基于泥包最小化的 PDC 钻头水力参数优选-论文.pdf

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1、■21t第4期始：油藏2O14年8月DOI：10．3969／j．issn．1006—6535．2014．04．035基于泥包最小化的PDC钻头水力参数优选陈修平，邹德永(中国石油大学，山东青岛266580)摘要：PDC钻头在泥页岩地层中钻进时，如果水力参数选择不当，极易形成泥包，严重影响钻井效率。现有水力参数优选标准并不适用于PDC钻头，且对特殊X．-况(如钻头泥包)没有针对性。为此，在对PDC钻头泥包机理及井底水力性能对其影响规律分析的基础上，推导了井底岩屑输运率公式，建立了基于泥包最小化(井底岩屑输运率最大化)的PDC钻头水力参数优选标准，给出了水力参数优选步骤，并进行了实例应用分析

2、。研究发现：输运岩屑的能量主要来源于井底漫流水功率；无论是原始泥包还是二次泥包，提高井底岩屑输运效率，都能够预防或减少PDC钻头泥包现象。关键词：PDC钻头；水力参数优选；泥包；岩屑输运；漫流水功率中图分类号：TE21文献标识码：A文章编号：1006—6535(2014)04—0142—03引言1PDC钻头泥包机理钻头水力参数优选标准主要有最大钻头水功PDC钻头在泥页岩地层钻进时，通过剪切带率、最大射流冲击力和最大射流喷速3种，但均将能量传递到齿前岩石，当齿前岩石受到剪切破碎是基于牙轮钻头井底清洗机理而提出的，且对于时，地层微裂缝扩张，孔隙度迅速大幅度增加，加之特殊钻井工况(例如钻头泥包

3、)没有针对性。泥页岩发生水化膨胀，孔隙压力迅速降低(几乎降PDC钻头结构、破岩和清岩机理与牙轮钻头有着为零)。由于切削速率快、地层渗透性低，孔隙流本质的区别，3种水力参数优选标准均不适用，体和钻井液不能及时侵入地层，导致井底压差非常水力参数设计主要是套用牙轮钻头的设计标准，大(近似等于井筒压力)，岩屑强度很大，岩屑呈长或是凭经验设计，未充分发挥其水力功效。尤其条状(图la)。同时，如此大的井底压差会在切是当PDC钻头在泥页岩地层中钻进时，如果水力削齿与岩石接触面上产生非常大的摩擦力，并随接参数选择不当，极易形成泥包，严重影响钻井效触面积的增大而增大。当克服摩擦力的挤压力超率屯J。国外学者

4、常利用PDC钻头比水功率、喷过岩屑强度或者岩屑运动受钻头体阻碍时，岩屑断嘴射流速度、喷嘴总过流面积和钻头流量等水力裂为碎片并呈层叠状(图lb)。参数经验性地预测钻头泥包j，然而得到的预如果钻井液对层叠状岩屑的输运速率小于岩测结果往往不一致。为此，在PDC钻头泥包机屑形成速率，岩屑便开始聚集，形成原始泥包。另理、井底水力性能对泥包的影响规律分析的基础外，当使用水基钻井液时，岩屑具有强烈的从钻井上，推导了井底岩屑输运率公式，建立了基于泥液中吸水以平衡压差的趋势，发生水化膨胀而具有包最小化的PDC钻头水力参数优选标准，给出了胶体性质，极易黏附于钻头表面，形成二次泥包。水力参数优选步骤，并进行了

5、实例应用分析。研通过以上分析可知，无论是原始泥包还是二次究成果对于充分发挥PDC钻头的工作性能，加快泥包，以最快的速度将岩屑输运到环空，即提高井开发页岩气具有重要意义J。底岩屑输运效率，都能够减小泥包发生的可能性或收稿日期：20140224：改回日期：20140507基金项目：国家“十二五”科技重大专项“胜利油田薄互层低渗透油田开发示范工程”子课题“薄互层水平井导向PDC钻头优化设计及导向特性研究”(05Z12020300)作者简介：陈修平(1988一)，男，2010年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业，现为该校油气井工程专业在读博士研究生，从事油气井流体力学方面的研究工作。第4期陈

6、修平等：基于泥包最小化的PDC钻头水力参数优选143程度。因此，井底岩屑输运效率公式为：Wvtanc~=FQ△pb1／2e(2)式中：Q为排量，L／s；却b为喷嘴压降，MPa；F=nJc／2；p为钻井液密度，g／cm；为与钻井液密度、喷嘴结构等有关的系数。3基于泥包最小化的PDC钻头水力参数优选标准由以上分析可知，相同作业条件下，为使泥包最小化，应使井底岩屑输运效率最大化。最优排量剪切带确定过程如下。aPI)C齿剪切破碎泥页岩地层对式(2)关于流量求导：-2Fcb1／2+FQ2e~(3)令式(3)等于零，得：2Apb1／2+Qb-Q-o(4)b泥页岩岩屑呈层叠状式中：△p．为整个循环系统

7、压耗，MPa。由式(4)得：图1PDC钻头在泥页岩地层钻进示意图△p0·69,o⋯(5)2PDC钻头井底岩屑输运效率任何形式的连续运动必然将因克服某种形式(【㈤的阻力而消耗能量，连续运动的速率必然决定于所能提供的能量的速率J。如果将流体看成输运岩80．2【十]屑的机器，则能量守恒定律可以写成：(7)E：P=Wvtana(1)a=Kg+K~-mL。=式中：E为因输运岩屑在单位时间内所消耗的能量，w；P为流体提供的功率，W；e为钻井液输