钻井工程理论与技术第四章课件.pptx

1、第四章第四章 钻进参数优选钻进参数优选钻井过程中各参数间的关系钻井过程中各参数间的关系 钻井参数优选钻井参数优选 水力参数优化设计水力参数优化设计1 1、本章重点：、本章重点：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；钻进方程中有关参数的确定；钻进方程中有关参数的确定；钻进参数优选方法；钻进参数优选方法；水力功率传递的基本关系；水力功率传递的基本关系；水力参数优化设计。水力参数优化设计。2 2、难点：、难点：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；水力功率传递的基本关系；水力功率传递的基本关系；水力参数优化设计。水力参数优化设计。钻井工程的总目标钻井工程的

2、总目标：以最低的成本钻出高质量的井眼以最低的成本钻出高质量的井眼.钻进成本公式：钻进成本公式：影响钻速和钻头寿命的因素：影响钻速和钻头寿命的因素：（1 1）不可控因素）不可控因素 是指客观存在的因素，如所钻的是指客观存在的因素，如所钻的地层地层、岩性岩性、储层埋藏深度储层埋藏深度以及以及地层压力地层压力等。等。（2 2）可控因素）可控因素 可进行人为调节的因素，如可进行人为调节的因素，如地面机泵设备地面机泵设备、钻头类型钻头类型、钻井钻井液性能液性能、钻压钻压、转速转速、泵压泵压和和排量排量等。等。概概 述述tVttCCHttCCCpcrrbrrbpm)()(钻进参数：钻进参数：表征钻进过程中

3、的可控因素所包含的设备、工具、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、钻头喷钻井液性能参数、钻压、转速、泵压、排量、钻头喷嘴直径、钻头水功率等。嘴直径、钻头水功率等。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，选择合理的钻进参数配合，使钻进过程达到最方法，选择合理的钻进参数配合，使钻进过程达到最优

4、的技术和经济指标。优的技术和经济指标。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 (一一)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 随随 钻压增加钻压增加成线性关系增大。成线性关系增大。bcbc段：段：当钻压增大到一定值当钻压增大到一定值W Wb b 时，时，钻压增大钻压增大,钻速改进效果钻速改进效果 并不明显。并不明显。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压与钻速的关系曲线钻压与钻速的关系曲线实际应用中实际应用中,以

5、以直线段为依据直线段为依据建建 立钻压立钻压(W W)与钻速与钻速(VpcVpc)的定量关的定量关系系,即即:式中：式中：M M称为称为门限钻压门限钻压,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,其值的大小主其值的大小主要取决于要取决于岩层性质岩层性质,并具有较强的并具有较强的地区性。地区性。(-)pcvW M钻压与钻速的关系曲线钻压与钻速的关系曲线(二二)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：称为称为转速指数转速指数,一般小于一

6、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。nvpc转速与钻速的关系曲线转速与钻速的关系曲线(三三)牙牙齿磨损对钻速的影响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 称为称为牙齿磨损系数牙齿磨损系数,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 为为牙齿磨损量牙齿磨损量,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

7、全部磨损时h h=1=1。211pcvC h(四四)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)来研究来研究水力因素对钻速的影响规律。水力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 水力净化能力用水力净化能力用水力净化系数水力净化系数 C CH H 表示表示,其其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：P P-实际比水功率实际比水功率,kW/cm,kW/cm2 2;P Ps s-净化完

8、善时所需的比水功率净化完善时所需的比水功率,kW/cm,kW/cm2 2。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。spcspcHPPvvC(五五)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。于地层孔隙压力的情况下，产生一个正

9、压差。压持效应压持效应：在正压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成在正压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成重复破碎现象，钻速降低。重复破碎现象，钻速降低。压差与钻速的关系：压差与钻速的关系：-零压差时钻速零压差时钻速,m/h;,m/h;p p-井内液柱压力与地层压力只差；井内液柱压力与地层压力只差；-与岩石有关的系数；与岩石有关的系数；vvepcpcoppcov2 2、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,Mpa；-与岩性质有关的系数。与岩性质有关的系数。ppcpcpevvC0N

