鉆井工程第四章鉆進(jìn)參數(shù)的優(yōu)選

第四章鉆進(jìn)參數(shù)的優(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)1編輯ppt

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)行人為調(diào)節(jié)的因素。如地面機(jī)泵設(shè)備、鉆頭類(lèi)型、鉆井液性能、鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓和排量等。2編輯ppt?鉆井參數(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(lèi)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(guò)程達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。3編輯ppt第一節(jié)鉆進(jìn)過(guò)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)效果并不明顯。4編輯ppt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(mén)限鉆壓，它是ab線在鉆壓軸上的截距，認(rèn)為是鉆頭開(kāi)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。5編輯ppt2、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=1隨巖石硬度的增大，值減小。6編輯ppt3、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)磨損高表示，新鉆頭時(shí)h=0；牙齒全部磨損時(shí)h=1。7編輯ppt4、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)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，<1.8編輯ppt

（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(kāi)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：9編輯ppt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;—與巖石性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。10編輯ppt（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。11編輯ppt（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的固體顆粒越多，對(duì)鉆速的影響越大。12編輯ppt6、鉆速方程（修正楊格模式）其中：—鉆速，m/h;W—鉆壓，KN；M—門(mén)限鉆壓，KN；n—轉(zhuǎn)速，r/min;—轉(zhuǎn)速指數(shù)，—牙齒磨損系數(shù)，—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(lèi)型及鉆井液性能等因素有關(guān)。13編輯ppt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)鉆壓增大到某一極值時(shí)，牙齒磨損速度趨于無(wú)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(wú)限大，是該尺寸鉆頭的極限鉆壓。14編輯ppt15編輯ppt2、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：和是由鉆頭類(lèi)型決定的系數(shù)。見(jiàn)表4-2。16編輯ppt3、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(lèi)型有關(guān)，其數(shù)值見(jiàn)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。17編輯ppt5、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(lèi)型及鉆井液性能有關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)資料確定。18編輯ppt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(mén)限鉆壓M。19編輯ppt（2）試驗(yàn)條件試驗(yàn)中鉆井液性能、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(mén)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(kāi)始和結(jié)束時(shí)的牙齒磨損量和地層巖性相差很小。20編輯ppt（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（）。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;記錄鉆速。21編輯ppt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（）鉆進(jìn)1m或0.5m;記錄鉆速。22編輯ppt（4）M、計(jì)算

將（）和（）代入鉆速方程，可求出：將（）和（）代入鉆速方程，又可求出：取的平均值，23編輯ppt?同理可得的計(jì)算公式：兩邊取對(duì)數(shù)得：24編輯ppt（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：25編輯ppt2、牙齒磨損系數(shù)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，鉆頭開(kāi)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<1。井底壓差為0，=1，否則<1。26編輯ppt4、地層可鉆性系數(shù)的確定

取得新鉆頭試鉆資料（開(kāi)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：27編輯ppt（二）磨損方程系數(shù)：b

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。28編輯ppt2、鉆速系數(shù)和牙齒磨損減慢系數(shù)

取值與牙輪鉆頭類(lèi)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(lèi)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。29編輯ppt4、地層研磨性系數(shù)

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：30編輯ppt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31編輯ppt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(guò)程達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)技術(shù)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)。32編輯ppt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；—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)）33編輯ppt1、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34編輯ppt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)。35編輯ppt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。36編輯ppt2、建立鉆頭壽命t與鉆壓、轉(zhuǎn)速、磨損量等參數(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)37編輯ppt3、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38編輯ppt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：39編輯ppt三、鉆頭最優(yōu)磨損量、最優(yōu)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。40編輯ppt2、最優(yōu)鉆速給定（W，），可求出最優(yōu)轉(zhuǎn)速。41編輯ppt3、最優(yōu)鉆壓根據(jù)給定（n，），可求出最優(yōu)鉆壓。42編輯ppt4、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。43編輯ppt[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(mén)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，=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(pán)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T(mén)6級(jí)（=0.75），試求最優(yōu)鉆壓，轉(zhuǎn)速組合及其工作指標(biāo)。44編輯ppt＝6.44，＝0.0146,=1.5,=6.53*10-5,=5;=9.35小時(shí)=0.89=2.156251mm的21型鉆頭查表4-14-245編輯ppt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46編輯ppt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47編輯ppt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(mén)。如何優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆井機(jī)械參數(shù)，使利潤(rùn)最大？48編輯ppt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(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)的沖離井底，并輔助破碎巖石.49編輯ppt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)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。50編輯ppt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51編輯ppt

