柱的最大允许静拉负荷取决于安全系数、最小的s/t比值（设计系数）和拉力余量三个因素，这可分别计算，然后从三者中取最低者作为最大的允许静拉负荷。一个合理的设计，既要满足起码的设计（安全）系数，又要给出足够的拉力余量。设计（安全）系数是用来控制强度较高、负荷较重的钻柱设计，而拉力余量是用以控制负荷较轻、强度较弱的钻柱设计。

2．钻柱设计的方法和步骤

一般的钻柱是由钻铤柱和钻杆柱两部分组成。在确定各段钻杆柱的长度之前，要先确定钻铤柱的长度，其原则是中和点应位于钻铤柱内，可用下式计算：

L0式中L0——钻铤的长度，m； P——钻压，N；

P (4-68)

0.85q0Kf q0 ——钻铤单位长度在空气中的重量，N/m； Kf——浮力系数。

以下分别按两种情况计算钻杆柱的长度。 （1）单一钻柱的设计

对于一定的尺寸、壁厚和钢级的钻杆柱，我们可以算得（或查得）它的最大允许静拉负荷Pa1，从而算出这种钻杆柱的最大设计深度L1。

因为

Pa1(L1q1L0q0)Kf (4-69)

所以最大设计长度

Pa11L1L0q0 (4-70) Kqf1式中Pa1——单一钻杆的最大允许静拉负荷，N； L1——单一钻杆柱的最大设计深度，m；

q1——单一钻杆柱单位长度在空气中的重量，N/m。

（2）复合钻柱的设计

由上可见，单一尺寸钻柱的许下深度是有限的，往往不能满足深井和超深井的要求。要使钻柱有更大的许下深度，可以采取改变钻柱的组成、减轻下部钻柱重量的方法，也就是采用不同尺寸（上大下小）、不同壁厚（上厚下薄）、不同钢级（上高下低）的钻杆组成复合钻柱。采用复合钻柱可以允许在现有钻杆条件下提高钻柱的许下深度，在现有钻机负荷能力下钻达更大的井深。如果再采用高强度钻杆和铝合金钻杆，还可以进一步提高钻柱的许下深度和钻机的钻井深度。

1）第i段钻杆的长度确定

现有井深为L的深井，需用需用n种钻杆组成复合钻柱。如图4-34所示。 现在讨论第i（i=1,2…n）段的情况。显然，如果已知第i段钻杆的尺寸、壁厚、钢级，就可以得到第i段钻杆的最大允许静拉负荷Pai，而受到最大拉力的地方是第i段钻杆的顶部截面，根据钻柱的强度条件公式立得：

PaiLiqiLkqkKf (4-71)

k0i1变形得到：

Paii11LiqkLk (4-72) Kqfk0i这就是复合钻柱第i段钻杆长度计算公式。当n=1，即为单一钻柱的长度计算公式。当n≠1时，各段钻杆长度之和应满足如下条件：

LLi (4-73)

i0n

图4-34 复合钻柱计算示意图

2）钻柱设计举例 设计条件：

设计深度7925m；钻井液浮力系数0.7861；钻压195.767KN；177.8mm钻铤每米重量1601N/m；卡瓦长度406.4mm；钻杆尺寸114.3和127.0mm。设计数据：

拉力余量445KN；安全系数1.30； 卡瓦挤毁比值

s

/

t

，查表3-2，114.3mm——1.37；127.0mm——1.42。

a.钻铤长度计算

L0P0.85q0Kf1957670.85*1601*0.7861

183 (m)

在设计复合钻柱时，一般在钻铤和钻杆之间应有一个过渡段（如用小一号钻铤或加重钻杆），本例中为了计算简明起见，在钻铤之上直接采用钻杆进行设计。

b.钻铤上面第一段钻杆受力较小，可选用强度较低的114.3mmE级钢钻杆，

q1=242.3N/m，py1=1470.9KN。

由卡瓦挤毁比值计算的最大允许静拉负荷为

Pa10.9Py11.370.91470.9966.29 (KN)

1.37由拉力余量计算的最大允许静拉负荷为

Pa10.9Py1拉力余量0.9*1470.9445

878.81 (KN)

