钻井参数优选

1、固定参数固定参数: 固定参数主要指地层参数，地层可钻性，地层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。地温梯度、地层化学组分对钻井液的适应性等。 可调控参数可调控参数:可调参数主要指钻进中的机械参数、水力参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。数、钻井液性能和流变参数三类大参数。机械参数机械参数:指钻头类型，钻压与转速；指钻头类型，钻压与转速；水力参数水力参数:指泵型选择、泵压、排量和水眼组合；指泵型选择、泵压、排量和水

2、眼组合；钻井液性能和流变参数钻井液性能和流变参数:指钻井液体系、密度、初切力、指钻井液体系、密度、初切力、流变学模式、流变参数。流变学模式、流变参数。 第五章第五章 喷射钻井中从钻头喷嘴中喷出的钻井液射流，喷射钻井中从钻头喷嘴中喷出的钻井液射流，速度速度高、水功率大，不仅能使岩屑及时迅速离开井底，始终高、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。保持静底清洁，而且在一定条件下能直接破碎岩石。这这就是喷射钻井能大幅度提高钻速的主要原因。因此，如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、喷嘴组何选择泵型

3、、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。水力参数优化钻井的中心内容。第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 l射流扩散角射流扩散角 ：射流射流刚出口一段边界母刚出口一段边界母线近似直线，并张线近似直线，并张开一定的角度开一定的角度 。表。表示射流的密集程度。示射流的密集程度。l 越小射流密集性越越小射流密集性越高，能量越集中。高，能量越集中。第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 射流刚出口时，具有喷射速度射流刚出口时，具有喷射速

4、度VO，各点的速度基本，各点的速度基本上是相等的。上是相等的。（1）在射流中心，由于受淹没钻井液和返回钻井液影响在射流中心，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，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。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终保持刚出口时的速度VO 。这段射流的中心部分称为。这段射流的中心部分称为射射流的等速核流的等速核。等速核长度以。等速核长度以LO表示。这

5、段射流称为表示。这段射流称为射流射流的初始段的初始段。超过初始段以后称为。超过初始段以后称为射流的基本段射流的基本段。第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 aLdaLdbooo令obVV aLdaLdVVLJLJVVoooooooo（3）从射流的轴线上看，初始从射流的轴线上看，初始段的轴线上，速度始终保持刚出段的轴线上，速度始终保持刚出口时的速度口时的速度VO 。超过初始段后。超过初始段后,基本段轴线上任一点的速度，与基本段轴线上任一点的速度，与该点距极点的距离成该点距极点的距离成反比反比：第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 射流动压力：射流动

6、压力：射流具有一定的密度和速度，在射流前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。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：有关：221VPk （1）在射流的任一截面上，中心动压力最大，自中心向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。外，动压力急剧衰减，在射流边界上动压力为零。第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 2222a

7、LdaLdbVVPPoooook（2）射流等速核内各处的动压力相等，都等于射流刚出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。口时的动压力。（3）在射流中心轴线上，超过等速核以后，动压力急剧在射流中心轴线上，超过等速核以后，动压力急剧下降：下降：称为射流称为射流中心线上的中心线上的动压力降低动压力降低系数。系数。第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 2. 2. 射流对井底的净化射流对井底的净化作用作用冲击压力冲击压力漫流漫流冲击压力：冲击压力：是当射流碰到井底后，将其动压力传递给井底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

8、井底时的动压力。所形成的，在数值大小上等于射流到达井底时的动压力。冲击压力在井底的冲击压力在井底的作用特点：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在整个井底，而是作用在射流波及的小 圆面积上。圆面积上。岩屑翻转方向（2）由于钻头的旋转，射流作用的小圆面积在迅速移动。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。本来就不均匀的压力分布，又在迅速发生变化。第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 作用在井底岩屑上冲击压力极不均匀，使岩作用

9、在井底岩屑上冲击压力极不均匀，使岩屑产生一个屑产生一个翻转力矩翻转力矩，从而离开井底。，从而离开井底。 提高冲击压力提高冲击压力对井底的净化作用对井底的净化作用，必须提高冲击压，必须提高冲击压力梯度，需增大射力梯度，需增大射流出口动压力和射流出口动压力和射流压力减低系数，流压力减低系数，或缩小喷嘴直径或缩小喷嘴直径。射流作用中射流作用中心心井井眼眼中中心心射流作用的面积射流作用的面积第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 漫流的横推作用：漫流的横推作用：漫流是射流冲到井底后形成的沿井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底的横向流

