钻井参数优选

（1）在射流的任一截面上，中心动压力最大，自中心向 外，动压力急剧衰减，在射流边界上动压力为零。
第五章 第一节 钻井参数作用机理
（2）射流等速核内各处的动压力相等，都等于射流刚出 口时的动压力。 （3）在射流中心轴线上，超过等速核以后，动压力急剧 下降：
λ称为射流 中心线上的 动压力降低 系数。
第五章
f——管路的水力摩阻系数； di，dp，dh——分别为圆管内径、钻柱 外径和井眼直径，m； v——平均流速，m/s。

第五章
第二节
水力参数的优选
在紊流状态下，为了便于工程计算，通常将f与Re 的实验曲线用下式来近似计算：
f AR

-0.25 e
式中的A对不同类型的钻杆和环形空间的取值不同。 对于内平钻杆，A=0.053；对于贯眼接头的钻杆内和环形 空间，A=0.059。 3 .2 d i v Re 对于管内流： pv 对于环空流：
1.8
0 .2 pv
0 .2
0 .8
B
第五章
0. 2 pv

0.8
LQ 1.8 KQ 4 .8 di
水力参数的优选
1.8
第二节
Δ pcs=(Kg+Kp+Kc)Q1.8=KcsQ1.8 其中 Kcs=Kg+Kp+Kc
第五章
第二节
水力参数的优选
令 Kp=mLp
Kg+Kc-mLc=n
第五章
优选参数钻井
固定参数: 固定参数主要指地层参数，地层可钻性，地层 对钻压、转速、水力参数和钻井液参数的敏感指数，以及 地温梯度、地层化学组分对钻井液的适应性等。 可调控参数:可调参数主要指钻进中的机械参数、水力参 数、钻井液性能和流变参数三类大参数。 机械参数:指钻头类型，钻压与转速； 水力参数:指泵型选择、泵压、排量和水眼组合； 钻井液性能和流变参数 : 指钻井液体系、密度、初切力、 流变学模式、流变参数。
第五章 第一节 钻井参数作用机理
2.钻井液粘度对钻速的影响
循环压力损耗
井底净化 3. 钻 井液 固 相 含 量 及 其 分散性对钻速的影响 钻井液的固相含量 对钻进速度和钻头消耗 量都有严重的影响，一 般应尽量采用固相含量 低于4%的低固相钻井液。
第五章
第一节
钻井参数作用机理
对钻井液固相含量的深入研究发现，不仅 固相含量对钻速有影响，固体颗粒的分散度也对 钻速有影响。实验证明，分散性钻井液不分散性 钻井液钻速低，钻井液内小于1μ m的胶体颗粒越 多，对钻速的影响越大。 此外：钻井液含油、失水等对钻速也有影响。
（2）由于钻头的旋转，射流作用的小圆面积在迅速移动。 本来就不均匀的压力分布，又在迅速发生变化。
第五章
第一节
钻井参数作用机理
作用在井底岩屑上冲击压力极不均匀，使岩 屑产生一个翻转力矩，从而离开井底。
提高冲击压力 对井底的净化作用 射流作用的面积 ，必须提高冲击压 力梯度，需增大射 流出口动压力和射 射流作用中心 流压力减低系数， 或缩小喷嘴直径。
Δpcs=KcsQ1.8=(mDw+n)Q1.8
第五章
第二节
水力参数的优选
(6) 提高钻头水力参数的途径
第五章
第二节
水力参数的优选
通过改变地面泵的条件提 高泵压和泵功率；
通过减少钻井液密度、钻 井液粘度降低循环系统的 压力损耗系数； 通过减少喷嘴直径，提高 钻头压降系数； 通过优选钻井液排量，使 喷射钻井在最优条件下工 作。
第二节
水力参数的优选
Pi 2 f 2 A 2 A
0 .2 pv
Lv 2
di (3.2) (3.2)
2 A
0.2 pv
(3.2 d i v )
0.2
Lv 2
di
0 .2

