报告修改版

大 庆 石 油 学 院

Daqing Petroleum Institute

本科学生综合性、设计性 实验报告 姓名 学号 专业 班级 实验课程名称 指导教师及职称 开课学期 至 学年 学期 上课时间 年 月 日

大庆石油学院教务处编印

一、实验设计方案 实验名称：钻井工艺技术实验 √ 否○ 小组成员： 小组合作： 是○1、实验目的 岩石可钻性测定实验的实验目的是： 了解钻进岩石的难易程度，熟练仪器操作，掌握可钻性测定方法。 钻井技术参数配合实验的实验目的是： 通过测定钻压P—钻速Vm，转速n—钻速Vm，排量Q—钻速Vm之间的关系，学会优选钻压、转速、排量的方法。 高压水力喷射破岩实验的实验目的是： （1）验证和说明模拟射流冲蚀地层岩石的冲蚀能力及范围。 （2）分析冲蚀规律。 （3）分析影响射流冲蚀能力的因素及影响形式，主要分析喷嘴压力、喷射距离、岩石强度以及冲蚀效率。 （4）通过实验进一步探讨冲蚀机理。 实验时间： 2、实验设备及材料 试验设备和名称：岩石可钻性测定仪，钻井工艺技术虚拟实验室。 实验材料：岩石。 3、理论依据 (一)岩石可钻性测定实验的实验理论依据： 微钻头钻速为： V=8.64/T 式中：V—钻头钻速，m/h；T—钻进时间，s；8.64—换算常数。 通过以上公式可以算出钻头的钻速，并通过查岩石可钻性分级表，确定岩石可钻性级别。 表1 岩石可钻性分级表 类 级 指 标 Ⅰ软 一 二 三 四 五 级 级 级 级 级 2 | 1 Ⅱ中 六 级 七 级 八 级 Ⅲ硬 九 级 十 级 钻速 >2 （m/h） 1 0.5 0.3 0.1 0.06 0.03 0.01 0.008 | | | | | | | | 0.5 0.3 0.1 0.06 0.03 0.01 0.008 0.004

(二)钻井技术参数配合实验的实验理论依据： 钻进参数可分为固定参数和可调参数两类。其中可调参数主要指钻进中的机械参数、水力参数。钻井液性能和流变参数三大参数。具体地说：机械参数指钻头类型，钻压和转速；水力参数指泵型选择、泵压、排量和水眼组合。可以通过目前广泛采用的修正杨格模式表示各各量之间的关系。即：vpeKCpCH(WWM)nλ1 (1C2h)其中：CPexp[a3Dv(GDsd)] CHPs Psn0.31 Psn0.8527vpen式中：Cp—压差影响系数； GH—水力参数影响系数； a3—与岩层性质有关的影响系数，可由统计分析钻井实际资料确定； Dv—垂直井深，m； Ps—实际的钻头比水功率，kW/cm； 2 Psn—井底充分净化时要求的钻头比水功率，kW/cm； 2 vpen—井底充分净化时的钻速，m/h。 钻压与钻速的定量关系。即： vpe(WWM) 式中：vpe—钻速，m/h； W—钻压，N； WM—门限钻压，N； 转速与钻速的关系可描表示为：vpen 式中：n—转速，r/min； λ—钻速指数，其数值于岩层性质有关，一般都小于1。排量对钻速的影响可通过λ

水力参数影响系数来体现。 （三）高压水力喷射破岩实验的实验理论依据： 射流冲击岩石时，会产生压应力，拉应力和剪切应力。其产生凹坑的速度极限应等于水渗入岩石孔隙的速度。 （1） 喷嘴压力于冲蚀深度的关系为：hmaxP0d02xctgd0S P22tgth21最大冲蚀深度是岩石性质，喷嘴结构和射流水力参数的函数，与冲蚀时间无关。 冲蚀深度：hK2(PPth) 式中：h—冲蚀深度，mm； P—喷嘴压力，Mpa； K2—实验常数； Pth—临界射流压力，Mpa； tt（2）冲蚀时间与冲蚀深度的关系：hhmax1e1 式中：hmax—最大冲蚀深度，mm； h——冲蚀深度，mm； t—冲蚀时间； t1—实验常数。 （3）喷射距离与冲蚀深度的关系：对于2-2#岩芯而言：h50.71.34S（0=5mm）后，破碎坑口的形状近似呈圆柱形。因此，冲蚀体积V可以近似的表示为： V422K4d0h 式中：d0—喷嘴直径，mm； h—冲蚀深度，mm； K4—系数。