10、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。碎点。作用特点：作用特点：第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 在纵向上，约在在纵向上，约在0.4mm0.4mm的高度上，漫流速度最的高度上，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，就要增大射流喷速而迅速降低。要增大漫流流速，就要增大射流喷速和

11、射流流量。和射流流量。增大射流喷速增大射流喷速减小喷射距减小喷射距增大增大 oQV射流清洗井底综合结论：射流清洗井底综合结论：第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 1.1.钻井液密度对钻速的影响钻井液密度对钻速的影响 二、钻井液性能对钻速的影响二、钻井液性能对钻速的影响d= GDs +d= GDs + 附加钻井液密度，附加钻井液密度，常取常取303050 kg50 kgm m3 3；GDs地层压力梯度，地层压力梯度，Pam。 原因：原因：井底压差对刚破碎井底压差对刚破碎的岩屑有压持效应，阻碍的岩屑有压持效应，阻碍井底岩屑的及时清除，影井底岩屑的及时清除，影响钻头的破岩效

12、率。响钻头的破岩效率。第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 2.2.钻井液粘度对钻速的影响钻井液粘度对钻速的影响 井底净化井底净化3.3.钻井液固相含量及其钻井液固相含量及其分散性对钻速的影响分散性对钻速的影响 钻井液的固相含量钻井液的固相含量对钻进速度和钻头消耗对钻进速度和钻头消耗量都有严重的影响，一量都有严重的影响，一般应尽量采用般应尽量采用固相含量固相含量低于低于4%4%的低固相钻井液。的低固相钻井液。循环压力损耗循环压力损耗第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 对钻井液固相含量的深入研究发现，不仅对钻井液固相含量的深入研究发现，不仅固相含

13、量对钻速有影响，固体颗粒的分散度也对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。钻速有影响。实验证明，分散性钻井液不分散性实验证明，分散性钻井液不分散性钻井液钻速低，钻井液内小于钻井液钻速低，钻井液内小于1m1m的胶体颗粒越的胶体颗粒越多，对钻速的影响越大。多，对钻速的影响越大。 此外：此外：钻井液含油、失水等对钻速也有影响。钻井液含油、失水等对钻速也有影响。 第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 1. 钻压、转速对钻速的影响钻压、转速对钻速的影响dpeMpeWvWWv)(nvpe第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 牙齿磨损对钻速的影

14、响牙齿磨损对钻速的影响hvpe2C11C2牙齿磨损系数牙齿磨损系数h牙齿磨损量，新钻头牙齿磨损量，新钻头h=0，牙齿全部磨损，牙齿全部磨损h=1 )(MpeWWv第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 hCnW-WKvMpe211hvpe2C11nvpe)(MpeWWv第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 杨格杨格(Young)(Young)于于19691969年提出的杨格钻速模式。年提出的杨格钻速模式。当岩层当岩层特性、钻头类型、以及钻井液性能和水力参数一定时，特性、钻头类型、以及钻井液性能和水力参数一定时，K K、W WM M、C C2 2都是

15、固定不变的常量都是固定不变的常量，可由释放钻压法等钻进，可由释放钻压法等钻进试验和钻头资料确定。试验和钻头资料确定。 在杨格模式中引入考虑井底压差和水力参数影响的修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。即正系数，便成为修正杨格模式。即 hC11)nW-(WCKCv2MHppe)-(GDexpaCdDsv3psnsHPPC0.31sn0.8527Ppenv第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 Cp压差影响系数；压差影响系数；GH水力参数影响系数；水力参数影响系数；a3与岩层性质有关的影响系数，可由与岩层性质有关的影响系数，可由统计分析钻

16、井实际资料确定；统计分析钻井实际资料确定；Dv垂直井深，垂直井深，m；Ps实际的钻头比水功率，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井底充分净化时要求的钻头比水功率，功率，kW/cm2；vpen井底充分净化时的钻速，井底充分净化时的钻速，m/h。 第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 2. 2. 钻压、转速对钻头磨损的影响钻压、转速对钻头磨损的影响 （1 1） 钻压、转速对牙齿磨损速度的影响钻压、转速对牙齿磨损速度的影响 h)CW)(1D-(D)nQn(QAdtdh112321f第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理

