鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選課件

第四章鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)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)第四章鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間

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。鉆進(jìn)參數(shù)：

表征鉆進(jìn)過(guò)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。鉆進(jìn)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(guò)程達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。概述鉆井工程的總目標(biāo)：以最低的成本鉆出高質(zhì)量的井眼概述

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隨鉆壓增加成線性關(guān)系增大。 bc段：當(dāng)鉆壓增大到一定值Wb時(shí)，鉆壓增大,鉆速改進(jìn)效果并不明顯。實(shí)際應(yīng)用中,以直線段為依據(jù)建立鉆壓(W)與鉆速(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)為是牙齒開始?jí)喝氲貙訒r(shí)的鉆壓,其值的大小主要取決于巖層性質(zhì),并具有較強(qiáng)的地區(qū)性。第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本關(guān)系（4-1）鉆速與鉆壓的關(guān)系曲線 一、影響鉆速的主要因素及鉆速方程第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)

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：λ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)。一般極軟地層λ≈1，隨著巖石硬度增大，λ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：C2—稱為牙齒磨損系數(shù),與鉆頭齒形結(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)磨損高度表示,新鉆頭時(shí)h=0；牙齒全部磨損時(shí)h=1。第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本關(guān)系（4-2）（4-3） 2.轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響 第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本

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(lái)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)CH表示,其含義為實(shí)際鉆速與凈化完善時(shí)的鉆速之比，即：

井底完全凈化后，CH=1；否則，CH＜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。水力輔助破巖效果具體體現(xiàn)在門限鉆壓M值減小。第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本關(guān)系（4-4） 4.水力因素對(duì)鉆速的影響第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基

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。此稱為壓持效應(yīng)。正壓差越大，鉆速越慢。 井底壓差與鉆速的關(guān)系：

壓差影響系數(shù)： （2）鉆井液粘度對(duì)鉆速的影響

鉆井液增大，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)鉆頭壓降減小，鉆頭水功率減小，清巖和破巖能力降低，鉆速下降。第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本關(guān)系（4-5）（4-6） 5.鉆井液性能對(duì)鉆速的影響第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的 （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的鉆速低；鉆井液中小于1μm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,vpc—鉆速,m/h；W—鉆壓,kN；M—門限鉆壓,kN；n—轉(zhuǎn)速,r/min λ—轉(zhuǎn)速指數(shù)；C2—牙齒磨損系數(shù)；CH—水力凈化系數(shù)；Cp—壓差影響 系數(shù)；h—牙齒磨損相對(duì)高度；KR—地層可鉆系數(shù)，與地層巖石的機(jī)械性質(zhì)、鉆頭類型以及鉆井液性能等因素有關(guān)。第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本關(guān)系（4-7） （3）鉆井液固相含量對(duì)鉆速的影響第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)

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

牙齒磨損速度隨鉆壓的增大而增大。當(dāng)鉆壓增大到某一極限值時(shí)，牙齒磨損速度趨于無(wú)窮大。

式中：Z1與Z2稱為鉆壓影響系數(shù),與牙輪鉆壓尺寸有關(guān)。當(dāng)鉆壓等于Z2／Z1時(shí),牙齒的磨損速度無(wú)限大。Z2／Z1是該尺寸鉆頭的理論極限鉆壓。

2.轉(zhuǎn)速對(duì)牙齒磨損速度的影響

增大轉(zhuǎn)速，牙齒磨損速度加快。 式中：a1和a2是由鉆頭類型決定的系數(shù)。第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本關(guān)系（4-8）（4-9） 二、影響鉆頭壽命的主要因素及磨損方程第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各

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：C1稱為牙齒磨損減慢系數(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：Af通稱為地層研磨性系數(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 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)，與鉆頭類型與鉆井液性能有關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)資料確定。（4-10）（4-11）（4-12）第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本關(guān)系 3.牙齒磨損狀況對(duì)牙齒磨損速度的影響（4-10）（4-1 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、λ、C2、CH、CP、KR

1.M和λ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Nmin、Nmax鉆進(jìn)同一地層，可得到兩個(gè)不同鉆速值Vpcmin、Vpcmax，代入鉆速方程，聯(lián)立求解轉(zhuǎn)速指數(shù)λ。保持轉(zhuǎn)速和鉆速方程中的其它參數(shù)恒定，采用兩種鉆壓Wmin、Wmax鉆進(jìn)同一地層，可得到兩個(gè)不同鉆速值Vpcmin、Vpcmax，代入鉆速方程，聯(lián)立求解門限鉆壓M。