4、实验方法步骤及注意事项 （一）岩石可钻性测定实验的实验步骤： （1）卸下工作台，放好岩屑杯。 （2）安装微钻头，放入主轴孔内，将工作台安装牢靠。 （3）将岩样平面对准微钻头，置于工作台上，用顶杆压紧岩样。 （4）上好砝码杆，松开尾杆，移动平衡块，调平杠杆。 （5）加砝码九个，调整升降杆，使杠杆水平。 （6）转动测深盘，使指针指零左边0.2mm处，固定测深盘。 （7）使秒表对0，启动马达，测深盘指针指零时按秒表开始记时。 （8）测深盘指针指示2.4mm时，按停秒表，关马达，记录秒表数字。 （9）支起尾杆，移动岩样，钻另一孔，每块岩样按上述步骤钻三个孔。 （二）钻井技术参数配合实验的实验步骤： （1）固定转速n=170r/min，排量Q=4升/秒，改变钻压测得各钻压下对应的钻速。 （2）固定钻压P=3.25t，排量Q=4升/秒，改变转速测得各转速下对应的钻速。 （3）固定压P=3.25t，转速n=170r/min，改变排量测得各排量下对应的钻速。 （三）高压水力喷射破岩实验的实验步骤： （1）安装岩样：岩样有天然岩芯、人造岩芯； （2）选择喷嘴：喷嘴直径1.25mm、1.45mm； （3）检查各管线是否安装好、有无泄漏； （4）配钻井液； （5）按控制箱启动按钮，启动电机循环钻井液； （6）调整排量和压力到所需值； （7）开启挡板，开始计时，观察高压水射流冲蚀岩样的情况； （8）关闭挡板，停止计时； （9）按控制箱停止按钮，电机停，一次实验结束。 （四）注意事项： 1、在岩石可钻性测定实验中： a) 要保持岩石上部压紧，防止岩样飞出造成事故。但是不能压得太紧，防止将岩样压碎。 b) 下放尾杆是，应用手抬起杠杆，防止弄伤手。 c) 在启动前应将测深盘指针指零左边0.2㎜处，防止启动时，因指针偏转过快，不能准

确记时。 2、在钻井液技术参数配合实验中： 要保证在其他参数不变的情况下，测定另外两个参数的关系。 3、在高压水力喷射破岩实验中： 先选择岩心，并记录岩心编号，保证每次测定的参数的可靠性和完整性 5、实验数据处理方法 作图法和几何平均法 6、参考文献 【1】君宏锦.适用岩石可钻性.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1994年4月 【2】阎铁.优选参数钻井理论与实践.东营：石油大学出版社.1989 11月 【3】刘希圣.钻井工艺原理（中册，钻进技术）.北京：石油工业出版社.1944年1月 【4】严世才等.射流辅助机械破岩钻井.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.1989年5月 指导老师对实验设计方案的意见 指导老师签名： 年 月 日

二、实验报告

1、实验目的、设备与材料、理论依据、实验方法步骤见实验设方案 2、实验现象、数据及结果 岩石可钻性测定实验 实验现象：启动仪器，深度表开始时快速通过零点，之后缓慢移动并伴有指针的震动。停止仪器，取下岩样，可观观察到岩样被钻出小坑。 表2 岩石可钻性测定实验数据记录及处理表格 序号 1 2 3 时间（s） 7.25 6.56 6.47 微钻头钻速(m/h) 1.192 1.317 1.335 1.281 平均微钻头钻速(m/h) 实验条件为：微钻头直径31.75mm，钻压882N，转速55r/min，钻深2.4mm时 钻井技术参数配合实验 表3 钻压对机械钻速的影响数据 钻压（t） 钻速（米/时） 1 0.13 1.75 0.31 2.5 1.446 3.25 2.476 4 3.38 4.75 4.23 5.5 4.64 实验条件：转速=170r/min，排量=4升/秒 表4 转速对机械钻速的影响数据 转速（转/分） 钻速（米/时） 表5 排量对机械钻速的影响数据 排量（升/秒） 钻速（米/时） 1 2.28 2 2.47 3 2.47 4 2.63 5 2.21 6 2.34 7 2.41 50 0.732 90 1.512 120 1.752 170 1.824 210 2.052 250 2.100 290 2.748 实验条件：钻压=3.25t，排量=4升/秒 实验条件：钻压=3.25t，转速=170r/min 高压水力喷射破岩实验 表6 2-2#喷嘴压力对冲蚀深度的影响 喷嘴压力（Mpa） 冲蚀深度（mm） 5 0.9625 10 7.2125 15 13.4625 20 19.7125 实验条件：岩心型号2-2#，喷嘴直径d0=1.25mm，扩散角θ=5°，喷射距离S=22mm，等速核长Xc=27mm，冲蚀时间t=20sec，流量系数C=0.78。实验常数K2=1.25，临界射流压力Pth=4.23Mpa。 表7 2-2#冲蚀时间对冲蚀深度的影响

