1、第四章 钻进参数优选,本章主要内容：第一节 钻进过程中各参数间的基本关系 第二节 钻进参数优选 第三节 水力参数优化设计,概 述,钻井：通过一定设备、工具和技术手段形成一个从地表到地下某一深度处具有不同轨迹形状的孔道。,钻井工程的总目标：以最低的成本钻出高质量的井眼. 钻进成本公式：,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济指标。,影响钻速和钻头寿命的因素： （1）不可控因素 是指客观存在的因素，如所钻的地层、岩性、储层埋藏深度以及地层压力等。 （2）可控因素 可进行人为
2、调节的因素，如地面机泵设备、钻头类型、钻井液性能、钻压、转速、泵压和排量等。,概 述,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、钻头水功率等。,第一节 钻进过程中各参数间的基本关系,一、影响钻速的主要因素及钻速方程 1.钻压对钻速的影响 OA段：钻压小，钻速Vpc很小。 AB段：钻压增大，钻速Vpc随钻压增加成线性关系增大。,钻速与钻压的关系曲线,BC段：当钻压增大到一定值WB时，钻压增大,钻速改进效果并不明显。,式中：M 称为门限钻压,它是AB线在钻压轴上的截距, 认为是牙齿开始吃
3、入地层时的钻压,其值的大小主要取决于岩层性质,并具有较强的地区性。,钻速与钻压的关系曲线,实际应用中,以直线段为依据建立钻压(W )与钻速(Vpc)的定量关系,即:,2.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。,其中： 称为转速指数,一般小于1，数值大小主要与岩层性质有关。 极软地层1，随着岩石硬度增大，值减小。,3.牙齿磨损对钻速的影响,随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。式中： C2 称为牙齿磨损系数,与钻头齿形结构和岩层性质有关,由现场数据统计得到。,h 为牙齿磨损量,以牙齿的相对磨损高度表示,即磨损掉的高度与原始高度之比。新钻头时h =0；牙齿全部磨损时h =1。,4.水
4、力因素对钻速的影响,水力因素：表征钻头及射流水力特性的参数统称为水力因素。 水力因素的总体指标：比水功率 比水功率：钻头水功率与钻头面积（井底面积）之比。 通常用比水功率来研究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：,水力因素对机械钻速的影响主要表现在：(1)井底水力净化能力对钻速的影响。井底比水功率越大，净化程度越好，钻速越快。,4.水力因素对钻速的影响,水力净化能力通常用水力净化系数 CH 表示： 其含义为：实际钻速与净化完善时的钻速之比. 即：(hydraulic scavenge) P 实际比水功率,kW/cm2； Ps净化完善时所需的比水功率，kW/cm2。
5、井底完全净化后，CH=1；否则，CH1。 PPs, CH=1,(2)水力能量辅助破岩,(2)水力能量辅助破岩。井底比水功率越大（超过井底净化所需的水功率），机械钻速仍有可能增加。水力破岩作用对钻速的影响主要表现为使钻压与钻速关系中的门限钻压降低。,5.钻井液性能对钻速的影响(复杂),(1)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，井底岩屑难以离开井底，造成重复破碎现象，钻速降低。此现象称为压持效应。 井底压差与钻速的关系：,压差影响系数：,式中: vpc -实际钻速,m/h; vpc0 -零压差时的钻速,m
6、/h; p - 井底压差,MPa； -与岩石性质有关的系数。,(2)钻井液粘度对钻速的影响,a.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； b.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。,钻井液固相含量增大，机械钻速降低。 （4）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1m的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。,（3）钻井液固相含量对钻速的影响,其中：vpc 钻速,m/h； W 钻压,kN； M 门限钻压,kN； n 转速,r/min 转速指数； C2牙齿磨损系数； CH 水力净化系
7、数； Cp压差影响系数； h 牙齿磨损相对高度； KR (rate)(比例系数)地层可钻性系数，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。,6.钻速方程（修正杨格模式）,二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程,式中：Z1与Z2 称为钻压影响系数,与牙轮钻压尺寸有关。 P130表41 当钻压等于Z2Z1时,牙齿的磨损速度无限大。 Z2Z1是该尺寸钻头的理论极限钻压。,1. 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限值时，牙齿磨损速度趋于无穷大。,表4-1 钻压影响系数,2. 转速对牙齿磨损速度的影响,增大转速，牙齿磨损速度加快。,式中：a1和a2是