由上可看出，安全系数小于卡瓦挤毁比值，而卡瓦挤毁比值计算的Pa1大于拉力余量计算的Pa1，故选用三者中最小的最大允许静拉负荷，那么第一段钻杆的长度可用公式计算：

Pa11L1q0L0 Kqf187881011601183 0.7861242.33405 (m)

c.第二段选用强度略高的114.3mmG105钻杆，q2=242.3N/m，py2=2059.24KN。 由卡瓦挤毁比值计算的最大允许静拉负荷为

Pa20.92059.241352.78 (KN)

1.37Pa20.9Py2拉力余量0.9*2059.24445由拉力余量计算的最大允许静拉负荷为

1408.3 (KN)

由于按卡瓦挤毁比值计算的Pa2小于按拉力余量的计算值，第二段钻杆长度L2

可按公式如下计算。

P1L2a2q0L0q1L1Kfq2

135278011601*183242.3*3405 0.7861242.3 2488 (m)

d.第三段选用强度更高的127.0mmG105钻杆，q3=284.78N/m，py3=2464.387KN。 由卡瓦挤毁比值计算的最大允许静拉负荷为

Pa30.92464.3871561.935 (KN)

1.42Pa30.9Py3拉力余量0.9*2464.387445由拉力余量计算的最大允许静拉负荷为

1772.948 (KN)

这样，按卡瓦挤毁比值计算的最大允许静拉负荷小于按拉力余量计算的，则第三段长度L3可按公式计算。

P1L3a3q0L0q1L1q2L2

Kfq3156193511601*183242.3*3405284.78*2488

0.7861284.78 934 (m) 以上计算的结果为：

177.8mm钻铤 183m 114.3mm、242.3N/m、E级钻杆 3405m 114.3mm、242.3N/m、G105钻杆 2488m 127.0mm、284.78N/m、G105钻杆 934m 合计 7010m 因设计深度为7925m，尚缺915m。

第四段选用强度更高的127.0mmG105钻杆，q4=373.66N/m，py4=3302.581KN。 由卡瓦挤毁比值计算的最大允许静拉负荷为

Pa40.93304.5812093.185 ( KN)

1.42Pa30.9Py3拉力余量0.9*3302.581445由拉力余量计算的最大允许静拉负荷为

2527.323 (KN)

应该用公式计算第四段的长度L4。

Pa41L4q0L0q1L1q2L2q3L3

Kfq4209318511601*183242.3*3405284.78*2488373.66*9340.7861373.66 1809 ( m)

仅取尚缺的915m。所以从上到下整个钻柱设计为： 127.0mm、373.66N/m、G105钻杆 915m 127.0mm、284.78N/m、G105钻杆 934m 114.3mm、242.3N／m、G105钻杆 2488m 114.3mm、242.3N／m、E级钻杆 3405m 177.8mm钻铤 183m 合计 7925m

第七节 钻井技术经济指标

钻井是油田勘探开发的重要手段，钻井工程质量的优劣和钻井速度的快慢，直接关系到钻井工程综合经济效益。钻井技术经济指标就是反映钻井工程综合经济效益的重要依据。 1、 钻机月速度

也叫经济钻速，是指一部钻机工作一个台月所完成的进尺。计算公式为:

钻机月速度(米/台月)=

钻井进尺(包括取心进尺) （4-74）

钻机台月钻机台月:是综合反映投入钻井工作的钻机台数和每台钻机工作时间长短的指标。计算公式为:

钻机台月(台月)=各井自第一次开钻到完成止的全部时间(天或小时)/30

天(或720小时) （4-75）

由于钻井事故或自然灾害造成的报废及返工进尺所消耗的时间,一律计入钻井工作时间,计入钻机台月数。 2、 纯钻速

也叫机械钻速，是衡量单位纯钻进时间内钻井效率的指标,它以每小时纯钻进时间内完成的进尺数来表示,计算公式为:

纯钻速(米/小时)= 钻井进尺(包括取心进尺)/ 纯钻进时间(包括取心钻

进时间

) （4-76）

纯钻进时间是指钻头在井底转动,破碎岩石、形成井眼的钻进时间。包括取心而有进尺的时间,不包括纠正井斜、划眼、扩眼时间和井壁取心等时间。

纯钻速的大小取决于钻头质量、钻井液质量、地质情况和钻井参数的配合等。 3、 周期钻速

是综合反映钻井部门工作效率的指标,用每周期台月的进尺表示。计算公式为:

