第6章鉆進參數(shù)優(yōu)選

第六章鉆進參數(shù)優(yōu)選

Optimizationofdrillingparameters主要內(nèi)容:

第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計

OptimalDesignofhydraulicparameters

第二節(jié)機械破巖鉆進參數(shù)優(yōu)選

Optimizationofmechanizeddrillingparameters

1第六章鉆進參數(shù)優(yōu)選第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計2第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計水力參數(shù)優(yōu)化設計是隨著噴射式鉆頭的使用而提出來的。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可產(chǎn)生高速流動的水射流，給井底以很大的沖擊力。把巖屑及時的沖離井底，并輔助破碎巖石.3第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計水力參數(shù)的概念：鉆井水力參數(shù)是表征鉆頭水力特性、射流水力特性以及地面水力設備性質(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)化設計的目的：尋求合理的水力參數(shù)配合，使井底獲得最優(yōu)的水力能量分配，從而達到最優(yōu)的井底凈化效果，提高機械鉆速。然而，井底水力能量的分配，要受到鉆頭噴嘴選擇、循環(huán)系統(tǒng)水力能量損耗和地面機泵條件的制約。因此，水力參數(shù)優(yōu)化設計是在了解鉆頭水力特性、循環(huán)系統(tǒng)能量損耗規(guī)律、地面機泵水力特性的基礎上進行的。4第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計主要內(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)化設計射流沖擊力、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，從而達到最優(yōu)的井底凈化效果和提高機械鉆速的目的。5（一）射流及其對井底的作用在鉆頭上安放噴嘴，鉆井液流經(jīng)噴嘴產(chǎn)生高壓射流，射流沖擊井底，達到清除井底巖屑及破碎巖石的目的。

1、射流特性

射流的定義：指通過管嘴或孔口過水斷面周界不與固體壁接觸的液流。

一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計6射流的分類：射流與周圍流體介質(zhì)的關系：非淹沒射流淹沒射流有無固體邊界：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，射流產(chǎn)生周期性動載混合射流：既有連續(xù)部分，又有脈動部分空化射流：氣體進入液體產(chǎn)生空穴，空穴破裂產(chǎn)生很高的壓力一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計鉆頭噴嘴的射出的射流為淹沒非自由連續(xù)射流7淹沒非自由連續(xù)射流的基本特征淹沒：射流出口后，就處在井筒內(nèi)的泥漿中，被井筒內(nèi)的泥漿所淹沒。非自由：射流的的運動和發(fā)展受到井壁的限制，不能自由地運動和發(fā)展。連續(xù)射流：壓力平穩(wěn)一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計8（1）射流形狀（2）擴散角a

射流縱剖面上周界母線的夾角稱為射流擴散角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一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計9（3）速度分布規(guī)律一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計在等速核以內(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。射流中心部分保持初始速度流動的流束，稱為射流等速核。

等速核長度與噴嘴直徑和流道形狀有關。在噴嘴出口斷面，各點的速度基本相等，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。10一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計l0等速核邊界過渡斷面11dn：噴嘴直徑L：射流軸線上某點距出口的距離Vjo：射流出口流速Vjm：距出口L處的最大流速α：射流擴散角一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用射流軸線上的速度衰減規(guī)律第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計極點最大流速與出口流速的比值12射流速度分布：

射流中心：由于受到淹沒鉆井流體和返回流體影響小，所以速度最高，且在射流任一截面上，軸線速度最高，中心向向兩邊速度降低很快，射流邊界降至0。等速核段，中心部分速度始終為V0

基本段（l>l0），軸線上任意點的速度V，與該點距極點的距離成反比。一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計射流軸線上的速度衰減規(guī)律13（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的漫流。第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用142、射流對井底的清洗作用（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翻轉的力矩，從而離開井底。這是射擊隊流對早底巖屑的沖擊翻轉作用。（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)生一個橫向推力，使其離開原來的位置。一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計在不均勻動壓力作用下巖屑的翻轉153、射流對井底的破巖作用在巖石強度較低的地層，射流的沖擊力超過了地層的破碎強度，直接破碎巖石。在巖石強度較高的地層，射流擠入巖石中由鉆頭機械力造成的微裂紋和微裂縫內(nèi)，形成“水楔”，使微裂紋和裂縫擴展，從而大大降低巖石的破碎強度。一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計163、射流對井底的破巖作用

一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計17(二)射流水力參數(shù)射流水力參數(shù)：表征射流水力能量大小的參數(shù)。

1.射流噴射速度Vo2.射流沖擊力Fj3.射流水功率Pj

注意：射流出口斷面是水力參數(shù)的計算位置。一、噴射式鉆頭的水力特性__射流水力參數(shù)第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計181、射流噴射速度鉆頭噴嘴出口處的射流速度，簡稱噴速。其中式中：vi—射流噴速，m/s；

Q—通過鉆頭得鉆井液流量,L/s；

Ao—噴嘴出口截面積之和，cm3；

di—噴嘴直徑（=1，2，…，z）,cm；

Z—噴嘴個數(shù)。一、噴射式鉆頭的水力特性__射流水力參數(shù)第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計de等效噴嘴直徑192、射流沖擊力

射流沖擊力指射流在其作用的面積上的總作用力

式中：Fj—射流沖擊力，kN；

Q—單位時間的流量，m3/s；

鉆井泵體積流量（排量）

ρd—鉆井液密度，g/cm3；

A

—噴咀出口截面積之和，m2

。

一、噴射式鉆頭的水力特性__射流水力參數(shù)第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計203、射流水功率射流水功率指單位時間內(nèi)射流所具有的作功能量。式中，Pj—射流水功率，kW。一、噴射式鉆頭的水力特性__射流水力參數(shù)第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計21水力參數(shù):一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計噴射速度V0沖擊力Fj水功率Pj

鉆頭水力參數(shù)鉆頭壓降Pb

鉆頭水功率Nb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。221、鉆頭壓力降鉆頭壓力降指鉆井液流過鉆頭噴嘴以后鉆井液壓力降低的值。式中：Δpb—鉆頭壓力降，Mpa；