10、oImage3 3、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，将会增大钻井液粘度增大，将会增大环空压降，使井底压差增大，环空压降，使井底压差增大，钻速降低；钻速降低；钻井液粘度增大，钻柱内压钻井液粘度增大，钻柱内压耗增大，在泵压一定时钻头压耗增大，在泵压一定时钻头压降减小，钻头水功率减小，清降减小，钻头水功率减小，清岩和破岩能力降低，钻速下降。岩和破岩能力降低，钻速下降。NoImage4 4、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。5 5、钻井液分散性对钻速的影响、钻井液分散性对钻速的影响

11、 分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低；钻井液中小分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低；钻井液中小于于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。NoImage(六六)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；

12、K KR R 地层可钻系数，与地层岩石的机械性质、钻头类型地层可钻系数，与地层岩石的机械性质、钻头类型以及钻井液性能等因素有关。以及钻井液性能等因素有关。HpRpcCChCnMWKv211)(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 (一一)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。当钻压增大到某一极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。限值时，牙齿磨损速度趋于无穷大。式中：式中：Z Z1 1与与Z Z2 2 称为钻压影响系数称为钻压影响系数,与牙轮钻头尺寸有关。与牙轮钻头尺寸有

13、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。WZZdtdh121NoImage表表4-1 4-1 钻压影响系数钻压影响系数钻头直径（钻头直径（mmmm）Z Z1 1Z Z2 21591590.01980.0198 5.5 5.51711710.01870.0187 5.6 5.62002000.01670.01675.945.942202200.01600.01606.116.112442440.01480.01486.386.382512510.01460.0

14、1466.446.442702700.01390.01396.686.683113110.01310.01317.157.153503500.01240.01247.567.56NoImage 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是由钻头类型决定是由钻头类型决定的系数。的系数。见表见表4-24-2。)(321nanadtdh(二二)转速对牙齿磨损速度的影响转速对牙齿磨损速度的影响NoImage(三三)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

15、大，磨损速度减小 式中：式中：C C1 1称为称为牙齿磨损减慢系数牙齿磨损减慢系数,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。hCdtdh111(四四)牙齿磨损速度方程牙齿磨损速度方程 式中：式中：A Af f 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。)1)()(112321hCWZZnanaAdtdhfNoImage(五五)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称为称为轴承工作系数轴承工作系数，

16、与钻头类型与钻井液性能有关，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。nWbdtdB5.11例例1 1 某油田某油田2800m2800m井段的地层研磨性系数井段的地层研磨性系数A Af f=2.33=2.331010-3-3，用，用 251mm 251mm适用中硬地层的适用中硬地层的2121型钻头钻进，钻压型钻头钻进，钻压W=196KNW=196KN，转速转速n=110 r/min,n=110 r/min,试求试求10h10h后的牙齿磨损量。后的牙齿磨损量。NoImage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

17、 C2 2、C CH H、C CP P、K KR R 1.M1.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n nminmin、n nmaxmax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v vpcminpcmin、v vpcmaxpcmax，代入钻，代入钻速方程，联立求解转速指数速方程，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W Wminmin、W Wmaxmax钻

18、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v vpcminpcmin、v vpcmaxpcmax，代入钻，代入钻速方程，联立求解门限钻压速方程，联立求解门限钻压M M。HpRpcCChCnMWKv211)(NoImage（2 2）试验条件）试验条件 试验中试验中钻井液性能、水力参数恒定钻井液性能、水力参数恒定，一般取本地区常，一般取本地区常用值，使用值，使C CH H、C CP P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 M值的影响。值的影响。试验试验井段井段或或试验时间尽可能短试验时间尽可能短，以保证试验开始和结，以保证试验开始和结束时的

