钻井工程第四章--钻进参数优选汇编课件

钻井工程第四章-钻进参数优选钻进参数：钻进参数：表征钻进过程中的可控因素所包含的设备、工具、钻表征钻进过程中的可控因素所包含的设备、工具、钻井液以及操作条件的重要性质的量。如钻头类型、钻井液井液以及操作条件的重要性质的量。如钻头类型、钻井液性能参数、钻压、转速、泵压、排量、钻头喷嘴直径、钻性能参数、钻压、转速、泵压、排量、钻头喷嘴直径、钻头水功率等。头水功率等。钻进参数优选：钻进参数优选：指在一定的客观条件下，根据不同参数配合时各因素指在一定的客观条件下，根据不同参数配合时各因素对钻进速度和钻头寿命的影响规律，采用最优化方法，选对钻进速度和钻头寿命的影响规律，采用最优化方法，选择合理的钻进参数配合，使钻进过程达到最优的技术和经择合理的钻进参数配合，使钻进过程达到最优的技术和经济指标。济指标。一、影响钻速的主要因素及钻速方程一、影响钻速的主要因素及钻速方程1.1.钻压对钻速的影响钻压对钻速的影响 oa oa段：段：钻压小，钻速钻压小，钻速VpcVpc很小。很小。ab ab段：段：钻压增大，钻速钻压增大，钻速Vpc Vpc 随钻压增加随钻压增加 成线性关系增大。成线性关系增大。bc bc段：段：当钻压增大到一定值当钻压增大到一定值W Wb b 时，钻压时，钻压 增大增大,钻速改进效果并不明显。钻速改进效果并不明显。第一节第一节第一节第一节 钻进过程中各参数间的基本关系钻进过程中各参数间的基本关系钻进过程中各参数间的基本关系钻进过程中各参数间的基本关系钻速与钻压的关系曲线钻速与钻压的关系曲线实际应用中实际应用中,以直线段为依据建立钻以直线段为依据建立钻压压(W W)与钻速与钻速(VpcVpc)的定量关系的定量关系,即即:式中：式中：M M 称为门限钻压称为门限钻压,它是它是abab线在线在钻压轴上的截距钻压轴上的截距,认为是牙齿开始认为是牙齿开始吃入地层时的钻压吃入地层时的钻压,其值的大小主要其值的大小主要取决于岩层性质取决于岩层性质,并具有较强的地区并具有较强的地区性。性。钻速与钻压的关系曲线钻速与钻压的关系曲线 2.2.转速对钻速的影响转速对钻速的影响钻速随转速的增大而增大，并呈指数关系变化。钻速随转速的增大而增大，并呈指数关系变化。其中：其中：称为转速指数称为转速指数,一般小于一般小于1 1，数值大小主要与岩层性质有关。数值大小主要与岩层性质有关。极软地层极软地层11，随着岩石硬度增大，随着岩石硬度增大，值减小。值减小。3.3.牙齿磨损对钻速的影响牙齿磨损对钻速的影响 随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。式中式中：C C2 2 称为牙齿磨损系数称为牙齿磨损系数,与钻头齿形结构和与钻头齿形结构和 岩层性质有关岩层性质有关,由现场数据统计得到。由现场数据统计得到。h h 为牙齿磨损量为牙齿磨损量,以牙齿的相对磨损高度以牙齿的相对磨损高度 表示表示,新钻头时新钻头时h h=0=0；牙齿全部磨损时；牙齿全部磨损时h h=1=1。4.4.水力因素对钻速的影响水力因素对钻速的影响 通常用通常用井底单位面积上的平均水功率井底单位面积上的平均水功率(称为比水功率称为比水功率)来研究水力来研究水力 因素对钻速的影响规律。因素对钻速的影响规律。水力因素主要从以下两个方面影响钻速：水力因素主要从以下两个方面影响钻速：（1 1）水力净化井底）水力净化井底 井底比水功率越大，净化程度越好，钻速越快。井底比水功率越大，净化程度越好，钻速越快。水力净化能力通常用水力净化能力通常用水力净化系数水力净化系数 C CH H 表示表示,其含意其含意为实际钻速与净化完善时的钻速之比为实际钻速与净化完善时的钻速之比.即：即：式中式中 P -实际比水功率实际比水功率,kW/cm2;Ps-净化完善时所需的比水功率净化完善时所需的比水功率,kW/cm2。井底完全净化后，井底完全净化后，C CH H=1=1；否则，；否则，C CH H1 1。（2 2）水力辅助破岩）水力辅助破岩井底比水功率越大，辅助破岩能力越强，钻速越快。井底比水功率越大，辅助破岩能力越强，钻速越快。5.5.钻井液性能对钻速的影响钻井液性能对钻速的影响（1 1）钻井液密度对钻速的影响）钻井液密度对钻速的影响 钻井液密度越大，井内液柱压力越大。在井内液柱压力大于地层钻井液密度越大，井内液柱压力越大。在井内液柱压力大于地层孔隙压力的情况下，产生一个正压差。孔隙压力的情况下，产生一个正压差。在正压差作用下，井底岩屑在正压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成重复破碎现象，钻速降低难以离开井底，造成重复破碎现象，钻速降低。此现象称为。此现象称为压持效压持效应应。井底压差与钻速的关系：井底压差与钻速的关系：压差影响系数：压差影响系数：式中式中:vpc-实际钻速实际钻速,m/h;vpc0-零压差时的钻速零压差时的钻速,m/h;p-井底压差井底压差,Mpa；-与岩性质有关的系数。与岩性质有关的系数。（2 2）钻井液粘度对钻速的影响）钻井液粘度对钻速的影响 钻井液粘度增大，将会增大环空压降，使井底压差增大，钻速降低；钻井液粘度增大，将会增大环空压降，使井底压差增大，钻速降低；钻井液粘度增大，钻柱内压耗增大，在泵压一定时钻头压降减小，钻头钻井液粘度增大，钻柱内压耗增大，在泵压一定时钻头压降减小，钻头水功率减小，清岩和破岩能力降低，钻速下降。水功率减小，清岩和破岩能力降低，钻速下降。