17、lQ1，Q2由钻头类型决定的系数；由钻头类型决定的系数；lD1，D2钻压影响系数，其值与牙轮钻压影响系数，其值与牙轮钻头尺寸有关；钻头尺寸有关；lC1牙齿磨损系数；牙齿磨损系数；lAf地层研磨性系数，其含义是当钻地层研磨性系数，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轮钻头牙齿的磨损速度与地层的研磨性成正比。成正比。 第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 （2 2） 钻压、转速对轴承磨损速度的影响钻压、转速对轴承磨损速度的影响 第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 lB轴承

18、磨损量，由轴承磨损分级标轴承磨损量，由轴承磨损分级标准确定；准确定；lb承轴工作系数，与钻头类型及钻承轴工作系数，与钻头类型及钻井液性能有关，由实际资料确定。井液性能有关，由实际资料确定。 nWb1dtdB1.5第五章第五章 第一节第一节 钻井参数作用机理钻井参数作用机理 射流水力参数包括：射流水力参数包括：喷射速度喷射速度射流冲击力射流冲击力射流水功率射流水功率1. 1. 射流水力参数射流水力参数 Wj=dQ2Ant vj=QAnt 2nt32AQPjd第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 2. 2. 钻头水力参数钻头水力参数钻头水力参数包括钻头水力参数包括钻头压力降钻头

19、压力降钻头水功率钻头水功率2nt22bA2CQdp（1 1）钻头压降）钻头压降)1/(1C第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 钻头前后的泥浆速度钻头前后的泥浆速度和压力分别为和压力分别为p1、v1和和p2、v2，喷最高，喷最高H，根据伯努力，根据伯努力方程，可以写出方程，可以写出：hpp2gv2gv H222211 2gv22h h h是泥浆流过喷嘴是泥浆流过喷嘴后损失的水头后损失的水头, ,令令第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 2nt22bA2CQdp（2）钻头水功率）钻头水功率t2n23dbbA2CQQpP 所以所以2gv)1 (2221 pp

20、2gv)11(122221 pp2222222122gv)11(1Cvpppb)1/(1C 令令: 为能量转换系数为能量转换系数第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 （2）用钻头水力参数表示射流水）用钻头水力参数表示射流水力参数力参数bd2jp2Cv钻头水力参数和射流水钻头水力参数和射流水力参数间力参数间关系关系 C -C - 表示的是能量转换效率表示的是能量转换效率 PCPb2jbnt2jpA2CW第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 1. 1. 水功率传递的基本关系式水功率传递的基本关系式 p ps s=p=pg g+p+pi i+p+pa a+p+

21、pb b=p=pcscs+p+pb bP Ps s=P=Pg g+P+Pi i+P+Pa a+P+Pb b=P=Pcscs+P+Pb bppg g，ppi i，ppa a，p ps s分别为地面管汇、钻柱内部、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；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。形空间的功率损耗地面泵的功率。第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 2. 2. 循环系统压力损耗的计算循环系统压力损耗的计算 管内紊流：管内紊流：环空内紊流：环空内紊流：id

22、Lvf2i2PphddLvf2a2P第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 (1) (1) 管内层流管内层流 (2) (2) 环空内层流环空内层流 (3) (3) 流动状流动状态的判别态的判别(4) (4) 紊流流态下压力损耗的计算紊流流态下压力损耗的计算l f管路的水力摩阻系数；管路的水力摩阻系数； l di，dp，dh分别为圆管内径、钻柱分别为圆管内径、钻柱外径和井眼直径，外径和井眼直径，m； l v平均流速，平均流速，m/s。 第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 在在紊流状态紊流状态下，为了便于工程计算，通常将下，为了便于工程计算，通常将f与与Re

23、的实验曲线用下式来近似计算：的实验曲线用下式来近似计算：pvivd2 .3Re 式中的式中的A对不同类型的钻杆和环形空间的取值不同。对不同类型的钻杆和环形空间的取值不同。对于内平钻杆，对于内平钻杆，A=0.053；对于贯眼接头的钻杆内和环形；对于贯眼接头的钻杆内和环形空间，空间，A=0.059。 第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 -0.25eARf 对于对于管内流：管内流： 对于对于环空流：环空流：pvphvdd)(2 . 3Re 对于管内流：(5) 循环系统压力损耗计算公式的简化处理循环系统压力损耗计算公式的简化处理 对于对于管内流管内流，用紊流：，用紊流：第五章第五

