第四章 钻进参数优选

二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程
4.牙齿磨损速度方程
dh dt (Z 2 Z1W )(1 C1h)
式中：Af 通称为地层研磨性系数。
Af (a1n a2 n3 )
5.轴承磨损速度方程
dB 1 1.5 W n dt b
式中：dB/dt—— 轴承磨损速度 b——轴承工作系数，与钻头类型与钻井液性能有关。
M
钻速与钻压的关系曲线
一、影响钻速的主要因素及钻速方程
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。
v pc n

λ—称为转速指数, 其大小与岩性 及井底净化程度 。 极软地层λ≈1，一般小于1， 岩石硬度增大，λ值减小。
一、影响钻速的主要因素及钻速方程
3.牙齿磨损量对钻速的影响
牙齿磨损速度随转速增大而加快。
dh ( a1n a2 n 3 ) dt
式中： a1和a2是由钻头类型决定的系数， 见表4-2。
二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程
3. 牙齿磨损量对牙齿磨损速度的影响
牙齿磨损速度随牙齿磨损量的增大而减小。
dh 1 dt 1 C1h
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。
第二节
钻进机械参数优选
三、求解满足约束的最优参数组合 1. 最优钻头磨损量的确定
给定钻压W、转速n，求最优磨损量，确定最佳起钻时间。
C 0 hf T h
2. 最优钻压、转速组合的确定
给定最优磨损量hf或Bf，确定不同转速下的最优钻压。
第三节
概述
水力参数优化设计
一、喷射式钻头的水力特性 二、水功率传递的基本关系 三、循环系统压耗的计算 四、钻井泵工作特性 五、水力参数优选标准 六、水力参数优化设计
（一）射流及其对井底的作用
1.射流及分类
射流——指通过管嘴或孔口的过水断面周界不与固体壁接触的液流。
射流分类：
非淹没射流—— ρ 射＞ρ 介， 淹没射流——ρ 射≤ρ 介， 自由射流——无固体边界限制 非自由射流——有固体边界 连续射流——射流内某一点压力(流速）保持平稳 脉冲射流——射流流束内压力（流速）不稳定，发生一定频率的 脉动 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 一般地，自钻头喷嘴射出的射流为淹没非自由连续射流。
第一节
钻进方程
一、影响钻速的主要因素及钻速方程 二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程
三、钻进方程有关系数的确定
三、钻进方程中有关系数的确定
钻进方程中与实钻条件相关的系数：
M K R C2
Af
b
基本方法：实钻资料反算法
利用新钻头钻速试验资料求取门限钻压、转速指数和地层可钻性系数。 利用该钻头的工作记录确定岩石研磨性、牙齿磨损、轴承工作系数。
三、循环系统压耗的计算
2. 摩阻系数 f
f F (流型、流态、管壁粗糙度、雷诺数）
对牛顿流体的紊流流动：
k f 0.2 Re
内平管：k = 0.053 贯眼式接头的钻杆和下套管井段的环空： k = 0.059 裸眼井段的环空： k = 0.062
管内流：
dv Re
环空流：
( d h d p )v Re
λ
第一节
钻进方程
一、影响钻速的主要因素及钻速方程 二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程
三、钻进方程有关系数的确定
二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程
影响钻头寿命的可控因素：
1. 钻头类型 2. 钻压 3. 转速 4. 牙齿磨损量
二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程
1. 钻压对牙齿磨损速度的影响
C H v pc v pcs
（2）水力破岩作用
井底比水功率越大，水力破岩作用效果越好，钻速越快。
一、影响钻速的主要因素及钻速方程
5.钻井液性能的影响
（1）井底压差
● 井底正压差越大，钻速越慢。 ● 压持效应： 在正压差作用下，井底岩屑难以离开井底， 造成重复破碎，使钻速降低的现象。
● 井底压差与钻速的关系： p
（二）射流水力参数
3. 射流水功率
Pj
0.05 d Q
2 A0
3
（工程单位制）
一、喷射式钻头的水力特性
(三）钻头水力参数
1. 钻头压力降 pb
钻井液流过钻头时的压力降。即喷嘴口与出口的压差。
pb
0.05 d Q 2
2 C 2 A0