（3 3）钻井液固相含量对钻速的影响）钻井液固相含量对钻速的影响 钻井液固相含量增大，机械钻速降低。钻井液固相含量增大，机械钻速降低。（4 4）钻井液分散性对钻速的影响）钻井液分散性对钻速的影响 分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低；钻井液中小于分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低；钻井液中小于1m1m的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。6.6.钻速方程（修正杨格模式）钻速方程（修正杨格模式）其中：其中：v vpc pc 钻速钻速,m/h,m/h；W W 钻压钻压,kN,kN；M M 门限钻压门限钻压,kN,kN；n n 转速转速,r/min,r/min 转速指数；转速指数；C C2 2 牙齿磨损系数；牙齿磨损系数；C CH H 水力净化系数；水力净化系数；C Cp p 压差影响系数；压差影响系数；h h 牙齿磨损相对高度；牙齿磨损相对高度；K KR R 地层可钻系数。地层可钻系数。二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程1.1.钻压对牙齿磨损速度的影响钻压对牙齿磨损速度的影响牙齿磨损速度随钻压的增大而增大。当钻压增大牙齿磨损速度随钻压的增大而增大。当钻压增大到某一极限值时，牙齿磨损速度趋于无穷大。到某一极限值时，牙齿磨损速度趋于无穷大。式中：式中：Z1与与Z2 称为钻压影响系数称为钻压影响系数,与牙轮钻压尺寸有关。与牙轮钻压尺寸有关。当钻压等于当钻压等于Z Z2 2Z Z1 1时时,牙齿的磨损速度无限大。牙齿的磨损速度无限大。Z Z2 2Z Z1 1是该尺寸钻头的理论极限钻压。是该尺寸钻头的理论极限钻压。表表4-1 4-1 钻压影响系数钻压影响系数2.2.转速对牙齿磨损速度的影响转速对牙齿磨损速度的影响增大转速，牙齿磨损速度加快。增大转速，牙齿磨损速度加快。式中：式中：a a1 1和和a a2 2是由钻头类型决定的系数。是由钻头类型决定的系数。见表4-2。3.3.牙齿磨损状况对牙齿磨损速度的影响牙齿磨损状况对牙齿磨损速度的影响牙齿磨损量增大，其工作面积增大，磨损速度减小。牙齿磨损量增大，其工作面积增大，磨损速度减小。式中：式中：C C1 1称为牙齿磨损减慢系数称为牙齿磨损减慢系数,与钻头类型有关与钻头类型有关,其数值见表其数值见表4-24-2。4.4.牙齿磨损速度方程牙齿磨损速度方程 式中式中：Af 称为地层研磨性系数称为地层研磨性系数.需根据现场钻头资料统计计算确定。需根据现场钻头资料统计计算确定。5.5.轴承磨损速度方程轴承磨损速度方程轴承磨损量用轴承磨损量用B B表示。轴承磨损速度用表示。轴承磨损速度用dB/dtdB/dt表示。表示。式中：式中：b b称为轴承工作系数，与钻头类型与钻井液性能有关，称为轴承工作系数，与钻头类型与钻井液性能有关，现场资料确定。现场资料确定。三、钻进方程中有关系数的确定三、钻进方程中有关系数的确定(一）钻速方程的系数：一）钻速方程的系数：M M、C C2 2、C CH H、C CP P、K KR R1.1.M 和和 的确定的确定五点法钻速试验五点法钻速试验（1 1）基本思路）基本思路 保持钻压和钻速方程中的其它参数恒定，采用两种转速保持钻压和钻速方程中的其它参数恒定，采用两种转速Nmin、Nmax钻进同一地层，可得到两个不同钻速值钻进同一地层，可得到两个不同钻速值Vpcmin、Vpcmax，代入，代入钻速方程，联立求解转速指数钻速方程，联立求解转速指数。保持转速和钻速方程中的其它参数恒定，采用两种钻压保持转速和钻速方程中的其它参数恒定，采用两种钻压Wmin、Wmax钻进同一地层，可得到两个不同钻速值钻进同一地层，可得到两个不同钻速值Vpcmin、Vpcmax，代，代入钻速方程，联立求解门限钻压入钻速方程，联立求解门限钻压M。（2 2）试验条件）试验条件试验中钻井液性能、水力参数恒定，一般取本地区常用值，试验中钻井液性能、水力参数恒定，一般取本地区常用值，使使CH、CP不变，且避免水力因素变化对门限钻压不变，且避免水力因素变化对门限钻压M值的影响。值的影响。试验井段或试验时间尽可能短，以保证试验开始和结束时的试验井段或试验时间尽可能短，以保证试验开始和结束时的牙齿磨损量和地层岩性相差很小。牙齿磨损量和地层岩性相差很小。（3 3）试验步骤）试验步骤:准备：准备：确定本地区钻压范围（确定本地区钻压范围（Wmin,Wmax）和转速范围（）和转速范围（nmin,nmax）以）以 及平均钻压、平均转速（及平均钻压、平均转速（W0，n0）。）。第一步：第一步：用平均钻压和平均转速（用平均钻压和平均转速（W0 ，n0 ）钻进）钻进1米或米或0.5米米,记录钻速记录钻速Vpc1。第二步：第二步：用最小钻压和最小转速（用最小钻压和最小转速（Wmin，nmin）钻进）钻进1米或米或0.5米米,记录钻速记录钻速Vpc2。第三步：第三步：钻压不变，用最大转速（钻压不变，用最大转速（Wmin，nmax）钻进）钻进1米或米或0.5米米,记录钻速记录钻速Vpc3。第四步：第四步：转速不变，用最大钻压（转速不变，用最大钻压（Wmax，nmax）钻进）钻进1米或米或0.5米米,记录钻速记录钻速Vpc4。第五步：第五步：钻压不变，用最小转速（钻压不变，用最小转速（Wmax，nmin）钻进）钻进1米或米或0.5米米,记录钻速记录钻速Vpc5。