（2）試驗(yàn)條件 1）試驗(yàn)中鉆井液性能、水力參數(shù)恒定，一般取本地區(qū)常用值，使CH、CP不變，且避免水力因素變化對(duì)門限鉆壓M值的影響。 2）試驗(yàn)井段或試驗(yàn)時(shí)間盡可能短，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。第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本關(guān)系 三、鉆進(jìn)方程中有關(guān)系數(shù)的確定第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的

（3）試驗(yàn)步驟:

準(zhǔn)備：確定本地區(qū)鉆壓范圍（Wmin，Wmax）和轉(zhuǎn)速范圍（nmin，nmax）以及平均鉆壓、平均轉(zhuǎn)速（W0，n0）。 第一步：用平均鉆壓和平均轉(zhuǎn)速（W0，n0）鉆進(jìn)1米或0.5米,記錄鉆速Vpc1。第二步：用最小鉆壓和最小轉(zhuǎn)速（Wmin，nmin）鉆進(jìn)1米或0.5米,記錄鉆速Vpc2。 第三步：鉆壓不變，用最大轉(zhuǎn)速（Wmin，nmax）鉆進(jìn)1米或0.5米,記錄鉆速Vpc3。 第四步：轉(zhuǎn)速不變，用最大鉆壓（Wmax，nmax）鉆進(jìn)1米或0.5米,記錄鉆速Vpc4。 第五步：鉆壓不變，用最小轉(zhuǎn)速（Wmax，nmin）鉆進(jìn)1米或0.5米,記錄鉆速Vpc5。 第六步：用平均鉆壓和平均鉆速（W0，n0）鉆進(jìn)1米或0.5米,記錄鉆速Vpc6。

（4）M、λ計(jì)算將（Wmin，nmin，Vpc2）和（Wmax，nmin，Vpc5）代入鉆速方程，可求出M1（式4-18）；將（Wmin，nmax，Vpc3）和（Wmax，nmin，Vpc4）代入鉆速方程又可求出M2（式4-19）；取M1、M2的平均值，即得門限鉆壓M（式4-20）。同理可得λ的計(jì)算公式：式4-21、式4-22、式4-23。 第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本關(guān)系 （3）試驗(yàn)步驟:第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本關(guān)系

（5）試驗(yàn)有效性驗(yàn)證（地層差別驗(yàn)證）

若地層完全相同，Vpc1=Vpc6。

實(shí)際要求：

2.牙齒磨損系數(shù)C2的確定

假定：1）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hf；鉆頭開始鉆速Vpc0，起鉆時(shí)鉆速Vpcf。由鉆速方程可反求出牙齒磨損系數(shù)C2：

3.水力凈化系數(shù)CH和壓差影響系數(shù)CP 井底充分凈化，CH=1，否則CH＜1。井底壓差為0，CP=1，否則CP＜1。第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本關(guān)系 （5）試驗(yàn)有效性驗(yàn)證（地層差別驗(yàn)證）第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各

4.地層可鉆性系數(shù)KR的確定

取得新鉆頭試鉆資料（開始鉆進(jìn)時(shí)的鉆速Vpc，各項(xiàng)鉆進(jìn)參數(shù)），此時(shí)牙齒磨損量h=0，由鉆速方程可锝：（二）磨損方程的系數(shù)：Z1、Z2、C1、a1、a2、b、Af

1.鉆壓影響系數(shù)Z1、Z2： 取值與牙輪鉆頭尺寸有關(guān)，由臺(tái)架實(shí)驗(yàn)確定。查休斯公司實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表4-1。

2.轉(zhuǎn)速影響系數(shù)a1，a2和牙齒磨損減慢系數(shù)C1： 取值與牙輪鉆頭類型有關(guān)，由臺(tái)架實(shí)驗(yàn)確定。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。

第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本關(guān)系 4.地層可鉆性系數(shù)KR的確定第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間

4.地層研磨性系數(shù)Af 與地層研磨性和鉆頭耐磨性、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。第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本關(guān)系 4.地層研磨性系數(shù)Af第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)程中各參數(shù)間的基本

目的：尋求最優(yōu)的鉆壓、轉(zhuǎn)速組合，使鉆井過(guò)程達(dá)到最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