24、章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 2 .02 .025.0)2 .3()2 .3(fvdAvdAipvpvi8 .18 .48 .18 .02 .08 .122 .18 .18 .02 .02 .02 .18 .18 .02 .02 .022 .02 .02i)41()2 .3(2)2 .3(2)2 .3(22PKQdLQBddLQAdLvAdLvvdAdLvfiiipvipvpviipvi第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 ppcscs=(K=(Kg g+K+Kp p+K+Kc c)Q)Q1.81.8=K=KcscsQ Q1.81.8其中其中 Kcs=Kg

25、+Kp+Kc 4.8444.8334.8224.8110.2P0.8dgdLdLdLdL0.12975K1.8ph3ph4.8pip2 . 02P0.8dp)d(d)d-(d 0.14444dBLK1.8ch3ch4.8cic0.2p0.8c)d(d)d-(d 0.14444d0.12975LK第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 令令 Kp=mLp Kg+Kc-mLc=n pcs=KcsQ1.8=(mDw+n)Q1.8 第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 (6) 提高钻头水力参数的途径提高钻头水力参数的途径 QA2CQKp2nt22d2bb1.8cs

26、2bcsbsQKQKppp2.8cs3blbsQKQKPPP第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 提高钻头水提高钻头水力参数的可力参数的可行途径行途径通过优选钻井液排量，使通过优选钻井液排量，使喷射钻井在最优条件下工喷射钻井在最优条件下工作。作。 通过改变地面泵的条件提通过改变地面泵的条件提高泵压和泵功率；高泵压和泵功率；通过减少钻井液密度、钻通过减少钻井液密度、钻井液粘度降低循环系统的井液粘度降低循环系统的压力损耗系数；压力损耗系数；通过减少喷嘴直径，提高通过减少喷嘴直径，提高钻头压降系数；钻头压降系数；第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 水力参数设

27、计实质：水力参数设计实质：在一定的条件参数（泵功率、泵在一定的条件参数（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。和射流水力参数等目标参数获得最优工作效果。1. 1. 最低环空返速的确定最低环空返速的确定 slasc-vvv 第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 vcvas称为称为岩屑举升效率岩屑举升效率或或传输比传输比，现场上通常采，现场上通常采用它来衡量井眼净化程度。实践

28、表明，用它来衡量井眼净化程度。实践表明，vcvas0.5以以后即能保证井眼清洁。因此，最大的岩屑滑落速度应为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，或最低的环空返速应为vas=2vsl。3/13/13/2007070eddsssl)-(d.vKnnv-ddn-nasphe312121莫尔莫尔(Moore)提出的关系式：提出的关系式： 第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 2. 2. 泵的工作状态泵的工作状态 rrrQpP 第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 3. 3. 喷射钻井工作方式及最喷射钻井工作

29、方式及最优条件优条件 .81Q-Kppcssb81.cssvjQ-KpKv 81.csswjQ-KpQKW )(81.cssbQ-KpQP C/2vKcKw2第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 (1) 最大钻头水功率工作方式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，当泵处在额定泵功率工作状态时，Ps=Pr,ps=Pr/QPs=Pr,ps=Pr/Q，则有则有 82.csrbQ-KPP 82.csrbQQ-KpP 可见，随着排量可见，随着排量Q Q的增大，钻头水功率的增大，钻头水功率PbPb将不断降低；将不断降低；Q Q减小，减小，PbPb总是增大。但由

30、于在总是增大。但由于在Ps=PrPs=Pr工作状态下，排量工作状态下，排量最小只能等于最小只能等于QrQr。所以，在。所以，在Ps=PrPs=Pr工作状态下，工作状态下，实际获得实际获得PbmaxPbmax的条件为：的条件为：Q=QrQ=Qr。 当泵处于额定泵压工作状态时，当泵处于额定泵压工作状态时，ps=pr,ps=pr,则钻头水功则钻头水功率可表示为率可表示为第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 rrcsp.p.p3570821于是可得其于是可得其最优条件最优条件为为0ddQPb若获得若获得PbmaxPbmax，必有条件，必有条件，第五章第五章 第二节第二节 水力参数的

