CN101899969A - 实时实地钻井全参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实时实地全参数优化钻井方法，其主要包括水力优化、钻压优化及转速优化三部分。该法通过实地测量出的泵排量和泵压的关系来确定最优的水力参数，以及选定钻头喷嘴的尺寸，在此前提条件下，再通过实时观测在调整钻压和转速时钻头所作的单位破岩功的变化以确定关于当前钻进地层的最佳钻压和转速。钻井现场施工人员据此可以对钻井水力、钻压和转速进行实时和实地优化，从而最大化钻井效率，最大化钻井机械钻速，并提高钻头的使用寿命或单只钻头进尺。

Description

实时实地钻井全参数优化方法 

技术领域

本发明涉及一种石油和天然气钻井工程，特别是钻井工程的钻井工艺参数的优化方法。 

背景技术

石油天然气开发一般都是通过钻井的方式开采，钻井是通过钻头的破岩过程来完成的。现代钻井的主要方式是旋转钻井，旋转钻井是通过旋转钻头来破岩的钻井方式，钻头的破岩效率直接影响钻井速度。一般地，旋转钻井是通过对钻头加压，使钻头能切入岩石表面，并通过旋转钻头的方式来提供剪切能量和通过移动切削部位来破碎岩石。钻井用的钻柱是中空的，钻井过程中，泥浆泵通过加压把钻井泥浆经过地面管汇再从钻柱中心泵送到钻头，再经过钻头的喷嘴将泥浆喷射到井底并通过钻柱和井眼之间的环形空间返回地面。 

泥浆泵的泵送速度是用泵排量来表示的，单位一般可用升/秒来计。钻井过程中，钻井泥浆在钻头喷嘴的作用下高压喷射，而对钻头的切削结构和岩石的被切削面进行清洁。钻井速度的提高可以从多方面入手，其中包括了钻头的结构设计和制作材料的选择、钻井液泥浆密度、钻井工艺参数的选择和配备、钻机可以提供的有效载荷等等。但是对于给定的钻机条件以及其辅助条件，钻井速度的提高就只能通过现场改变钻井工艺参数来实现，这些现场钻井工程师和司钻可以直接控制的工艺参数主要是钻头水力学参数(主要是通过泥浆泵的排量和钻头喷嘴的过流面积的组合来实现)、对钻头施加的钻压(单位：千牛顿)和转速(单位：转/分)。 

可是，钻井参数对钻速的影响不是线性的，钻井参数之间又会相互影响其单一参数的最佳值点。比如，钻压的增加在开始时是提高钻速的，可达到一定值时，再增加钻压，钻井速度反而会下降，钻压再增加，可能还会导致钻头泥包失去切削能力，还可能使钻头提前破坏，寿命大幅度缩短。 

因为所钻遇地层不能精确预测，钻压和转速就无法通过预定的方法来实施最好的优化，而只能在现场进行实时优化才有可能达到最佳。但是在实践中，因钻井速度受到众多因素的影响，操作人员通过对钻速的直接观察难以判断出参数的最佳点。 

另外，泥浆的性能随温度和压力变化，且又受钻屑等污染物的影响，并且，泥浆的流变模型都有偏差，钻具的结构和井筒几何形状都对钻井泥浆水力计算有复杂的影响，从而导致水力预测很难实施，优化工作很难准确。 

可见，若能在施工现场，根据泥浆实际流变性和钻柱及井筒的几何参数进行钻井泥浆水力优化，并根据钻遇地层的变化进行钻压和转速实时优化，可以让钻井施工人员最大程度地用足所给的钻井条件，把钻井效率、钻井速度和钻头进尺提高到最大。 

发明内容

本发明目的就是要提供一种钻井的实时实地全参数优化方法，其可根据施工现场的实际情况对钻井参数进行优化。 

本发明的技术方案是提供一种实时实地钻井全参数优化方法，该方法包括水力优化、钻压优化以及转速优化，其中，水力优化的方法是：通过现场测定泥浆泵分别在至少两组条件下的泵压ΔP_{系统-测试}和泵排量Q_测试的值来计算表示泵排量和整个钻井循环系统的除钻头外的其它部分的泥浆压力降ΔP_{循环-测试}之间的特性关系的系数k和u，从而根据系数k和u来确定优化的泵排量和相应的钻头喷嘴总过流面积，其中，k和u通过关系式log(ΔP_{循环-测试})＝log(k)+ulog(Q_测试)计算出，ΔP_{循环-测试}通过公式ΔP_{循环-测试}＝ΔP_{系统-测试}-ΔP_{钻头-测试}计算出，ΔP_{钻头-测试}代表每组条件下的钻头压力降，其通过公式ΔP_{钻头-测试}＝ρQ_测试 ²/(C²A²)来计算，该式中C是常数系数，A代表钻头喷嘴总过流面积，ρ代表泥浆密度；钻压优化的方法是：通过现场调整钻头的钻压大小来观测其对应的钻头单位破岩功，根据最小的破岩功来确定优化的钻压值；转速优化的方法是：通过现场调整钻头的转速大小来观测其对应的钻头单位破岩功，根据最小的破岩功来确定优化的转速。通过现场测定泥浆泵的泵压和泵排量值，来计算k和u的值，从而可根据k和u的值结合钻井系统的已知条件来计算优化的泵排量和相应的钻头喷嘴总过流面积，以实现钻井泥浆的水力优化，而钻头的钻压和转速的优化值则分别通过现场观测破岩功的方式来确定，这种全参数优化方法完全根据钻井施工现场的实时实地情况来进行，其实施科学而可靠，可以充分提高钻井效率。 