C—噴嘴流量系數(shù)，無因次，與噴嘴的阻力系數(shù)有關，C的值總是小于1。如果噴嘴出口面積用噴嘴當量直徑表示，則鉆頭壓力降計算式為式中：dne---噴嘴當量直徑，cm；

di—噴嘴直徑（I=1,2,…，z）,cm；

Z—噴嘴個數(shù)。一、噴射式鉆頭的水力特性__射流水力參數(shù)第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計23鉆頭壓力降公式推導過程：根據(jù)伯努利方程：式中：H—噴嘴高度，可忽略不計

h—泥漿流過噴嘴以后損失掉的水頭V2遠大于V1，V1可以忽略不計。一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計鉆頭壓降計算模型24令整理后得：式中：Pb—鉆頭壓降（Pa)C—噴嘴流量系數(shù)一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計鉆頭壓降計算模型25噴嘴結構及水力特征：可以證明，噴嘴的流量系數(shù)為實際流量與理論流量的比值，即：C=Q/Qi為提高C，需要改善噴嘴的結構設計一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計雙圓弧噴嘴C=0.96-0.98流線型噴嘴C=0.97226

2、鉆頭水功率鉆頭水功率指鉆井液流過鉆頭時所消耗的水力功率?；蚴街校篜b鉆頭水功率，kW。一、噴射式鉆頭的水力特性__射流水力參數(shù)第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計27射流水功率與鉆頭水功率的關系噴流噴速鉆頭水功率鉆頭壓力降射流水功率射流沖擊力一、噴射式鉆頭的水力特性__射流水力參數(shù)第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計28鉆頭水功率與射流水功率的關系：①鉆頭水功率：②射流速度和射流沖擊力也可以用鉆頭壓降表示：一、噴射式鉆頭的水力特性__射流及其對井底的作用第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計29水功率傳遞路徑：

鉆井泵地面管匯鉆柱內(nèi)鉆頭環(huán)空地面第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計二、水功率傳遞的基本關系30噴射鉆井水功率傳遞原理二、水功率傳遞的基本關系第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計鉆井泵地面管匯立管壓力水龍帶水龍頭方鉆桿鉆桿鉆鋌鉆頭環(huán)形空間高架槽振動篩其它泥漿凈化裝置泥漿罐31二、水功率傳遞的基本關系第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計泥漿泵32水功率的傳遞原理泥漿的循環(huán)路徑地面管匯，不隨井深變化鉆柱內(nèi)部，隨井深變化鉆頭環(huán)形空間水功率傳遞的基本關系

鉆井泵輸出功率(泵功率)Ps:鉆井液從鉆井泵排出的水功率。二、水功率傳遞的基本關系第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計33第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計二、水功率傳遞的基本關系壓力分配:鉆頭壓降環(huán)空壓耗鉆柱內(nèi)壓耗地面管匯壓耗鉆井泵壓力水功率分配鉆井泵水功率鉆頭水功率環(huán)空水功率鉆柱內(nèi)水功率地面管水匯功率34泵壓傳遞的基本關系式

根據(jù)水力學原理，水功率是壓力和喬量的乘積，鉆井泵功率可用下式計算：式中：Ps—鉆井泵輸出功率，kW；

Q—鉆井泵排量，L/s。由于整個循環(huán)系統(tǒng)是單一管路，系統(tǒng)各處的排量應相等。因此泵功率傳遞的基本關系式可表示為：二、水功率傳遞的基本關系第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計35循環(huán)壓耗：地面管匯、鉆柱內(nèi)和環(huán)形空間的壓力損耗。

在循環(huán)系統(tǒng)壓耗計算中，井進行了以下假設：①鉆井注為賓漢流體；②鉆井液在循環(huán)系統(tǒng)各部分的流動均為等溫紊流流動；③鉆柱處于井眼同心的位置；④不考慮鉆柱旋轉；⑤井眼為已知直徑的圓形井眼；⑥鉆井液是不可壓縮流體。三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計36（一）壓耗計算的基本公式

范寧-達西公式式中：γ--流體重度，N/m3；

ξ--水頭損失系數(shù)，無因次；

g--重力加速度，m/s2。三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__壓耗計算的基本公式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計P2VdP1L管流示意圖37

實驗證明，ξ與管路長度L成正比，與管路的水力半徑rw與關閉的摩阻系數(shù)f成正比，即。于是可得三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__壓耗計算的基本公式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計38根據(jù)水力半徑的定義，水力半徑等于過流截面積除以濕周。因而，對管內(nèi)流，；對環(huán)空流，。其中，di為管路內(nèi)徑，dh井眼內(nèi)徑，dp為鉆柱外徑。將水力半徑rw代入式（4-63），并對各物理量選擇合適的單位?？傻醚h(huán)系統(tǒng)管內(nèi)流動和環(huán)空流動的壓耗計算公式：對管內(nèi)流對環(huán)空流三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__壓耗計算的基本公式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計39對管內(nèi)流對環(huán)空流上兩式中，ΔpL—壓力損耗，Mpa；

f—管路的（范寧）水力摩阻系數(shù)，無因次；

ρd—鉆井液密度，g/cm3；

L—管路長度,m；

V—鉆井液在管路的平均流速m/s；

di—管路內(nèi)徑，cm；

dh--井眼直徑，cm；

dp--鉆駐外徑,cm。三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__壓耗計算的基本公式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計40鉆井液管內(nèi)流動的沿程水頭損失第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計二、水功率傳遞的基本關系對管內(nèi)流：對環(huán)空流：管內(nèi)流：環(huán)空流：41（二）摩阻系數(shù)的確定牛頓流體紊流流動時摩系數(shù)與雷諾數(shù)的關系。三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__摩阻系數(shù)的確定第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計42研究表明，對賓漢液體在循環(huán)系統(tǒng)的紊流流動，可借鑒牛頓流體的測量結果確定摩阻系數(shù)。但在計算雷諾數(shù)時，必須將賓漢流體的塑性粘度換算成相應的當量紊流粘度。當量紊流粘度與賓漢液化塑性粘度的關系為：將上式代入雷諾數(shù)計算公式三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__摩阻系數(shù)的確定第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計43式中：μpv--賓漢流體的塑性粘度

