鉆井工程鉆進(jìn)參數(shù)的優(yōu)選

1、第四章 鉆進(jìn)參數(shù)的優(yōu)選,,第一節(jié) 鉆進(jìn)過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系第二節(jié) 鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選第三節(jié) 水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),概述,?鉆井工程的總目標(biāo):以最低的成本鉆出高質(zhì)量的井眼.?鉆進(jìn)成本公式：?影響鉆速和鉆頭壽命的因素： (1)不可控因素 是指客觀存在的因素,如所鉆的地層、巖性、儲(chǔ)層埋藏深度以及地層壓力等。 (2)可控因素 可進(jìn)行人為

2、調(diào)節(jié)的因素。如地面機(jī)泵設(shè)備、鉆頭類型、鉆井液性能、鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓和排量等。,? 鉆井參數(shù)： 表征鉆進(jìn)過程中的可控因素所包含的設(shè)備、工具、鉆井液以及操作條件的重要性質(zhì)的量，如鉆頭類型、鉆井液性能參數(shù)、鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓、排量、鉆頭噴嘴直徑、鉆頭水功率等。 ? 鉆井參數(shù)優(yōu)選： 指在一定的客觀條件下，根據(jù)不同參數(shù)配合時(shí)各因素對(duì)鉆進(jìn)速度和鉆頭壽命的影響規(guī)律，采用最優(yōu)化方法，選擇合理的鉆進(jìn)參數(shù)配合，使鉆進(jìn)過程達(dá)到最優(yōu)

3、的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。,第一節(jié) 鉆進(jìn)過程中各參數(shù)間基本關(guān)系,一、影響鉆速的主要因素及鉆速方程 1、鉆壓對(duì)鉆速的影響 oa段：鉆壓小，鉆速 Vpc很小 ab 段：鉆壓增大，鉆速Vpc 隨鉆壓增大 呈線性關(guān)系增加 bc段：當(dāng)鉆壓增大到一定值Wb時(shí)，鉆壓 增大，鉆速改進(jìn)效果并不明

4、顯。,實(shí)際應(yīng)用中，以直線段為依據(jù)建立鉆壓（W）和鉆速（Vpc）的定量關(guān)系。 即： 式中：M稱為門限鉆壓，它是ab線在鉆壓軸上的截距，認(rèn)為是鉆頭開始吃入地層時(shí)的鉆壓，其值的大小主要取決于巖層性質(zhì)，有較強(qiáng)的地區(qū)性。,2、轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響 鉆速隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，并呈指數(shù)關(guān)系變化,其中： 稱為轉(zhuǎn)速指數(shù)，一般小于1，數(shù)值大小主要與巖層性質(zhì)有關(guān)， 極軟地層 =

5、1隨巖石硬度的增大， 值減小。,3、牙齒磨損對(duì)鉆速的影響 隨著鉆頭牙齒的磨損，鉆速下降。 式中： —稱為牙齒的磨損系數(shù)，與鉆頭齒 型結(jié)構(gòu)和巖層性質(zhì)有關(guān)，由現(xiàn)場(chǎng) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到。 h—為牙齒磨損量，以牙齒的相對(duì)磨

6、 損高表示 ，新鉆頭時(shí)h=0；牙齒 全部磨損時(shí) h=1。,4、水力因素對(duì)鉆速的影響 通常用井底單位面積上的平均水功率（稱為比水功率）來研究水力因素對(duì)鉆速的影響規(guī)律。 ? 水力因素主要從以下兩個(gè)方面影響鉆速： （1）水力凈化井底 井底比水功率越大，凈化程度越好， 鉆速越快，水力凈化能力通常用水力凈 化系數(shù)

7、 表示。其含義為實(shí)際鉆速與 凈化完善時(shí)的鉆速之比。 即： P—實(shí)際比水功率， —凈化完善時(shí)所需的水功率， 井底完全凈化后， =1，否則， <1.,（2）水力輔助破巖 井底比水功率越大，輔助破巖能力越強(qiáng)，鉆速越快。 5、鉆井液性能對(duì)鉆速的影響 （1）鉆井液密度對(duì)鉆速的影響 鉆井液密度越大，井內(nèi)液柱壓力越大，在井內(nèi)液柱壓力大于地層孔隙壓力的情

8、況下，產(chǎn)生一個(gè)正壓差。在正壓差作用下，井底巖屑難以離開井底，造成重復(fù)破碎現(xiàn)象，鉆速降低。此現(xiàn)象稱為壓持效應(yīng),井底壓差與鉆速的關(guān)系：,壓差影響系數(shù)： 式中： —實(shí)際鉆速，m/h; —零壓差時(shí)的鉆速，m/h; —井內(nèi)液柱壓力與地層孔隙壓力之差，Mpa; —與巖石性