第六步第六步：用平均钻压和平均钻速（：用平均钻压和平均钻速（W0 ，n0 ）钻进）钻进1米或米或0.5米米,记录钻速记录钻速Vpc6。(4(4）M M、计算计算 将（将（Wmin，nmin，Vpc2）和（）和（Wmax，nmin，Vpc5）代入钻速方程，可求出代入钻速方程，可求出:将（将（Wmin，nmax，Vpc3）和（）和（Wmax，nmin，Vpc4）代入钻速方程又可求出代入钻速方程又可求出:取取M1、M2的平均值的平均值:同理可得同理可得的计算公式：的计算公式：两边取对数得两边取对数得:（5）试验有效性验证（地层差别验证）试验有效性验证（地层差别验证）若地层完全相同，若地层完全相同，Vpc1=Vpc6。实际要求：实际要求：2.牙齿磨损系数牙齿磨损系数C2的确定的确定 假定：假定：1）某钻头所钻井段岩性基本不变）某钻头所钻井段岩性基本不变 2）各项钻进参数基本恒定）各项钻进参数基本恒定 已知新钻头牙齿磨损量已知新钻头牙齿磨损量h=0，钻头起出时磨损量为，钻头起出时磨损量为hf；钻头开始钻；钻头开始钻速速Vpc0，起钻时钻速，起钻时钻速Vpcf。由钻速方程可反求出牙齿磨损系数由钻速方程可反求出牙齿磨损系数C2：3.水力净化系数水力净化系数CH和压差影响系数和压差影响系数CP 井底充分净化，井底充分净化，C CH H=1=1，否则，否则C CH H1 1。井底压差为井底压差为0 0，C CP P=1=1，否则，否则C CP P1 1。4.地层可钻性系数地层可钻性系数KR的确定的确定 取得新钻头试钻资料（开始钻进时的钻速取得新钻头试钻资料（开始钻进时的钻速V Vpcpc，各项钻进，各项钻进参数），此时牙齿磨损量参数），此时牙齿磨损量h=0h=0，由钻速方程可锝：，由钻速方程可锝：（二）磨损方程的系数：（二）磨损方程的系数：Z Z1 1、Z Z2 2、C C1 1、a a1 1、a a2 2、b b、A Af f 1.钻压影响系数钻压影响系数Z1、Z2 取值与牙轮钻头尺寸有关，由台架实验确定。查休斯公司实验取值与牙轮钻头尺寸有关，由台架实验确定。查休斯公司实验数据表数据表4-14-1。2.转速影响系数转速影响系数a1，a2和牙齿磨损减慢系数和牙齿磨损减慢系数C1：取值与牙轮钻头类型有关，由台架实验确定。查表取值与牙轮钻头类型有关，由台架实验确定。查表4-2。3.轴承工作系数轴承工作系数b：取决于钻头类型和钻井液性能。利用现场实钻资料，根取决于钻头类型和钻井液性能。利用现场实钻资料，根据轴承磨损方程确定。据轴承磨损方程确定。4.地层研磨性系数地层研磨性系数Af 与地层研磨性和钻头耐磨性、钻井液性能等因素有关。利用实钻资与地层研磨性和钻头耐磨性、钻井液性能等因素有关。利用实钻资料，由牙齿磨损方程反算。料，由牙齿磨损方程反算。M,KR C2,Af ,bZ1,Z2 a1,a2,C1可查表求得可计算求得综上所述：综上所述：钻速方程、牙齿磨损方程、轴承磨损方程中的系数的确定方钻速方程、牙齿磨损方程、轴承磨损方程中的系数的确定方法：法：第二节第二节 机械破岩参数优选机械破岩参数优选目的：目的：寻求最优的钻压、转速组合，使钻井过程达到最佳寻求最优的钻压、转速组合，使钻井过程达到最佳 技术经济效果。技术经济效果。优选方法步骤：优选方法步骤：确定标准确定标准建立目标函数建立目标函数在各种约束条件下寻求目标函数的在各种约束条件下寻求目标函数的极值点极值点满足极值点条件的参数组合即为最优参数。满足极值点条件的参数组合即为最优参数。其中其中:C单位进尺成本，元单位进尺成本，元/m；Cb钻头成本，元钻头成本，元/只；只；Cr钻机作业费，元钻机作业费，元/h；tr起下钻、接单根时间，起下钻、接单根时间，h；t钻头工作时间钻头工作时间,h；H-钻头总进尺钻头总进尺,m。一、目标函数的建立一、目标函数的建立 衡量钻井技术经济效果的标准：衡量钻井技术经济效果的标准：1.1.建立钻头进尺建立钻头进尺H H与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系 在在上式中，令：上式中，令：J的物理意义：牙齿磨损量牙齿磨损量 h=0 h=0（新钻头）新钻头）时的初始钻速时的初始钻速.S的物理意义：牙齿磨损量牙齿磨损量 h h=0=0 时牙齿的初始磨速。它的倒数时牙齿的初始磨速。它的倒数相当于不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论寿命。相当于不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论寿命。E的物理意义：考虑牙齿磨损对钻速和牙齿考虑牙齿磨损对钻速和牙齿 磨损速度磨损速度影响后的进尺系数。影响后的进尺系数。它是牙齿最终磨损它是牙齿最终磨损量的函数。量的函数。则：J/S的物理意义：不考虑牙齿磨损影响时的理论进尺。不考虑牙齿磨损影响时的理论进尺。2.2.建立钻头寿命建立钻头寿命t t与钻压、转速、磨损量等参数的关系与钻压、转速、磨损量等参数的关系由牙齿磨量由牙齿磨量h h损决定的钻头寿命损决定的钻头寿命由轴承磨损量由轴承磨损量B B决定的钻头寿命决定的钻头寿命考虑牙齿磨损对考虑牙齿磨损对钻头磨速影响后钻头磨速影响后的钻头寿命系数。的钻头寿命系数。3.3.目标函数目标函数钻头与起下钻钻头与起下钻本的折算时间本的折算时间在此仅考虑牙齿在此仅考虑牙齿磨损决定的寿命磨损决定的寿命令：令：把把J,E,S,F代入：代入：二、目标函数的极值条件和约束条件二、目标函数的极值条件和约束条件1.1.极值条件极值条件2.