进一步地，水力优化可以是针对钻头喷嘴的射流冲击力的优化，即通过测算钻头喷嘴的射流冲击力优化值来完成钻井泥浆的水力优化，利用优化的泥浆射流冲击力来提高钻井效率 

更进一步地，针对钻头喷嘴的射流冲击力的优化可以以泥浆泵的额定输出 功率为限制条件。也就是说，在进行钻井水力优化时，考虑用足泥浆泵所能提供的额定水功率，从而测算最优的泵排量和钻头喷嘴大小，使钻井系统的水力最大程度地用到清洁钻头的切削结构和井底的被切削表面上。 

一般来说在泥浆泵的额定输出功率的限定条件下，针对钻头喷嘴的射流冲击力的优化是通过以下计算公式量化的： 

优化后的泵排量Q_优化＝(HHP/(k(u+2)))^1/(u+1)，其中HHP即是指定的泥浆泵的额定输出功率； 

优化的整个钻井循环系统的压力降ΔP_{系统-优化}＝(u+2)(k(Q_优化)^u)； 

优化的钻头压力降ΔP_{钻头-优化}＝(u+1)/(u+2)ΔP_{系统-优化}； 

优化后的喷嘴总过流面积A_优化＝ρ^0.5Q_优化/(ΔP_{钻头-优化}(C²))^0.5； 

优化的射流冲击力F_优化＝ρ·Q_优化 ²/A_优化。 

通过现场测定不同泵排量下的泵压后测算出特性系数k和u，从而根据上述这些公式来计算出最优泵排量和喷嘴总过流面积以及射流冲击力。 

更进一步地，针对钻头喷嘴的射流冲击力的优化可以以泥浆泵的额定泵压为限制条件。在进行钻井水力优化时，考虑到泥浆泵所能提供的水功率有富余，而限制因素是最大额定泵压，当泵压达到最大时，算出最优的射流冲击力，从而在额定泵压作为制约的前提下，使钻井系统的水力最大程度地用到清洁钻头的切削结构和井底的被切削表面上。 

一般来说，在额定泵压的限制条件下，针对钻头喷嘴的射流冲击力的优化是通过以下计算公式量化的： 

优化的钻头压力降ΔP_{钻头-优化}＝u/(u+2)ΔP_{系统-额定}，其中ΔP_{系统-额定}是指定的泥浆泵的额定泵压； 

优化后的泵排量Q_优化＝(ΔP_{系统-额定}2/(u+2)/k)^1/u； 

优化后的喷嘴总过流面积A_优化＝ρ^0.5Q_优化/(ΔP_{钻头-优化}(C²))_0.5； 

优化的射流冲击力F_优化＝ρQ_优化 ²/A_优化。 

通过现场测定不同泵排量下的泵压后测算出特性系数u和k，从而根据上述公式在泥浆泵的额定泵压前提下测算出最优泵排量和喷嘴总过流面积，从而实现钻井水力优化。 

进一步地，水力优化可以是针对钻头水功率的优化，即通过测算出优化的钻头水功率来实现钻井水力优化。 

更进一步地，针对钻头水功率的优化可以通过以下计算公式量化的： 

优化的钻头压力降ΔP_{钻头-优化}＝ΔP_{系统-额定}-ΔP_{循环-优化}＝u/(u+1)ΔP_{系统-额定}，其中ΔP_{系统-额定}是指定的泥浆泵的额定泵压，ΔP_{循环-优化}是整个钻井循环系统的除钻头以外的其它部分的压力降； 

优化后的泵排量Q_优化＝(ΔP_{系统-额定}/(u+1)/k)^1/u； 

优化后的喷嘴总过流面积A_优化＝ρ^0.5Q_优化/(ΔP_{钻头-优化}(C²))^0.5

优化后的钻头水功率HHP_{钻头-优化}＝ΔP_{钻头-优化}·Q_优化。 

通过现场实地测定不同泵排量下的泵压，求出特性系数u和k，从而在泥浆泵的额定泵压下求出最优的泵排量和钻头喷嘴总过流面积以及最优的钻头水功率，以使系统的水力最大程度地用到清洁钻头的切削结构和井底的被切削表面上。 

进一步地，泵排量的优化值也可以是在固定钻头的钻压和转速的前提下，通过在现场调整泵排量的同时观察钻头单位破岩功的变化来实时找到使钻头单位破岩功最低的泵排量，或找到维持较低钻头单位破岩功不变的而值更低的泵排量而得到的。 

优选地，钻压和转速的优化过程可以不断循环操作，以对一定泵排量下的钻压和转速进行双重优化。 

优选地，钻压和转速的优化过程可以不断循环操作，以对所钻的新地层的钻井参数中的钻压和转速进行优化。 

优选地，单位破岩功可以是按下式计算的：单位破岩功＝K·[4·钻压/(圆周率·钻头直径²)+480·(转速·扭矩)/(钻头直径²·机械钻速)]，其中K为常数系数。根据已知条件可以通过该公式测算单位破岩功。 