1、射流特性

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。

非淹沒(méi)射流淹沒(méi)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(lèi)（按條件）

射流與周?chē)黧w介質(zhì)的關(guān)系：有無(wú)固體邊界：無(wú)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(méi)非自由連續(xù)射流52編輯ppt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。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53編輯ppt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。（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。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)度與噴嘴直徑和流道形狀有關(guān)。54編輯ppt（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。55編輯ppt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56編輯ppt

（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，從而離開(kāi)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(kāi)原來(lái)的位置。2、射流對(duì)井底的清洗作用57編輯ppt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58編輯ppt3、射流對(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(guò)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。59編輯ppt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60編輯ppt1、射流噴射速度

（工程單位）2、射流沖擊力（國(guó)際單位）（工程單位）（國(guó)際單位）61編輯ppt3、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(guó)際單位制（KW）工程單位制62編輯ppt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63編輯ppt1、鉆頭壓力降

鉆頭壓力降是鉆井液流過(guò)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)?shù)膰娮熘睆?，cm；64編輯ppt2、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65編輯ppt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66編輯ppt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)水功率地面管水匯功率67編輯ppt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68編輯ppt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69編輯ppt對(duì)管內(nèi)流：對(duì)環(huán)空流：式中：管內(nèi)流：環(huán)空流：為水頭損失；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70編輯ppt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71編輯ppt1、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)72編輯ppt2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）貫眼接頭鉆桿管內(nèi)（3）環(huán)形空間73編輯ppt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74編輯ppt（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(zhǎng)度,m

：L1

L2L3L4內(nèi)徑,cm

：d1

d2d3d4管內(nèi)壓耗：75編輯ppt（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76編輯ppt

鉆桿內(nèi)外壓耗鉆鋌內(nèi)外壓耗77編輯ppt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：78編輯ppt則總壓耗計(jì)算公式：整個(gè)循環(huán)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79編輯ppt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80編輯ppt（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Q3、增大鉆頭壓降系數(shù)唯一有效的途徑減小噴嘴直徑81編輯ppt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82編輯ppt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83編輯ppt2、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)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?。?4編輯ppt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：所以可選其中的作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)。85編輯ppt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(lái)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86編輯ppt（二）獲得最大鉆頭水功率的條件

目標(biāo)函數(shù)：1、在額定泵功率狀態(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：87編輯ppt2、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：88編輯ppt3、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：89編輯ppt2

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。90編輯ppt2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：91編輯ppt4、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。92編輯ppt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)時(shí)，噴嘴直徑應(yīng)隨井深的增加而逐漸增大。93編輯ppt（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94編輯ppt3、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1‘2345由于1‘2段Q>,這對(duì)泵的工作不利，實(shí)際工作取

12345。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。

95編輯ppt4、最優(yōu)噴嘴直徑的確定

當(dāng)D時(shí)，當(dāng)時(shí)，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。96編輯ppt（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。

97編輯ppt2、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，—井深，cm；式中：—巖屑舉升效率，無(wú)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98編輯ppt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；——鉆井液的有效粘度，Pa.s;攜巖所需的最小排量：99編輯ppt（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(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)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。100編輯ppt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=17.78cm,dci=7.14cm,Dc=120m