ρd--鉆井液密度。g/cm3V—管路平均速度,m/s;

di,dh,dp—分別為管路內(nèi)徑,井眼直徑和鉆柱外徑,cm三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__摩阻系數(shù)的確定第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計44為應用方便,可將圖中的四條曲線用一個關系式近似表示為：式中的k為計算系數(shù),對于各條曲線的k值可由表4-5查得三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__摩阻系數(shù)的確定第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計曲線編號kⅠ0.046Ⅱ0.053Ⅲ0.059Ⅳ0.06245（1）對于內(nèi)平（IF）鉆桿內(nèi)部和鉆鋌內(nèi)部（2）對于貫眼（FH）接頭的鉆桿內(nèi)部（3）對于環(huán)形空間三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__摩阻系數(shù)的確定第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計46（三）循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算公式循環(huán)系統(tǒng)管內(nèi)流動和環(huán)空流動的壓耗計算公式：對管內(nèi)流對環(huán)空流三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算公式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計47（1）地面管匯壓耗第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計二、水功率傳遞的基本關系地面管匯：地面高壓管線立管水龍帶（頭）方鉆桿長度,m

：L1

L2L3L4內(nèi)徑,cm

：d1

d2d3d4管內(nèi)壓耗：48(1)地面管匯,包括地面高壓管線，立管，水龍帶(包括水龍頭在內(nèi))，方鉆桿等的壓耗.整個地面管匯的壓耗可用一個公式表示(認為所有管路為內(nèi)平管子)；式中:Δpg--地面匯管壓耗,Mpa；

ρd--鉆井液密度，g/cm3;

μpv--鉆井液塑性密度,Pa?s;Q--鉆井液排量,L/s。

L1、L2、L3、L4和d1、d2、d3、d4,分別為地面高壓管線、立管、水龍（帶）頭、方鉆桿的長度很內(nèi)徑，長度單位m,內(nèi)徑單位cm。三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算公式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計49（2）鉆桿內(nèi)壓耗式中：Ppi—鉆桿內(nèi)壓耗，

B--鉆桿直徑常數(shù)，內(nèi)平鉆桿B=0.51655,貫眼鉆桿B=0.57503LP--鉆桿總長度,m。(3)鉆桿外形空間壓耗式中:Δpa—鉆桿外環(huán)空壓耗，Mpa;dh--井眼直徑，cm；

dp--鉆桿外徑，cm。三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算公式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計50（4）鉆鋌內(nèi)壓耗式中：Δpci--鉆鋌內(nèi)壓耗，Mpa；

Lc--鉆鋌長度，m；

dci--鉆鋌內(nèi)徑，cm。（5）鉆鋌外環(huán)空壓耗式中：Δpca--鉆鋌外環(huán)空壓耗,Mpa；

dc--鉆鋌外徑，cm。三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算公式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計51鉆桿內(nèi)壓耗鉆桿外壓耗鉆桿內(nèi)外壓耗三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算公式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計Kp：鉆桿內(nèi)外壓耗系數(shù)52鉆鋌內(nèi)壓耗鉆鋌外壓耗鉆鋌內(nèi)外壓耗三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算公式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計Kc：鉆鋌內(nèi)外壓耗系數(shù)53地面管匯壓耗三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算公式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計Kg：地面管匯壓耗系數(shù)則整個循環(huán)系統(tǒng)的壓耗公式為：其中，KL=Kg+Kp+Kc成為整個循環(huán)系統(tǒng)的壓耗系數(shù)。54地面管匯壓耗：Pg=KgQ1.8鉆桿內(nèi)外壓耗：Pp=KpQ1.8鉆鋌內(nèi)外壓耗：Pc=KcQ1.8循環(huán)壓耗：Pl=Pg+Pp+Pc=(Kg+Kp+Kc)Q1.8=Kl

Q1.8

可將壓耗系數(shù)作進一步變化，將其分成兩部分：與井深有關的部分和與井深無關的部分，即：Kp=mLp=m(L-Lc)三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算公式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計55令則得到分析m和a可以看出，當?shù)孛婀軈R、鉆具結構和鉆井液性能確定以后，m和a基本上可以看作是常數(shù)。循環(huán)系統(tǒng)的壓耗系數(shù)隨井深的增加而增大。最終的管路循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算公式為三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算公式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計56壓耗計算注意事項：管內(nèi)應區(qū)分不同的管徑分別計算，按管的內(nèi)徑的大小分成若干段。如鉆桿、鉆鋌、加重鉆桿。環(huán)形空間按井眼尺寸、鉆具外徑的不同將整個環(huán)形空間劃分成若干段，每一段分別計算。井眼較小時，應考慮接頭變化對壓耗的影響。三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算公式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計Lc1、Dc1

、dci1Lci、Dci

、dciiLp1、Dp1

、dp1Lpi、Dpi

、dpi57（四）提高鉆頭水力參數(shù)的主要途徑：鉆頭壓力降計算公式：式中：Kb為鉆頭壓降系數(shù)。三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__提高鉆頭水力參數(shù)的主要途徑第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計提高泵壓ps和泵功率Ps。降低循環(huán)系統(tǒng)壓耗系數(shù)KL增大鉆頭壓降系數(shù)Kb優(yōu)選排量Q581、提高泵壓ps和泵功率Ps

提高泵壓和泵功率，可以提高水力能量的總體水平。但提高泵壓和泵功率要受到井隊設備配置和物資基礎條件的限制。第一階段：13-15MPa第二階段：17-18MPa第三階段：20-22MPa三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__提高鉆頭水力參數(shù)的主要途徑第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計592、降低循環(huán)系統(tǒng)壓耗系數(shù)KL降低泥漿密度降低泥漿粘度適當增大泥漿過流面積對壓耗系數(shù)影響最顯著的是管路內(nèi)徑，在可能的條件下應使用較大直徑的或內(nèi)平的鉆桿。三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__提高鉆頭水力參數(shù)的主要途徑第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計603．增大鉆頭壓降系數(shù)Kb增大，增大井底壓力和循環(huán)壓耗，不可取。減小C,減小了能量轉換效率，實際上增大了噴嘴處的能量損耗，不可取。減小A0,顯著增大Pb,但A0的減小有一定的限度，A0過小會造成泵壓過高，這也是噴射鉆井需要提高泵壓的根本原因。