19、牙齿磨损量和地层岩性相差很小。束时的牙齿磨损量和地层岩性相差很小。NoImage（3 3）试验步骤）试验步骤:准备：准备：确定本地区钻压范（确定本地区钻压范（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：用平均钻压和平均用平均钻压和平均转速（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：用最小钻压和最小用最小钻压和最小转速（转速（Wmin，nmin）钻进）钻进1米米或或0.5米米,记录钻速记录钻速vpc2。第三步：第三步：钻压不变，用最大钻压不

20、变，用最大转速（转速（Wmin，nmax）钻进）钻进1米米或或0.5米米,记录钻速记录钻速vpc3。NoImage第四步：第四步：转速不变，用最转速不变，用最大钻压（大钻压（Wmax，nmax）钻）钻进进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，用最钻压不变，用最小转速（小转速（Wmax，nmin）钻）钻进进1米或米或0.5米米,记录钻速记录钻速Vpc5。第六步第六步：用平均钻压和平用平均钻压和平均钻速（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。NoImage(4(4）M M、计算计算 将将(W Wminmin,n nmin

21、min,V,Vpc2pc2)和和(W Wmaxmax,n nmin min,V,Vpc5pc5)代入钻速方程，可求出代入钻速方程，可求出:将将(W Wminmin,n nmaxmax,V,Vpc3pc3)和和(W Wmaxmax,n nminmin,V,Vpc4pc4)代入钻速方程又可求出代入钻速方程又可求出:取取M M1 1、M M2 2的平均值的平均值:225minmaxmin1pcpcpcvvvWWWM334minmaxmin2pcpcpcvvvWWWM)(2121MMMNoImagen 同理可得同理可得的计算公式：的计算公式：123m inm axpcpcnvvn254m inm ax

22、p cp cnvvn两边取对数得两边取对数得:maxmin321lglgnnvvpcpcmaxmin452lglgnnvvpcpc)(2121NoImage（5 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：16115%pcpcpcvvvNoImage2.2.牙齿磨损系数牙齿磨损系数C C2 2的确定的确定 假定：假定：1 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 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=0h=0，钻头起出时磨损量为

23、，钻头起出时磨损量为h hf f；钻头；钻头开始钻速开始钻速V Vpc0pc0，起钻时钻速，起钻时钻速V Vpcfpcf。由钻速方程可反求出牙齿磨损系由钻速方程可反求出牙齿磨损系数数C C2 2：3.3.水力净化系数水力净化系数C CH H和压差影响系数和压差影响系数C CP P 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。fpcfpcfpchvvvC02NoImage4.4.地层可钻性系数地层可钻性系数K KR R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

24、资料（开始钻进时的钻速V Vpcpc，各项钻进参，各项钻进参数），此时牙齿磨损量数），此时牙齿磨损量h=0h=0，由钻速方程可锝：，由钻速方程可锝：nMWCCvKpHpcR)(NoImage（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 1.1.钻压影响系数钻压影响系数Z Z1 1、Z Z2 2 取值与牙轮钻头尺寸有关，由台架实验确定。查休斯公司实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验数据表4-14-1。NoImage2.2.转速影响系数转速影响系数a a1 1，a a2 2和牙齿磨

25、损减慢系数和牙齿磨损减慢系数C C1 1：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。3.3.轴承工作系数轴承工作系数b b：取决于钻头类型和钻井液性能。利用现场实钻资料，根据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。轴承磨损方程确定。BtnWb5.1nWbdtdB5.11NoImage4.4.地层研磨性系数地层研磨性系数A Af f 与地层研磨性和钻头耐磨性、钻井液性能等因素有关。利用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。实钻资料，由牙齿磨损方程反算。)1)()(1123

26、21hCWZZnanaAdtdhf)2()()(2132112fffhChtnanaWZZA TfhdtWZZnanaAdhhCf01232101)()1(0)(21232121 TWZZnanaAhhCfffNoImageM,KR C2,Af ,bZ1,Z2 a1,a2,C1 可查表求得可查表求得 可计算求得可计算求得 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：数的确定方法：NoImage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，使钻井过程达到最寻求最优的钻压、转速组合，使