0 .8
Lv1.8 .2 d1 i LQ 1.2 1 2 1. 8 d i ( d i ) 4
第五章
第一节 钻井参数作用机理
一、射流对井底的净化作用
1. 射流的结构和特性 射流扩散角α ：射流 刚出口一段边界母 线近似直线，并张 开一定的角度α 。表 示射流的密集程度。 α 越小射流密集性越 高，能量越集中。
第五章
第一节
钻井参数作用机理
射流刚出口时，具有喷射速度VO，各点的速度基本 上是相等的。
1. 射流水力参数
喷射速度
射流水力参数包括：
射流冲击力 Wj=ρdQ2／Ant 射流水功率 Pj
vj=Q／Ant
d Q
2A
3
2 nt
第五章
第二节
水力参数的优选
2. 钻头水力参数
钻头压力降
钻头水力参数包括 钻头水功率 （1）钻头压降
第五章
第二节
水力参数的优选
钻头前后的泥浆速度 和压力分别为p1、v1和p2、 v2，喷最高H，根据伯努力 方程，可以写出：
第五章
第二节
水力参数的优选
二、 水功率的传递
1. 水功率传递的基本关系式
ps=Δ pg+Δ pi+Δ pa+Δ pb=Δ pcs+Δ pb Ps=Pg+Pi+Pa+Pb=Pcs+Pb
Δ pg，Δ pi，Δ pa，ps——分别为地面管汇、钻柱内部、 环形空间的压力损耗及地面泵压； Pg，Pi，Pa，Ps——分别为地面管汇、钻柱内部、环 形空间的功率损耗地面泵的功率。
在杨格模式中引入考虑井底压差和水力参数影响的修 正系数，便成为修正杨格模式。即
第五章
第一节
钻井参数作用机理
Cp——压差影响系数； GH——水力参数影响系数； a3——与岩层性质有关的影响系数，可由 统计分析钻井实际资料确定； Dv——垂直井深，m； Ps——实际的钻头比水功率，kW/cm2； Psn——井底充分净化时要求的钻头比水 功率，kW/cm2； vpen——井底充分净化时的钻速，m/h。
第一节
钻井参数作用机理
2. 射流对井底的净化 冲击压力 作用
翻转方向 岩屑
漫流 冲击压力：是当射流碰到井底后，将其动压力传递给井底 所形成的，在数值大小上等于射流到达井底时的动压力。 冲击压力在井底的作用特点： （1）射流冲击压力不是静压力，而是动压力；不是作用 在整个井底，而是作用在射流波及的小 圆面积上。
第五章 第二节 水力参数的优选
提高钻头水 力参数的可 行途径
四、 钻井水力参数设计
水力参数设计实质：在一定的条件参数（泵功率、泵 压、最低环空返速、井深）下选择手段参数（排量、喷 嘴直径）使喷射速度、射流冲击力、射流水功率等钻头 和射流水力参数等目标参数获得最优工作效果。
1. 最低环空返速的确定
第五章 第二节
Re
3 .2 ( d h d p ) v
pv
水力参数的优选
对于管内流：
(5) 循环系统压力损耗计算公式的简化处理 对于管内流，用紊流：
f A(
3.2 d i v
pv
.2 0.2 ) 0.25 A 0 ( 3 . 2 d v ) pv i
第五章
井 眼 中 心
第五章 第一节
钻井参数作用机理
漫流的横推作用：漫流是射流冲到井底后形成的沿井 底的横向流动。漫流是紧贴并平行于井底很薄的对井底遮 盖较好的一层横向流动的液流，具有相当高的流速。其对 井底岩屑产生横向推动力或牵引力，从而使岩屑离开原破 碎点。
作用特点：
第五章
第一节
钻井参数作用机理
在纵向上，约在0.4mm的高度上，漫流速度最 大，超过此高度后，漫流速度随距井底高度的增加 而迅速降低。要增大漫流流速，就要增大射流喷速 和射流流量。
第五章
第二节
水力参数的优选
vc／vas称为岩屑举升效率或传输比，现场上通常采 用它来衡量井眼净化程度。实践表明，vc／vas≥0.5以后 即能保证井眼清洁。因此，最大的岩屑滑落速度应为 vsl=0.5vas，或最低的环空返速应为vas=2vsl。 莫尔(Moore)提出的关系式：
第五章
第二节
水力参数的优选
第五章
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第一节 钻井参数作用机理
喷射钻井中从钻头喷嘴中喷出的钻井液射流，速度 高、水功率大，不仅能使岩屑及时迅速离开井底，始终 保持静底清洁，而且在一定条件下能直接破碎岩石。这 就是喷射钻井能大幅度提高钻速的主要原因。因此，如 何选择泵型、泵的工作方式，优选泵压、排量、喷嘴组 合是合理利用地面泵功率，提高钻井效率的关键，也是 水力参数优化钻井的中心内容。
（1）在射流中心，由于受淹没钻井液和返回钻井液影响 较小，速度最高。在射流任一截面上，轴线上速度最高， 自中心向外速度很快降低，到射流边界上速度为零。 （2）射流出口后有一段长度，这段长度内的中心部分始 终保持刚出口时的速度VO 。这段射流的中心部分称为射 流的等速核。等速核长度以LO表示。这段射流称为射流 的初始段。超过初始段以后称为射流的基本段。
第五章 第二节 水力参数的优选
若获得Pbmax，必有条件，
于是可得其最优条件为
第五章
第二节
水力参数的优选
(2) 最大射流冲击力工作方式Wjmax
2. 泵的工作状态
第五章
第二节
水力参数的优选
3. 喷射钻井工作方式及最 优条件
第五章
第二节
水力参数的优选
(1) 最大钻头水功率工作方式Pbmax
当泵处在额定泵功率工作状态时，Ps=Pr,ps=Pr/Q， 则有
可见，随着排量Q的增大，钻头水功率Pb将不断降低； Q减小，Pb总是增大。但由于在Ps=Pr工作状态下，排量 最小只能等于Qr。所以，在Ps=Pr工作状态下，实际获得 Pbmax的条件为：Q=Qr。 当泵处于额定泵压工作状态时，ps=pr,则钻头水功 率可表示为
射流清洗井底综合结论： 增大射流喷速 减小喷射距 增大
第五章 第一节 钻井参数作用机理
二、钻井液性能对钻速的影响
1.钻井液密度对钻速的影响
ρ d= GDs +Δ ρ
Δ ρ —— 附加钻井液密度， 常取30～50 kg／m3； GDs—— 地层压力梯度， Pa ／m。 原因：井底压差对刚破碎 的岩屑有压持效应，阻碍 井底岩屑的及时清除，影 响钻头的破岩效率。
第五章
第一节
钻井参数作用机理
三、 钻压、转速的影响
1. 钻压、转速对钻速的影响
第五章
第一节
钻井参数作用机理
牙齿磨损对钻速的影响
C2——牙齿磨损系数 h——牙齿磨损量，新钻头 h=0，牙齿全部磨损h=1
第五章
第一节
钻井参数作用机理
第五章
第一节
钻井参数作用机理
杨格 (Young) 于 1969 年提出的杨格钻速模式。当岩层 特性、钻头类型、以及钻井液性能和水力参数一定时， K 、 WM、λ 、C2都是固定不变的常量，可由释放钻压法等钻进 试验和钻头资料确定。
第五章
第一节
钻井参数作用机理
（3）从射流的轴线上看，初始段 的轴线上，速度始终保持刚出口 时的速度VO 。超过初始段后,基 本段轴线上任一点的速度，与该 点距极点的距离成反比：
令
第五章 第一节 钻井参数作用机理
射流动压力：射流具有一定的密度和速度，在射流前 进方向上遇到障碍物时，射流将给障碍物一个压力，这个 压力就是射流具有的动压力。 射流任一点的动压力与该点射流速度和射流液体密度 有关：