而常数系数K可以是任何非零实数。 

优选地，在水力优化中，可以通过确定循环系统的不计钻头的部分的压耗和泵排量的对数直线关系来计算出优化的泵排量和相应的钻头喷嘴总过流面积。 

优选地，水力优化可以是针对钻头射流水功率的优化。也就是说，实际上，钻井水力优化实际通过对钻头射流水功率的优化而实施。 

优选地，水力优化是针对钻头射流冲击力的优化，即钻井水力优化实际上通过对钻头射流冲击力的优化而实施。 

优选地，单位破岩功也可以是按下式计算的： 

单位破岩功＝K·[(钻压·机械钻速)/(钻头面积·机械钻速)+(60·转速·2·圆 周率)·(扭矩)/(钻头面积·机械钻速)]，其中K是一个常数系数，根据已知的设备技术条件，可以通过该公式测算出单位破岩功。当然，此式中的常数系数K可以是任何非零实数。 

优选地，单位破岩功的最低值可以由被钻岩石抗压强度来确定。 

优选地，单位破岩功的最低值可以通过下列公式来测算：单位破岩功的最低值＝K·岩石抗压强度，其中K是一个非零实数常数。 

优选地，单位破岩功的最低值也可以通过钻过井段的单位破岩功的一个最小值来确定，也可以两个或更多个低值点的连线而确定。 

本发明与现有技术相比，具有下列优点：通过现场测定泥浆泵的泵压和泵排量来确定优化的泵排量和相应的钻头喷嘴过流面积，从而完成钻井水力优化，另外分别通过现场观测破岩功的方式来确定优化的钻头钻压和转速，这种钻井的全参数优化在施工现场实时实地完成，其易于实施，且结果可靠，从而可最大化钻井效率，最大化钻井机械钻速，并提高钻头的使用寿命或单只钻头的进尺。 

附图说明

附图1反映了通过监测单位破岩功来对钻压进行优化的实施例。 

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的内容作具体阐述。 

对钻井的全参数优化主要包含三部分，即对钻井水力的优化、对钻头钻压的优化以及对钻头转速的优化。 

一、对钻头水力的优化 

钻头切削结构和井底岩石被切削表面的清洁是保证钻头高效破岩的前提。清洁的完成是通过钻头喷嘴把钻井泥浆向钻头切削结构和井底岩石高压喷射而实现的。钻井泥浆是用泥浆泵通过中空的钻杆泵送到钻头的，在钻头上泥浆出口处装有可以选择直径的喷嘴。一般地，对于一给定的钻头，泥浆的最佳清洁效果是以最大的喷嘴单位面积射流冲击力或以最大钻头喷嘴射流水功率来实现的。 

由于钻井泥浆从泥浆泵中泵出后，需经过地面管汇、钻柱、钻头喷嘴和钻井环形空间而后才返回地面，泥浆泵提供给泥浆的能量的一部分需用于克服沿程的压力损耗，而剩余部分才能用于钻头喷嘴的喷射清洁作用。如果能在给定的泥浆泵额定功率和额定泵排量、钻具结构、井身结构和钻井泥浆性能条件下， 把泥浆泵提供的水力能量最大程度地分配到钻头喷嘴上，这样就形成对泵排量的优化，而这种分配可以通过优化喷嘴面积来实现。 

泵排量的优化受到以上所述的众多因素的影响，理论上讲，可以通过测定泥浆流变性能，根据所知的钻具结构、井身结构等建立流动方程来确立最大喷嘴清理效果所需的喷嘴面积。然而，在实践中，建立准确的流动方程十分困难，泥浆的流变性能在其流动的各个环节中因受到温度和其他因素的影响都是不同的并且难以测定，钻具在井筒中也未必居中，因井壁失稳井壁也未必规则，钻具的旋转又对泥浆的流动产生搅动，这些都对流动的精确计算带来了艰难的挑战。并且，因为因素众多，现场应用很难完成，或者说，其优化操作的复杂性和不准确性导致其难以被广泛应用。 

然而，在钻井现场，这些众多因素的综合效应却可以通过现场循环泥浆时测定泵压和泵排量的方式来简易实现。这只需要在现有的已知喷嘴过流面积的条件下，对现有的正常钻井设备进行不同泵排量下的测压，从而确立该钻井设备的泵排量和压力之间的特性关系，然后再依据该特性关系来确定最佳喷嘴过流面积，从而优化泵排量。所以泵排量的优化，事实上是在泥浆泵可提供的最大能量的前提下，最大程度地把该能量分配到钻头喷嘴上，用于清洁钻头切削结构和井底被切削表面。 

水力优化可以从喷嘴射流冲击力和水功率两个不同的方面进行优化。 

(一)针对钻头喷嘴射流冲击力的优化 

根据牛顿第二定律：力F＝质量m×加速度a，而钻头喷嘴的射流冲击力F可以用下式表示： 

射流冲击力F＝ma＝m(V-V₀)/t，其中m是流体的质量，V是泥浆射流的喷射初始速度，V₀是射流接触喷射点的速度，t是射流从喷射初始到接触喷射点所经历的时间。因为泵的基本参数——体积流量Q＝流体体积/t＝m/(泥浆密度·t)，如果假定V₀＝0，流体泥浆的密度为ρ，那么， 

射流冲击力F＝泥浆密度ρ·泵排量Q·流速V                (式1) 

因为在正常钻井过程中的泵排量足以使钻井液在钻头喷嘴中的流动为紊流状态，实验证明钻头的压力降则可以用下式表示： 

ΔP_钻头＝泥浆密度ρ·泵排量Q²/(C²·喷嘴总过流面积A²)    (式2) 

这里，C是一个常数系数。 

泥浆在钻头喷嘴中的流速V也可以表示为V＝泵排量Q/喷嘴总过流面积A，因此，ΔP_钻头＝ρ·V²/C²，或者是 

那么， 

射流冲击力 

或 

F＝Cρ^0.5Q(ΔP_钻头)^0.5.                            (式3) 