9、質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。,（2）鉆井液粘度對(duì)鉆速的影響 鉆井液粘度增大，將會(huì)增大環(huán)空壓降，使井底壓差增大，鉆速降低。 鉆井液粘度增大，鉆柱內(nèi)壓耗增大，在泵壓一定時(shí)鉆頭壓差減小，鉆頭水功率減小，清巖和破巖能力降低，鉆速下降。,（3）鉆井液固相含量對(duì)鉆速的影響 鉆井液固相含量增大，機(jī)械鉆速降低。（4）鉆井液分散性對(duì)鉆速的影響 分散性鉆井液比不分散性鉆井液鉆速低，鉆井液中小于1

10、 的固體 顆粒越多，對(duì)鉆速的影響越大。,6、鉆速方程（修正楊格模式）,其中： —鉆速，m/h; W —鉆壓，KN； M —門限鉆壓，KN； n — 轉(zhuǎn)速 ，r/min ; —轉(zhuǎn)速指數(shù)， —牙齒磨損系數(shù)，

11、 —水力凈化系數(shù)， —壓差影響系數(shù)， h —牙齒相對(duì)磨損高度， —地層可鉆系數(shù)，與地層巖石的機(jī)械性質(zhì)、鉆頭類型 及鉆井液性能等因素有關(guān)。,二、影響鉆頭壽命的主要因素及磨損方程 1、鉆壓對(duì)牙齒磨損速度的影響 牙齒磨損速度隨鉆

12、壓的增大而增大，當(dāng)鉆壓增大到某一極值時(shí)，牙齒磨損速度趨于無窮大。 式中： 和 稱為鉆壓影響系數(shù)，其值 與牙輪鉆頭尺寸有關(guān)。 當(dāng)鉆壓等于 時(shí)，牙齒磨損速度無限大， 是該尺寸鉆頭的極限鉆壓。,2、轉(zhuǎn)速對(duì)牙齒磨損速度的影響 增大鉆速，牙齒磨損速度加快。 式中：

13、 和 是由鉆頭類型決定的系數(shù)。 見表4-2。,3、牙齒磨損狀況對(duì)牙齒磨損速度的影響 牙齒磨損量增大，其工作面積增大，磨損速度減小。,式中： 稱為壓齒磨損減慢系數(shù)， 與鉆頭類型有關(guān)，其數(shù)值見表4-2。,4、牙齒磨損速度方程,式中： 為地層研磨性系數(shù)。 需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆頭資料統(tǒng)計(jì)計(jì)算確定。,5、軸承磨損速度方程

14、 軸承磨損量用B表示，軸承磨損速度用dB/dt表示。,式中： b稱為軸承工作系數(shù)，與鉆頭類型及鉆井液 性能有關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)資料確定。,三、鉆進(jìn)方程中有關(guān)系數(shù)的確定 （一）鉆速方程的系數(shù)：M 1、M 和 的確定——五點(diǎn)法鉆速試驗(yàn) （1）基本思路,保持鉆壓和鉆速方程中的其它參數(shù)恒定，采用兩種轉(zhuǎn)速 和

15、 鉆進(jìn)同一地層，可得到兩個(gè)不同鉆速值 ，代入鉆速方程，聯(lián)立求解轉(zhuǎn)速指數(shù) 。保持鉆速和轉(zhuǎn)速方程中的其它參數(shù)恒定，采用兩種鉆壓 和 鉆進(jìn)同一地層，可得到兩個(gè)不同鉆速值 ，代入鉆速方程，聯(lián)立求門限鉆壓M 。,（2）試驗(yàn)條件,試驗(yàn)中鉆井液性

16、能、水利參數(shù)恒定，一般取本地區(qū)常用值，使 、 不變，且避免水力因素變化對(duì)門限鉆壓M的影響。試驗(yàn)井段或試驗(yàn)時(shí)間盡可能的短，以保證試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)的牙齒磨損量和地層巖性相差很小。,（3）試驗(yàn)步驟：準(zhǔn)備：確定本地區(qū)鉆壓范圍（ ， ）和轉(zhuǎn)速范圍（ ） 以及平均鉆壓、平均轉(zhuǎn)速（ ）。,

17、第一步：用平均鉆壓和平均轉(zhuǎn)速（ ）鉆進(jìn)1m或0.5m; 記錄鉆速 。第二步：用最小鉆壓和最小轉(zhuǎn)速 （ ）鉆進(jìn)1m或0.5m； 記錄鉆速 。第三步: 鉆壓不變，用最大轉(zhuǎn)速（ ）鉆進(jìn)1m或0.5m;

18、 記錄鉆速 。,第四步：轉(zhuǎn)速不變，用最大鉆壓（ ）鉆進(jìn)1m 或 0.5m； 記錄鉆速 。第五步：鉆壓不變，用最小轉(zhuǎn)速（ ）鉆進(jìn) 1m 或 0.5m; 記錄鉆速 。第六步：用平均鉆壓和平均鉆速（