31、优选水力参数的优选 (2) 最大射流冲击力工作方式最大射流冲击力工作方式Wjmax 当泵处在额定泵功率工作状态时，当泵处在额定泵功率工作状态时，Ps=Pr,ps=Pr/QPs=Pr,ps=Pr/Q，则有则有 83.csrwjQQ-KPKW rcsP.P8310ddQWj获得获得WjmaxWjmax的条件应为的条件应为即即: : 但在实际工作中，要求但在实际工作中，要求Q QQ Qr r是不合适的。因此，在是不合适的。因此，在额定泵功率工作状态下，通常不采用所得的理论条件，而额定泵功率工作状态下，通常不采用所得的理论条件，而以以Q=QQ=Qr r为最优条件。为最优条件。第五章第五章 第二节第二节

32、 水力参数的优选水力参数的优选 rrcsp.p.p52609110ddQWj利用利用求得获取求得获取WjmaxWjmax的条件为的条件为832.csrwjQ-KQpKW 当泵处于额定泵压工作状态时，当泵处于额定泵压工作状态时，p ps s=p=pr r, ,则钻头水功率则钻头水功率可表示为可表示为第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 81.csrvjQ-KQPKv 81.csrvjQ-KpKv (3) (3) 最大射流喷速工作方式最大射流喷速工作方式vjmax在额定泵功率工作状态下，在额定泵功率工作状态下，vj可表示为可表示为在额定泵压工作状态下，在额定泵压工作状态下，vj

33、vj可表示为可表示为 可见，不管在哪种泵工作状态下，随着可见，不管在哪种泵工作状态下，随着Q Q的减小，的减小，vjvj总是增加的。实际上，若使环空上返的钻井液完成携屑的总是增加的。实际上，若使环空上返的钻井液完成携屑的任务，排量必须满足井眼净化所要的最低值任务，排量必须满足井眼净化所要的最低值QaQa。因此，。因此，Q Q最小只能等于最小只能等于QaQa。实际工作中，。实际工作中，vjmaxvjmax的最优条件为的最优条件为Q=QaQ=Qa。第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 4. 4. 临界井深的确定临界井深的确定 (1) Pbmax(1) Pbmax方式的工作图象方

34、式的工作图象及临界井深及临界井深 2.8)( -QnmDPPwrb2.8)( -QnmDQpPwrb当当QQr时时当当Q QQrQr时时第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 mnmQp.Da.rcr8123570对 于对 于 第 二 临 界 深第 二 临 界 深 ( 3( 3 点点 ) ) ， 最 优 条 件 满 足， 最 优 条 件 满 足pcs=0.357prpcs=0.357pr，及，及Q=QaQ=Qa于是有于是有mnmQp.D.rrcr8113570对于对于第一临界井深第一临界井深(2(2点点) )，最优条件既满足，最优条件既满足Q=QQ=Qr r，又满足又满足pp

35、cscs=0.357p=0.357pr r，于是有，于是有第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 (2) W(2) Wjmaxjmax方式的工作图及临界井深方式的工作图及临界井深 3.8)( -QnmDQPKWwrwj832)(.wrwjQnmD-QpKW当当Q QQ Qr r时时当当Q QQrQr时时第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 mnmQp.Da.rcr8125260 对于对于第二临界井深第二临界井深(4(4点点) )，最优条件满足，最优条件满足pcs=0.526prpcs=0.526pr，及，及Q=QaQ=QamnmQp.Dr.rcr81152

36、60 对于对于第一临界井深第一临界井深(3(3点点) )，最优条件既满足，最优条件既满足Q=QQ=Qr r，又满足又满足ppcscs=0.526p=0.526pr r第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 5. 5. 最优排量和喷嘴直径的确定最优排量和喷嘴直径的确定 1/1.83570 nmDp.Qwrop8115260./wropnmDp.Q对于对于P Pbmaxbmax方式方式(Dcr1DwDcr2)(Dcr1DwDcr2)对于对于WjmaxWjmax方式方式(Dcr1DwDcr2)(Dcr1DwDcr2)第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 4122