一般地对于常规钻井，泥浆出口的压力可视为零。那么，整个钻井水力系统的压力降ΔP_系统在数值上就等于立管压力P_立管或泵压，这个压力降是钻头压力降ΔP_钻头和泥浆在循环系统其它部分(不包括钻头)的压力降ΔP_循环的总和，用公式表示为： 

ΔP_系统＝ΔP_钻头+ΔP_循环.                          (式4) 

循环系统其它部分一般包括从泥浆泵到井口的地面管汇、从井口到钻头的整个中空的钻柱(不包括钻头喷嘴)和从钻头再到井口的泥浆上返的钻柱与井眼之间的环形空间。 

根据流体力学可知，一般地，对于某一流体在管路中的循环压力降可用下式表示： 

循环压力降＝常数·泵排量^u，因此，泥浆在循环系统其它部分(不包括钻头的其它部位)压力降(ΔP_循环)可以用下式表示： 

ΔP_循环＝常数k·泵排量Q^u，                         (式5) 

其中k和u是表示系统循环压力降与泵排量关系的两个特性常数，水力优化的关键在于先求出k和u的值，然后再确定其优化参数点，k和u的具体确定方法将在下文说明。一般地，当流态全为紊流时，u＝2，当流态全为层流时，u＝1，但因为泥浆的流态在钻柱中不同部位是不同的，综合效应的结果应是u在1和2之间。 

对于钻头射流冲击力的优化，有两个限制条件——系统额定水功率和系统额定耐压，下面分别根据这两个限制条件来测算优化的钻头射流冲击力。 

1、当钻井系统额定水功率是限制条件时(额定水功率是已知常量：系统压力将低于额定压力) 

在钻井水力的优化时，假定用足泥浆泵所能提供的额定水功率(系统额定水功率HHP为已知)，那么， 

ΔP_系统＝系统水功率HHP/泵排量Q                    (式6) 

因此根据式4、5和6，就有ΔP_钻头＝HHP/Q-k·Q^u，根据式3有： 

射流冲击力F＝C·ρ^0.5·Q·(HHP/Q-k·Q^u)^0.5＝C·ρ^0.5·(Q·HHP-k·Q^u+2)^0.5，而最大射流冲击力应是当泵排量Q使射流冲击力F的导数等于零时的射流冲击力，或者说， 

$\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{dQ}}=\frac{C\×{\mathrm{\ρ}}^{0.5}\×(\mathrm{HHP}-k\×(u+2)Q^{u+1})}{{(Q\×\mathrm{HHP}-k\×Q^{u+2})}^{0.5}}=0$ (式7) 

为使该式成立，C·ρ^0.5·(HHP-k·(u+2)·Q^u+1)必为零，C和ρ都是不随Q而改变的，并且不为零，从而(HHP-k·(u+2)·Q^u+1)必为零，那么，最大射流冲击力时的排量Q_优化可由下式求出。 

HHP＝ΔP_{系统-优化}·Q_优化＝k·(u+2)·(Q_优化)^u+1，所以， 

ΔP_{系统-优化}＝(u+2)·(k·(Q_优化)^u)                    (式8) 

根据式5，有在优化的排量的条件下泥浆在循环系统其它部分(不包括钻头的其它部位)压力降ΔP_{循环-优化}＝k·(Q_优化)^u，所以，ΔP_{系统-优化}＝(u+2)·ΔP_{循环-优化}，因此，由式4可得优化的钻头压力降ΔP_{钻头-优化}＝ΔP_{系统-优化}-ΔP_{系统-优化}/(u+2). 

最后，在泥浆泵的额定输出功率的限定条件下，得出对钻头的泥浆射流冲击力最大化的优化的钻头压力降： 

ΔP_{钻头-优化}＝(u+1)/(u+2)·ΔP_{系统-优化}.                    (式9) 

这说明，若能把整个系统的压力降的(u+1)/(u+2)部分应用到钻头喷嘴上，这个钻井系统的钻头射流冲击力就得到了优化。 

那么，问题解决的关键就是如何才能得到u的值，而u是所用钻井系统的一个特性指数，可以通过现场实地测定排量和压力的关系而求出，方法如下描述。 

对于任何已知密度ρ的泥浆体系，在已知喷嘴总过流面积A和常数C的条件下，在任何较高的排量Q(紊流流态)时钻头的压力降ΔP_钻头可用式2求得，而ΔP_系统可从泵压计读得，这样，泥浆在循环系统其它部分(不包括钻头的其它部位)的压力降ΔP_{循环-测试}＝ΔP_{系统-测试}-ΔP_{钻头-测试}就可以求得。 

又因为ΔP_{循环-测试}＝常数k·泵排量Q_测试 ^u，所以在等式两边同时取对数就有线性关系 

log(ΔP_{循环-测试})＝log(k)+u·log(Q_测试)                         (式10) 

那么，就可以通过现场实地测得的两对(或更多对)排量Q_测试和对应的ΔP_{系统-测试}作出log(ΔP_{循环-测试})和log(Q_测试)的直线来，而直线的截距就是log(k)，而 直线的斜率就是u，这样，u和常数k就被确定了。 

从式8的推导中知，HHP＝ΔP_{系统-优化}·Q_优化＝k·(u+2)·(Q_优化)^u+1， 

所以优化后的泵排量Q_优化就可以通过下式求得： 

Q_优化＝(HHP/(k·(u+2)))^1/(u+1).                            (式11) 