優(yōu)選方法步驟：

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)：其中:Cpm—單位進(jìn)尺成本，元/m；Cb—鉆頭成本，元/只；Cr—鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)，元/h；tt—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。第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選（4-28）目的：尋求最優(yōu)的鉆壓、轉(zhuǎn)速組合，使鉆井過(guò)程達(dá)到最佳技術(shù)經(jīng)

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)系第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選（4-32） 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)系第二

在式（4-32）中，令： 第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選(4-32)物理意義：新鉆頭（h=0)的初始鉆速。物理意義：新鉆頭（h=0）的初始磨損速度。物理意義：考慮牙齒磨損對(duì)鉆速和磨速影響后的進(jìn)尺系數(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。（4-36）在式（4-32）中，令： 第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選(4

2.建立鉆頭壽命t與鉆壓、轉(zhuǎn)速、磨損量等參數(shù)的關(guān)系第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選由牙齒磨損決定的鉆頭壽命由軸承磨損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)。（4-37）（4-39） 2.建立鉆頭壽命t與鉆壓、轉(zhuǎn)速、磨損量等參數(shù)的關(guān)系第二節(jié)

3.目標(biāo)函數(shù)第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選鉆頭與起下鉆成本的折算時(shí)間在此僅考慮牙齒磨損決定的壽命 3.目標(biāo)函數(shù)第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選鉆頭與起下鉆成本的 二、目標(biāo)函數(shù)的極值條件和約束條件

1.極值條件第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選約束條件（1）牙齒磨損量：0≤hf≤1（2）軸承磨損量：0≤Bf≤1（3）鉆壓：M＞0，M＜W＜Z2/Z1

M＜0，0＜W＜Z2/Z1（4）轉(zhuǎn)速：n≥0軸承磨損量與牙齒磨損量的關(guān)系 二、目標(biāo)函數(shù)的極值條件和約束條件第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選

三、鉆頭最優(yōu)磨損量、最優(yōu)鉆壓和最優(yōu)轉(zhuǎn)速 1.鉆頭最優(yōu)磨損量

第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選給定（W，n），可求出在一定鉆壓、轉(zhuǎn)速下的鉆頭最優(yōu)磨損量。三、鉆頭最優(yōu)磨損量、最優(yōu)鉆壓和最優(yōu)轉(zhuǎn)速第二節(jié)機(jī)械破巖參

2.最優(yōu)轉(zhuǎn)速第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選根據(jù)給定的（W，hf），可求出最優(yōu)轉(zhuǎn)速。 2.最優(yōu)轉(zhuǎn)速第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選根據(jù)給定的（W，h

3.最優(yōu)鉆壓第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選根據(jù)給定的（n，hf），可求出最優(yōu)鉆壓。 3.最優(yōu)鉆壓第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選根據(jù)給定的（n，

4.最優(yōu)參數(shù)組合

理論上：求解由目標(biāo)函數(shù)、極值條件和約束條件組成的方程組。

實(shí)際中：確定鉆頭磨損量→求不同轉(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。第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選 4.最優(yōu)參數(shù)組合第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)概述噴射鉆井的概念

在鉆頭上安裝可以產(chǎn)生高速射流的噴嘴，高壓鉆井液流過(guò)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)沖離井底，并輔助破碎巖石。該技術(shù)稱為噴射鉆井技術(shù)。水力參數(shù) 指表征鉆頭水力特性、射流水力特性以及地面水力設(shè)備性質(zhì)的量。主要包括鉆井泵的功率、排量、泵壓、以及鉆頭水功率、鉆頭水力壓降、鉆頭噴嘴直徑、射流沖擊力、射流噴速和環(huán)空鉆井液上返速度等。水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 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)械鉆速之目的。第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

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

射流概念：射流是指通過(guò)管嘴或孔口過(guò)水?dāng)嗝嬷芙绮慌c固體壁接觸的液流。

射流分類： 非淹沒(méi)射流——ρ射>ρ介， 淹沒(méi)射流——ρ射<ρ介， 自由射流——無(wú)固體邊界限制 非自由射流——有固體邊界 連續(xù)射流——射流內(nèi)某一點(diǎn)壓力保持平穩(wěn)

脈沖射流——射流流束內(nèi)壓力不穩(wěn)定，發(fā)生一定頻率的脈動(dòng)