约束条件约束条件3.（1）牙齿磨损量：）牙齿磨损量：0hf14.（2）轴承磨损量：）轴承磨损量：0Bf15.（3）钻压：）钻压：M0，MWZ2/Z16.M 0，0WZ2/Z17.（4）转速：）转速：n0轴承磨损量与牙齿磨损量的关系轴承磨损量与牙齿磨损量的关系CH=1;Cp=1;三、钻头最优磨损量、最优钻压和最优转速三、钻头最优磨损量、最优钻压和最优转速1.1.钻头最优磨损量钻头最优磨损量给定（给定（W W，n n），可求出在一定钻压、转速下的钻头最优磨损量。可求出在一定钻压、转速下的钻头最优磨损量。2.2.最优转速最优转速给定的（给定的（W W，h hf f），可求出最优转速，可求出最优转速nop。3.3.最优钻压最优钻压根据给定的（根据给定的（n n，h hf f），可求出最优钻压。可求出最优钻压。4.4.最优参数组合最优参数组合理论上：理论上：采用迭代方法求解由目标函数、极值条件采用迭代方法求解由目标函数、极值条件 和约束条件组成的方程组和约束条件组成的方程组,可进行全局寻优。可进行全局寻优。实际中：实际中：确定钻头磨损量确定钻头磨损量求求不同转速下不同转速下的的最优钻压最优钻压 选取每米成本最低的钻压、转速组合。选取每米成本最低的钻压、转速组合。例例4-24-2 某某井井段段的的地地层层可可钻钻性性系系数数K K=0.0023,=0.0023,研研磨磨性性系系数数A Af f=2.2810=2.2810-3-3,门门 限限 钻钻 压压M M=10kN,=10kN,转转 速速 指指 数数=0.68.=0.68.用用251mm251mm的的2121型型钻钻头头钻钻进进,C C2 2=3.68,=3.68,C CH H=1,=1,C CP P=1,=1,钻钻头头成成本本C Cb b=900=900元元/只只,钻钻 机机 作作 业业 费费C Cr r=250=250元元/小小 时时,起起 下下 钻钻 时时 间间tttt=5.75=5.75小小时时;所所用用钻钻机机的的转转盘盘转转速速只只有有三三档档,分分别别为为n n1 1=60=60转转/分分,n n2 2=120=120转转/分分,n n3 3=180=180转转/分分,根根据据邻邻井井资资料料,所所选选钻钻头头在在该该井井段段的的牙牙齿齿磨磨损损量量一一般般为为T6T6级级(h hf f=0.75),=0.75),试试求求最最优优的的钻钻压压、转速组合及其工作指标转速组合及其工作指标.解解:查表可得查表可得251mm的的21型钻头参数为型钻头参数为:D2=6.44,D1=0.0146,a1=1.5,a2=6.5310-5,C1=5 小时小时 不同转速时的最优钻压及其工作指标不同转速时的最优钻压及其工作指标第三节第三节第三节第三节 水力参数优化设计水力参数优化设计水力参数优化设计水力参数优化设计主要内容主要内容:射流的水力特性射流的水力特性 钻头的水力特性钻头的水力特性 循环压耗的计算循环压耗的计算 地面泵的水力特性地面泵的水力特性 水力参数的优化设计水力参数的优化设计概概 述述喷射钻井的概念喷射钻井的概念 采用大功率的泥浆泵和可以产生高速射流的钻头喷嘴采用大功率的泥浆泵和可以产生高速射流的钻头喷嘴，使高压，使高压钻井液流过喷嘴时可产生高速流动的水射流，给井底以很大的冲钻井液流过喷嘴时可产生高速流动的水射流，给井底以很大的冲击力，击力，把岩屑及时冲离井底，并辅助破碎岩石把岩屑及时冲离井底，并辅助破碎岩石。该技术称为喷射。该技术称为喷射钻井技术。钻井技术。水力参数水力参数主要包括：主要包括：钻井泵的功率、排量、泵压、以及钻头水功率、钻头水力压降、钻井泵的功率、排量、泵压、以及钻头水功率、钻头水力压降、钻头喷嘴直径、射流冲击力、射流喷速和环空钻井液上返速度等。钻头喷嘴直径、射流冲击力、射流喷速和环空钻井液上返速度等。水力参数优化设计水力参数优化设计 寻求合理的水力参数配合，使井底获得最大的水力能量分配，寻求合理的水力参数配合，使井底获得最大的水力能量分配，从而达到最优的井底净化效果和提高机械钻速之目的。从而达到最优的井底净化效果和提高机械钻速之目的。一、喷射式钻头的水力特性一、喷射式钻头的水力特性（一）射流及其对井底的作用（一）射流及其对井底的作用 1.1.射流的结构及特性射流的结构及特性 射流是指通过管嘴或孔口过水断面周界不与固体壁接触的液流。射流是指通过管嘴或孔口过水断面周界不与固体壁接触的液流。A A、射流分类：（按条件）、射流分类：（按条件）射流与周围流体介质的关系：射流与周围流体介质的关系：射射介介，非淹没射流非淹没射流 射射介介，淹没射流淹没射流 有无固体边界：有无固体边界：无固体边界无固体边界 自由射流自由射流 有固体边界有固体边界 非自由射流非自由射流 射流压力是否稳定：射流压力是否稳定：连续射流连续射流 压力平稳。压力平稳。脉冲射流脉冲射流 流量发生一定频率的脉动，射流产生周期性的动载。流量发生一定频率的脉动，射流产生周期性的动载。混合射流混合射流 既有连续部分，又有脉动部分。既有连续部分，又有脉动部分。空化射流空化射流 气体进入液体产生空穴，空穴破裂产生很高的压力。气体进入液体产生空穴，空穴破裂产生很高的压力。钻头喷嘴射出的射流为淹没非自由连续射流。钻头喷嘴射出的射流为淹没非自由连续射流。B B、射流的结构及特性、射流的结构及特性（1 1）射流的结构）射流的结构射流的扩散角射流的扩散角 射流纵剖面上周界母线的夹角称为射流纵剖面上周界母线的夹角称为 射流扩散角（如图射流扩散角（如图4-134-13中的中的）。）。射流扩散角射流扩散角表示了射流的密集程表示了射流的密集程 度。