那么根据式6就可得ΔP_{系统-优化}＝HHP/Q_优化， 

那么根据式9就可得ΔP_{钻头-优化}＝(u+1)/(u+2)·ΔP_{系统-优化}， 

而根据式2就有ΔP_{钻头-优化}＝ρ·(Q_优化)²/(C²·(A_优化)²)， 

然后可得优化后的喷嘴总过流面积A_优化如下： 

A_优化＝ρ^0.5·Q_优化/(ΔP_{钻头-优化}·(C²))^0.5                (式12) 

最后，优化的射流冲击力F_优化＝ρ·Q_优化 ²/A_优化              (式13) 

这样就可以通过现场实地测定不同排量下的立管压力(或泵压)，来求出系统的特性系数u和k，从而求出最优排量和应配置的钻头喷嘴大小，在钻井水功率是制约条件时，使系统的水力最大程度地用到清洁钻头的切削结构和井底的被切削表面上。 

2、当钻井系统额定压力是限制条件时(受额定泵压或最大立管压力制约) 

同样地，系数u和k的值是按1中所述的方法用式5求出。 

假定钻井水力的优化时，考虑到泥浆泵所能提供的水功率有富余，而限制因素是系统最大额定压力(ΔP_{系统-额定}为已知，通常是额定泵压或最大立管压力)，那么，在系统压力达到最大时， 

ΔP_钻头＝ΔP_{系统-额定}-ΔP_循环                               (式14) 

根据式3、4、5得出射流冲击力 

F＝C·ρ^0.5·Q·(ΔP_{系统-额定}-k·Q^u)^0.5＝C·ρ^0.5·(Q²ΔP_{系统-额定}-k·Q^u+2)^0.5

对于最大射流冲击力，上式的导数需为零， 

也就是C·ρ^0.5·(2Q_优化ΔP_{系统-额定}-k·(u+2)·Q_优化 ^u+1)＝0。 

因C·ρ^0.5≠0，所以(2Q_优化ΔP_{系统-额定}-k·(u+2)·Q_优化 ^u+1)＝0，从而根据式5可求得ΔP_{系统-额定}＝0.5(u+2)(k·Q_优化 ^u)＝0.5(u+2)ΔP_{循环-优化}

所以ΔP_{循环-优化}＝2/(u+2)ΔP_{系统-额定}

ΔP_{钻头-优化}＝ΔP_{系统-额定}-ΔP_{循环-优化}＝ΔP_{系统-额定}-2/(u+2)ΔP_{系统-额定}，或者 

ΔP_{钻头-优化}＝u/(u+2)·ΔP_{系统-额定}                            (式15) 

这样，在通过现场实地测定立管(或泵)压力和泵排量的关系，并通过钻头压力降ΔP_钻头的计算用式5求得u和k后，就可以对优化的排量Q_优化和钻头喷嘴的总过流面积A_优化进行计算了，具体方法如下描述。 

从上面可知ΔP_{系统-额定}＝0.5(u+2)kQ_优化 ^u，所以优化后的泵排量Q_优化就可以通过下式求得 

Q_优化＝(ΔP_{系统-额定}·2/(u+2)/k)^1/u                            (式16) 

因ΔP_{钻头-优化}＝ρ·(Q_优化)²/(C²·(A_优化)²)，优化的喷嘴总过流面积A_优化就可以通过下式求得 

A_优化＝ρ^0.5·Q_优化/(ΔP_{钻头-优化}·(C²))^0.5                    (式17) 

从而优化的射流冲击力F_优化＝ρ·Q_优化 ²/A_优化                    (式18) 

这样就可以通过现场实地测定不同排量下的立管压力(或泵压)，来求出系统的特性系数u和k，从而求出最优排量和应配置的钻头喷嘴大小，在额定泵压是制约时，使系统的水力最大程度地用到清洁钻头的切削结构和井底的被切削表面上。 

(二)针对钻头水功率的优化 

与(一)中所述同样地，u和k是通过现场实地测定压力和排量并利用式5来确定的。 

对于钻头水功率的优化，仅需要考虑一种情况，那就是系统受到额定泵压限制时的优化(ΔP_{系统-额定}为已知，通常是额定泵压或最大立管压力)。 

钻头水功率HHP_钻头与其压力降ΔP_钻头和泵排量Q是成正比的，根据式5，在系统压力降为最大值ΔP_{系统-额定}时钻头水功率可由下式表示： 

HHP_钻头＝ΔP_钻头＊Q＝(ΔP_{系统-额定}-ΔP_循环)＊Q＝(ΔP_{系统-额定}-k·Q^u)＊Q＝ΔP_{系统-额定}Q-k·Q^u+1

当钻头水功率为最大时，上式的导数应为零，也就是 

(式19) 

而此时的排量就是优化排量Q_优化·所以有ΔP_{系统-额定}-(u+1)·(k·Q_优化 ^u)＝0. 