三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__提高鉆頭水力參數(shù)的主要途徑第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計唯一有效的途徑減小噴嘴直徑。614、優(yōu)選排量增大排量，會使循環(huán)壓耗和鉆頭壓降同時增大。事實上，可以對排量進行優(yōu)選，使射流水力沖擊力或鉆頭水功率達到最大。在一口井鉆井以前，就對鉆井每個井段的泥漿泵工作參數(shù)（排量、泵壓、泵功率等），鉆頭和射流水力參數(shù)（噴速、沖擊力、鉆頭水功率等）進行設計和安排。三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計算__提高鉆頭水力參數(shù)的主要途徑第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計水力程序設計的主要任務在于確定泥漿排量Q和選擇噴嘴直徑de621、鉆井泵的性能參數(shù)泵的額定功率Pr：鉆井泵的最大輸出功率稱為泵的額定功率；泵的額定泵壓pr：每一種鉆井泵都有幾種直徑不同的缸套，每種缸套都有一定的允許壓力，稱為使用該缸套時的額定泵壓；泵的額定排量Qr：在額定泵功率和額定泵壓時的排量，稱為泵的額定排量；泵的額定沖數(shù)Nr：額定排量時的泵沖數(shù)為泵的額定沖數(shù)。關系：四、鉆井泵的工作特性第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計63第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計二、水功率傳遞的基本關系64四、鉆井泵的工作特性第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計Q<Qr額定泵壓工作狀況Q>Qr額定功率工作狀況652、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)：鉆井泵的實際工作狀態(tài)取決于所選缸套的大?。褐挥挟敱门帕康扔陬~定排量時，鉆井泵才能同時達到額定輸出功率和額定泵壓，因此，應盡量選用額定排量與實際排量相近的缸套。第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計四、鉆井泵的工作特性661、優(yōu)選標準：目標：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)其中，所以可選其中的作為優(yōu)選標準。五、水力參數(shù)優(yōu)選的標準第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計67各水力參數(shù)隨排量的變化規(guī)律：由曲線可知：選擇一個排量不能使四個參數(shù)同時達到最大，那么究竟按照什么標準來優(yōu)選排量呢？

三種選擇方式：

以為標準選排量稱為最大水功率工作方式以為標準選排量稱為最大沖擊力工作方式以為標準選排量稱為最大噴射速度工作方式第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計五、水力參數(shù)優(yōu)選的標準最大鉆頭水功率最大射流沖擊力681、獲得最大鉆頭水功率的條件：當鉆井泵處在額定泵功率狀態(tài)時額定泵功率狀態(tài)：（Ns=Nr)Q減小，Nb增大，故Q應盡可能小,理論上Q越小越好，但最小Q=Qr。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：六、最大鉆頭水功率第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計69當鉆井泵處在額定泵壓狀態(tài)時，ps=pr則鉆頭水功率可表示為令求得最優(yōu)排量為由于該最優(yōu)排量時的所以該最優(yōu)排量對應的就是鉆頭水功率的最大值。進一步變化上式可得六、最大鉆頭水功率第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計70

1、獲得最大鉆頭水功率的條件：

當鉆井泵處在額定泵功率狀態(tài)時，獲得最大鉆頭水功率的條件是：當鉆井泵處在額定泵壓狀態(tài)時，獲得最大鉆頭水功率的條件是：關鍵是優(yōu)選排量滿足以上壓降分配關系。六、最大鉆頭水功率第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計712.鉆頭水功率隨排量和井深的變化規(guī)律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：六、最大鉆頭水功率第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計泵功率工作狀況泵壓工作狀況721-2：D≤DPc時，額定泵功率狀態(tài)2-3：DPc≤D<DPc，額定泵壓狀態(tài)3-4：D<DPa

，既非額定泵功率狀態(tài)也非額定泵壓狀態(tài)Qa為滿足攜帶巖屑所需要的最小排量。六、最大鉆頭水功率第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計73由于當D=Dpc時,最優(yōu)排量Qopt=Qr同時還應滿足式（4-92），因而可求的第一臨界井深（鉆井泵由額定功率工作方式向額定泵壓工作方式的轉折點）為當井深D=Dpa時,最優(yōu)排量Qopt=Qa同時也還應滿足式（4-92），由此可求得第二臨界井深為六、最大鉆頭水功率第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計743、最優(yōu)噴嘴直徑的確定鉆頭水功率能否達到最大，還取決于鉆頭噴嘴直徑的大小，因為噴嘴直徑的大小決定了鉆頭上的壓力降，從而決定泵的工作壓力。當最優(yōu)排量確定以后，最優(yōu)噴嘴直徑的確定取決于最大鉆頭水功率條件下的鉆頭壓降Δ

pb,,鉆頭壓力降計算公式為六、最大鉆頭水功率第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計75當時，

當時，當時，六、最大鉆頭水功率第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計當D≤DPC時，噴嘴直徑應隨井深的增加而逐漸增大；當Dpc<D≤Dpc時，噴最直徑應隨徑深得增加而逐漸減?。划擠>Dpa時，噴嘴直徑則又隨井深逐漸增大。761、獲得最大射流沖擊力的條件：

在額定功率工作狀態(tài)下，式（4-89）可變?yōu)椋河?，得。這是在理論上推出的額定功率狀態(tài)下獲得最大射流沖擊力的條件。但在實際工作中，要求Q>Qr是不合適的，因為要求泵沖數(shù)超過額定沖數(shù)，這對泵的工作是利的。因此，在額定泵功率狀態(tài)下，實際上是以Q=Qr作為最優(yōu)條件的。七、最大射流沖擊力第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計771、獲得最大射流沖擊力的條件：

在額定泵壓工作狀態(tài)下，式（4-89）可變?yōu)椋河?，可得額定泵壓狀態(tài)下獲得最大射流沖擊力的條件。七、最大射流沖擊力第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計78

1、獲得最大射流沖擊力的條件：

當鉆井泵處在額定泵功率狀態(tài)時，獲得最大射流沖擊力的條件是：當鉆井泵處在額定泵功率狀態(tài)時，獲得最大射流沖擊力的條件是：

七、最大射流沖擊力第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計792、最大射流沖擊力隨排量和井深的變化規(guī)律將代入

在額定功率工作狀態(tài)下

在額定泵壓工作狀態(tài)下則有當時，當時，七、最大射流沖擊力第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計80第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計七、最大射流沖擊力