27、钻井过程达到最佳技术经济效果。佳技术经济效果。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在各种约束条件下寻求目标函数的极值点求目标函数的极值点满足极值点条件的参数组合即满足极值点条件的参数组合即为最优参数。为最优参数。NoImage量等钻进参数）钻压、转速、牙齿磨损(ft 量等钻进参数）钻压、转速、牙齿磨损(H其中其中:C C单位进尺成本，元单位进尺成本，元/m/m；C Cb b钻头成本，元钻头成本，元/只；只；C Cr r钻机作业费，元钻机作业费，元/h/h；t tr r起下钻、接单根时间，起下钻、接单根时间，h h；t t钻头工作时间，钻头工作时

28、间，h h；H-H-钻头总进尺，钻头总进尺，m 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：HttCCCrrb)(NoImage(一一)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hCnMWKCCdtdHvRpHpc211)(21()1HpRdHC C K WM ndtC hdhhCnanaAWZZdtf)1()(1321122113122(-)(-Z)1()1HpfC C K W M nZWC hdHdhA a na nC h)1)()(112321hCWZZnanaAdtdhf2

29、11212321222()()ln(1)()HpRffffC C K WM nZZWCCCHhC hA ana nCCNoImage 在在上式中，令：上式中，令：()HpRJ C C K W M nWZZnanaASf12321)()1ln(2221221ffhCCCChCCE211212321222()()ln(1)()HpRffffC C K W M n ZZWCCCHhChA an anCCJ J的物理意义的物理意义:牙齿磨损量牙齿磨损量h=0h=0（新钻新钻头）头）时的初始钻速。时的初始钻速。S S的物理意义的物理意义:牙齿磨损量牙齿磨损量h h=0=0 时牙齿时牙齿的初始磨速。它的倒

30、数相当于不考虑的初始磨速。它的倒数相当于不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论寿命。牙齿磨损影响时的钻头理论寿命。E E的物理意义的物理意义:考虑牙齿磨损对钻速和考虑牙齿磨损对钻速和牙齿磨损速度影响后的进尺系数。牙齿磨损速度影响后的进尺系数。它它是牙齿最终磨损量的函数。是牙齿最终磨损量的函数。NoImageESJHf则：则：J/SJ/S的物理意义：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。NoImage(二二)建建立钻头寿命立钻头寿命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ffhftdhhCnanaAWZZdt01321120)1()()

31、2()(2132112ffffhChnanaAWZZt212ffhChFSFtf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)1)()(112321hCWZZnanaAdtdhfnWbdtdB5.11fftBdtnWbdB05.1011.5ffbBtnW考虑牙齿磨损对钻头考虑牙齿磨损对钻头磨速影响后的钻头寿磨速影响后的钻头寿命系数。命系数。NoImageJEFStCSCCrb)(rbErrCttC令：)(FStJECCEr)1ln()(2)(22212212112321ffRpHfffErhCCCChCCnMWKCChCh

32、WZZnanaAtCCESJHfSFtfHttCCCrb)(r钻头与起下钻钻头与起下钻成本折算时间成本折算时间在此仅考在此仅考虑牙齿磨虑牙齿磨损决定的损决定的寿命寿命(三三)目目标函数标函数NoImage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 (一一)极值条件极值条件），PHfCChnWFC(；000fhCnCWC(二二)约约束条件束条件 （1 1）牙齿磨损量：）牙齿磨损量：00h hf f1 1（2 2）轴承磨损量：）轴承磨损量：0 0B Bf f1 1（3 3）钻压：）钻压：M M0 0，M MW WZ Z2 2/Z/Z1 1 M M 0 0，0 0W WZ Z2

33、 2/Z/Z1 1 （4 4）转速：）转速：n0n0 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)2()()()2()(13215.1125.1132112ffffffffffhChbnanaAnWWZZBnWbBthChnanaAWZZtC CH H=1;=1;C Cp p=1;=1;NoImage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 (一一)钻钻头最优磨损量头最优磨损量0fpmhC0)()1ln()1()1(2123212222212121WZZnanatAhChCCCChCChCEfffff给定（给定（W W，n n），可求出在一定钻