那么，ΔP_{系统-额定}＝(u+1)k·Q_优化 ^u，优化后的泵排量Q_优化就可以通过下式求得： 

Q_优化＝(ΔP_{系统-额定}/(u+1)/k)^1/u                           (式20) 

而根据式5，则有优化的其它部分循环压力降ΔP_{循环-优化}＝k·Q_优化 ^u，或者， 

ΔP_{系统-额定}-(u+1)·ΔP_{循环-优化}＝0，或者， 

ΔP_{循环-优化}＝ΔP_{系统-额定}/(u+1)。 

从而，根据式4，在受到额定泵压限制时，优化的钻头压力降是 

ΔP_{钻头-优化}＝ΔP_{系统-额定}-ΔP_{循环-优化}＝u/(u+1)·ΔP_{系统-额定}  (式21) 

还由式2得，ΔP_{钻头-优化}＝ρ·(Q_优化)²/(C²·(A_优化)²)，优化后的喷嘴总过流面积A_优化就可以通过下式求得 

A_优化＝ρ^0.5·Q_优化/(ΔP_{钻头-优化}·(C²))^0.5                     (式22) 

优化的钻头水功率HHP_{钻头-优化}＝ΔP_{钻头-优化}·Q_优化                (式23) 

这样就可以通过现场实地测定不同排量下的立管压力(或泵压)，来求出系统的特性系数u和k，从而求出最优排量和应配置的钻头喷嘴大小，在额定泵压条件下，使系统的水力最大程度地用到清洁钻头的切削结构和井底的被切削表面上。 

总之，以上提供的方法就可以实现在现场在起钻前通过测定两对泵压和泵排量的值而确定的直线关系来确定优化的钻头水力(钻头喷嘴和泵排量)，并在起钻后为新下钻头更换上新确定的钻头喷嘴，下钻后以新确定的排量来钻进。而具体的步骤可以如下： 

1)在起钻前测定至少两对泵压和泵排量的值； 

2)按上述提供的方法计算出优化钻头水力所需的泵排量和相对应的钻头喷嘴总过流面积； 

3)根据计算出喷嘴总过流面积和钻头设计喷嘴数量，计算出每支喷嘴的平均尺寸； 

4)在下钻前选择并安装钻头喷嘴使其总过流面积最接近步骤2)中的计算值； 

5)在钻井过程中使用步骤2)所计算出的泵排量。 

二、对钻压和转速的优化 

对于某一种单位体积的岩石，其破碎需且仅需一定的能量，称为岩石单位破碎能，可以视为岩石的一个性能参数。在钻头的钻进过程中，钻头钻破单位体积的岩石所作的功称为单位破岩功。理论上，单位破岩功应等于岩石单位破碎能。但实际上，总会有一部分能量损失了，从而造成单位破岩功一般总是高 于岩石单位破碎能。单位破岩功超过这个岩石单位破碎能，说明钻头破岩效率不是最佳，并且有一部分功没有用于破岩上。实践中，可以在不知道岩石单位破碎能时，对一个井段的单位破岩功进行相对比较，其中单位破岩功相对较小的，钻头破岩效率相对较高，反之，那些钻头破岩功相对较大的，钻头破岩效率相对较低。 

钻井过程中，在一定时间长度上钻头破岩所做的功和相应的破岩体积都是可以实时测知的。那么，钻头的单位破岩功就可以实时计算取得，其单位可以是焦耳/立方米，也可以简化成压强单位——帕斯卡。而钻头的单位破岩功可以用下式表示： 

单位破岩功＝((钻压·机械钻速)+(60·转速·2·圆周率)·(扭矩))/(钻头面积·机械钻速)                                        (式24) 

或者可以简化为， 

单位破岩功＝4·钻压/(圆周率·钻头直径²)+480·(转速·扭矩)/(钻头直径²·机械钻速)                                                   (式25) 

其中， 

单位破岩功单位：兆帕 

钻压单位：千牛顿 

钻头直径单位：毫米 

转速单位：转/分钟 

扭矩单位：千牛顿·米 

机械钻速单位：米/小时。 

若把一定钻井井段每个井深深度的单位破岩功加以实时计算，这样，对某一钻井参数的调整就可以有实时的反馈，钻井操作人员就可以通过观察同一参数在不同值时对破岩效率的改变而找到最佳参数点。因钻头钻压、转速和泥浆水力等都会影响钻头的机械钻速，所以理论上讲，钻头钻压、转速和泥浆水力都可以通过这种方式来优化。 

一般地，强度越高的地层，钻头破岩所需的能量也就越高，岩石单位破碎能与岩石强度在数值上基本相当。 

但是，由于一般地钻头输出的功不可能完全用于破岩，实践中，钻头所作的单位破岩功都大于岩石单位破碎能。实验发现，即使在较理想的条件下，一般地，单位破岩功＝K·岩石单位破碎能，所以， 

单位破岩功＝K·岩石抗压强度                            (式26) 

其中K是一个实数常数系数。对于不同钻头，由于切削齿和切削结构的不同，即使都在其最高破岩效率的条件下，所耗的单位破岩功是不同的。但研究发现，它们的差异并不很大。一般地，这个系数K在1到10之间。地层岩石的强度可以通过测量声波传导速度的方式进行确定，也可以通过对岩石样品进行抗压强度试验来测定。这样就可以通过对地层岩石强度的确定就可以确定理想单位破岩功基线或最高破岩效率基线。把实际钻井操作中所获得的单位破岩功与之相比，就可以知道钻井参数优化的好坏了，从而也就知道调整的需要了。 