空化射流——?dú)怏w進(jìn)入液體產(chǎn)生空穴，空穴破裂產(chǎn)生很高的壓力自鉆頭噴嘴射出的射流為淹沒(méi)非自由連續(xù)射流。第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 一、噴射式鉆頭的水力特性第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

井底射流特性 （1）射流形狀 （2）擴(kuò)散角α

射流縱剖面上周界母線的夾角稱為射流擴(kuò)散角α。它反映了射流的密集程度。α越小，則射流的密集性越高，能量就越集中。

（3）速度分布規(guī)律

①在噴嘴出口斷面，各點(diǎn)的速度基本相等，為初始速度。 ②在射流任一橫截面上，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。 ③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(zhǎng)度與噴嘴直徑和流到形狀有關(guān)。 ④在等速核以內(nèi)，射流軸線上的速度等于出口速度；超過(guò)等速核以后，射流軸線上的速度迅速降低。

（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。第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)井底射流特性第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.射流對(duì)井底的清洗作用

（1）射流的沖擊壓力作用 射流撞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)力矩，從而離開井底。

（2）漫流的橫推作用 射流撞擊井底后形成的漫流是一層很薄的高速液流（漫流），對(duì)井底巖屑產(chǎn)生一個(gè)橫向推力，使其離開原來(lái)的位置。

圖4-15射流沖擊面積圖4-16巖屑翻轉(zhuǎn)第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 2.射流對(duì)井底的清洗作用圖4-15射流沖擊面積

第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)3.射流對(duì)井底的破巖作用

在巖石強(qiáng)度較低的地層，射流的沖擊壓力超過(guò)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。第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)3.射流對(duì)井底的破巖作

（二）射流水力參數(shù) 表征射流水力能量大小的參數(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

2.射流沖擊力

3.射流水功率

單位時(shí)間內(nèi)射流所具有的作功能量稱為射流水功率。第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)（4-50）（4-51）（國(guó)際單位制）（工程單位制）（4-52） （二）射流水力參數(shù)第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)（4-50）（

第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) （三）鉆頭水力參數(shù) 鉆頭水力參數(shù)是射流水力能量和噴嘴損耗能量的綜合反映，包括鉆頭壓力降和鉆頭水功率。 1.鉆頭壓力降 鉆頭壓力降是指鉆井液流過(guò)鉆頭噴嘴以后鉆井液壓力降低的值。

式中：C——噴嘴流量系數(shù),與噴嘴的阻力系數(shù)有關(guān)，C的值總是小于1。

de——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)?shù)膰娮熘睆?，cm；（4-53）（4-54） 第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) （三）鉆頭水力參數(shù)（4-53

2.鉆頭水功率

鉆頭水功率是指鉆井液流過(guò)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)系第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 2.鉆頭水功率第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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。

水功率傳遞基本關(guān)系

ps——鉆井泵壓力，MPa； pg——地面管匯壓耗，MPa； pst——鉆柱內(nèi)壓耗，MPa； pan——環(huán)空壓耗，MPa； pb——鉆頭壓降，MPa。

P—水功率，kw。二、水功率傳遞的基本關(guān)系第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 水功率傳遞路徑二、水功率傳遞的基本關(guān)系第三節(jié)水力參

三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計(jì)算

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。第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)（一）壓耗計(jì)算的基本公式第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)（一）壓耗計(jì)算的基本公式第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（二）摩阻系數(shù)f的確定

第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)k—與管路條件有關(guān)的計(jì)算系數(shù)1.賓漢流體在紊流狀態(tài)下f與Re的關(guān)系2.循環(huán)系統(tǒng)摩阻系數(shù)計(jì)算公式管內(nèi)流：環(huán)空流： （二）摩阻系數(shù)f的確定

（三）循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計(jì)算公式第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)1.分段計(jì)算公式（三）循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計(jì)算公式第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)1.

2.總壓耗計(jì)算公式第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)2.總壓耗計(jì)算公式第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（四）提高鉆頭水力參數(shù)的途徑

第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)力參數(shù)鉆頭水傳遞關(guān)系水功率提高鉆頭水力參數(shù)的主要途徑

1.提高泵壓ps和泵功率Ps2.降低循環(huán)壓耗系數(shù)Kl

（1）使用低密度鉆井液（2）減小鉆井液粘度（3）適當(dāng)增大管路直徑3.增大鉆頭壓降系數(shù)Kb唯一有效的途徑是減小噴嘴直徑。4.優(yōu)選排量Q（四）提高鉆頭水力參數(shù)的途徑 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，Pr額定泵壓——所用缸套的允許工作壓力，pr額定排量——在額定泵功率和額定泵壓時(shí)的排量，Qr額定泵沖——額定排量時(shí)的泵沖數(shù)。額定功率、泵壓、排量的關(guān)系：表4-73NB1000鉆井泵性能表第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 四、鉆井泵的工作特性第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.鉆井泵的工作狀態(tài)