8、由钻头类型决定的系数。 见P131表 (4-2)。,式中： C1称为牙齿磨损减慢系数, 与钻头类型有关,其数值见表4-2。,3.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。,式中：Af 称为地层研磨性系数。 Formation abrasivity需根据现场钻头资料统计计算确定。,4.牙齿磨损速度方程,5.轴承磨损速度方程,轴承磨损量用B表示。轴承磨损速度用dB/dt表示。 式中： b(bearing)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。,三、钻进方程中有关系数的确定,(一）钻速方程的系数：M、C2、CH、CP、KR 1.M和的确定五
9、点法钻速试验 (1)基本思路,三、钻进方程中有关系数的确定,保持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Vpcmin、Vpcmax，代入钻速方程，联立求解转速指数。 保持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Vpcmin、Vpcmax，代入钻速方程，联立求解门限钻压M。,（2）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， 使CH、CP不变，且避免水力因素变化对门限钻压M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牙齿磨损量和地层岩性相差很小。,（3）试验步
10、骤,准备：确定本地区钻压范围（Wmin ,Wmax）和转速范围（nmin ,nmax）以及平均钻压、平均转速（ W0 ，n0）。,（3）试验步骤,第一步：用平均钻压和平均转速(W0 ，n0 )钻进1米或0.5米, 记录钻速Vpc1。 第二步：用最小钻压和最小转速(Wmin，nmin)钻进1米或0.5米,记录钻速Vpc2。 第三步：钻压不变，用最大转速(Wmin，nmax)钻进1米或0.5米,记录钻速Vpc3。,（3）试验步骤,第四步：转速不变，用最大钻压（Wmax， nmax）钻进1米或0.5米,记录钻速Vpc4。 第五步：钻压不变，用最小转速（Wmax， nmin）钻进1米或0.5米,记录钻
11、速Vpc5。 第六步：用平均钻压和平均钻速（W0，n0）钻进1米或0.5米,记录钻速Vpc6。若地层完全相同，Vpc1=Vpc6。实际要求：,(4）M、计算, 将(Wmin，nmin，Vpc2)和(Wmax，nmin ，Vpc5 )代入钻速方程，可求出:, 将(Wmin，nmax，Vpc3)和(Wmax，nmin，Vpc4)代入钻速方程又可求出:,取M1、M2的平均值:,同理可得的计算公式：,两边取对数得:,2. 牙齿磨损系数C2的确定,假定：1)某钻头所钻井段岩性基本不变 2)各项钻进参数基本恒定 已知新钻头牙齿磨损量h=0，钻头起出时磨损量为hf；钻头开始钻速Vpc0，起钻时钻速Vpcf。
12、由钻速方程可反求出牙齿磨损系数C2：,井底充分净化， CH=1，否则CH1。 井底压差为0， CP=1，否则CP1。,3. 水力净化系数CH和压差影响系数CP,4. 地层可钻性系数KR的确定,取得新钻头试钻资料（开始钻进时的钻速Vpc，各项钻进参数），此时牙齿磨损量h=0，由钻速方程可得：,（二）磨损方程的系数： Z1、Z2、C1、a1、a2、b、Af,1. 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。查休斯公司实验数据表4-1。,2. 转速影响系数a1，a2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4-2。 3. 轴承工作系数b： 取决于钻头类型
13、和钻井液性能。利用现场实钻资料，根据轴承磨损方程确定。,4. 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。利用实钻资料，由牙齿磨损方程反算。,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法：,第二节 机械破岩参数优选,目的：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。 优选方法步骤： 确定标准建立目标函数在各种约束条件下寻求目标函数的极值点满足极值点条件的参数组合即为最优参数。,一、目标函数的建立,其中: C单位进尺成本，元/m；Cb钻头成本，元/只； Cr钻机作业费，元/h；tt起下钻、接单根时间，h； t钻头工作时间,h； H 钻头
14、总进尺,m。,衡量钻井技术经济效果的标准：,1.建立钻头进尺H与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系,J的物理意义： 牙齿磨损量 h=0（新钻头）时的初始钻速。,S的物理意义： 牙齿磨损量 h =0 时牙齿的初始磨速。它的倒数相当于不考虑牙齿磨损量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磨损速度影响后的进尺系数。它是牙齿最终磨损量的函数。,则：,J/S的物理意义： 不考虑牙齿磨损影响时的理论进尺。,2.建立钻头寿命t与钻压、转速、磨损量等参数的关系,3.目标函数,钻头与起下钻本的折算时间,在此仅考虑牙齿磨损决定的寿命,令：,把J,E,S,F 代入：,二、目标函数的极值条件