周期钻速(米/周期台月)= 钻井进尺(包括取心进尺)/建井周期台月

（4-77）

建井周期台月是从钻机搬迁安装到完成井止的全部时间,计算公式为:

建井周期台月= 各井建井周期之和(天或小时)/30天(720小时)

（4-78）

4、 完成井平均建井周期

是综合反映钻井速度的指标。建井周期缩短就可以用现有的人力和钻机打更多的井。

完成井平均建井周期(天-小时)= 各完成井建井周期之和/完

成井口数 （4-79）

5、 平均动用队年进尺

是反映一个平均动用队在一年内所打进尺的指标。计算公式为:

平均动用队年进尺(米/队年)= 钻井进尺(含取心进尺)/平均 动用队数

（4-80）

平均动用队是指报告期用于石油钻井的平均钻井队数,不包括用于打工业水井、油水井大修、中途测试、原钻机试油的钻井队。计算公式为:

平均动用队数= 报告期每天动用钻井队数之和/报告期日历日数

（4-81）

6、 平均队年进尺

是综合反映钻井部门钻井速度的指标,是指实有钻井队的平均年进尺。计算公式为:

平均队年进尺(米/队年)= 钻井进尺(含取心进尺)/年平均队数

（4-82）

式中:

年平均队数=年初实有钻井队+本年平均增加钻井队数-本年平均减少钻

井队数

本年平均增加的钻井队= 本年增加的钻井队自增加之日起至年底日历日

数之和 /全年日历日数(365或366)

本年平均减少的钻井队数= 本年减少的钻井队自减少之日起至年底日历

日数之和/全年日历日数(365或366)

公式中新增加的钻井队包括新组建的(不包括徒手队)、从外单位调入或来承包

钻井任务的,或由水井队转为石油钻井队的队数。增加的日期一律以到本单位打第一口石油钻井的开钻日期算起。

本年减少的钻井队包括转为水井队和调出本单位或到外单位承包钻井任务的钻井队,减少之日一律以在本单位打完最后一口井,决定调出的日期算起。 若钻井队全年没打井,或部分时间打工业水井,都不应从平均队年中扣除。年初实有钻井队数不包括徒手队。

年平均队数也可用月平均队数之和除以12计算。月平均队数等于每天钻井队数之和除以月日历日数。

思考题

1. 试述钻进过程的系统特征及系统主要目标。 2. 试述系统目标的影响因素。

3. 钻进工艺的研究方法遵循的系统工程基本原则是什么？ 4．岩石抗压强度和硬度有何区别？

5. 什么叫岩石的研磨性和可钻性？如何测试？ 6. 三轴应力条件下岩石的破碎特点及强度如何确定？ 7. 试述牙轮钻头的运动学规律及破岩原理。 8. PDC钻头的破岩原理是什么？ 9．钻头选型的基本原则是什么？ 10.试述射流对井底的净化作用机理。 11.试述射流水力参数与工作方式的关系。 12.试推导最优排量、最优喷嘴直径。 13.在实际钻井中为什么要进行水力参数设计？ 14．常规的机械参数确定方法是什么？ 15．怎样优选机械参数？

16．目标函数中钻头进尺和钻头工作时间怎样确定？ 17．常规钻柱由那些基本钻具组成？ 18．套铣筒在那些情况下采用？ 19．深井钻柱的设计原理是什么？ 20．钻井经济技术指标有什么用处？

参考文献

[1] 刘希圣：《钻井工艺原理》，石油工业出版社，1988年； [2] 石油院校教材编写组：《油井工程》，中国工业出版社，1961年； [3] 塔指钻监办：《钻井监督指南》，石油工业出版社，1999年；

[4] 徐云英等译：《实用钻井工程》，中国石油天然气总公司情报研究所，1989年；

[5] 刘希圣等译：《钻井工艺技术》，石油工业出版社，1982年； [6] 史久光等译：《钻井工程》，石油工业出版社，1992年； [7] 刘绘新：《钻井工程》，西南石油学院，1992年；

[8] 钻井手册（甲方）编写组：《钻井手册》，石油工业出版社，1990年； [9] 中国石油天然气总公司勘探局：《油气钻探新技术》，石油工业出版社，1998年；

[10] 陈涛平等：《石油工程》，石油工业出版社，2000年；

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