根據(jù)泵排量的大小，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)

當(dāng)Q≤Qr時(shí)，ps=pr，PS≤Pr（2）額定功率工作狀態(tài)當(dāng)Q＞Qr時(shí)，Ps=Pr，pSpr

鉆井泵的實(shí)際工作狀態(tài)取決于所選用鋼套的大小。選用的鋼套大，額定工作壓力低，額定排量（額定泵沖時(shí)的排量）大，此時(shí)泵往往處于額定泵壓工作狀態(tài)。反之則處于額定功率工作狀態(tài)。只有當(dāng)泵排量等于額定排量時(shí)，鉆井泵才能同時(shí)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)用排量相近的鋼套。第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 2.鉆井泵的工作狀態(tài)

五、水力參數(shù)優(yōu)選

（一）優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)

目標(biāo)：獲得最大的射流水力參數(shù)或鉆頭水力參數(shù)。第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)五、水力參數(shù)優(yōu)選第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)：最大鉆頭水功率、最大射流沖擊力、最大射流噴速 （二）獲得最大鉆頭水功率的條件

目標(biāo)函數(shù)：

1.基本條件 （1）在額定泵功率狀態(tài)下 （2）在額定泵壓狀態(tài)下 第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)：最大鉆頭水功率、最大射流沖擊力、最大射流噴速第三節(jié)

2.最優(yōu)排量隨井深的變化（1）鉆頭水功率隨排量和井深的變化規(guī)律

第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 2.最優(yōu)排量隨井深的變化第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（2）臨界井深

井深DPc和井深Dpa選擇排量時(shí)具有特殊的意義，分別稱為第一臨界井深和第二臨界井深。

第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) （2）臨界井深第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.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)閲娮熘睆酱笮Q定鉆頭上的壓力降，因而決定泵的工作壓力。第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 3.噴嘴直徑的確定第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)上節(jié)小結(jié)鉆頭水功率：額定泵功率狀態(tài)下：額定泵壓狀態(tài)下：獲得最大鉆頭水功率的條件隨井深的變化：上節(jié)小結(jié)鉆頭水功率：

（三）水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 1.主要任務(wù)

水力參數(shù)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)是獲得最大鉆頭水功率。能否獲得最大鉆頭水功率，取決于排量、噴嘴直徑和鉆井泵的工作狀態(tài)（與鋼套選擇有關(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鋼套直徑。

2.設(shè)計(jì)方法和步驟

（1）確定攜巖要求的最小排量第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) （三）水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（2）計(jì)算循環(huán)壓耗系數(shù) 分別計(jì)算：Kg、Kc、m、a，

KL=a+mD

（3）選擇鋼套直徑，確定額定泵壓pr、排量Qr、功率Pr 原則：1）在額定排量大于最小攜巖排量前提下，盡可能選用小尺寸鋼套；2）鋼套的工作壓力不能超過(guò)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)的計(jì)算

計(jì)算各井段的射流水力參數(shù)和鉆頭水力參數(shù)，結(jié)果列表。第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) （2）計(jì)算循環(huán)壓耗系數(shù)第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)P165,8題已知條件：鉆頭直徑D=215.9mm=21.59cm,噴嘴流量系數(shù)C=0.98，鉆鋌Dc=17.78cm,dc=7.14cm,Lc=120m內(nèi)平鉆桿Dp=12.7cm,dp=10.86cmKg=1.07×10-3MPa·s1.8,

d=1.64g/cm3,=0.047Pa?s井隊(duì)配備兩臺(tái)NB-1000鉆井泵,井深L=4000m,要求環(huán)空返速不低于0.7m/s地面泵壓以不超過(guò)18MPa較合適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).P165,8題解:①確定最小排量Qa最低環(huán)空返速Va為m/s由于要求環(huán)空返速不低于0.7m/s故取Va=0.7m/s攜巖要求的最小排量：計(jì)算得：Qa=16.75L/s②計(jì)算不同井深循環(huán)壓耗系數(shù)解:①確定最小排量Q