显然，度。显然，越小，则射流的密集越小，则射流的密集 性越高，能量就越集中。性越高，能量就越集中。射流的喷距射流的喷距 射流断面距喷嘴出口的距离。射流断面距喷嘴出口的距离。图图4-13 4-13 喷射式钻头的井底射流特性喷射式钻头的井底射流特性（2 2）速度分布规律）速度分布规律 在射流轴线上在射流轴线上 在喷嘴出口断面，各点的速度基本相在喷嘴出口断面，各点的速度基本相 等，为初始速度。等，为初始速度。射流中心部分保持初始速度流动的流射流中心部分保持初始速度流动的流 束，称为束，称为射流等速核射流等速核。等速核长度与喷嘴直径和流到形状有等速核长度与喷嘴直径和流到形状有 关。在等速核以内，射流轴线上的速关。在等速核以内，射流轴线上的速 度等于出口速度；超过等速核以后，度等于出口速度；超过等速核以后，射流射流 轴线上的速度迅速降低。轴线上的速度迅速降低。射流轴线上的速度衰减规律如图射流轴线上的速度衰减规律如图4-144-14。Vjm/Vj0图图4-14 4-14 射流轴线上的速度衰减规律射流轴线上的速度衰减规律图图4-13 4-13 喷射式钻头的井底射流特性喷射式钻头的井底射流特性 在射流任一横截面上，射流轴心上在射流任一横截面上，射流轴心上 的速度最高，由中心向外速度很快的速度最高，由中心向外速度很快 降低，到射流边界上速度降为零。降低，到射流边界上速度降为零。钻头射流（淹没非自由连续射流）的基本特征钻头射流（淹没非自由连续射流）的基本特征：射流具有等速核和扩散角；在射流横截面上中心速度最大；射流具有等速核和扩散角；在射流横截面上中心速度最大；在射流轴线上，超过等速核以后射流轴线上的速度迅速降低；撞在射流轴线上，超过等速核以后射流轴线上的速度迅速降低；撞击井底后，形成井底冲击压力波和沿井底高速流动的击井底后，形成井底冲击压力波和沿井底高速流动的漫流。漫流。2.2.射流对井底的清洗作用射流对井底的清洗作用（1 1）射流的冲击压力作用）射流的冲击压力作用 射流撞击井底后形成的冲击压力极不均匀。极不均匀的冲击压力射流撞击井底后形成的冲击压力极不均匀。极不均匀的冲击压力使岩屑受到一个翻转力矩，从而离开井底。使岩屑受到一个翻转力矩，从而离开井底。（2 2）漫流的横推作用）漫流的横推作用 射流撞击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流（漫流），对射流撞击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流（漫流），对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。图图4-15 4-15 射流冲击面积射流冲击面积 图图4-16 4-16 岩屑翻转岩屑翻转漫流的速度分布：漫流的速度分布：径向（横向）：径向（横向）：冲击圆的中心为冲击圆的中心为 0 0；冲击圆边缘最大；冲击圆；冲击圆边缘最大；冲击圆 边缘以外，漫流速度下降。边缘以外，漫流速度下降。轴向（纵向）：轴向（纵向）：距井底距井底0.5mm0.5mm高度处漫流速度最大，向上迅速减小。高度处漫流速度最大，向上迅速减小。3.3.射流对井底的破岩作用射流对井底的破岩作用 在岩石强度较低的地层，射流的冲击压力超过地层的破碎强度，在岩石强度较低的地层，射流的冲击压力超过地层的破碎强度，直接破碎岩石。直接破碎岩石。在岩石强度较高的地层，射流挤入岩石中由钻头机械力造成的微在岩石强度较高的地层，射流挤入岩石中由钻头机械力造成的微裂纹和微裂缝内，形成裂纹和微裂缝内，形成“水楔水楔”，使微裂纹和裂缝扩展，从而大大，使微裂纹和裂缝扩展，从而大大降低岩石的破碎强度。降低岩石的破碎强度。(二）射流水力参数二）射流水力参数表征射流水力能量大小的参数：表征射流水力能量大小的参数：喷射速度、射流冲击力、射流水功率喷射速度、射流冲击力、射流水功率。计算位置：计算位置：喷嘴出口断面喷嘴出口断面1.1.射流喷射速度射流喷射速度 2.2.射流冲击力射流冲击力（工程单位制）（工程单位制）3.3.射流水功率射流水功率 单位时间内射流所具有的作功能量称为射流水功率。单位时间内射流所具有的作功能量称为射流水功率。（国际单位制）（国际单位制）（工程单位制）（工程单位制）（三）钻头水力参数（三）钻头水力参数 钻钻头头水水力力参参数数是是射射流流水水力力能能量量和和喷喷嘴嘴损损耗耗能能量量的的综综合合反反映映，包包括钻头压力降和钻头水功率。括钻头压力降和钻头水功率。1.1.钻头压力降钻头压力降钻头压力降是指钻井液流过钻头喷嘴以后钻井液压力降低的值。钻头压力降是指钻井液流过钻头喷嘴以后钻井液压力降低的值。式中：式中：C喷嘴流量系数喷嘴流量系数,与喷嘴的阻力系数有关，与喷嘴的阻力系数有关，C C 1 1。de喷嘴当量直径，即与喷嘴当量直径，即与n n个喷嘴出口截面面积总和相当的个喷嘴出口截面面积总和相当的 喷嘴直径，喷嘴直径，cmcm；（4-54）2.2.钻头水功率钻头水功率钻头水功率是指钻井液流过钻头喷向井底所消耗的水力功率。钻头水功率是指钻井液流过钻头喷向井底所消耗的水力功率。3.3.钻头水力参数与射流水力参数的关系钻头水力参数与射流水力参数的关系 压力分配：压力分配：水功率分配水功率分配:二、水功率传递的基本关系二、水功率传递的基本关系式中：式中：Ps、Ns钻井泵压力及功率；钻井泵压力及功率；Pg、Ng地面管汇压耗及功率；地面管汇压耗及功率；Pst、Nst钻柱内压耗及功率；钻柱内压耗及功率；Pan、Nan环空压耗及功率；环空压耗及功率；Pb、Nb钻头压降及水功率。