第5章 PDC钻头水力参数优化设计方法

第5章 PDC钻头水力参数优化设计方法
第5章pdc钻头水力参数优化设计方法
第五章PDC钻头水力参数优化设计方法
在机泵条件一定的情况下，水力参数优化设计的主要任务是确定钻头的喷嘴直径和钻
井泵的压力和排量。

5.1泵压和排量对PDC钻头机械钻速的影响
现场实践表明，泵压和排量对pdc钻头和牙轮钻头机械钻速的影响规律不同。

在泵功
率一定的条件下，对pdc钻头来说，排量对钻速的影响更为重要；而对牙轮钻头来说，泵
压对钻速的影响更为重要。

因此，pdc钻头趋向于使用较大排量和较低泵压，而牙轮钻头
则趋向于使用较高泵压和较低排量。

在相同地层用相同尺寸钻头钻进，pdc钻头所用排量
一般比牙轮钻头高5~10l/s，而泵压一般低2~3mpa。

图5-1和图5-2显示了通过现场数据统计分析得出的牙轮钻头和PDC钻头ROP和位移
之间的关系。

可以看出，PDC钻头的机械钻速随排量的增加几乎呈线性增加。

对于牙轮钻头，当位移超过一定值（25L/s）时，机械钻速几乎不会增加。

1025820156410机械钻速/m/h2图5-1排量对牙轮钻头钻速的影响图55-1排量对pdc
钻头钻速的影响00泵压和排量对牙轮钻头和pdc钻头的影响不同，是因为两种钻头的破
岩机0510152025303540252627282930313233理和结构不同。

排量/l/s排量/l/s牙轮钻头
主要以冲击压碎的方式破碎岩石，在井底形成裂纹发育的破碎坑穴（图5-3），故需要的
较大的水功率来清除破碎坑内的岩屑。

而且，射流水功率越大，辅助破碎岩石的效果越好。

然而，牙轮钻头的喷嘴距井底较远，射流能量衰减严重，故需要较高的泵压（钻头压降）
来补偿射流能量损失。

图5-3牙轮钻头的破岩作用图5-3 PDC钻头的破岩作用
pdc钻头的喷嘴距井底只有30~40mm，一般小于射流等速核长度（等速核长度约为喷
嘴当量直径的4.8~5倍），射流能量可以得到有效利用。

pdc钻头是以切削作用破碎岩石，岩屑直接被剥离井底，破岩效率高。

因此，使岩屑离开井底原位置并不困难，关键问题是
有效地将岩屑清离井底。

这就需要较高的排量，以形成足够大的漫流速度来保证井底净化
充分。

2pdc钻头的ROP/M/H5最佳位移
要提高pdc钻头的水力作用效果，应从以下两方面考虑：（1）提高射流水力功率，
以获得最大的射流辅助破岩效果；（2）提高井底漫流水功率，以获得最佳的井底净化效果。

射流水功率可表示为：
新泽西州？c2？pbq（5-1）
根据钻井水功率传递关系，有：
（5-2）? PB附言klq1。

86
将（2）式代入（1）式得：
新泽西州？c2q（ps？klq1.86）（5-3）
研究表明，井底漫流速度与排量及钻头压降有如下关系：
虚拟机？fmq？PB
（5-4）
底部溢流水功率可按下式计算：
nm?fm?q2?pb（5-5）
将等式（5-2）替换为等式（5-5）：
nm?fm?q2ps?klq1.86
（5-6）
利用拉格朗日乘数法构造函数：
h（q，ps）？nj（q，ps）？？f（q，ps）
（5-7）
包括：（5-8）
解方程组：
?? h/？Q0小时/？附言0 f（q，p）？0秒？f（q，ps）？？纳米（q，ps）？
2.PB0.93klq1。

86
?q
（5-9）
可得：（5-10）
? PB0.908klq1。

86
将（5-10）式代入（5-2）式得：
附言1.908klq1。

86（5-11）
11.86?ps?由（5-11）式可得：qopt???1.908k??（5-12）
L由式（5-12）得出的位移是同时获得最大射流水功率和最大溢流水功率的最佳位移。