19、 ）鉆進(jìn)1m 或0.5m; 記錄鉆速 。,（4）M 、 計(jì)算 ?將 （ ）和（ ）代入鉆速方程，可求出： ?將 （ ）和（

20、 ）代入鉆速方程，又可求出： 取 的平均值，,? 同理可得 的計(jì)算公式：,兩邊取對(duì)數(shù)得：,（5）試驗(yàn)有效性驗(yàn)證（地層差別驗(yàn)證） 若地層完全相同， 實(shí)際要求：,2、牙齒磨損系數(shù) 的確定 假定： 1

21、）某鉆頭所鉆井段巖性基本不變 2）各項(xiàng)鉆進(jìn)參數(shù)基本恒定 已知新鉆頭牙齒磨損量h=0，鉆頭起出時(shí)磨損量為 ，鉆頭開始鉆 速 ，起鉆時(shí)鉆速 ，由鉆速方程可反求出牙齒磨損系數(shù) 。3、水力凈化系數(shù) 和壓差影響系數(shù) 井底完全凈化， =1，否則

22、 <1。 井底壓差為0， =1，否則 < 1。,4、地層可鉆性系數(shù) 的確定 取得新鉆頭試鉆資料（開始鉆進(jìn)時(shí)的鉆速 ，各項(xiàng)鉆進(jìn)參數(shù)）， 此時(shí)牙齒磨損量h=0, 由鉆速方程可得：,（二）磨損方程系數(shù)： b

23、 1、鉆壓影響系數(shù) 取值與牙輪鉆頭的尺寸有關(guān)，由臺(tái)架實(shí)驗(yàn)確定，查休斯公司數(shù)據(jù) 表4-1。,2、鉆速系數(shù) 和牙齒磨損減慢系數(shù) 取值與牙輪鉆頭類型有關(guān)，由臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。查表 4-2。3、軸承工作系數(shù)：b 取決于鉆頭類型和鉆井液性能，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆資料， 根據(jù)軸承磨損方程確定。,,4、地層研磨性系數(shù) 與地層研磨性和鉆

24、頭耐磨性、鉆井液性能等因素有關(guān)，利用實(shí)鉆資料， 由牙齒磨損方程反算：,,,,綜上所述： 鉆速方程，牙齒磨損方程，軸承磨損方程中 的系數(shù)的確定方法：,M, , , , , b,,,,,可計(jì)算求得,可查表求得,第二節(jié) 機(jī)械破巖鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選,目的：尋求最優(yōu)鉆壓、轉(zhuǎn)速組合，使鉆井過程達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)技術(shù) 效果。優(yōu)選方法

25、步驟： 確定標(biāo)準(zhǔn) 建立目標(biāo)函數(shù) 在各種約束條件下尋求 目標(biāo)函數(shù)的極值點(diǎn) 滿足極值點(diǎn)條件的參數(shù)組合即為最優(yōu) 參數(shù)。,,,,一、目標(biāo)函數(shù)的建立 衡量鉆井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的標(biāo)準(zhǔn)：,式中：Cpm—單位進(jìn)尺成本，元/米； —鉆頭成本，元；

26、 —鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)，元/h； —起下鉆、接單根時(shí)間，h; t —鉆頭工作時(shí)間，h; H —鉆頭總進(jìn)尺， m； t=f（鉆壓、轉(zhuǎn)速、牙齒磨損量等鉆進(jìn)參數(shù)） H= （鉆壓、轉(zhuǎn)速、牙齒磨損量等鉆進(jìn)參數(shù)）,1、建立鉆頭進(jìn)尺H與鉆壓、轉(zhuǎn)速、牙齒磨損量等參數(shù)的關(guān)系,,,,,,

27、,,,在上式中，令：,J的物理意義： 牙齒磨損量h=0（新鉆頭）時(shí)的初始鉆速。,S的物理意義： 牙齒磨損量h=0時(shí)的初始磨速，它的倒數(shù)相當(dāng)于不考慮牙齒磨損影響時(shí)鉆頭的理論壽命。,G的物理意義： 考慮牙齒磨損對(duì)鉆速和牙齒磨損速度的 影響后的進(jìn)尺系數(shù)，它是牙齒最終磨損量的函數(shù)。,則：,J/S的物理意義： 不考慮牙齒磨損影響時(shí)的理論進(jìn)尺。,2、建立鉆頭壽命t與鉆壓、轉(zhuǎn)速、磨損量等參

28、數(shù)的關(guān)系,由牙齒磨損量h決定鉆頭的壽命,由軸承磨損量B決定的鉆頭壽命,,,,,,,,,,考慮牙齒磨損對(duì)鉆頭磨速影響后的鉆頭壽命系數(shù),3、目標(biāo)函數(shù),令：,在此僅考慮牙齒磨損決定的壽命。,鉆頭與起下鉆成本的折算時(shí)間。,把J,E,S,F代入,,,,,,,,二、目標(biāo)函數(shù)的極值條件和約束條件 1、極值條件,軸承磨損量與牙齒磨損量的關(guān)系,2、約束條件,（1）牙齒磨損量：,（2）軸承磨損量：,（3）鉆壓：,（4）轉(zhuǎn)速：,三、鉆頭最優(yōu)磨損量、最優(yōu)