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>,這對泵的工作不利，實際工作取

12345。81由于當D=Dpc時,最優(yōu)排量Qopt=Qr同時還應滿足式（4-104），因而可求的第一臨界井深為當井深D=Dpa時,最優(yōu)排量Qopt=Qa同時也還應滿足式（4-104），由此可求得第二臨界井深為七、最大射流沖擊力第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計823、最優(yōu)噴嘴直徑的確定當最優(yōu)排量確定以后，最優(yōu)噴嘴直徑的確定取決于最大鉆頭水功率條件下的鉆頭壓降Δ

pb,,鉆頭壓力降計算公式為七、最大射流沖擊力第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計83當時，當時，當時，七、最大射流沖擊力第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計當D≤DPC時，噴嘴直徑應隨井深的增加而逐漸增大；當Dpc<D≤Dpc時，噴最直徑應隨徑深得增加而逐漸減??；當D>Dpa時，噴嘴直徑則又隨井深逐漸增大。841、確定最小排量Qa；2、計算不同井深時的循環(huán)系統(tǒng)壓耗系數(shù)；3、選擇缸套直徑；4、排量、噴嘴直徑及各項水力參數(shù)的計算和確定。八、水力參數(shù)優(yōu)化設計第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計851、確定最小排量Qa

最小排量是指鉆井液攜帶巖屑所需要的最低排量。

最小環(huán)空返速通常用現(xiàn)場工作經(jīng)驗和經(jīng)驗公式確定。根據(jù)經(jīng)驗公式為：

式中：va—最低環(huán)空返速，m/s；

ρd—鉆井液密度，m/cm3；

dh—井深，cm.八、水力參數(shù)優(yōu)化設計第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計86根據(jù)巖屑舉升效率：

巖屑舉升效率（巖屑運載比）指巖屑在環(huán)空中的實際上返速度與鉆井液在環(huán)空的上返速度之比。

式中：KS—巖屑舉升效率，無因次；

Va—鉆進液在環(huán)空得平均上返速度，m/s

；

Vs—巖屑在環(huán)空的實際上返速度，m/s

在工程上為了保持鉆進過程產(chǎn)設巖屑與井口返出量相平衡，一般要求Ks≥0.5。因此，在用經(jīng)驗共式確定了最低環(huán)空返速以后，還應對巖屑舉升效率進行及計算，以確信Ks≥0.5

八、水力參數(shù)優(yōu)化設計第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計87八、水力參數(shù)優(yōu)化設計第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計

若，則需要適當調(diào)整鉆井液性能可適當調(diào)整最低環(huán)空返速的值，以確保882、計算不同井深時的循環(huán)系數(shù)壓耗系數(shù)將全井分為若干個井段，用每個井段最下端處的井深作為計算井深。八、水力參數(shù)優(yōu)化設計第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計892、計算不同井深時的循環(huán)系數(shù)壓耗系數(shù)

八、水力參數(shù)優(yōu)化設計第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計903、選擇缸套直徑確定額定泵壓、排量、功率鉆井泵的每一級缸套都有一個額定排量，在所先缸套的額定排量Qr大于攜帶巖屑所需的最小排量Qa的前提下，盡量選用小尺寸缸套。缸套直徑確定以后，Pr、Qr、pr三個額定參數(shù)就確定了。需要注意的是：應根據(jù)所選用缸套的允許壓力和整個循環(huán)系統(tǒng)耐壓能力的最小值，確定鉆井過程中鉆井泵的最大許用壓力pr

。八、水力參數(shù)優(yōu)化設計第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計原則：1）盡可能選擇額定排量與實際排量接近的缸套；

2）缸套的工作壓力不能超過循環(huán)系統(tǒng)的耐壓能力。914、排量、噴嘴直徑及各項水力參數(shù)的計算和計算優(yōu)選標準計算第一、第二臨界深度計算排量Q和噴嘴直徑d計算射流參數(shù)（射流噴射速度vj、射流沖擊力Fj

）鉆頭水力參數(shù)（鉆頭壓力降Δpb、鉆頭水功率Pb）結果列表八、水力參數(shù)優(yōu)化設計第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計最大鉆頭水功率最大射流沖擊力921、確定最小排量Qa；2、計算不同井深時的循環(huán)系統(tǒng)壓耗系數(shù)；3、選擇缸套直徑；4、排量、噴嘴直徑及各項水力參數(shù)的計算和確定。八、水力參數(shù)優(yōu)化設計第一節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設計93影響鉆進速度、成本、質(zhì)量的因素：Impactofdrillingspeed,cost,qualityfactors地層巖性Lithology強度Strength

、硬度hardness

、研磨性abrasive

、可鉆性drillability鉆井液性能DrillingPerformanceofmud密度Density

、固相含量solidcontent

、粘度viscosity

、失水鉆頭Bittypeandstructure類型及結構水力參數(shù)hydraulicparameters泵壓pumppressure、排量displacement、噴嘴直徑nozzlediameter鉆井機械參數(shù)mechanicalparameters鉆壓WOB、轉速Rotatespeed第六章鉆進參數(shù)優(yōu)選94不可控因素Uncontrollablefactors

：是指客觀存在的因素。

客觀因素(固定參數(shù))：地質(zhì)條件巖層性質(zhì)（巖石可鉆性、致密性，地層對鉆壓轉速的敏感指數(shù)）鉆井深度（儲層埋藏深度）

…地層壓力特點：不能任意改變。第六章鉆進參數(shù)優(yōu)選Features:Youcannotbechangedarbitrarily.95

可控因素Controllablefactors

：指通過一定的設備和技術手段可進行人為調(diào)節(jié)的因素。

主觀因素(可調(diào)參數(shù))鉆井液性能和流變性參數(shù)機械參數(shù)：鉆壓、轉速、鉆頭類型水力參數(shù)：泵型選擇、泵壓、排量和水眼組合。具體如鉆井液密度、粘度，鉆頭磨損...特點：可調(diào)節(jié)的、可變化的。第六章鉆進參數(shù)優(yōu)選Features:Adjustable,itmaychange.96

鉆進參數(shù)：指表征鉆進過程中的可控因素所包含的設備、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、轉速、泵壓、排量、鉆頭噴嘴直徑、鉆頭水功率等。

鉆進參數(shù)優(yōu)選：指在一定的客觀條件下，根據(jù)不同參數(shù)配合時各因素對鉆進速度的影響規(guī)律，采用最優(yōu)化方法，選擇合理的鉆進參數(shù)配合，使鉆進過程達到最優(yōu)的技術和經(jīng)濟指標。在鉆進過程中，質(zhì)量最好、速度最快、成本最低。第六章鉆進參數(shù)優(yōu)選97主觀因素：

有較大的可變化性，而不同的鉆進參數(shù)，所產(chǎn)生的鉆進效果是不同的，因此，應優(yōu)選這些參數(shù)的變化范圍，以獲得預期的鉆進效果。

泥漿參數(shù)————泥漿設計水力參數(shù)————噴射鉆井機械參數(shù)————主要目標第六章鉆進參數(shù)優(yōu)選98優(yōu)化的基本目標：Basicobjectivesoftheoptimization

鉆井工程的總目標:以最低的成本鉆出高質(zhì)量的井眼.Theoverallobjectiveofdrillingengineering:

Atthelowestcosthigh-qualityboreholedrilled.