0.081 d Q 2
4 C 2d ne
p1
d ne
第二节
钻进机械参数优选
一、目标函数的建立
C b C r (T t t ) C H
dH 1 v pc K R (W M )n C pC H dt 1 C2 h
dh dt ( Z2 Z1W )(1 C1h)
A f (a1n a2 n3 )
C F (W，n，hf ，CH，CP）
五、水力参数优选标准 六、水力参数优化设计
二、水功率传递的基本关系
1.水功率传递路径
钻井泵→地面管汇→钻柱内→ 钻头→环空→地面。
2.水功率传递基本关系
ps Δpg Δpst Δpan Δpb Δpl Δpb
Ps Pg Pst Pan Pb Pl Pb
分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低；且钻井液中小于1μm的 固体颗粒越多，对钻速的影响越大。
一、影响钻速的主要因素及钻速方程
6.钻速方程
Young F.S. 模式（1969）：
v pc K R (W M )n λ
修正的Young F.S. 模式：
1 1 C2 h
1 v pc K R (W M )n C pC H 1 C2 h
（一）射流及其对井底的作用
3. 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
一、喷射式钻头的水力特性
（一）射流及其对井底的作用
3. 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。
■ 射流冲击力
■ 射流水功率 P j 计算位置：喷嘴出口断面
一、喷射式钻头的水力特性
（二）射流水力参数
1. 喷射速度
10Q vj A0
A0
（工程单位制）

4 i 1
2 di
n
一、喷射式钻头的水力特性
（二）射流水力参数
2. 射流冲击力
Fj
d Q
2
（工程单位制）
100 A0
一、喷射式钻头的水力特性
v pc v pco e
Cp v pc v pc 0
● 压差影响系数Cp：
e p
p pm p p
一、影响钻速的主要因素及钻速方程
5.钻井液性能的影响
（2）粘度对钻速的影响
钻井液粘度增大，钻速降低。
（3）固相含量对钻速的影响
钻井液固相含量增大，机械钻速降低。
（4）分散性对钻速的影响
d i2
i 1
n
2. 钻头水功率 Pb
钻井液流过钻头时消耗的水功率与射流水功率的总和。
p2
Pb
0.05 d Q 3 C
2 2 A0