37、21251/bopdnpC.Qd41222ne8d/bopdpCQ 对于两种不同的工作方式，实际上泵总是以额定泵压对于两种不同的工作方式，实际上泵总是以额定泵压p pr r为系统提供压力的，因此，为系统提供压力的，因此，针对每个井深所确定的排量针对每个井深所确定的排量Q Qopop，可以计算出循环系统压力损耗，可以计算出循环系统压力损耗ppcscs，于是即可确定，于是即可确定出钻头压降出钻头压降ppb b，即，即ppb b=p=pr r-p-pcscs进而由钻头压降公式进而由钻头压降公式得出喷嘴当量直径得出喷嘴当量直径对于对于三个等径喷嘴三个等径喷嘴，每个喷嘴的直径可写为，每个喷嘴的直径可写为

38、第五章第五章 第二节第二节 水力参数的优选水力参数的优选 一、一、 建立目标函数建立目标函数 以单位进尺成本以单位进尺成本C作为优选钻进参数目标函数作为优选钻进参数目标函数: : HtttCCCdcntrbCb钻头成本，元；钻头成本，元； Cr钻机作业费，元钻机作业费，元h；tt起下钻时间，起下钻时间，h； tcn接单根时间，接单根时间，h；td钻头工作时间，钻头工作时间，h； H钻头总进尺，钻头总进尺，m。 第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 hCWDDnQnQAthf11232111ddhCnWWCKCtHvMHppe211dd 钻头总进尺及其工作时间，可由钻头总进尺及其

39、工作时间，可由修正杨格钻速模修正杨格钻速模式和钻头牙齿磨损模式式和钻头牙齿磨损模式确定确定 第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 hCtnWWCKCHMHp21ddhhCnQnQAWDDtfd1d132112 hhChCnQnQAWDDnWWCKCHfMHpd11d2132112hhChCnQnQAWDDnWWCKCHfhfMHpd11d02132112H0 fffMHphCCCChnQnQAWDDnWWCKCH2221221321121lnCC第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 J当牙齿磨损量当牙齿磨损量h=0时的初始钻速，时的初始钻速，mh；S牙齿磨损量牙

40、齿磨损量h=0时的牙齿初始磨损速度，其倒数相当时的牙齿初始磨损速度，其倒数相当于不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论寿命，于不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论寿命，h-1；JS值即为不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论进尺值即为不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论进尺E考虑牙齿磨损对钻速和磨损速度影响后的进尺系数。考虑牙齿磨损对钻速和磨损速度影响后的进尺系数。 ESJH nW-WKCCJMHp)( 12321W-DDnQnQASfffhCC-CChCCE22212211ln 令：令：则：则：第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 hhCnQnQAWDDtfd1d132112若将：若将： 对牙齿最终磨损

41、量对牙齿最终磨损量hfhf进行积分，可以求出牙齿进行积分，可以求出牙齿最终磨损量为最终磨损量为hfhf时的钻头寿命：时的钻头寿命：hhCnQnQAWDDtfhfd1d1032112t0d21321122fffdhChnQnQAWDDt令：令： 212ffhChFSFtdhfhf牙齿最终磨损牙齿最终磨损量。量。F考虑到牙齿磨损对考虑到牙齿磨损对钻速和磨损速度影响钻速和磨损速度影响后的钻头寿命系数；后的钻头寿命系数；与与E相似，是最终磨相似，是最终磨损量的函数损量的函数 第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 钻进目标函数可表示为钻进目标函数可表示为：JEFStStSCCCJEFSt

42、StCSCESJSFttCCCcntrbrcntrbcntrb令：令： ttCCtcntrbete钻头与起下钻和接单根成本钻头与起下钻和接单根成本的折算时间，的折算时间，h；当钻头成本一定；当钻头成本一定时，时，te仅与起下钻和接单根时间有仅与起下钻和接单根时间有关，而与钻进参数无关。关，而与钻进参数无关。 FStJECCer第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 ffMpHffferhCC-CChCCnW-WKCChChW-DDnQnQAtCC222122121123211ln2则目标函数可表达为含则目标函数可表达为含五个变量五个变量(W(W，n n，h hf f，C CH H

43、，C Cp p) )的关系式的关系式第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 二、二、 目标函数的极值点目标函数的极值点 00000pHfCC; CC;hC; nC;WC 牙齿磨损量牙齿磨损量h h 1h 1h0 0轴承磨损量轴承磨损量B B 1B 1B0 0钻压钻压W W W WM M0 0时，时， D D2 2D D1 1W WW WM M W WM M0 0时，时， D D2 2D D1 1W W0 0 转速转速n n0 第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 钻压、转速和牙齿磨损量，在数值上都有一定限制。钻压、转速和牙齿磨损量，在数值上都有一定限制。归纳起来可