29、鉆壓和最優(yōu)鉆速 1、鉆頭最優(yōu)磨損量,,給定（W,n），可求出一定鉆壓、轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)磨損量。,2、最優(yōu)鉆速,,,給定（W， ），可求出最優(yōu)轉(zhuǎn)速 。,3、最優(yōu)鉆壓,,,根據(jù)給定（n， ），可求出最優(yōu)鉆壓。,4、最優(yōu)參數(shù)組合 理論上：采用迭代方法求解由目標(biāo)函數(shù)、極值條件和約束條件組成 的方程組，可進(jìn)行全局尋優(yōu)。 實(shí)際中：確定鉆頭磨損

30、量 求在不同轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)鉆壓 選取每米成本最低的鉆壓、轉(zhuǎn)速組合。,,,[例4-2]某井段的地層可鉆性系數(shù)KR=0.0023，研磨性系數(shù) = 2.28*10^(-3)，門限鉆壓M=10KN,轉(zhuǎn)速指數(shù) =0.68，用 直徑為 251mm的21型鉆頭鉆進(jìn)， =3.68，

31、 =1， =1；鉆頭成本 =900元/只，鉆機(jī)作業(yè)費(fèi) =250元/h, 起下鉆時(shí)間 =5.75h,所用鉆機(jī)的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速只有三擋，分別 為n1=60轉(zhuǎn)/分 ，n2=120轉(zhuǎn)/分，n3=180轉(zhuǎn)/分；根據(jù)鄰井資料 所選鉆頭在該井段的牙齒磨損量一般為T6 級(jí)（ =0.75）， 試求最優(yōu)

32、鉆壓，轉(zhuǎn)速組合及其工作指標(biāo)。,＝6.44，　＝0.0146, =1.5, =6.53*10-5, =5;,=9.35 小時(shí),=0.89,=2.156,251mm的21型鉆頭,,查表4-1 4-2,不同轉(zhuǎn)速時(shí)的最優(yōu)鉆壓和及其工作指標(biāo),,,最優(yōu)鉆壓和最優(yōu)轉(zhuǎn)速組合,小結(jié),水力凈化,壓差影響,鉆速影響因素,牙齒磨損影響因素,成本,,,,思考,假設(shè)承包一口井的鉆井作業(yè)，中標(biāo)的作業(yè)總費(fèi)用為T。

33、如何優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆井機(jī)械參數(shù)，使利潤最大？,第三節(jié) 水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),噴射鉆井,采用大功率的泥漿泵和可以產(chǎn)生高速射流的鉆頭噴嘴，使高壓鉆井液流過噴嘴時(shí)可產(chǎn)生高速流動(dòng)的水射流，給井底以很大的沖擊力。把巖屑及時(shí)的沖離井底，并輔助破碎巖石.,主要內(nèi)容： 射流的水力特性 鉆頭的水力特性 循環(huán)壓耗 地面泵的水力特性 水力參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),

34、,射流沖擊力、射流噴速 噴嘴直徑,,鉆頭水功率、鉆頭水力壓降,,整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的壓耗,,鉆井泵的功率，排量、泵壓,,水力參數(shù),尋求合理的水力參數(shù)配合，使井底獲得最大的水力能量分配，從而達(dá)到最優(yōu)的井底凈化效果和提高機(jī)械鉆速的目的。,一、噴射式鉆頭的水力特性,在鉆頭上安放噴嘴，鉆井液流經(jīng)噴嘴產(chǎn)生高壓射流，射流沖擊井底，達(dá)到清除井底巖屑及破碎巖石的目的。,（一）射流及其對(duì)井底的作用,1、射流特性,,1、射流特性 射流是

35、指通過管嘴或孔口過水?dāng)嗝嬷芙绮慌c固體壁接觸的液流。,非淹沒射流淹沒射流,射流壓力是否穩(wěn)定： 連續(xù)射流：壓力平穩(wěn) 脈沖射流：流量發(fā)生一定頻率的脈動(dòng)，射流產(chǎn)生周期性動(dòng)載 混合射流：既有連續(xù)部分，又有脈動(dòng)部分 空化射流：氣體進(jìn)入液體產(chǎn)生空穴，空穴破裂產(chǎn)生很高的壓力,射流分類（按條件） 射流與周

36、圍流體介質(zhì)的關(guān)系：,有無固體邊界： 無固體邊界， 自由射流 有固體邊界 ， 非自由射流,鉆頭噴嘴的射出的射流為淹沒非自由連續(xù)射流,井底射流特性： （1）射流形狀 （2）擴(kuò)散角 a 射流縱剖面上周界母線的夾角稱為射流擴(kuò)散角 a 。