15、和约束条件,三、钻头最优磨损量、最优钻压和最优转速,1.钻头最优磨损量,给定（W，n），可求出在一定钻压、转速下的钻头最优磨损量。,2.最优转速,3. 最优钻压,4. 最优参数组合,理论上：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, 可进行全局寻优。 实际中：确定钻头磨损量求不同转速下的最优钻压 选取每米成本最低的钻压、转速组合。,例4-2某井段的地层可钻性系数K=0.0023,研磨性系数Af=2.2810-3,门限钻压M=10kN,转速指数=0.68.用251mm的21型钻头钻进,C2=3.68,CH=1,CP=1, 钻头成本Cb=900元/只,钻机作业费Cr=250元/
16、小时,起下钻时间tt=5.75小时;所用钻机的转盘转速只有三档,分别为n1=60转/分,n2=120转/分,n3=180转/分,根据邻井资料,所选钻头在该井段的牙齿磨损量一般为T6级(hf=0.75),试求最优的钻压、转速组合及其工作指标.,解: 查表可得251mm的21型钻头参数为: D2=6.44,D1=0.0146,a1=1.5,a2=6.5310-5,C1=5,不同转速时的最优钻压及其工作指标,第三节 水力参数优化设计,主要内容: 射流的水力特性 钻头的水力特性 循环压耗的计算 地面泵的水力特性 水力参数的优化设计,概 述,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
17、，使高压钻井液流过喷嘴时可产生高速流动的水射流，给井底以很大的冲击力，把岩屑及时冲离井底，并辅助破碎岩石。该技术称为喷射钻井技术。,喷射钻井提出背景,概 述,水力参数：表征钻头水力特性、射流水力特性及地面水力设备性质的量。 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 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。,一、喷射式钻头的水力特性,（一）射流及其对井底的作用 1.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。
18、射流分类：（按条件）射流与周围流体介质的关系：射介， 非淹没射流 射介， 淹没射流 射流运动和发展是否受固体边壁影响分：不受固体边壁影响：自由射流 受固体边壁影响： 非自由射流,一、喷射式钻头的水力特性,射流压力是否稳定： 连续射流 压力平稳。 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。 混合射流 既有连续部分，又有脉动部分。 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。 钻头喷嘴射出的射流为淹没非自由连续射流。,井底射流特性,(2)扩散角 射流纵剖面上周界母线的夹角称为射流扩散角。 它反映了射流的密集程度。越小，则射流的密集性越高，能量就越集中。,射流的喷距：射流断
19、面距喷嘴出口的距离。,(1)射流形状:具有等速核及扩散角。,（3）速度分布规律, 在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为初始速度。 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降低，到射流边界上速度降为零。,Vjm/Vj0,（3）速度分布规律, 射流中心部分保持初始速度流动的流束， 称为射流等速核。等速核长度与喷嘴直径和流道形状有关。, 在等速核以内，射流轴线上的速度等于出口速度；超过等速核以后，射流轴线上的速度迅速降低。,Vjm/Vj0,（4）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。,2.射流对井底的清洗作用,(1)射流的冲击压力作用 射流撞击井底后形
20、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。,射流冲击面积 岩屑翻转,2.射流对井底的清洗作用,(2)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），对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。对井底清洗有非常重要的作用。,漫流的速度分布,径向（横向）：冲击圆的中心为O；冲击圆边缘最大；冲击圆边缘以外，漫流速度下降。 轴向（纵向）：距井底0.5mm高度处漫流速度最大，向上迅速减小。,3、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，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裂
21、纹和微裂缝内，形成“水楔”，使微裂纹和裂缝扩展，从而大大降低岩石的破碎强度。,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。 计算位置：喷嘴出口断面 1.射流喷射速度Vj,(二）射流水力参数(射流出口处),(工程单位制）,2.射流冲击力Fj,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）,（工程单位制）,3.射流水功率Pj,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。 1.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。,（三）钻头水力参数,式中：C喷嘴流量系数, 与喷嘴的阻力系数有关，C 1。 de喷嘴当