鉆頭單位進尺成本：Drillbitunitfootagecosts鉆頭成本，元；鉆井單位時作業(yè)費，元；鉆頭鉆進時間，h；起下鉆和接單根時間，h

；鉆頭進尺，m

；第六章鉆進參數(shù)優(yōu)選99確定優(yōu)化目標Determinetheoptimaltarget用最優(yōu)化方法確定出各參數(shù)應滿足的條件的范圍建立影響因素與優(yōu)化目標之間的數(shù)學模型（目標函數(shù)）確定影響目標的主要因素和影響規(guī)律鉆速ROP每米成本Costpermeter優(yōu)選步驟第六章鉆進參數(shù)優(yōu)選Optimizationsteps100

優(yōu)選步驟確定優(yōu)化目標用最優(yōu)化方法確定出各參數(shù)應滿足的條件的范圍建立影響因素與優(yōu)化目標之間的數(shù)學模型（目標函數(shù)）確定影響目標的主要因素和影響規(guī)律鉆頭類型影響Drilltypeofimpact

水力參數(shù)對鉆速影響Hydraulicparametersontheimpactofdrillingspeed

鉆井液性能對鉆速影響Impactofdrillingfluidperformanceofdrillingspeed鉆壓、轉速對鉆速影響WOB,rotationalspeedoftheimpactofdrillingspeed第六章鉆進參數(shù)優(yōu)選Determinetheimpactoftheprincipalfactorsandimpactofthelaw101

優(yōu)選步驟確定優(yōu)化目標用最優(yōu)化方法確定出各參數(shù)應滿足的條件的范圍建立影響因素與優(yōu)化目標之間的數(shù)學模型（目標函數(shù)）確定影響目標的主要因素和影響規(guī)律鉆速=f(鉆壓、轉速）ROP=f(WOB,rotationalspeed)鉆速=f(泥漿密度）ROP=f(slurrydensity)鉆速=f(泥漿粘度）ROP=f(slurryviscosity)鉆速=f(多因素...）ROP=f(multi-factor...)成本=f(……)Cost=f(......)第六章鉆進參數(shù)優(yōu)選Establishmentofmathematicalmodel

(objectivefunction)betweenInfluencingfactorsandoptimizationobjectives102

優(yōu)選步驟確定優(yōu)化目標用最優(yōu)化方法確定出各參數(shù)應滿足的條件的范圍建立影響因素與優(yōu)化目標之間的數(shù)學模型（目標函數(shù)）確定影響目標的主要因素和影響規(guī)律求極值法Seekingextremevaluemethod最小二乘法Least-squaresmethod線性規(guī)劃LP…...第六章鉆進參數(shù)優(yōu)選Identifythescopeoftheconditionstobemetwiththeoptimizationmethod103第六章鉆進參數(shù)優(yōu)選鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系

FundamentalrelationshipofDrilling

parameters104一、影響鉆速的主要因素__鉆壓ThemainfactorsaffectingROP鉆壓與鉆速關系曲線鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系1、鉆壓對鉆速的影響TheimpactofWOBonROPABC105鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系分析：a.不同鉆壓范圍，鉆速與鉆壓呈不同的變化關系

0--A: 與P的平方成正比

A--B: 線性關系

B--C: 逐漸降低，趨于不變b.

通用鉆壓范圍：A-B段c.鉆壓與鉆速的關系：

M——門限鉆壓，相當于牙齒開始壓入巖層時的鉆壓，與巖層性質(zhì)有關。一、影響鉆速的主要因素__鉆壓106一、影響鉆速的主要因素__轉速轉速與鉆速關系曲線2、轉速對鉆速的影響TheimpactofrotationalspeedonROP鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系107分析：

a.凈化情況和巖石性質(zhì)不同，轉速影響規(guī)律不同

b.轉速與鉆速的關系：稱為轉速指數(shù)，一般小于1，數(shù)值大小主要與巖層性質(zhì)有關，極軟地層=1隨巖石硬度的增大，值減小。一、影響鉆速的主要因素__轉速鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系1083、牙齒磨損對鉆速的影響TheimpactoftoothwearonROP現(xiàn)象：

試驗中，即使巖性均勻一致，鉆壓、轉速和其它參數(shù)不變，鉆速也會隨工作時間的增加而下降。原因：

鉆頭牙齒磨損，工作效率下降。一、影響鉆速的主要因素__牙齒磨損鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系109一、影響鉆速的主要因素__牙齒磨損牙齒磨損與鉆速關系曲線鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系110鉆速與牙齒磨損的關系：Relationshipbetweenrotationalspeedandtoothwear

牙齒磨損系數(shù)，與牙齒特性及巖層性質(zhì)有關牙齒磨損量，以牙齒的相對磨損高度表示， 新齒時：h=0,全部磨損h=1一、影響鉆速的主要因素__牙齒磨損sH鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系111

前面通過試驗確定了鉆壓、轉速、牙齒磨損單因素對鉆速的影響規(guī)律。

V=f1(W)V=f2(n) V=f3(h)

假設鉆壓、鉆速和牙齒磨損量都是互不影響的獨立變量，則可以乘子式結合起來三參數(shù)對鉆速的綜合影響：

V=f1(W)?f2(n)?f3(h)二、鉆速方程Drillingspeedequation鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系112引入比例系數(shù)，形成一個完整的鉆速模式

K--巖石可鉆性系數(shù)，與巖石硬度、鉆頭類型及泥漿 性能等因素有關此式即是楊格于1969年提出的楊格鉆速模式。不巖層特性、鉆頭類型、以及深層次性能和水力參數(shù)一定時，K、M、λ、C2都是固定不變的常量，可由釋放鉆壓法等腰三角形鉆進試驗和鉆頭資料確定。二、鉆速方程鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系1134、水力因素對鉆速的影響TheimpactofhydraulicfactorsonROP