37、 它反映了射流的密集程度。a越小，則射流的密集程度越高，能量就越集中。射流的噴距： 射流斷面距噴嘴出口的距離,?在等速核以內(nèi)，射流軸線上的速度等于出口 速度，超過等速核以后，射流軸線上的速度 迅速降低。,（3）速度分布規(guī)律,?在噴嘴出口斷面，各點(diǎn)的速度基本相等，為 初始速度。,?在射流的任一橫截面上，射流軸心上的速度 最高，由中心向外速度很快降低，到射流邊 界上速度降為零。

38、,?射流中心部分保持初始速度流動(dòng)的流束，稱 為射流等速核。 等速核長度與噴嘴直徑和流道形狀有關(guān)。,（4）井底漫流 射流撞擊井底后，形成壓力沖擊波和沿井底高速流動(dòng)的漫流。,一、噴射式鉆頭的水力特性,（一）射流及其對(duì)井底的作用,1、射流特性,2、射流對(duì)井底的清洗作用,,（1）射流的沖擊壓力作用 射流沖擊井底后形成的沖擊壓力極不均勻，極不均勻的沖擊壓力使 巖屑受到一個(gè)翻轉(zhuǎn)的力矩，從

39、而離開井底。 （2）漫流的橫推作用 射流沖擊井底后形成的漫流是一層很薄的高速液流（高速漫流）， 井底巖屑產(chǎn)生一個(gè)橫向推力，使其離開原來的位置。,2、射流對(duì)井底的清洗作用,一、噴射式鉆頭的水力特性,在鉆頭上安放噴嘴，鉆井液流經(jīng)噴嘴產(chǎn)生高壓射流，射流沖擊井底，達(dá)到清除井底巖屑及破碎巖石的目的。,（一）射流及其對(duì)井底的作用,1、射流特性,3、射流對(duì)井底破巖作用,,2、射流對(duì)井底的清洗作用,3、射流

40、對(duì)井底破巖作用 在巖石強(qiáng)度較低的地層，射流的沖擊力超過了地層的破碎強(qiáng)度， 直接破碎巖石。 在巖石強(qiáng)度較高的地層，射流擠入巖石中由鉆頭機(jī)械力造成的 微裂紋和微裂縫內(nèi)，形成“水楔”，使微裂紋和裂縫擴(kuò)展，從而大 大降低巖石的破碎強(qiáng)度。,一、噴射式鉆頭的水力特性,（一）射流及其對(duì)井底的作用,（二）射流水力參數(shù),1、射流特性,2、射流對(duì)井底的清洗作用,3、射流對(duì)井底破巖作用,,表征射流水力能量大小的參

41、數(shù)： 噴射速度，射流沖擊力，射流水功率計(jì)算位置： 噴嘴出口斷面,1、射流噴射速度,（工程單位）,2、射流沖擊力,,（國際單位）,（工程單位）,,,（國際單位）,3、射流水功率 單位時(shí)間內(nèi)射流所具有的做功能量稱為射流水功率。,國際單位制,（KW） 工程單位制,,一、噴射式鉆頭的水力特性,（一）射流及其對(duì)井底的作用,（三）鉆頭水力參數(shù),1、射流特性,2、射流對(duì)井底的清洗作用,3、射流對(duì)井

42、底破巖作用,,（二）射流水力參數(shù),射流水力能量和噴嘴損耗能量的綜合反映，包括： 鉆頭壓力降 鉆頭水功率,1、鉆頭壓力降 鉆頭壓力降是鉆井液流過鉆頭噴嘴以后鉆井液壓力的降低值。,（MPa）,C —噴嘴流量系數(shù)，與噴嘴的阻力系數(shù)有關(guān)，C<1; —噴嘴當(dāng)量直徑，即與n個(gè)噴嘴出口截面面積總和相當(dāng) 的噴嘴直徑，cm；,2、鉆頭水功率

43、 鉆頭水功率是指鉆井液流過鉆頭噴向井底所消耗的水力功率。,3、鉆頭水力參數(shù)與射流水力參數(shù)的關(guān)系,一、噴射式鉆頭的水力特性,,二、水功率傳遞的基本關(guān)系,水功率傳遞路徑： 鉆井泵 地面管匯 鉆柱內(nèi) 鉆頭 環(huán)空 地面,,,,,,壓力分配:,水功率分配,鉆頭壓降,環(huán)空壓耗,鉆柱內(nèi)壓耗,地面管匯壓耗,,,,鉆井泵水功率,鉆井泵壓力,,鉆頭水功率,環(huán)空水功率,鉆柱內(nèi)水功