岩石理想单位破岩功基线的确立也可以通过实时观测单位破岩功的值随钻井参数的改变而改变来求得。石油天然气钻井所钻遇的岩石一般都是沉积岩。因为地层岩石的强度和其沉积过程中的受上覆地层重力压实是直接相关的，在一定井深的条件下，由于压实条件相似，岩石强度在相当长一段井段一般变化较小，特别是在同一种岩性的情况下，而且，一般地，岩石的强度一般有随埋深深度逐渐变大的趋势。因此，钻头的理想单位破岩功也应是有规律可循的，其值也应是在一定井段内变化较小和随着所钻地层的埋深加深逐渐变大的。而实际钻井操作中，在改变钻井参数钻进时，在一定的井段内取得的单位破岩功应是有高有低的，或者说，钻头的单位破岩功主要是随钻井参数的优劣而变。在没有根据岩石强度作出基线的情况下，对这些有高有低的单位破岩功的低值点的连线，就可以作为破岩效率基线或岩石理想单位破岩功基线来为钻井参数优化操作提供参照。 

总之，以上提供了一种实时优化钻压和转速的方法。该方法通过实时计算和监测钻头的单位破岩功来了解钻头是否处于最佳的切削状态，从而可以在保证钻头的最佳切削状态条件下，实施最高的钻压和转速来获得最高钻井速度和最大钻头进尺。具体地，可以通过计算机来实现钻井参数数据采集、单位破岩功计算和单位破岩功曲线显示，而钻井操作人员只需在钻井过程中观察单位破岩功曲线的变化并据此改变钻压或转速使计算出的单位破岩功向更低或基线靠近。 

三、对钻头水力优化的进一步微调 

在第一项关于对钻头水力优化的介绍中所确定的钻头水力只是对当时的井筒结构、泥浆性能、喷嘴大小以及排量的优化，并不一定能保证其在整个钻井 井段的优化。随着井的加深，优化点会发生一定的偏离，那么，其进一步的优化是需要的，这可以通过在现场观测钻头单位破岩功的方式来对排量进行微调。或者说，在调整泵排量增大或减小时若单位破岩功得以进一步降低，就说明其调整方向正确并使水力进一步优化。反之，若单位破岩功上升，则说明其调整方向相反，应改变调整方向。 

实例1——钻头喷嘴射流冲击力的优化计算 

某一现场水力优化的泵排量和测压数据如表1所示，并且还已知测压时旧钻头喷嘴的总过流面积、泥浆密度、额定泵压和泥浆泵的额定输出水功率，并已知新钻头设计有三个喷嘴，优化限定条件是额定泵压。 

表1.钻头水力优化时的已知数据 

泵排量1，升/秒	12.7
		泵排量2，升/秒	31.8
泵压1，兆帕	4.3
		泵压2，兆帕	20.7
钻头喷嘴总过流面积，平方毫米	428
		泥浆密度，克/立方厘米	1.41
额定泵压，兆帕	22.8
		泥浆泵额定水功率，千瓦	681

选常数C＝1.10，根据式10可以得到u＝1.658和k＝0.079，再通过式16、17和18就可以得到如下的优化泵排量、钻头喷嘴总过流面积和优化的钻头射流冲击力，如表2所示。 

表2.钻头水力优化计算出的数据 

优化泵排量，升/秒	26.8
		优化钻头喷嘴总过流面积，平方毫米	202
优化钻头射流冲击力，牛顿	5029

根据计算出优化钻头喷嘴总过流面积202平方毫米和新钻头设计喷嘴数量3，每支喷嘴的过流面积应为202÷3＝67.33平方毫米或直径为4.63毫米。从而，在下新钻头时，所装的喷嘴直径要尽可能接近4.63毫米，而钻进中的泵排量也要是尽可能接近26.8升/秒，这样，钻头的射流冲击力就可达到最大，约为5029牛顿。 

实例2——对钻压的优化 

附图1所示是钻压优化的一个实例。其是在控制恒定钻头水力(泵排量、泵压)和转速时而仅改变钻压的优化操作。由此可见，当钻压从小到大改变时历经A-B-C-D时间段，在此时间段中可以看出在较低钻压A段单位破岩功较大，随着钻压的加大，从B到C段单位破岩功都较小，而当钻压加大到D段时单位破岩功又增加到较大值，说明在钻压段B和C时，钻头的切削效率都很高，而在A和D段时由于钻压过小和过大，钻头的切削效率都很低。机械钻速虽有些滞后，但可以看到在低切削效率时机械钻速的较低。最后，根据变化钻压试钻的结果，最佳钻压确定为C段钻压，因此在后来的井段(E段)的试压后的正常钻进中，钻压就控制与C段相同的优化钻压。 

以上对本发明的特定实施例结合图示进行了说明，但本发明的保护内容不仅仅限定于以上实施例，在本发明的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在其技术要旨范围内，进行多种多样的变更。 

Claims (21)

1.一种实时实地钻井全参数优化方法，其特征在于：该方法包括以下组成部分：

(1)水力优化：通过现场测定泥浆泵分别在至少两组条件下的泵压ΔP_{系统-测试}和泵排量Q_测试的值来计算表示泵排量和整个钻井循环系统的除钻头外的其它部分的泥浆压力降ΔP_{循环-测试}之间的特性关系的系数k和u，从而根据系数k和u来确定优化的泵排量和相应的钻头喷嘴总过流面积，其中，k和u通过关系式log(ΔP_{循环-测试})＝log(k)+ulog(Q_测试)计算出，ΔP_{循环-测试}通过公式ΔP_{循环-测试}＝ΔP_{系统-测试}-ΔP_{钻头-测试}计算出，ΔP_{钻头-测试}代表每组条件下的钻头压力降，其通过公式ΔP_{钻头-测试}＝ρQ_测试 ²/(C²A²)来计算，该式中C是常数系数，A代表钻头喷嘴总过流面积，ρ代表泥浆密度；