及時有效地把鉆頭破巖產(chǎn)生的巖屑清離井底，避免巖屑的重復破碎，是提高鉆速的一項重要手段。

水力因素Hydraulicfactors

：表征鉆頭及射流水力特性的參數(shù)統(tǒng)稱為水力因素。水力因素的總體指標：通常用井底單位面積上的平均水功率(稱為比水功率)來表示。通常用井底單位面積上的平均水功率（稱為比水功率）來研究水力因素對鉆速的影響規(guī)律。一、影響鉆速的主要因素__水力因素鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系114鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系水力因素主要從以下兩個方面影響鉆速：（1）水力凈化井底Bottomwaterpurification

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。其含義為實際鉆速與凈化完善時的鉆速之比。水力凈化系數(shù)：井底完全凈化后，=1，否則，<1.一、影響鉆速的主要因素__水力因素井底比水功率與鉆速關系曲線115凈化完善時所需的比水功率：（2）水力輔助破巖Auxiliaryhydraulicrockbreaking

井底比水功率越大，輔助破巖能力越強，鉆速越快。主要表現(xiàn)為使鉆壓與鉆速關系中的六限鉆壓降低。一、影響鉆速的主要因素__水力因素井底比水功率與鉆速關系曲線鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系1165、鉆井液性能對鉆速的影響Performanceofdrillingfluidvelocityimpact

鉆井液性能是影響系統(tǒng)目標的重要可調(diào)變量。大量實驗證明，鉆井液的各性能對鉆速都有一定影響，其中對鉆速影響較大的鉆井液性能主要是：密度固相含量及分散性粘度失水，尤其是初失水含油量一、影響鉆速的主要因素__鉆井液性能鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系117

（1）鉆井液密度對鉆速的影響Influencesofdrillingfluiddensityonthedrillingspeed

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)生一個正壓差。在正壓差作用下，井底巖屑難以離開井底，造成重復破碎現(xiàn)象，鉆速降低。此現(xiàn)象稱為壓持效應Effectofpressureholding一、影響鉆速的主要因素__鉆井液性能鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系118一、影響鉆速的主要因素__鉆井液性能井底壓差與鉆速關系曲線鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系119實際鉆速與零壓差條件下得鉆速之比成為壓差影響系數(shù)，用Cp來表表示。即一、影響鉆速的主要因素__鉆井液性能鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系120（2）鉆井液粘度對鉆速的影響鉆井液粘度增大，將使循環(huán)壓力增大，鉆頭水馬力相應減少；同時環(huán)空循環(huán)壓力增大，相當于增大了鉆井液密度；再有使鉆頭噴嘴紊流粘度相應升高，不利于鉆頭對井底的清洗和沖擊作用。這一系列效果的迭加，導致了鉆速降低。一、影響鉆速的主要因素__鉆井液性能鉆井液粘度與鉆速關系曲線鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系Influencesofdrillingfluidviscosityonthedrillingspeed121（3）鉆井液固相含量及分散性對鉆速的影響Influencesofsolidcontentanddispersiononthedrillingspeed

鉆井液固相含量增大，機械鉆速降低。鉆井液固相含量對鉆速有較大影響。在一般情況下，鉆井液中固相含量每降低1％，鉆速可以提高10％左右。為此必須嚴格控制鉆井液內(nèi)固相含量，一般應低于4％為宜。

一、影響鉆速的主要因素__鉆井液性能固相含量對鉆井指標的影響鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系122鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系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，對鉆速的影響越大。

在固相含量相同的情況下，固相在鉆井液中的狀態(tài)不同，也會出現(xiàn)不同的鉆速。一般在4％的固相含量條件下，不分散鉆井液比分散鉆井液鉆速提高將近1倍。一、影響鉆速的主要因素__鉆井液性能固相含量及分散性對鉆速的影響123鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系楊格于1969年提出的楊格鉆速模式ThedrillingspeedmodeYoungproposedin1969

此后有人在楊格模式中引入了考慮井底壓差和水力參數(shù)影響的修正系數(shù)，便成目前廣泛采用的修正楊格模式，即鉆速方程

CP——壓差影響系數(shù)，一般取1；

CH——水力參數(shù)影響系數(shù)，一般取1。二、鉆速方程124牙輪鉆頭的磨損形式：Thewearandtearformofrockbit牙齒磨損Toothwear軸承磨損Bearingwear直徑磨損Diameterwear三、鉆頭磨損方程鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系125鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系1、牙齒磨損速度方程（1）鉆壓對牙齒磨損速度的影響牙齒磨損速度隨鉆壓的增大而增大，當鉆壓增大到某一極值時，牙齒磨損速度趨于無窮大。

Z1、Z2稱為鉆壓影響系數(shù)，其值與牙輪鉆頭尺寸有關。三、鉆頭磨損方程__牙齒磨損速度方程單位時間內(nèi)牙齒的相對磨損高度牙齒磨損速度與鉆壓的關系曲線ToothwearrateequationDrillingbitwearequation126三、鉆頭磨損方程__牙齒磨損速度方程鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系鉆頭直徑/mmZ1Z21590.01985.51710.01875.62000.01675.942200.01606.112440.01486.382510.01466.442700.01396.683110.01317.153500.01247.56鉆壓影響系數(shù)單位時間內(nèi)牙齒的相對磨損高度牙齒磨損速度與鉆壓的關系曲線127（2）轉速對牙齒磨損速度的影響增大鉆速，牙齒磨損速度加快。

a1和a2是由鉆頭類型決定的系數(shù)。三、鉆頭磨損方程__牙齒磨損速度方程轉速與牙齒磨損速度關系曲線鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系128三、鉆頭磨損方程__牙齒磨損速度方程鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系129（3）牙齒磨損狀況對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。

C1稱為牙齒磨損減慢系數(shù)，與鉆頭類型有關，其數(shù)值見表4-2。三、鉆頭磨損方程__牙齒磨損速度方程牙齒磨損量與牙齒磨損速度關系曲線鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系130

前面通過試驗確定了鉆壓、轉速、牙齒磨損單因素對牙齒磨損速度的影響規(guī)律。

dh/dt=f1(W) dh/dt=f2(n) dh/dt=f3(h)

假設鉆壓、鉆速和牙齒磨損狀況都是互不影響的獨立變量，則可以乘子式結合起來三參數(shù)對牙齒磨損速度的綜合影響：

dh/dt=f1(W)?f2(n)?f3(h)三、鉆頭磨損方程__牙齒磨損速度方程鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系131