34、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NoImage(二二)最优转速最优转速 0nCpm0)(31)3()1(212213aAtWZZFnaanfE332332322322UVVUVVnopt)3()(212aAtWZZFVfE21)3()1(aaU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n nopop。(三三)最优钻压最优钻压022121213211321122ZZMZZFZnanaAtWFZnanaAtZZWfEfE2211optZRRRZWMZFFFZ3121()Eft Aa na nZR0WCpm根据给定的根据给定的（n

35、n，h hf f），），可求出最优可求出最优钻压。钻压。NoImage(四四)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、极值条件和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。NoImage 例例4-24-2某井段的地层可钻性系数某井段的地层可钻性系数K K=0.0023,=0.0023,研磨性系研磨性系数数A Af f=2.28=2.2810

36、10-3-3,门限钻压门限钻压M M=10kN,=10kN,转速指数转速指数=0.68.=0.68.用用251mm251mm的的2121型钻头钻进型钻头钻进,C C2 2=3.68,=3.68,C CH H=1,=1,C CP P=1,=1,钻头钻头成本成本C Cb b=900=900元元/只只,钻机作业费钻机作业费C Cr r=250=250元元/小时小时,起下钻时起下钻时间间t tr r=5.75=5.75小时小时;所用钻机的转盘转速只有三档所用钻机的转盘转速只有三档,分别为分别为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/

37、分分,根据邻井资料根据邻井资料,所选钻头在该井段的牙齿磨损量一般为所选钻头在该井段的牙齿磨损量一般为T6T6级级(h hf f=0.75),=0.75),试求最优的钻压、转速组合及其工作指标试求最优的钻压、转速组合及其工作指标.NoImage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 35.9trbEtCCt89.0)1ln(2222121fhCCCCCCE156.2221ffhChFMZZFRFRFRZZWopt12121321ZnanaAtRfENoImage不同转速时的最优

38、钻压及其工作指标不同转速时的最优钻压及其工作指标 n(n(转转/分分)6060120120180180a a1 1n+an+a2 2n n3 3104.105104.105292.838292.838650.830650.830R R 15.487 15.487 43.563 43.563 96.817 96.817R/FR/F 7.183 7.183 20.205 20.205 44.906 44.906Wopt(kN)Wopt(kN)323.34 323.34 285.96 285.96 261.73 261.73S S 0.1383 0.1383 0.2951 0.2951 0.5671

39、 0.5671t(t(小时小时)15.59 15.59 7.31 7.31 3.80 3.80J J 11.898 11.898 16.790 16.790 20.179 20.179H(H(米米)76.57 76.57 50.64 50.64 31.67 31.67C(C(元元/米米)81.43 81.43 82.23 82.23 103.73 103.73 某井段的地层采用五点法钻井试验的结果如下：某井段的地层采用五点法钻井试验的结果如下：用用251mm251mm的的2121型钻头进型钻头进,C,CH H=1,C=1,CP P=1,=1,钻头成本钻头成本C Cb b=1500=1500元元

40、/只只,钻机作业费钻机作业费C Cr r=800=800元元/小时小时,起下钻时间起下钻时间t tt t=5.75=5.75小时小时;所用钻机的转盘转速只有三档所用钻机的转盘转速只有三档,分别为分别为n n1 1=60=60转转/分分,n n2 2=90=90转转/分分,n n3 3=120=120转转/分分,根据邻井资料根据邻井资料,所选钻头在该井段的牙齿磨损量一般为所选钻头在该井段的牙齿磨损量一般为T6T6级级(h(hf f=0.75),=0.75),试求最优的钻压、转速组合及其工作指标试求最优的钻压、转速组合及其工作指标.试验点试验点1 12 23 34 45 56 6钻压钻压/KN/K

41、N225225254254254254196196196196 225225转速转速/rmin/rmin-1-17070606012012012012060607070钻速钻速/mh/mh-1-1313132.532.54646343424243030NoImage第三节第三节 水力参数优化设计水力参数优化设计 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 NoImage概概 述述 n 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