冲蚀时间（s） 冲蚀深度（mm） 10 2.3844 30 5.8267 60 8.8238 90 10.366 实验条件：岩心型号2-2#，喷嘴直径d0=1.25 mm；喷嘴压力P=10 MPa；喷射距离S=22 mm；流量Q=130cm/s最大冲蚀深度hmax=12 mm；实验常数t1=45sec。 表8 2-2#喷射距离对冲蚀深度的影响 喷射距离（mm） 冲蚀深度（mm） 3cm/s等速核Xc=27mm 流量Q=167310 37.3 15 30.6 20 23.9 25 17.2 30 10.5 实验条件：岩心型号2-2#，喷嘴直径d0=1.25mm；喷嘴压力P=15 MPa；冲蚀时间t=20 s； 表9 1-5#井底液压对冲蚀深度的影响 井底液压（Mpa） 冲蚀深度（mm） 0.2 15 0.5 12.15 0.8 9.3 1.0 7.4 实验条件：岩心型号1-5#；喷嘴直径d0=1.25 mm；喷嘴压力P=15 Mpa；冲蚀时间t=20s；喷射距离S=22mm。 表10 破碎坑直径实验数据表 实验参数K3(mm) 喷嘴直径d0（mm） 破碎坑直径D（mm） 表11 2-2#冲蚀体积实验数据表 冲蚀深度（mm） 1 5 10 15 20 30 40 50 5 8 10 1.25 12 14 16 5 8 10 12 14 16 1.45 6.25 10 12.55 15 17.5 20 7.25 11.8 14.5 17.4 20.3 23.2 冲蚀体积44.1562 220.781 441.562 662.343 883.125 1324.68 1766.25 2207.81 3（mm） 实验条件：岩心型号2-2#，喷嘴型号d0=1.25 mm，实验参数K4=6. 3、对实验现象、数据及观察结果的分析与讨论 岩石可钻性测定实验： 通过本次实验使我们了解到：岩石具有可钻性，并且通过实验数据确定了所做岩样的可钻性分级为Ⅰ软二级。通过三个孔的数据比较可以看出同一块岩样的不同地区钻速不同，由此验证了岩石具有非均质性的结论。 钻井技术参数配合实验： （1）由图1可以看出在钻压1-1.8t之间，钻速随钻压呈抛物线形变化，这是由于最初钻压

很小，岩屑量少，井底净化充分。钻压在1.8-4.8t之间，钻速与钻压呈线性关系，因为继续增加钻压，岩屑量相应增多，但因水力参数不变，井底净化条件逐渐变差，钻速增长速率逐步下降。钻压在4.8t之后，钻压进一步增加，井底净化条件将严重恶化，钻速增长更慢。 （2）由图2可以看出：转速在0-100r/min之间，钻速随转速的增加较快，但增长速率缓慢降低。当转速在100-250r/min范围内，钻速随转速的增加增长很慢。当钻速大于250r/min时钻速会随着转速的增加而迅速增大。钻速与转速的关系基本满足理论关系式。 54.543.532.521.510.500123钻压（t）4563钻速（米/时）钻速（米/时）2.521.510.500100200转速（转/分）300400 图1 钻速与钻压关系曲线 图2 钻速与转速的关系曲线 （3）由图3可以得出如下结论：排量在1-2L/s，3-4L/s时，钻速随排量的增大而增加，但增长率缓慢下降，当排量在2-3L/s时，钻速不随排量的变化而变化。排量在4-5L/s时钻速随排量的增加反而下降。当排量在5-7L/s范围时钻速随排量的增大而增大但变化幅度较小，这些现象表明钻速和排量之间无明显的规律可循，通过理论公式也可以得出如下结论：排量对钻速的影响通过水力参数影响系数来实现。 3钻速（米/时）2.521.510.50012345678排量（升/秒） 图3 钻速与排量关系曲线