(2)钻压优化：通过现场调整钻头的钻压大小来观测其对应的钻头单位破岩功，根据最小的破岩功来确定优化的钻压；

(3)转速优化：通过现场调整钻头的转速大小来观测其对应的钻头单位破岩功，根据最小的破岩功来确定优化的转速。

2.根据权利要求1所述的全参数优化方法，其中，所述水力优化是针对钻头喷嘴的射流冲击力的优化。

3.根据权利要求2所述的全参数优化方法，其中，针对钻头喷嘴的射流冲击力的优化以泥浆泵的额定输出功率为限制条件。

4.根据权利要求3所述的全参数优化方法，其中，针对钻头喷嘴的射流冲击力的优化是通过以下计算公式量化的：

优化后的泵排量Q_优化＝(HHP/(k(u+2)))^1/(u+1)，其中HHP是指定的泥浆泵的额定输出功率；

优化的整个钻井循环系统的压力降ΔP_{系统-优化}＝(u+2)(k(Q_优化)^u)；

优化的钻头压力降ΔP_{钻头-优化}＝(u+1)/(u+2)ΔP_{系统-优化}；

优化后的喷嘴总过流面积A_优化＝ρ^0.5Q_优化/(ΔP_{钻头-优化}(C²))^0.5；

优化的射流冲击力F_优化＝ρ·Q_优化 ²/A_优化。

5.根据权利要求2所述的全参数优化方法，其中，针对钻头喷嘴的射流冲击力的优化以泥浆泵的额定泵压为限制条件。

6.根据权利要求5所述的全参数优化方法，其中，针对钻头喷嘴的射流冲击力的优化是通过以下计算公式量化的：

优化的钻头压力降ΔP_{钻头-优化}＝u/(u+2)ΔP_{系统-额定}，其中ΔP_{系统-额定}是指定的泥浆泵的额定泵压；

优化后的泵排量Q_优化＝(ΔP_{系统-额定}2/(u+2)/k)^1/u；

优化后的喷嘴总过流面积A_优化＝ρ^0.5Q_优化/(ΔP_{钻头-优化}(C²))^0.5；

优化的射流冲击力F_优化＝ρQ_优化 ²/A_优化。

7.根据权利要求1所述的全参数优化方法，其中，所述水力优化是针对钻头水功率的优化。

8.根据权利要求7所述的全参数优化方法，其中，针对钻头水功率的优化是通过以下计算公式量化的：

优化的钻头压力降ΔP_{钻头-优化}＝ΔP_{系统-额定}-ΔP_{循环-优化}＝u/(u+1)ΔP_{系统-额定}，其中ΔP_{系统-额定}是指定的泥浆泵的额定泵压，ΔP_{循环-优化}是整个钻井循环系统的除钻头以外的其它部分的压力降；

优化后的泵排量Q_优化＝(ΔP_{系统-额定}/(u+1)/k)^1/u

优化后的喷嘴总过流面积A_优化＝ρ^0.5Q_优化/(ΔP_{钻头-优化}(C²))^0.5

优化后的钻头水功率HHP_{钻头-优化}＝ΔP_{钻头-优化}·Q_优化。

9.根据权利要求1所述的全参数优化方法，其中，泵排量的优化值是在固定钻头的钻压和转速的前提下，通过在现场调整泵排量的同时观察钻头单位破岩功的变化来实时找到使钻头单位破岩功最低的泵排量，或找到维持较低钻头单位破岩功不变的而值更低的泵排量而得到的。

10.根据权利要求1所述的全参数优化方法，其中，钻压和转速的优化过程不断循环操作，以对一定泵排量下的钻压和转速进行双重优化。

11.根据权利要求1所述的全参数优化方法，其中，钻压和转速的优化过程不断循环操作，以对所钻的新地层的钻井参数中的钻压和转速进行优化。

12.根据权利要求1所述的全参数优化方法，其中，所述的单位破岩功是按下式计算的：单位破岩功＝K·[4·钻压/(圆周率·钻头直径²)+480·(转速·扭矩)/(钻头直径²·机械钻速)]，其中K为常数系数。

13.权利要求12所述的全参数优化方法，其中，常数系数K是任何非零实数。

14.根据权利要求1所述的全参数优化方法，其中，在水力优化中，通过确定循环系统的不计钻头的压耗和泵排量的对数直线关系来计算出优化的泵排量和相应的钻头喷嘴总过流面积。

15.根据权利要求1所述的全参数优化方法，其中，所述水力优化是针对钻头射流水功率的优化。

16.根据权利要求1所述的全参数优化方法，其中，所述水力优化是针对钻头射流冲击力的优化。

17.根据权利要求1所述的全参数优化方法，其中，所述的单位破岩功是按下式计算的：

单位破岩功＝K·[(钻压·机械钻速)/(钻头面积·机械钻速)+(60·转速·2·圆周率)·(扭矩)/(钻头面积·机械钻速)]，其中K是一个常数系数。

18.根据权利要求17所述的全参数优化方法，其中，常数系数K是任何非零实数。

19.根据权利要求1所述的全参数优化方法，其中，单位破岩功的最低值是以被钻岩石抗压强度来确定的。

20.根据权利要求1所述的全参数优化方法，其中，单位破岩功的最低值＝K·岩石抗压强度，其中K是一个实数常数。

21.根据权利要求1所述的全参数优化方法，其中，单位破岩功的最低值是以钻过井段的单位破岩功的一个最小值或多个较小值的连线来确定的。

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