0.081 d Q 3
4 C 2d ne
第三节
概述
水力参数优化设计
一、喷射式钻头的水力特性 二、水功率传递的基本关系 三、循环系统压耗的计算
四、钻井泵工作特性
概
喷射钻井的概念
述
在钻头上安装喷嘴，高压钻井液流过喷嘴时可产生高速水射流，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。
水力参数
指表征钻头水力特性、射流水力特性以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， ◇ 钻头的水功率、压力降； ◇ 喷嘴直径、射流冲击力、射流喷速、射流水功率 ◇ 环空钻井液上返速度。
一、喷射式钻头的水力特性
（一）射流及其对井底的作用
2.井底射流(淹没非自由连续射流）的特性
（1）等速核和扩散角
（2）流速分布规律 在射流横截面上，中心处速度最大， 向外逐渐减小；在射流轴线上，超过等速 核以后，速度迅速降低； （3）漫流
射流撞击井底后，形成压力冲击波和 沿井底高速流动的液流层。
一、喷射式钻头的水力特性
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之目的。
第三节
概述
水力参数优化设计
一、喷射式钻头的水力特性 二、水功率传递的基本关系 三、循环系统压耗的计算 四、钻井泵工作特性 五、水力参数优选标准
六、水力参数优化设计
一、喷射式钻头的水力特性
Pg 0ห้องสมุดไป่ตู้51655 d
影响钻速的可控因素：
1. 钻头类型
2. 钻压 3. 转速 4. 牙齿磨损量 5. 水力因素
6. 钻井液性能
一、影响钻速的主要因素及钻速方程
1.钻压对钻速的影响
在某一钻压范围内，钻速与 钻压成正比关系。
Vpc (W M )
门限钻压 M：
几何意义—AB直线在钻压轴上的截 距。 物理意义—牙齿开始压入地层时的钻 压，其大小取决所钻地层 的抗压入强度。
第二节
极值条件：
C w 0 C 0 n C 0 h f C 1 H C P 1
钻进机械参数优选
约束条件：
二、极值条件和约束条件
0 hf 1 0 B f 1 M 0, M W Z 2 /Z 1 ; M 0,0 W Z 2 /Z 1 n 0
第三节
概述
水力参数优化设计
一、喷射式钻头的水力特性 二、水功率传递的基本关系 三、循环系统压耗的计算 四、钻井泵工作特性 五、水力参数优选标准
六、水力参数优化设计
三、循环系统压耗的计算
1. 管路压耗的基本公式
管内流：
0.2 fLv pL di
2
环空流：
0.2 fLv2 pL dh d p
三、循环系统压耗的计算
钻井液多为宾汉流体， Re
宾汉流体紊流流动时，有：
?
e
pv
3.2
宾汉流体管内流动： 宾汉流体环空流动：
Re
32 dv
pv
32 ( d h d p )v
Re
pv
三、循环系统压耗的计算
3. 循环系统压耗计算公式（宾汉流体紊流）
（1）地面管汇压耗
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。
dh 1 dt Z 2 Z1W
式中：Z1与Z2称为钻压影响系数, 与牙轮钻头尺寸有关，见表4-1。
钻头的理论极限钻压：
z2 Wmax z1
二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程
2. 转速对牙齿磨损速度的影响
一、喷射式钻头的水力特性
（一）射流及其对井底的作用
4. 射流对井底的破岩作用
对软地层，射流的冲击压力超过地层的破碎强度，直接破碎岩石。 对硬地层， 产生“水楔”作用，扩展微裂纹，降低岩石的抗压入强度。
一、喷射式钻头的水力特性
（二）射流水力参数
用以表征射流水力能量大小的参数。 ■ 喷射速度
vj
Fj
随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。
v pc
1 1 C2 h
C2 —称为牙齿磨损系数, 与钻头齿形结构和岩层性质有关。 h —为牙齿磨损量, 以牙齿的相对磨损高度表示。 新钻头时h =0；牙齿全部磨损时h =1。
一、影响钻速的主要因素及钻速方程
4.水力因素的影响
井底比水功率——作用在井底单位面积上的水力能量。 （1）水力净化井底作用 在一定的钻速下，需要一定的比水功率 才能使井底净化完善。钻速越快，井底净化 完善需要的比水功率越大。当实际比水功率 低于井底净化完善需要值，钻速下降。 水力净化系数—表征水力净化井底程度对 钻速的影响的系数。定义为实际钻速与井底 净化完善时的钻速之比。
第四章
第一节 第二节 第三节
钻进参数优选
钻进方程 机械参数优选 水力参数优化设计
概
述
◆ 钻井工程目标：提高钻速，降低成本 ◆ 钻进成本公式：
C pm C b C r (T t r ) C b / T (1 t r / T ) H V pc
◆ 影响钻速 Vpc 和钻头寿命 T 的因素：
（1）岩性（客观因素） （2）钻头类型（通过合理选型解决）及磨损程度 （3）钻进参数 ：钻压、转速、水力参数
（4）钻井液性能：密度、固相含量、粘度、分散性
第一节
钻进方程
一、影响钻速的主要因素及钻速方程 二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程
三、钻进方程中有关系数的确定
一、影响钻速的主要因素及钻速方程