钻头压降及水功率。水功率传递路径水功率传递路径:钻井泵钻井泵地面管汇地面管汇钻柱内钻柱内钻头钻头环空环空地面。地面。三、循环系统压耗的计算三、循环系统压耗的计算 假设：假设：（1 1）钻井液为宾汉流体；）钻井液为宾汉流体；（2 2）钻井液在循环系统各部分的流动均为等温紊流流动；）钻井液在循环系统各部分的流动均为等温紊流流动；（3 3）钻柱处于与井眼同心的位置；）钻柱处于与井眼同心的位置；（4 4）不考虑钻柱旋转；）不考虑钻柱旋转；（5 5）井眼为已知直径的圆形井眼；）井眼为已知直径的圆形井眼；（6 6）钻井液是不可压缩流体。）钻井液是不可压缩流体。（二）摩阻系数（二）摩阻系数f f 的确定的确定 1.1.宾汉流体在紊流状态下摩阻系数宾汉流体在紊流状态下摩阻系数f f 与与ReRe的关系的关系管内流：管内流：环空流：环空流：式中式中 k 系数，与管路特性有关；系数，与管路特性有关；Re 雷诺数；雷诺数；（一）压耗计算的基本公式（一）压耗计算的基本公式式中：式中：2.2.循环系统摩阻系数计算公式循环系统摩阻系数计算公式（1 1）内平钻杆及钻铤管内内平钻杆及钻铤管内（2）贯眼接头钻杆管内贯眼接头钻杆管内（3）环型空环型空间间（三）循环系统压耗的计算公式（三）循环系统压耗的计算公式（1）地面管汇压耗）地面管汇压耗（2）钻杆内压耗）钻杆内压耗（3）钻铤内压耗）钻铤内压耗(4)(4)钻杆外环形空间压耗钻杆外环形空间压耗(5)(5)钻铤外环空压耗钻铤外环空压耗钻铤内外压耗：钻铤内外压耗：钻杆内外压耗：钻杆内外压耗：分别令分别令Kg、Kp和和Kc为地面管汇、钻杆内外和钻铤内外的压耗系数，即：为地面管汇、钻杆内外和钻铤内外的压耗系数，即：则则 总压耗计算公式：总压耗计算公式：称为整个循环系统的压耗系数称为整个循环系统的压耗系数将压耗系数将压耗系数Kl作进一步变化，设井深为作进一步变化，设井深为D，并令：，并令：（四）提高钻头水力参数的途径（四）提高钻头水力参数的途径 关关系系压压力力 关关系系 功功率率提高钻头水力参数的主要途径提高钻头水力参数的主要途径 1.提高泵压提高泵压ps和泵功率和泵功率Ps 2.降低循环压耗系数降低循环压耗系数Kl （1）使用低密度钻井液）使用低密度钻井液 （2）减小钻井液粘度）减小钻井液粘度 （3）适当增大管路直径）适当增大管路直径 3.增大钻头压降系数增大钻头压降系数Kb 唯一有效的途径是减小喷嘴直径。唯一有效的途径是减小喷嘴直径。4.优选排量优选排量Q四、钻井泵的工作特性四、钻井泵的工作特性 1.1.钻井泵的性能参数钻井泵的性能参数 额定功率额定功率钻井泵的最大输出功率，钻井泵的最大输出功率，Nr 额定泵压额定泵压所用缸套的允许工作压力，所用缸套的允许工作压力，pr 额定排量额定排量在额定泵功率和额定泵压时的排量，在额定泵功率和额定泵压时的排量，Qr 额定泵冲额定泵冲额定排量时的泵冲数。额定排量时的泵冲数。表表4-7 3NB10004-7 3NB1000钻井泵性能表钻井泵性能表2.2.钻井泵的工作状态钻井泵的工作状态根据泵排量的大小，可将钻井泵的工作分为两种工作状态：根据泵排量的大小，可将钻井泵的工作分为两种工作状态：（1 1）额定泵压工作状态）额定泵压工作状态 当当QQr时，时，ps=pr，NSNr （2）额定功率工作状态）额定功率工作状态 当当QQr时，时，Ns=Nr，pS pr钻井泵的实际工作状态取决于所选用钢套的大小。钻井泵的实际工作状态取决于所选用钢套的大小。NrNr 只有当泵排量等于额定排量时，只有当泵排量等于额定排量时，钻井泵才能同时达到额定输出功率钻井泵才能同时达到额定输出功率和额定泵压。因此，应尽量选用额和额定泵压。因此，应尽量选用额定排量与实用排量相近的缸套。定排量与实用排量相近的缸套。五、水力参数优选五、水力参数优选（一）优选标准（一）优选标准目标：获得最大的射流水力参数或钻头水力参数。目标：获得最大的射流水力参数或钻头水力参数。射流水力参数射流水力参数钻头水力参数钻头水力参数由于：由于：所以可选其中的所以可选其中的Vj、Fj或或Nb作为优选标准。作为优选标准。各水力参数随排量变化的规律：各水力参数随排量变化的规律：由曲线可知，选择一个排量不可能使四个参数同时达到最大，那由曲线可知，选择一个排量不可能使四个参数同时达到最大，那麽究竟按照什麽标准选择排量呢？麽究竟按照什麽标准选择排量呢？三种选择方式：三种选择方式：以以N Nb b 为标准选排量称为为标准选排量称为最大水功率最大水功率工作方式。工作方式。以以F Fj j 为标准选排量称为为标准选排量称为最大冲击力最大冲击力工作方式。工作方式。以以V Vo o 为标准选排量称为为标准选排量称为最大喷射速度最大喷射速度工作方式。工作方式。（二）获得最大钻头水功率的条件（二）获得最大钻头水功率的条件 目标函数：目标函数：1.1.在额定泵功率状态下工作在额定泵功率状态下工作 Ns=Nr由上式可看出：由上式可看出：Q ，Nb ；Q ，Nb 理论上理论上Q越小越好，但最小越小越好，但最小 Q=Qr因此，在额定泵功率状态下因此，在额定泵功率状态下,获得最大钻头水功率的条件是：获得最大钻头水功率的条件是：Qopt=Qr 2 2.在额定泵压状态下工作在额定泵压状态下工作 ps=pr求得最优排量为：求得最优排量为：此时有：此时有：3.3.最优排量随井深的变化规律最优排量随井深的变化规律 当当QQr时时：当当QQr时：时：不同井深和排量下钻头水功率的变化不同井深和排量下钻头水功率的变化 规律图象如图规律图象如图4-214-21所示。