22、量直径，即与n个喷嘴出口截面面积总和相当的喷嘴直径，cm；,（三）钻头水力参数,2.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。 3.钻头水力参数与射流水力参数的关系,二、水功率传递的基本关系,钻头水功率由钻井泵提供 钻井泵的输出功率(泵功率)：钻井液从钻井泵排出时，具有一定的水功率。,压力分配：,水功率传递路径:钻井泵地面管汇钻柱内钻头环空地面。,循环系统压耗：地面管汇、钻柱内、环空三部分压耗。,1,2,3,3,4,水功率分配:,二、水功率传递的基本关系,式中： Ps、Ps钻井泵压力及功率； Pg、Pg地面管汇压耗及功率； Pst、Pst钻柱内压耗及功率；Pan、Pan
23、环空压耗及功率； Pb、 Pb钻头压降及水功率。,循环系统功率：地面管汇、钻柱内、环空三部分所消耗的功率。,假设：（1）钻井液为宾汉流体； （2）钻井液在循环系统各部分的流动均为等温紊流流动； （3）钻柱处于与井眼同心的位置； （4）不考虑钻柱旋转； （5）井眼为已知直径的圆形井眼； （6）钻井液是不可压缩流体。,三、循环系统压耗的计算,式中：,1.宾汉流体在紊流状态下摩阻系数f 与Re的关系,管内流：,环空流：,借鉴牛顿流体的测量结果，但在计算Re时，将宾汉流体的塑性粘度换算成相应当量紊流粘度；当量紊流粘度与塑性粘度的关系为：,宾汉流体在紊流状态下摩阻系数f 与Re关系,根据P151图4-1
24、8,K 系数，与管路特性有关； 内平：K=0.053；贯眼接头或环空：K=0.059 Re 雷诺数；,（1）内平钻杆及钻铤管内,（2）贯眼接头钻杆管内,（3）环形空间,2. 循环系统摩阻系数计算公式,（三）循环系统压耗的计算公式,（1）地面管汇压耗：高压管线，立管，水龙带、水龙带,（2）钻杆内压耗,（3）钻铤内压耗,B0.51655或0.57503,(4)钻杆外环形空间压耗,(5)钻铤外环空压耗,钻铤内外压耗：,钻杆内外压耗：,（三）循环系统压耗的计算公式,分别令Kg、Kp和Kc为地面管汇、钻杆内外和钻铤内外的压耗系数，即：,则总压耗计算公式：,KL称为整个循环系统的压耗系数,将压耗系数KL作
25、进一步变化，设井深为D，并令：,提高钻头水力参数主要途径 1.提高泵压ps和泵功率Ps2.降低循环压耗系数KL (1)使用低密度钻井液 (2)减小钻井液粘度 (3)适当增大管路直径 3.增大钻头压降系数Kb唯一有效途径是减小喷嘴直径。(CA) 4.优选排量Q(Pb pb但pb ),（四）提高钻头水力参数的途径,四、钻井泵的工作特性,1. 钻井泵的性能参数 额定功率钻井泵的最大输出功率，Pr额定泵压所用缸套的允许工作压力，pr额定排量在额定泵功率和额定泵压时的排量，Qr额定冲数额定排量时的泵冲数。 额定功率、额定泵压、额定排量之间关系：,四、钻井泵的工作特性,3NB-1000钻井泵性能表(功率6
26、58KW),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)额定泵压工作状态 当QQr时，ps=pr，PSPr(2)额定功率工作状态当QQr时， Ps=Pr ，pSpr 钻井泵的实际工作状态取决于所选用缸套的大小。,2. 钻井泵的工作状态,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和额定泵压。因此，应尽量选用额定排量与实际排量相近的缸套。,2. 钻井泵的工作状态,（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。,射流水力参数,钻头水力参数,五、水力参数优选,3.钻头水力参数与射流水力参数的关系,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
27、使四个参数同时达到最大，那么究竟按照什麽标准选择排量呢？ 通常有三种选择方式(机理认识不同) 以Pb 为标准选排量称为最大钻头水功率工作方式。 以Fj 为标准选排量称为最大射流冲击力工作方式。 以Vj 为标准选排量称为最大喷射速度工作方式。,（二）获得最大钻头水功率的条件,目标函数：1.在额定泵功率状态下工作:Ps=Pr,Q=Qr,由上式可看出：Q ， Pb ；Q ，Pb 理论上Q越小越好，但最小不低于Q=Qr,因此，在额定泵功率状态下, 获得最大钻头水功率的条件是： Qopt= Qr,2.在额定泵压状态下工作 ps = pr,求得最优排量为：,此时有：,3.钻头水功率随排量及井深的变化规律,
28、当QQr时 ： 当QQr时：,不同井深和排量下钻头水功率的变化规律图象如图所示。其中，D0D1D2D3DPcD5DPaD7。,3.最优排量随井深的变化规律,12，DDPc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。,34，井深DDPa时， Qopt= Qa Qa为满足携带岩屑所需要的最低排量。,23，井深DPaDDPc 时： 泵处于额定泵压工作状态。,2点和3点是两个转折点，有特殊意义。 2点对应的深度 DPC 为第一临界井深，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。 3点对应的深度 DPa 为第二临界井深。,当D=DPc时，最优排量： 由可求得第一临
29、界井深为：,当井深 D=DPa 时，最优排量：由此可求得第二临界井深为：,4.喷嘴直径的确定,由,得,当DDPc时： 则,当DDPc时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大；,当DDPa时：,当DPcDDPa 时：,当DPcDDPa时，喷嘴直径应随井深增加而逐渐减小；,当DDPa时，喷嘴直径则又应随井深的增加而逐渐增大。,1、泵在额定功率工作状态下工作， 但实际上， 不合适，故,令,，得：,（三）获得最大射流冲击力的条件,2、在额定泵压工作状态下工作，,令,，得：,（三）获得最大射流冲击力的条件,3.最大射流冲击力随排量和井深的变化规律,当QQr时： 当QQr时：,理论上推出的获得最大射流冲击力的