44、用四组不等式描述。归纳起来可用四组不等式描述。51.fbnWbBt fff.fhChnQnQbAnWW-DD B2132151122fffbhC hnQnQAW-DDt21321122 )()( 对于同一个钻头，轴承磨损量与牙齿磨损量始终保对于同一个钻头，轴承磨损量与牙齿磨损量始终保持着严格的对应关系。因为同一个钻头的工作寿命持着严格的对应关系。因为同一个钻头的工作寿命tb同同时为牙齿磨损量或轴承磨损量的函数。即时为牙齿磨损量或轴承磨损量的函数。即 第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 1. 1. 钻头最优磨损量钻头最优磨损量0fhC 01ln11212321222221212

45、1 WDDnQnQtAhChCC-CChCChCefffff 三元超越方程式，它在三元超越方程式，它在W-n-hf三维空间中组成一个曲三维空间中组成一个曲面，称为面，称为最优磨损面最优磨损面。但因钻进成本函数受到四个不等式。但因钻进成本函数受到四个不等式的约束，凡在可行集以外的最优磨损量都是不可取的，这的约束，凡在可行集以外的最优磨损量都是不可取的，这时时只能用可行集上的极限磨损量作为最优磨损量。只能用可行集上的极限磨损量作为最优磨损量。 第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 给定给定n和和hf值时，求最优钻压的通式。解此方程式可值时，求最优钻压的通式。解此方程式可以获得以获得

46、两个钻压值两个钻压值，一个大于，一个大于D2D1，另一个小于，另一个小于D2D1 。由于前者不属于目标函数的可行集，故。由于前者不属于目标函数的可行集，故其解应是小其解应是小于于D2D1的解。的解。 2. 2. 最优钻压最优钻压 0WC2/11212Mop-WDDFWFWFWDDW1321DnQnQAtWfe第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 3. 3. 最优转速最优转速 0 nC312132312132322322/opYX-XYX Xn2123QAtW-DDFXfe2131QQY 是根据给定钻压是根据给定钻压W和钻头磨损量和钻头磨损量hf求最优转速的通用求最优转速的通用公

47、式。该条件方程公式。该条件方程共有三个解共有三个解，一个实数解和两个复数解。，一个实数解和两个复数解。对于钻进参数来说，对于钻进参数来说，只有实数解才有意义只有实数解才有意义。第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 在实际工作中，一般都根据邻井或同口井上一个钻头在实际工作中，一般都根据邻井或同口井上一个钻头资料，资料，先确定牙齿或轴承的合理磨损量，然后根据钻机设先确定牙齿或轴承的合理磨损量，然后根据钻机设备条件确定转速的允许范围，最后求不同钻压转速配合备条件确定转速的允许范围，最后求不同钻压转速配合时的钻井成本，从中找出成本最低的最优钻压转速配合。时的钻井成本，从中找出成本最低的

48、最优钻压转速配合。 例：某井段例：某井段地层的可钻性系数为地层的可钻性系数为2.32.31010-6-6，研磨性系数，研磨性系数为为2.282.281010-3-3，门限钻压为，门限钻压为1.01.010104 4N N，转速指数为，转速指数为0.680.68。拟采用拟采用215mm215mm的的2121型钻头钻进（型钻头钻进（D D2 2=6.44,D=6.44,D1 1=1.433=1.4331010-5-5, , Q Q1 1=1.5, Q=1.5, Q2 2=6.53=6.531010-5-5, C, C1 1=5, C=5, C2 2=3.68, C=3.68, CH H=1, Cp

49、=1=1, Cp=1）。）。钻头成本为钻头成本为900900元，钻机作业费用为元，钻机作业费用为250250元元/ /小时，起下钻小时，起下钻时间为时间为5.57h5.57h，试求转速为，试求转速为50r/min50r/min，h hf f=1.0=1.0时的最优钻时的最优钻压、钻头寿命和钻进成本。压、钻头寿命和钻进成本。第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 解：解：最优钻压：最优钻压：2/ 11212Mop-WDDFWFWFWDDW1321DnQnQAtWfe若求最优钻压，必须先计算出若求最优钻压，必须先计算出t te e、F F ttCCtcntrbe35. 975. 52