44、率,地面管水匯功率,,,,,一、噴射式鉆頭的水力特性,,二、水功率傳遞的基本關(guān)系,三、循環(huán)系統(tǒng)壓降的計(jì)算,（一） 壓耗計(jì)算的基本公式,假設(shè)： （1）鉆井液為賓漢流體 （2）鉆井液在循環(huán)系統(tǒng)各部分的流動(dòng)均為等溫紊流流動(dòng) （3）鉆柱處于與井眼同心的位置 （4）不考慮鉆柱旋轉(zhuǎn) （5）井眼為已知直徑的圓形井眼 （6）鉆井液是不可壓縮流體。,（一）壓耗計(jì)算的基本公式,對(duì)管內(nèi)流：,對(duì)環(huán)空流：,式中：,管內(nèi)流：,環(huán)空流：,為水

45、頭損失；為流體重度；為水頭損失系數(shù)；為摩阻系數(shù)；為水力半徑；為井眼直徑；,,,,,,鉆井液管內(nèi)流動(dòng)的沿程水頭損失,一、噴射式鉆頭的水力特性,,二、水功率傳遞的基本關(guān)系,三、循環(huán)系統(tǒng)壓降的計(jì)算,（一） 壓耗計(jì)算的基本公式,（二）摩阻系數(shù) f 的確定,1、賓漢流體在紊流狀態(tài)下摩阻系數(shù) f 與Re 的關(guān)系,管內(nèi)流：,管外流：,k—系數(shù)，與管路特性有關(guān)，表4－5；,—雷諾數(shù),2 循環(huán)系統(tǒng)摩阻系數(shù)計(jì)算公式,（1）內(nèi)平鉆桿及鉆鋌管內(nèi),（2

46、）貫眼接頭鉆桿管內(nèi),（3）環(huán)形空間,一、噴射式鉆頭的水力特性,,二、水功率傳遞的基本關(guān)系,三、循環(huán)系統(tǒng)壓降的計(jì)算,（一） 壓耗計(jì)算的基本公式,（二）摩阻系數(shù) f 的確定,（三）循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計(jì)算公式,（1）地面管匯壓耗,地面管匯：,地面高壓管線 立管 水龍帶（頭） 方鉆桿,,,,長度,m ：,L1 L2 L3

47、 L4,內(nèi)徑,cm ：,d1 d2 d3 d4,管內(nèi)壓耗：,,,,,,（2）鉆桿內(nèi)壓耗,（3）鉆鋌內(nèi)壓耗,（4）鉆桿外環(huán)形空間壓耗,（5）鉆鋌外環(huán)空壓耗,,鉆桿內(nèi)外壓耗,鉆鋌內(nèi)外壓耗,分別令 為地面管匯、鉆桿內(nèi)外、鉆鋌內(nèi)外的壓耗系數(shù)，即：,則總壓耗計(jì)算公式：,整個(gè)循環(huán)

48、系統(tǒng)的壓耗系數(shù),?將壓耗系數(shù) 作進(jìn)一步的變化，設(shè)井深為D，并令,,令：,,,,則,,,一、噴射式鉆頭的水力特性,,二、水功率傳遞的基本關(guān)系,三、循環(huán)系統(tǒng)壓降的計(jì)算,（一） 壓耗計(jì)算的基本公式,（二）摩阻系數(shù) f 的確定,（三）循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計(jì)算公式,（四）提高鉆頭水力參數(shù)的途徑,（四）提高鉆頭水力參數(shù)的途徑,（1）使用低密度鉆井液； （2）減小鉆井液密度； （3）適當(dāng)增大管路直徑；,,,壓力

49、關(guān)系,功率關(guān)系,提高鉆頭水力參數(shù)的途徑：,1、提高泵壓 和泵功率,2、降低循環(huán)壓耗系數(shù),4、優(yōu)選排量Q,3、增大鉆頭壓降系數(shù),唯一有效的途徑減小噴嘴直徑,一、噴射式鉆頭的水力特性,,二、水功率傳遞的基本關(guān)系,三、循環(huán)系統(tǒng)壓降的計(jì)算,四、鉆井泵的工作特性,四、鉆井泵的工作特性 1、鉆井泵的性能參數(shù) 額定功率——鉆井泵的最大輸出功率， ,KW; 額定泵壓——所用缸套的允許工作壓

50、力， ,MPa; 額定排量——在額定功率和額定泵壓時(shí)的排量， Qr ,L/s； 額定泵沖——額定排量時(shí)的泵沖數(shù), 次／分鐘。,額定功率、額定泵壓和額定排量關(guān)系,2、額定泵的工作狀態(tài) 根據(jù)泵排量大小，可將鉆井泵的工作分為兩種工作狀態(tài)： （1）額定泵壓工作狀態(tài)： （2）額定功率工作狀態(tài)：,只有當(dāng)泵排量等于額定排量時(shí)，鉆井泵才能同時(shí)

51、達(dá)到額定輸出功率和額定泵壓，因此，應(yīng)盡量選用額定排量與實(shí)際排量相近的缸套。,鉆井泵的實(shí)際工作狀態(tài)取決于所選缸套的大?。?五、水力參數(shù)優(yōu)選 （一）優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)： 目標(biāo)：獲得最大的水力參數(shù)或鉆頭水力參數(shù) 射流水力參數(shù) 鉆頭水力參數(shù),由于：,所以可選其中的