30、工作路线为1 2345。,由于12段QQr，这对泵的工作不利。实际工作取12345。,Qa Qr,3.最大射流冲击力随排量和井深的变化规律,由于12段QQr，这对泵的工作不利。实际工作取12345。DFc和DFa分别称为最大射流冲击力标准下的第一临界井深和第二临界井深。,当DDFc时， 当DDFc时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大；,4.最优喷嘴直径的确定,当DFcDDFa时， 当DDFa时， 当DFcDDFa时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐减小； 当DDFa时，喷嘴直径则又应随井深的增加而逐渐增大。,4.最优喷嘴直径的确定,1.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
31、。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缸套直径。,（三）水力参数优化设计步骤,2. 设计步骤,式中：Va最低环空返速，m/s； d钻井液密度，g/cm3； Dh井径，cm。,（1）确定携岩要求的最小排量 a.经验法b.根据经验公式：,2. 设计步骤,c.根据岩屑(slither) 举升效率 ：,式中: Ks岩屑举升效率，无因次； Va环空的平均上返速度,m/s； Vs岩屑在环空的实际上返速度，m/s。,一般要求Ks0.5。,岩屑在环空的实际上返速度vs钻井液在环空中的平均上返速
32、度va岩屑在钻井液中的下滑速度vsl，即：,式中: Vs岩屑在环空的实际上返，m/s； Va钻井液环空的平均上返速度，m/s； Vsl岩屑在环空的实际下滑速度，m/s；,岩屑的下滑速度:,式中:vsl 岩屑下滑速度，m/s； s，d分别为岩屑和钻井液密度，g/cm3； ds岩屑直径，cm；e钻井液有效粘度，Pas。,携岩所需的最小排量:,(2)计算循环压耗系数 分别计算：Kg、Kc、m、a，KL = a + m D (3)选择缸套直径，确定额定泵压pr、排量Qr、功率Pr1)尽可能选择额定排量与实用排量接近的缸套； 2)缸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
33、1）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。 (5)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。,已知条件：钻头直径D=215.9mm=21.59cm,喷嘴流量系数C=0.98，钻铤Dc=17.78cm, dc=7.14cm,Lc=120m,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NB-1000钻井泵,井深L=4000m,要求环空返速不低于0.7m/s 地面泵压以不超过18MPa较合适。 试按最大钻头水功率方式对该井深进行水力参数设计。,水力
34、参数优化设计设计举例：,解: 确定最小排量Qa 最低环空返速Va为： 由于要求环空返速不低于0.7m/s，故取Va=0.7m/s 携岩要求的最小排量： 计算不同井深循环压耗系数,井深4000m处的循环压耗系数为：,选择缸套 确定排量QrQa, 且接近才能充分发挥泵的工作效率;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90%,因此所选缸套的额定排量应满足： 选择3NB-1000的缸套直径,由表4-6选择120mm的缸套直径: 额定排量19.9L/s,额定泵压33.1MPa;,直径: 额定排量19.9L/s,额定泵压33.1MPa; 有: 33.10.9=27.79MPa 19.9
35、0.9=17.91L/s 根据限定条件:地面泵压以不超过18MPa较合适 , 泵的额定泵压33.1MPa 注意：选取两者的最小值作为钻井过程中钻井泵的最大许用压力pr。则:泵的工作额定泵压pr=18MPa 泵的工作额定排量Qr=17.91L/s,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:第二临界井深为:,计算优选排量 由于L=4000m小于第一临界井深，故：Qopt=Qr=17.91L/s,确定喷嘴直径 4000m井深处的循环压耗为：根据 得: de=1.36cm,计算各水力参数,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械钻速的？ 2.什么是门限钻压？转速指数为什么一般小于1？如何确定门限钻压和转 速指数？ 3.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 5.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? 7.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? 8.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 10. 射流水力参数的概念与计算,复习思考题,本章结束！,