50、509005 . 3251221ffhChF第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 N105 .3588.355215100 . 110433. 144. 66 .353476 .353476 .3534710433. 144. 642/1455-Wop6 .353475 . 36 .123716FW6 .12371610433. 1501053. 6505 . 11028. 235. 953531321DnQnQAtWfe第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 钻头寿命：钻头寿命： h25915.242 )()( 2132112fffbhC hnQnQAW-DDt

51、最低钻井成本最低钻井成本 ：ffMpHffferhCC-CChCCnW-WKCChChW-DDnQnQAtCC222122121123211ln2FStJECCer14048. 0 12321W-DDnQnQASf第五章第五章 第三节第三节 钻进参数优选钻进参数优选 米元/7 .87208. 1353.115 . 314048. 035. 9250FStJECCer35319779.11501088.355215103 . 2)(68. 046nW-WKCCJMHp208. 168. 31ln68. 3568. 3168. 351ln22221221ffhCC-CChCCE第五章第五章 第三节

52、第三节 钻进参数优选钻进参数优选 多元回归钻速多元回归钻速方程，是把影响钻进速度的各因素归纳方程，是把影响钻进速度的各因素归纳成一个数学表达式，能够实现同时确定最优钻压转速成一个数学表达式，能够实现同时确定最优钻压转速和水力参数等多种因素，使最优化钻井技术又向前迈进和水力参数等多种因素，使最优化钻井技术又向前迈进了一步。了一步。 鲍戈因鲍戈因(Bourgoyne)(Bourgoyne)和杨格运用多元回归分析法，和杨格运用多元回归分析法，考虑了考虑了井深、岩层特性、井底压差、钻压、转速及水力井深、岩层特性、井底压差、钻压、转速及水力参数等八个主要因素参数等八个主要因素对钻速的综合影响，建立了一个

53、多对钻速的综合影响，建立了一个多元钻速回归方程。元钻速回归方程。 一、一、 多元钻速模式多元钻速模式第五章第五章 第四节第四节 多元钻进模式多元钻进模式 式中所考虑的八项因素为：式中所考虑的八项因素为：1) 常数项常数项a0为岩石可钻性系数，其中包括岩石强度，以为岩石可钻性系数，其中包括岩石强度，以及与可钻性有关的钻头类型和钻井液性能等对钻速的影及与可钻性有关的钻头类型和钻井液性能等对钻速的影响。响。 jjjwXaatD10expdd第五章第五章 第四节第四节 多元钻进模式多元钻进模式 2)a1X1为岩层埋藏深度，即所钻井深对钻速的影响。在正为岩层埋藏深度，即所钻井深对钻速的影响。在正常情况下

54、，岩层的压实程度随埋藏深度的增加而增加，因常情况下，岩层的压实程度随埋藏深度的增加而增加，因此钻速指数将随井深的增加而下降。指数此钻速指数将随井深的增加而下降。指数X1为井深为井深Dw的的函数。取函数。取3000 m处的相对钻速为处的相对钻速为1.0，则，则exp(a1X1)=1.0，所以所以 w-DX300013)a2X2为岩层致密性对钻速的影响。它与岩层的埋藏深为岩层致密性对钻速的影响。它与岩层的埋藏深度度Dw (m)及孔隙压力梯度及孔隙压力梯度GDp有关。钻井实践证明，钻有关。钻井实践证明，钻速常随地层孔隙压力梯度的增加而加快。现以孔隙压力速常随地层孔隙压力梯度的增加而加快。现以孔隙压力

55、梯度梯度GDp=1.07时的相对钻速为时的相对钻速为1.0，X2可定为可定为 0716902.-GDXDpw.g-GDXdcDpw34)4)a3X3a3X3为井底压差对钻速的影响。以井底压差等为井底压差对钻速的影响。以井底压差等于零时的相对钻速为于零时的相对钻速为1.01.0，则，则X3X3定义为定义为第五章第五章 第四节第四节 多元钻进模式多元钻进模式 当量钻井当量钻井液密度液密度5)5)a4X4a4X4为单位钻头直径的钻压对钻速的影响。以单位钻为单位钻头直径的钻压对钻速的影响。以单位钻头直径的钻压为头直径的钻压为8 810103 3N Nm m时的相对钻速为时的相对钻速为1.01.0。大量实