高压水力喷射破岩实验： （1）由图4可以看出，冲蚀深度与喷嘴压力呈现线性关系。当喷嘴压力P增大时，冲蚀深度h也增大。这是由于P增大时，射流冲击力增大，能将较多的颗粒从岩石体剥落下来，从而致使h增大。 （2）由图5可看出，冲蚀时间t在10-60s之间，冲蚀深度h随t的增加而增加较快，当t>60s时，h随t增加的较慢，因为刚开始时产生的岩屑较少，随时间的增大，产生的岩屑会越来越多，会影响冲蚀深度。 （3）由图6可得，冲蚀深度h与喷射距离s呈现线性关系，随着s的增大，h减小，由于当s的增大，射流对岩石表面的冲击力减小，冲蚀深度就会减小。 2512冲蚀深度（mm）201086420020406080100冲蚀深度（mm）1510500510152025喷嘴压力（MPa）冲蚀时间（s） 图4 喷嘴压力与冲蚀深度的关系曲线 40冲蚀深度（mm）图5 冲蚀时间与冲蚀深度的关系曲线 1614冲蚀深度（mm）302010001020喷射距离（mm）304012108642000.20.40.60.81井底液压（MPa） 图6 喷射距离与冲蚀深度的关系曲线 图7 井底液压与冲蚀深度的关系曲线 （4）由图7可以看到，冲蚀深度h与井底液压PA呈现线性关系，但当PA增大时，h却减小。因为PA增大，井内液柱压力和地层压力之间的压差会增大，使得岩石很难破碎。 （5）由图8可知，当d0不变时，破碎坑直径D与实验参数Ks呈现线性关系， D随Ks增大而增大，同时当Ks不变时，D与喷嘴直径d0成正比例关系。因为d0增大，射流的截面会

增大，破碎坑的直径就会随之增大。 （6）由图9可看出，冲蚀体积V与冲蚀深度呈线性关系，当h增大，V增大。 冲蚀体积（立方毫米）25破碎坑直径D（mm）250020001500100050000204060冲蚀深度（mm）2015105005Ks=1.45 Ks=1.25 10实验参数(mm)1520 图8 破碎坑直径实验曲线 图9 冲蚀体积实验曲线 4、结论 岩石可钻性测定实验： 通过实验可以得出的结论是岩石具有可钻性和非均质性，并且钻头破碎岩石具有冲击载荷。 钻井技术参数配合实验： 钻速与钻压和转速呈现正相关性，但与排量无明显的规律可循，排量对钻速的影响通过水力参数影响系数来实现。 高压水力喷射破岩实验： （1）冲蚀深度与喷嘴压力和冲蚀时间呈正相关，并且冲蚀深度与喷嘴压力是线性关系。冲蚀深度h与喷射距离s和井底液压PA呈现线性负相关，即喷射距离越大井底液压越大，冲蚀深度越小。 （2）破碎坑直径D与实验参数Ks和喷嘴直径d0关系：当d0不变时，破碎坑直径D与实验参数Ks呈现线性关系， D随Ks增大而增大，同时当Ks不变时，D与喷嘴直径d0成正比例关系。因此要想得到较大的破碎坑直径就要增大实验参数和喷嘴直径。 （3）冲蚀体积V与冲蚀深度呈线性关系，当h增大，V增大。

5、实验总结 1）、本次实验成败之处及其原因分析 本次实验总体来说还是挺成功的，并且小组成员的配合也很好。但是不足之处是：选择的岩样较软，实验现象不太明显，同时记录的时间有较大的误差。 2）、本实验的关键环节及改进措施 ①做好本实验需要把握的关键环节 1）在岩石可钻性测定实验中，要尽可能挑选硬度适中的岩样，并尽可能较准确的记时，以减小实验误差。另外特别注意岩样一定要夹紧，防止滑动造成事故。 2）在钻井工艺技术虚拟实验中，要认真仔细的观察模拟实验现象，并准确全面的记录实验所需数据。 ②若重做本实验，为实现预期效果，仪器操作和实验步骤应如何改善 1）在岩石可钻性测定实验中，选择硬度适中的岩样，并使指针在零的左侧距离稍微大一点，以便准确记录时间。 2）钻井技术参数配合实验和高压水力喷射破岩实验内容较多，应该仔细认真的听老师讲解的操作方法，以免操作不正确。另一方面要完整的记录实验所需参数。 3）、对实验的自我评价 通过本次实验使我了解到了岩石的可钻性的评价方法，钻进参数中的可调参数的测定方法及它们对钻进参数是如何影响的。由此掌握一些钻进参数优选的方法。 指导老师评语及得分 签名： 年 月 日