所示。其中，其中，L0L1L2L3LNcL5LNaL7。2323，井深井深 LNcLLNc 时：时：泵处于额定泵压工作状态。泵处于额定泵压工作状态。3434，井深，井深L LL LNaNa时，时，Qopt=Qa Q Qa a为满足携带岩屑所需要的最低排量。为满足携带岩屑所需要的最低排量。1212，LLNc时：钻头水功率最高时的排量为额定排量，时：钻头水功率最高时的排量为额定排量，此时泵处于额定功率工作状态。此时泵处于额定功率工作状态。当当L L=L LNcNc时时，最优排量：，最优排量：由由可求得第一临界井深为：可求得第一临界井深为：当井深当井深 L L=L Lna na 时时，最优排量：，最优排量：，由此可求得第二临界井深为：由此可求得第二临界井深为：2点和点和3点是两个转折点，有特殊意义。点是两个转折点，有特殊意义。2点对应的深度点对应的深度 LNC 为第一临界井深为第一临界井深，该井深是钻井泵由额定功率工作该井深是钻井泵由额定功率工作方式向额定泵压工作方式的转折点。方式向额定泵压工作方式的转折点。3点对应的深度点对应的深度 Lna 为第二临界井深。为第二临界井深。4.4.喷嘴直径的确定喷嘴直径的确定 钻头水功率能否达到最大，还取决于钻头喷嘴直径的大小。因为喷嘴钻头水功率能否达到最大，还取决于钻头喷嘴直径的大小。因为喷嘴直径大小决定钻头上的压力降，从而决定泵的工作压力。直径大小决定钻头上的压力降，从而决定泵的工作压力。由由得得当当LLNc时：时：则则 当当L LL LNcNc时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大；时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大；当当L LL LNaNa时：时：当当LNcLLna 时：时：当当LNcLLNa时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐减小；时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐减小；当当LLNa时，喷嘴直径则又应随井深的增加而逐渐增大。时，喷嘴直径则又应随井深的增加而逐渐增大。（三）获得最大射流冲击力的条件（三）获得最大射流冲击力的条件1、泵在额定功率工作状态下工作，、泵在额定功率工作状态下工作，最优排量：最优排量：2、在额定泵压工作状态下工作，、在额定泵压工作状态下工作，令令得得3.3.最大射流冲击力随排量和井深的变化规律最大射流冲击力随排量和井深的变化规律当当QQr时时：当当QQr时：时：理论上推出的获得最大射流冲击力的工作路线为理论上推出的获得最大射流冲击力的工作路线为1 1 2345 2345。由于由于12段段QQr，这对泵，这对泵 的工作不利。的工作不利。实际工作取实际工作取12345。LFc和和LFa分别称为最大射流冲击力标准下的第分别称为最大射流冲击力标准下的第一临界井深和第一临界井深和第 二临界井深。二临界井深。4.4.最优喷嘴直径的确定最优喷嘴直径的确定 当当L LL LFcFc时，时，当当L LFcFcL LL LFaFa时，时，当当L LL LFaFa时，时，当当L LL LFcFc时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大；时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大；当当L LFcFcL LL LFaFa时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐减小；时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐减小；当当L LL LFaFa时，喷嘴直径则又应随井深的增加而逐渐增大。时，喷嘴直径则又应随井深的增加而逐渐增大。（三）水力参数优化设计步骤三）水力参数优化设计步骤1.1.主要任务主要任务 水力参数优化标准是获得最大钻头水功率或最大射流冲击力。能否水力参数优化标准是获得最大钻头水功率或最大射流冲击力。能否获得上述标准，取决于排量、喷嘴直径和钻井泵的工作状态（与钢套获得上述标准，取决于排量、喷嘴直径和钻井泵的工作状态（与钢套选择有关）。因此，水力参数优化设计的主要任务是确定钻井液排量、选择有关）。因此，水力参数优化设计的主要任务是确定钻井液排量、选择合适的钻头喷嘴直径和泵的钢套直径。选择合适的钻头喷嘴直径和泵的钢套直径。2.2.设计步骤设计步骤（1 1）确定携岩要求的最小排量）确定携岩要求的最小排量 a a、根据经验公式：根据经验公式：式中：式中：Va 最低环空返速，最低环空返速，m/s；d 钻井液密度，钻井液密度，g/cm3；Dh 井径，井径，cm。b b、根据岩屑举升效率根据岩屑举升效率：式中式中:Ks岩屑举升效率，无因次；岩屑举升效率，无因次；Va环空的平均上返速度，环空的平均上返速度，m/s；Vs岩屑在环空的实际上返速度，岩屑在环空的实际上返速度，m/s。一般要求一般要求K Ks s0.50.5。岩屑的下滑速度岩屑的下滑速度:式中式中:vH岩屑下滑速度，岩屑下滑速度，m/s；s，d分别为岩屑和钻井液密度，分别为岩屑和钻井液密度，g/cm3；ds 岩屑直径，岩屑直径，cm；e 钻井液有效粘度，钻井液有效粘度，Pas。