42、和可以产生高速射流的钻头喷嘴，使高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，给井底以很大的冲击力，的冲击力，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。该技术称为喷射钻井技术。为喷射钻井技术。n 水力参数水力参数 钻井泵的功率、排量、泵压、以及钻头水功率、钻头水力压钻井泵的功率、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。速度等。n 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

43、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。NoImage一、喷射式钻头的水力特性一、喷射式钻头的水力特性 (一一)射流及其对井底的作用射流及其对井底的作用 1.1.射流特性射流特性 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。射流分类：射流分类：（按条件）（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 有无固体边界：有固体边界有无固体边界：有固体边

44、界 非自由射流非自由射流 无固体边界无固体边界 自由射流自由射流 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NoImage井底射流特性：井底射流特性：(1)(1)射流形状射流形状 (2)(2)扩散角扩散角

45、射流纵剖面上周界母线射流纵剖面上周界母线的夹角称为射流扩散角的夹角称为射流扩散角。它反映了射流的密集程它反映了射流的密集程度。度。越小，则射流的密越小，则射流的密集性越高，能量就越集中。集性越高，能量就越集中。n 射流的喷距：射流的喷距：射流断面距喷嘴出口的距射流断面距喷嘴出口的距离。离。NoImage(3)(3)速度分布规律速度分布规律 在喷嘴出口断面，各点的速度在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为初始速度。基本相等，为初始速度。在射流任一横截面上，射流轴在射流任一横截面上，射流轴心上的速度最高，由中心向外速度心上的速度最高，由中心向外速度很快降低，到射流边界上速度降为很快降低，到射流边界

46、上速度降为零。零。射流中心部分保持初始速度流射流中心部分保持初始速度流动的流束，称为动的流束，称为射流等速核射流等速核。等速。等速核长度与喷嘴直径和流道形状有关。核长度与喷嘴直径和流道形状有关。在等速核以内，射流轴线上的在等速核以内，射流轴线上的速度等于出口速度；超过等速核以速度等于出口速度；超过等速核以后，射流轴线上的速度后，射流轴线上的速度迅速降低。迅速降低。Vjm/Vj0(4)(4)井底漫流井底漫流 射流撞击井底后，形成压力冲击波和沿井底高速流动的漫流射流撞击井底后，形成压力冲击波和沿井底高速流动的漫流 NoImage3.3.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

47、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。击压力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。流），对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。射流冲击面积射流冲击面积 岩屑翻转岩屑翻转n 漫流的速度分布漫流的速度分布 径向径向(横向横向)：冲击圆的中心为：冲击圆的中心为0 0；

48、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。轴向轴向(纵向纵向)：距井底：距井底0.5mm0.5mm高度处，漫流速度最大，向上迅高度处，漫流速度最大，向上迅速减小速减小 。4.4.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底层的破碎强在岩石强度较低的地层，射流的冲击压力超过底层的破碎强度，直接破碎岩石。度，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，形成的微裂纹和微裂缝内，形成“水锲水锲”，使微裂纹和裂缝扩展，从

49、，使微裂纹和裂缝扩展，从而大大降低岩石的破碎强度。而大大降低岩石的破碎强度。NoImage(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、喷射速度、射流冲击力、射流水功率。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 010AQvjniidA120402100 AQFdj02000AQAQQtmvFmvtFddjj（工程单位制）（工程单位制）kNFcmgcmAcmdL/sQjdoi/32NoImage3.3.射流水功率射流水功率 单位时间内射流所具有的作

50、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。20320202021212121AQQvvtmtmvPddj(kW)05.0203AQPdj（国际单位制）（国际单位制）（工程单位）（工程单位）NoImage（三）钻头水力参数（三）钻头水力参数 钻头水力参数是射流水力能量和喷嘴损耗能量的综合反映，钻头水力参数是射流水力能量和喷嘴损耗能量的综合反映，包括钻头压力降和钻头水功率。包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 C喷嘴流量系数喷嘴