52、 作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)。,各水力參數(shù)隨排量的變化規(guī)律：,由曲線可知：選擇一個(gè)排量不能使四個(gè)參數(shù)同時(shí)達(dá)到最大，那么究竟按照什么標(biāo)準(zhǔn)來優(yōu)選排量呢？ 三種選擇方式： 以 為標(biāo)準(zhǔn)選排量稱為最大水功率工作方式 以 為標(biāo)準(zhǔn)選排量稱為最大沖擊力工作方式 以 為標(biāo)準(zhǔn)選排量稱為最大噴射速度工作方式,（二）獲得最大鉆頭水功率的條件 目標(biāo)函數(shù)：,1、在額定

53、泵功率狀態(tài)下,由上式可看出：Q ， ；Q , 。 理論上Q 越小越好，但最小 Q= 。因此，在額定泵功率狀態(tài)下，獲得最大鉆頭水功率的條件是：,2、在額定泵壓狀態(tài)下工作,令：,得：,求得最優(yōu)排量為：,此時(shí)有：,3、最優(yōu)排量隨井深的變化規(guī)律,當(dāng) Q> 時(shí)：,當(dāng)Q< 時(shí)：,不同井深

54、和排量下的鉆頭水功率的變化規(guī)律圖像如圖4-21所示。 其中：,2 時(shí)，鉆頭水功率最高時(shí)的排量為額定排量，此時(shí)泵處于額定功率工作狀態(tài)，,,3 時(shí)， 泵處于額定泵壓工作狀態(tài),,4 時(shí)，,為滿足攜帶巖屑所需要的最小排量。,,2 點(diǎn)和3 點(diǎn)是兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，有特殊的意義。 2 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度 為第一臨界井

55、深，該井深是鉆井泵由額定功率工作 方式向額定泵壓工作方式的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 3 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度 為第二臨界井深。,當(dāng)D= 時(shí)，最優(yōu)排量： 由：,可求得第一臨界井深為：,當(dāng)D= 時(shí)，最優(yōu)排量： 由此可求得第二臨界井深為：,4、噴嘴直徑的確定 鉆頭水功率能否達(dá)到最大，還取決于鉆頭噴嘴直徑的大小，因?yàn)閲娮熘睆降拇笮Q定了鉆頭上的壓力降，從而決定泵的工作壓力。 由

56、 得,當(dāng)D 時(shí),則,當(dāng)D 時(shí)，噴嘴直徑應(yīng)隨井深的增加而逐漸增大。,當(dāng) 時(shí)：,當(dāng) 時(shí)，噴嘴直徑應(yīng)隨井深的增加而逐漸減小。,當(dāng) 時(shí)：,當(dāng)

57、 時(shí)，噴嘴直徑應(yīng)隨井深的增加而逐漸增大。,（三）獲得最大射流沖擊力的條件 1、泵在額定功率的工作狀態(tài)下工作 最優(yōu)排量： 2、泵在額定泵壓的工作狀態(tài)下工作,令：,得,3、最大射流沖擊力隨排量和井深的變化規(guī)律 當(dāng) Q> 時(shí)， Q< 時(shí)，,理論上推出的獲得最大射流沖擊力的路線為

58、1‘ 2 3 4 5由于1‘ 2段 Q> ,這對(duì)泵的工作不利，實(shí)際工作取 1 2 3 4 5。,,,,,,,,,,和 分別稱為最大射流沖擊力標(biāo)準(zhǔn)下的第一臨界井深和第二臨界井深。,4、最優(yōu)噴嘴直徑的確定 當(dāng) D 時(shí)， 當(dāng) 時(shí)，

59、 當(dāng)D > 時(shí)，,當(dāng) D 時(shí)，噴嘴直徑應(yīng)隨井深的增加而逐漸增大。當(dāng) 時(shí)，噴嘴直徑應(yīng)隨井深的增加而逐漸減小。當(dāng) D > 時(shí)，噴嘴直徑應(yīng)隨井深的增加而逐漸增大。,（四）水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟 1、主要任務(wù)： 水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是獲得最

60、大鉆頭水功率或最大射流沖擊力。能否獲得上述標(biāo)準(zhǔn)，取決于排量、噴嘴直徑和鉆井泵的工作狀態(tài)（與缸套選擇有關(guān)），因此，水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是確定鉆井液排量，選擇合適的鉆頭噴嘴直徑和泵的缸套直徑。,2、設(shè)計(jì)步驟： （1）確定攜巖要求的最小排量 a、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式： b、根據(jù)巖屑舉升效率：,式中： —最低環(huán)空返速，m/s； —鉆井液密度，