携岩所需的最小排量携岩所需的最小排量:（2）计算循环压耗系数）计算循环压耗系数 分别计算：分别计算：Kg、Kc、m、a，KL=a+m D（3）选择）选择缸套直径，确定额定泵压缸套直径，确定额定泵压pr、排量、排量Qr、功率、功率Pr原则：原则：1）尽可能选择额定排量与实用排量接近的缸套；尽可能选择额定排量与实用排量接近的缸套；2）钢套的工作压力不能超过循环系统的耐压能力。）钢套的工作压力不能超过循环系统的耐压能力。（4）最优排量和喷嘴直径计算）最优排量和喷嘴直径计算 1）计算第一、第二临界井深；）计算第一、第二临界井深；2）计算各井段的最优排量和喷嘴直径。）计算各井段的最优排量和喷嘴直径。（5）各水力参数的计算）各水力参数的计算计算各井段的射流水力参数和钻头水力参数，结果列表。计算各井段的射流水力参数和钻头水力参数，结果列表。设计举例：设计举例：已知条件：钻头直径已知条件：钻头直径D=215.9mm=21.59cm,喷嘴流量系数喷嘴流量系数C=0.98，钻铤钻铤Dc=17.78cm,dc=7.14cm,Lc=120m 内平钻杆内平钻杆Dp=12.7cm,dp=10.86cm Kg=1.0710-3MPas1.8,d=1.64g/cm3,=0.047Pas 井队配备两台井队配备两台NB-1000钻井泵钻井泵,井深井深L=4000m,要求环空返速不低于要求环空返速不低于0.7m/s 地面泵压以不超过地面泵压以不超过18MPa较合适较合适 试按最大钻头水功率方式对该井深处进行水力参数设计试按最大钻头水功率方式对该井深处进行水力参数设计.解解:确定最小排量确定最小排量Qa 最低环空返速最低环空返速Va为：为：由于由于要求环空返速不低于要求环空返速不低于0.7m/s，故取故取Va=0.7m/s携岩要求的最小排量：携岩要求的最小排量：计算不同井深循环压耗系数计算不同井深循环压耗系数m/s井深井深4000m4000m处的循环压耗系数为：处的循环压耗系数为：选择缸套选择缸套 额定排量额定排量Qr Qa,且接近才能充分发挥泵的工作效率且接近才能充分发挥泵的工作效率;根据泵的使用特点根据泵的使用特点,一般缸套的工作额定排量为缸套额定排量的一般缸套的工作额定排量为缸套额定排量的90%,因此所选缸套的额定排量因此所选缸套的额定排量应满足：应满足：选择选择3NB-1000的缸套直径的缸套直径,由表由表4-6选择选择120mm的缸套直径的缸套直径:额定排量额定排量19.9L/s,额定泵压额定泵压33.1MPa;有有:33.10.9=27.79MPa 19.90.9=17.91L/s根据限定条件根据限定条件:地面泵压以不超过地面泵压以不超过18MPa较合适较合适则则:泵的工作额定泵压泵的工作额定泵压Pr=18MPa 工作额定排量工作额定排量Qr=17.91L/sl/s计算按最大钻头水功率方式下的临界井深计算按最大钻头水功率方式下的临界井深 第一临界井深为第一临界井深为:第二临界井深为第二临界井深为:计算优选排量计算优选排量 由于由于L=4000m小于第一临界井深，故：小于第一临界井深，故：Qopt=Qr=17.91L/s确定喷嘴直径确定喷嘴直径 4000m井深处的循环压耗为：井深处的循环压耗为：MPa 根据根据 得得:de=1.36cm计算各水力参数计算各水力参数m/skNkWMPakW复习思考题复习思考题1.钻压、转速、牙齿磨损量、水力因素和钻井液性能等因素是怎样影响机钻压、转速、牙齿磨损量、水力因素和钻井液性能等因素是怎样影响机 械钻速的？械钻速的？2.什么是门限钻压？转速指数为什么一般小于什么是门限钻压？转速指数为什么一般小于1？如何确定门限钻压和转？如何确定门限钻压和转 速指数？速指数？3.修正的杨格钻速模式修正的杨格钻速模式4.钻压、转速、牙齿磨损量对钻头磨损的影响规律钻压、转速、牙齿磨损量对钻头磨损的影响规律5.牙轮钻头牙齿、轴承磨损方程牙轮钻头牙齿、轴承磨损方程6.如何确定牙齿磨损系数、地层可钻性系数、岩石研磨性系数如何确定牙齿磨损系数、地层可钻性系数、岩石研磨性系数7.机械参数优选的目标及目标函数中的机械参数优选的目标及目标函数中的J、S、E、F、J/S的物理意义的物理意义8.在实际工作中，如何确定最优的钻压、转速配合在实际工作中，如何确定最优的钻压、转速配合9.射流的概念、淹没非自由连续射流的基本特征、射流对井底的作用射流的概念、淹没非自由连续射流的基本特征、射流对井底的作用10.射流水力参数的概念与计算射流水力参数的概念与计算 11.水功率的传递关系水功率的传递关系12.循环压耗的影响因素及计算循环压耗的影响因素及计算 13.提高钻头水力参数的途径提高钻头水力参数的途径14.根据排量的大小，可以将钻井泵的工作分为哪几种状态？根据排量的大小，可以将钻井泵的工作分为哪几种状态？在不同的工作状态下，泵压、排量、输出功率是怎样变化的？在不同的工作状态下，泵压、排量、输出功率是怎样变化的？如何充分发挥泵的能力？如何充分发挥泵的能力？15.在不同的钻井泵工作状态下，如何才能获得最大的钻头水功率？在不同的钻井泵工作状态下，如何才能获得最大的钻头水功率？16.第一、第二临界井深有何意义？如何计算？第一、第二临界井深有何意义？如何计算？要获得最大钻头水功率，排量和喷嘴直径如何确定？要获得最大钻头水功率，排量和喷嘴直径如何确定？喷嘴直径理论上应如何变化？喷嘴直径理论上应如何变化？17.水力参数优化设计的主要任务是什么？如何进行水力参数优化设计？水力参数优化设计的主要任务是什么？如何进行水力参数优化设计？此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