可以看出，等式（5-12）与最大冲击力工作模式的最佳位移公式相同。

目前，国内外通常采用最大允许排量作为pdc的最优排量，即：
库普特？qmax（5-13）
5.3pdc钻头喷嘴直径的计算
根据钻头压降计算公式：
0.081?dq2?pb?c2de4（5-14）
可用：de？4（5-15）
将（5-2）式代入（5-15）式，得：
0.081? dq2de？42
c(ps?klq1.86)
0.081? dq22c？pb（5-16）
式（5-12）、（5-16）中的循环压耗系数kl可按下式计算：kl?md?n（5-17）
地点：（5-18）
m???0.8d0.2p?0.51655?0.57503??4.831.8?(dh?dp)(dh?dp)???dpi?
l3lc？l20。

80.2? l1？N0.51655? Dpv？？？？？d4。

8d4。

8d4。

8d4。

8.23ci？？
1.0.57503?? 0.8d0。

2pv？？信用证？mlc？31.8? （d？d）（d？d）chc？H
（5-19）
5.4 PDC钻头水力参数设计
pdc钻头水力参数设计步骤如下：
（1）确定最大泵压psmax和最大允许排量Qmax（2）确定钻头下入深度Di和钻井深度DT（3）计算循环压力消耗系数m，n
（4）利用（12）或（13）式计算最优排量qopt
?? psqopt？？？1.908（md？n）？？T11.86还是qopt？最大尿流率
（5）利用（15）式计算钻头喷嘴当量直径de
（6）根据以下公式计算不同井深的泵压（排量恒定时）或最佳排量（泵压恒定时）：
0.081?dq2ps??(md?n)q1.8624cde设计举例：
建议使用8-1/2“PDC钻头在1000-2500m范围内钻井。

地面管汇内径76mm，长度20m；软管内径76mm，长度10m；方钻杆内径76mm，长度12m。

BHA:5”钻杆（内径108.6mm）
+6-1/4”钻铤（内径71.4mm）135米。

钻井液密度为1.15g/cm3，塑性粘度为30mpa。

最
大允许泵压为16MPa。

尝试设计PDC钻头的喷嘴直径和水力参数。

第一步，计算循环压耗系数m，n
?? 0.575030.80.20.51655m？？DP4.831.8? d（d？d）（d？d）？？pihphp？？？
0.51655? 0.57503? 1.150.8? 0.030.2???? 4.8(21.6?12.7)3? (21.6?12.7)1.8?? 10.86?
3.84? 10? 六
l3lc?l20.80.2?l1?n?0.51655?d?pv?????d4.8d4.8d4.8d4.8?23ci??1?lc0.80.2??0.57503
?d?pv??mlc31.8??(dh?dc)(dh?dc)?1012135??20?0.51655?1.150.8?0.030.2??????4.87.6 4.87.64.87.144.8??7.6??135?6?0.57503?1.150.8?0.030.2???3.84?10?135?31.8?(21.6? 15.875)?(21.6?15.87)??3.982?10?3
第二步是找到最佳位移qopt
??psqopt???1.908(md?n??t??11.86??15???1.908(3.84?10?6?2500?3.982?10?3)???3 0.6(l/s)??
第三步是计算钻头喷嘴的等效直径De
0.081?dq2de?42c(ps?klq1.86)?40.081?1.15?30.620.972?[15?(3.84?10?6?2500?3.982?1 0?3)?30.61.86]?1.9(cm)
第四步是水力计算
2500米，排量30.6l/s，泵压15mpa，钻头压降7.11mpa2000米，排量31.9l/s，泵
压15mpa；钻头压降7.73mpa
1000m排量33.3l/s泵压15MPa钻头压降8.42mpa
500米，排量34.9l/s，泵压15mpa，钻头压降9.52mpa。