基于实验室模拟的钻井参数优化实验研究

引言

研究背景与意义钻井工程中，参数优化是提高钻进效率、降低成本的核心环节。钻压、转速、排量等参数的匹配直接影响机械钻速（ROP）、钻井扭矩及钻头寿命，尤其在砂岩等易垮塌或研磨性地层中，不合理的参数可能导致卡钻、井眼失稳等事故 [1]。目前现场参数设计多依赖经验公式（如 Bingham 模型、Moore 模型），但受地层非均质性影响，准确性有限 [2]。实验室模拟实验可通过控制单一变量，量化各参数的影响权重，为现场优化提供数据支撑。

1. 实验装置与方案设计

1.1 实验装置

实验采用自主搭建的小型钻井模拟系统，主要包括：

- 动力系统：变频电机（最大功率5.5kW），可调节转速范围 0-150r/ min；

- 加载系统：液压装置，钻压控制精度 ±0.5kN ；

- 循环系统：泥浆泵（排量范围 10-50L/min ），采用清水模拟钻井液（简化实验，聚焦参数交互作用）；

- 测量系统：扭矩传感器（量程 0-3000N⋅m ）、转速传感器、位移传感器（记录钻进深度，计算机械钻速）。

岩样为某油田取心砂岩，尺寸 Φ100mm×200mm ，抗压强度25MPa ，孔隙度 18% （与现场储层一致）。钻头选用 Φ80mm 三牙轮钻头，钢齿材质（模拟现场常用型号）。

1.2 实验方案

采用L9（3³）正交实验设计，选取钻压（A）、转速（B）、排量（C）为三因素，各因素设3 水平（表1），以机械钻速（ROP）、扭矩（T）、钻头磨损量（W，实验后称重计算失重）为评价指标。每组实验重复 3次，取平均值以减少误差。

表 1

实验步骤：

1.  岩样固定于实验台，钻头对准中心，初始高度距岩样表面50mm ；

2. 设定钻压、转速、排量参数，启动系统，连续钻进 10min （钻进深度约 100-200mm ）；

3. 实验结束后，记录机械钻速（总深度 / 时间）、平均扭矩，称量钻头磨损量；

4. 更换岩样和新钻头，重复上述步骤。

2 实验结果与分析

2.1 实验数据记录

正交实验结果见表 2，其中 ROP 为机械钻速（ m/h ），T 为平均扭矩 (N⋅m ），W 为钻头磨损量（g）。

（表 2）

2.2 单因素影响分析

2.2.1 钻压对实验指标的影响

固定转速 60r/min 、排量 25L/min ，钻压从 5kN 增至 15kN 时：

- 机械钻速从 8.2m/h 增至 20.3m/h （图 2a），因钻压增大使钻头吃入深度增加，破岩效率提高；

- 扭矩从 850N⋅m 增至 1600N⋅m0N⋅m （图2b），由于岩屑挤压作用增强，摩擦阻力增大；

- 钻头磨损量从 3.5g 增至 9.8g （图 2c），高钻压下钻头与岩石接触应力过大，加剧钢齿磨损。

2.2.2 转速对实验指标的影响

固定钻压 10kN 、排量 25L/min ，转速从 40r/min 增至 100r/min 时：

- 机械钻速从 10.5m/h 增至 19.8m/h （图 3a），转速提高使单位时间破岩次数增加；

- 扭矩从 900N⋅m 增至 1400N⋅m( （图3b），但增速低于钻压影响（斜率较小），因转速对摩擦阻力的影响弱于钻压；

- 钻头磨损量从 4.2g 增至 8.6g （图 3c），高速旋转导致钻头与岩屑的相对滑动摩擦加剧。

2.2.3 排量对实验指标的影响

固定钻压10kN、转速 60r/min ，排量从 15L/min 增至 35L/min 时：

- 机械钻速从 12.3m/h 增至 16.8m/h （图 4a ），排量增大促进岩屑及时排出，减少重复破碎；

- 扭矩从 1300N⋅m 降至 950N⋅m （图4b），岩屑清除效率提高，降低钻头与岩屑的摩擦；

- 钻头磨损量从 7.5g 降至 4.1g （图 ^4c ），因高排量冲洗作用减轻了岩屑对钻头的研磨。

3 结论

1. 实验室模拟实验表明，钻压、转速、排量对钻井效率的影响权重依次为钻压 > 转速 > 排量，其中钻压超过 12kN 后，扭矩和磨损量急剧上升，需谨慎选择；

2. 针对实验砂岩地层，最优钻井参数组合为：钻压 12kN、转速80r/min 、排量 25L/min ，此时机械钻速达 18.5m/h ，综合效益最佳；

3. 研究成果可为同类储层的现场钻井参数设计提供参考，后续可结合不同岩性（如泥岩、碳酸盐岩）开展对比实验，扩大适用范围。

参考文献

[1] 李根生 , 黄中伟 . 现代钻井工程理论与技术 [M]. 北京 : 石油工业出版社 , 2019.

[2] Moore I. Drilling engineering handbook[M]. Tulsa: PennWell Publishing, 2016.

[3] Beckert L, Smith J. Optimization of drilling parameters using fullscale simulator[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2018, 165: 523-531.

[4] 张士诚 , 王瑞和 . 油气钻井工程优化设计 [M]. 东营 : 中国石油大学出版社 , 2020.

[5] 刘修善 . 钻井参数优化的理论与实践 [J]. 石油学报 , 2017, 38(5):587-594.