61、 —井深，cm；,式中： —巖屑舉升效率，無因次； —環(huán)空的平均上返速度，m/s； —巖屑在環(huán)空的實(shí)際上返速度，m/s;,一般要求,巖屑的下滑速度：,式中： ——巖屑下滑速度，m/s; ——分別為巖屑和鉆井液密度， ——巖屑直徑，cm；

62、 ——鉆井液的有效粘度，Pa.s ;,攜巖所需的最小排量：,（2）計(jì)算循環(huán)壓耗系數(shù) 分別計(jì)算：（3）選擇缸套直徑，確定額定泵壓 、排量 、功率 ； 原則：1）盡可能選擇額定排量與實(shí)際排量接近的缸套； 2）缸套的工作壓力不能超過循環(huán)系統(tǒng)的耐壓能力。（4）最優(yōu)排量和噴嘴直徑計(jì)算 1）計(jì)算第一、第二臨界井深

63、 2）計(jì)算各井段的最優(yōu)排量和噴嘴直徑（5）各水力參數(shù)計(jì)算 計(jì)算各井段射流水力參數(shù)和鉆頭水力參數(shù)，結(jié)果列表。,設(shè)計(jì)舉例： 已知條件：鉆頭直徑 D=215.9mm=21.59cm; 噴嘴流量系數(shù) C=0.98 鉆鋌 dc=17.78 cm, dci= 7.14cm ,Dc =120m

64、 內(nèi)平鉆桿 dp=12.7 cm, dpi=10.86cm 井隊(duì)配備兩臺(tái)NB—1000鉆井泵 井深 D=4000 m ,要求環(huán)空返速不低于0.7m/s ； 地面泵壓以不超過 18 MPa 為適合 試按最大鉆頭水功率方式對(duì)該井深處進(jìn)行水力參數(shù)設(shè)計(jì)。,解：

65、 ?確定最小排量 Qa 最低環(huán)空返速Va 為： m/s 由于要求環(huán)空返速不小于0.7m/s，故取Va=0.7m/s 攜巖要求的最小排量： ?計(jì)算不同井深循環(huán)壓耗系數(shù),井深4000m處的循環(huán)壓耗系數(shù)為：,?選擇缸套 定排量

66、 ，且接近才能充分發(fā)揮泵的工作效率；根據(jù)泵的使用特點(diǎn)，一般缸套的工作額定排量為缸套額定 排量的90% ，因此，所選缸套的額定排量應(yīng)滿足：選擇3NB—1000的缸套直徑，由表4-6選擇120ｍｍ的缸套直徑，額定排量為19.9L/s ，額定泵壓為33.1MPa 。 有： 33.1 * 0.9 = 27.79 MPa 19.9 * 0.69 =17.91 L/s 根據(jù)限定條件：地面泵壓以不超

67、過18 Mpa 為適合，則：泵的工作額定泵壓 Pr =18 Mpa 工作額定排量Qr = 17.91 L/s,?計(jì)算按鉆頭最大水功率方式下的臨界井深 第一臨界井深 第二臨界井深,?計(jì)算優(yōu)選排量 由于D=4000m小于第一臨界井深，故：?確定噴嘴直徑 4000m 井深處的循環(huán)壓耗為：,根據(jù)：,得 de=1.36 cm,?計(jì)算各水力參數(shù),本章結(jié)束！,復(fù)

68、習(xí)思考題 1、鉆壓、轉(zhuǎn)速、牙齒磨損量、水力因素和鉆井液性能等因素怎樣影響機(jī)械鉆速的？2、什么是門限鉆壓？ 轉(zhuǎn)速指數(shù)為什么一般小于1 ？如何確定門限鉆壓和轉(zhuǎn)速指數(shù)？3、修正的楊格鉆速模式4、鉆壓、轉(zhuǎn)速、牙齒磨損量對(duì)鉆頭磨損的影響規(guī)律5、牙輪鉆頭牙齒、軸承磨損方程6、如何確定牙齒磨損系數(shù)、地層可鉆性系數(shù)、地層研磨性系數(shù)？7、機(jī)械參數(shù)優(yōu)選的目標(biāo)及目標(biāo)函數(shù)中的 J , S , E , F ,J/S 的物理意義 8、在實(shí)際工作中，

69、如何確定最優(yōu)鉆壓 、轉(zhuǎn)速配合9、射流的概念、淹沒非自由連續(xù)射流的基本特征、射流對(duì)井底的作用10、射流水力參數(shù)的概念與計(jì)算,11、水功率的傳遞關(guān)系12、循環(huán)壓耗的影響因素及計(jì)算13、提高鉆頭水力參數(shù)的途徑14、根據(jù)排量的大小，可以將鉆井泵的工作分為哪幾種工作狀態(tài)？ 在不同的工作狀態(tài)下，泵壓、排量、輸出功率是怎樣變化的? 如何充分發(fā)揮泵的能力？ 15、在不同的鉆井泵的工作狀態(tài)下，如何才能獲得最