根據(jù)以上各關系式，可以建立牙齒磨損速度與各影響因素的綜合關系式：在上式中引入一個比例系數(shù)Af（地層研磨性系數(shù)。需要根據(jù)現(xiàn)場鉆頭資料統(tǒng)計計算確定），可將上式寫成等式的牙齒磨損速度方程：牙輪鉆頭軸承工作系數(shù)用B表示，新鉆頭時，B=0,軸承全部磨損時，B=1。軸承磨損速度用軸承磨損量對時間的微分dB/dt表示。軸承磨損速度方程：式中，b稱為軸承工作系數(shù)，它與鉆頭類型和鉆井液性能有關，應有現(xiàn)場實際資料確定。三、鉆頭磨損方程__牙齒磨損速度方程鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系132鉆速方程：Drillingspeedequation牙齒磨損速度方程：toothwearrateequation軸承磨損速度方程：bearingwearrateequation鉆速方程的系數(shù)：MindexesofROP：M

三、鉆頭磨損方程__牙齒磨損速度方程鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系133ABC四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系兩檔轉速：三擋轉速：DeterminationoftheCoefficientofintheequation134四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定五點法鉆速試驗鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系135

1、M和的確定——五點法鉆速試驗

（1）基本思路保持鉆壓和鉆速方程中的其它參數(shù)恒定，采用兩種轉速和鉆進同一地層，可得到兩個不同鉆速值，代入鉆速方程，聯(lián)立求解轉速指數(shù)。保持鉆速和轉速方程中的其它參數(shù)恒定，采用兩種鉆壓和鉆進同一地層，可得到兩個不同鉆速值，代入鉆速方程，聯(lián)立求門限鉆壓M。四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系五點法鉆速試驗136四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系（2）試驗條件試驗中鉆井液性能、水利參數(shù)恒定，一般取本地區(qū)常用值、不變，且避免水力因素變化對門限鉆壓M的影響。試驗井段或試驗時間盡可能的短，以保證試驗開始和結束時的牙齒磨損量和地層巖性相差很小。

137四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系（3）試驗步驟：準備：確定本地區(qū)鉆壓范圍（，）和轉速范圍（）以及平均鉆壓、平均轉速（）。第一步：用平均鉆壓和平均轉速（）鉆進1m或0.5m；記錄鉆速。第二步：用最小鉆壓和最小轉速（）鉆進1m或.5m；記錄鉆速。第三步:

鉆壓不變，用最大轉速（）鉆進1m或0.5m；記錄鉆速。138四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系第四步：轉速不變，用最大鉆壓（）鉆進1m或0.5m；記錄鉆速。第五步：鉆壓不變，用最小轉速（）鉆進1m或0.5m；記錄鉆速。第六步：用平均鉆壓和平均鉆速（）鉆進1m或0.5m；記錄鉆速。

139四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定實測點序號鉆壓kN轉速(r?min-1)鉆時(s?m-1)鉆速(m?h-1)1W0n0Δt1

vpc12WminnminΔt2vpc23WminnmaxΔt3vpc34WmaxnmaxΔt4Vpc45WmaxnminΔt5vpc56W0n0Δt6vpc6五點法鉆速試驗記錄五點法鉆速試驗鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系140（4）M、計算修正楊格模式____鉆速方程由2、5兩點得試驗數(shù)據(jù)可得該試驗轉速下的門限鉆壓M1。

四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定五點法鉆速試驗鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系141

由3、4兩點得試驗數(shù)據(jù)可得該試驗轉速下的門限鉆壓M2。取的M1、M2平均值即為該地層的門限鉆壓值M。四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系142修正楊格模式____鉆速方程由2、3兩點得試驗數(shù)據(jù)可得該試驗轉速下的門限鉆壓λ1。

四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定五點法鉆速試驗鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系143

由4、5兩點得試驗數(shù)據(jù)可得該試驗轉速下的門限鉆壓λ2。取的λ1、λ

2平均值即為試驗地層各轉速指數(shù)λ

。四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系144四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系（5）試驗有效性驗證（地層差別驗證）

若地層完全相同，

實際要求：鉆速方程的系數(shù)：M

1452、地層可鉆性系數(shù)的確定coefficientofdeterminationoftoothwear

修正楊格模式____鉆速方程根據(jù)新鉆頭的試鉆資料（開始鉆進時的鉆速，各項鉆進參數(shù)）

，此時牙齒磨損量ｈ＝０，由鉆速方程式可得

四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__地層可鉆性系數(shù)KR的確定鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系146四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系3、牙齒磨損系數(shù)的確定假定在鉆進的過程中巖石性質(zhì)基本不變，各項鉆進參數(shù)又基本保持一致，起出鉆頭的牙齒磨損量為hf,開始鉆進和起鉆時的鉆速分別為Vpco和Vpcf

修正楊格模式____鉆速方程因開始鉆進時的牙齒磨損量ｈ0=0，則

147四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系4、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。

148

5、巖石研磨性系數(shù)的確定牙齒磨損速度方程：四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__牙齒磨損系數(shù)C2的確定鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系根據(jù)鉆頭類型及其應影響系數(shù)，鉆進過程的平均鉆壓、轉速和鉆頭工作時間，以及起出鉆頭的牙齒的牙齒磨損量，便可求出該鉆井過程內(nèi)的巖石研磨性系數(shù)Af。149四、鉆進方程中有關系數(shù)的確定__門限鉆壓M和轉速指數(shù)λ的確定鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系牙齒磨損速度方程：軸承磨損速度方程：磨損方程系數(shù)：b1、鉆壓影響系數(shù)

取值與牙輪鉆頭的尺寸有關，由臺架實驗確定，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，由臺架實驗。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)場實鉆資料，根據(jù)軸承磨損方程確定。150本節(jié)重點：

1、鉆速方程：

2、鉆頭磨損方程①牙齒磨損方程

②軸承磨損方程鉆井過程是各參數(shù)間的基本關系M,,,,,b可計算求得可查表求得151第四章鉆進參數(shù)優(yōu)選第二節(jié)機械破巖鉆進參數(shù)優(yōu)選152第二節(jié)機械破巖鉆進參數(shù)優(yōu)選

鉆井過程中的機械破巖參數(shù)主要包括鉆壓和轉速。

機械破巖參數(shù)優(yōu)選的目的是尋求一定的鉆壓、轉速參數(shù)配合，合鉆進過程達到最佳的技術經(jīng)濟效果