第五章
第一节
钻井参数作用机理
（2） 钻压、转速对轴承磨损速度的影响
第五章
第一节
钻井参数作用机理
B——轴承磨损量，由轴承磨损分级标 准确定； b——承轴工作系数，与钻头类型及钻 井液性能有关，由实际资料确定。

第五章
第一节
钻井参数作用机理
第二节 水力参数的优选
一、 射流水力参数和钻头水力参数
h是泥浆流过喷嘴 后损失的水头,令
第五章
第二节
水力参数的优选
所以 为能量转换系数
令:
（2）钻头水功率
第五章 第二节 水力参数的优选
（2）用钻头水力参数表示射流水 力参数
钻头水力参数和射流水 力参数间关系
Pj C Pb
2
2
2C vj d
p b
Wj 2C A nt p b
2
C - 表示的是能量转换效率
第五章 第二节 水力参数的优选
2. 循环系统压力损耗的计算 (1) 管内层流 (2) 环空内层流 (3) 流动状 态的判别(4) 紊流流态下压力损耗的计算
Lv 2 管内紊流： Pi 2 f di
Lv 2 环空内紊流： Pa 2 f dh d p
第五章
第二节
水力参数的优选
第五章 第一节 钻井参数作用机理
2. 钻压、转速对钻头磨损的影响
（1） 钻压、转速对牙齿磨损速度的影响
第五章
第一节
钻井参数作用机理
Q1，Q2——由钻头类型决定的系数； D1，D2——钻压影响系数，其值与牙轮 钻头尺寸有关； C1——牙齿磨损系数； Af——地层研磨性系数，其含义是当钻 压、转速和牙齿的磨损状况一定时，牙 轮钻头牙齿的磨损速度与地层的研磨性 成正比。