第三章 钻进工艺（三）

第五节机械参数机械参数一般是指钻头工作参数——钻压和转速。一、牙轮钻头机械参数

根据使用经验，牙轮钻头机械参数的确定应遵循如下原则：软地层采用低钻压、高转速；硬及中硬地层、深部地层采用高钻压、低转速；钻头安全承载能力一般取0.6～0.8KN/mm；密封滑动轴承不宜采用高转速。第三章钻进工艺美国休斯公司J系列钻头钻压与转速乘积的值:式中W──钻压，吨；

N──转速，转/分；

C──轴承能力（bearingCapability），吨·转/分。第五节机械参数第三章钻进工艺第五节机械参数第三章钻进工艺只是参考值对于J系列钻头应按每种钻头试验曲线，在ab线范围内根据具体情况确定钻头的最佳工作钻压与转速。第五节机械参数第三章钻进工艺曲线a以下：轴承不易破坏，钻头寿命长，但钻速低—密封失效而破坏。曲线b以上：钻速快，但轴承损坏更快。a、b曲线内：牙齿、密封、轴承等效损坏——每米成本低。二、金刚石钻头机械参数（使用寿命高）

金刚石钻头机械参数的确定应遵循如下原则：在软地层钻井中，增加转速可明显提高机械钻速；在中等硬度地层，应将转速控制在较低的范围。在硬的、高研磨性地层，应采用中～高钻压，以及低～中等转速。第五节机械参数第三章钻进工艺1、钻压美国克里斯顿公司金刚石系列钻头第五节机械参数第三章钻进工艺1bf=4.44822N2、转速金刚石钻头的使用转速应尽可能高些。用于涡轮钻的金刚石钻头一般300转/分，高的600—900转/分。对于天然金刚石钻头，一般认为在150转/分左右较合适。对于PDC钻头，转速可以较大的转速范围内使用，所以它可用于转盘钻，也可用于井底动力钻井。在转盘钻井时，推荐使用100转/分左右。第五节机械参数第三章钻进工艺3、排量

排量首先要满足环形空间的最低返回速度的要求，同时又要保证满足钻头清除岩屑和冷却金刚石的需要。第五节机械参数第三章钻进工艺使用PDC钻头时，机械钻速同样随比水力功率增加而增长。一般使用的比水力功率在250瓦/厘米2左右。第五节机械参数第三章钻进工艺金刚石取芯钻头，推荐钻压适用范围如图所示。第五节机械参数第三章钻进工艺三、取芯钻头机械参数

四、机械参数优选方法(试验与实钻）1、建立钻速方程

通过对影响钻速因素的分析，采用数学和物理的方法建立能反映钻进的客观规律的数学模型。

第五节机械参数第三章钻进工艺鲍戈因—杨格模式多元钻速回归式中Vm----钻速；Hb----钻头进尺；

t----钻头工作时间；aj----待定系数；

Xj----影响因素。①常数项a0—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响。②a1X1—岩层埋藏深度，即所钻井深对钻速的影响。在正常情况下，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（成反比）。指数X1为井深H的函数。取3000m处的相对钻速为1.0，则exp（a1X1）=1.0，所以

第五节机械参数第三章钻进工艺③a2X2为岩层致密性对钻速的影响。它与岩层的埋藏深度L（m）及孔隙压力梯度有关。钻井实践证明，钻速常随地层隙压力梯度的增加而加快。现以孔隙压力梯度=1.07时的相对钻速为1.0，X2可定为

第五节机械参数第三章钻进工艺④a3X3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1.0，则X3定义为

——循环钻井液时井底的当量钻井液密度。

第五节机械参数第三章钻进工艺⑤a4X4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8KN/cm时的相对钻速为1.0。大量实验证明，钻速与成正比，因此X4的定义为

式中W——钻压，KN；db——钻头直径，cm。实验证明，钻头指数a4与井底净化程度有关，一般为0.6~2.0。第五节机械参数第三章钻进工艺⑥a5X5为钻头转速的影响。以n=100r/min为标准，即此时相对钻速exp(a5X5)=1，因钻速与n成正比，所以X5的定义为

很多实验证明，转速指数a5一般为0.4～0.9，与岩层的软硬程度有关。第五节机械参数第三章钻进工艺⑦a6X6为水力参数对钻速的影响。X6可定义为

式中——钻井液密度；Q——钻井液排量；

——钻头喷嘴出口处的钻井液粘度；dne——钻头喷嘴当量直径；kH——比例系数。第五节机械参数第三章钻进工艺⑧a7X7为牙齿磨损对钻速的影响。现规定

X7=-h

h为根据磨损分级标准确定的齿高磨损量。新钻头h=0，齿高全部磨损时h=1。A7与钻头类型及岩层性质有关。使用硬质合金齿时，牙齿磨损对钻速的影响很小，可以认为a7=0（即不考虑牙齿磨损对钻速形成的影响）。第五节机械参数第三章钻进工艺多元钻速方程共有12个影响因素。（L、ρm、μ

、ρe、ρp、db、W、n、Q、de、h、a0）

多元钻速方程是以大量的实测数据为基础，通过回归分析法建立的相关模型。它的准确性首先决定于指数方程中各回归系数ａｊ的精确度。用多元钻速方程来确定各种因素与钻速之间的定量关系时，首先必须根据该地区一口以上井的准确资料，求出回归效果好的各ａｊ值，然后才能用此模型分析计算各因素对钻速的具体影响，由此确定新设计井的最优化钻井措施。第五节机械参数第三章钻进工艺2、建立钻头磨损方程由于钻头磨损的不同形式，牙轮钻头磨损方程有牙齿磨损方程和轴承磨损方程二种。牙齿磨损(铣齿)轴承磨损(镶齿)第五节机械参数第三章钻进工艺式中Af----岩石研磨性系数；n---转速;D2----牙齿结构系数；Wmax----门限钻压;h---磨损量与与原齿高比。

B----轴承相对磨损量；b----轴承磨损系数σ----钻压指数。3、建立目标函数目前广泛应用的主要是单位进尺成本目标函数：

式中Cb——钻头成本，元；Ｃr——钻机作业费，元／h；

tt——起下钻时间，h；

t——钻头工作时间，h；Ｈb——钻头进尺，m。第五节机械参数第三章钻进工艺Ｈb由钻速方程确定t由磨损方程确定4、采用最优化方法当目标函数确定后，即可对机械参数进行优选。根据最优化理论,令目标函数对各变量的偏导数为零,便可确定各相应参数的最优值,即

第五节机械参数第三章钻进工艺在目标函数中，只有对钻压、转速和牙齿磨损量求偏导数为零，对实际工作才有指导意义。结合约束条件，即可确定最优钻压、转速和牙齿磨损量。第五节机械参数第三章钻进工艺要同时求得钻压、转速和钻头磨损的最优值，需求解联立方程组，有一定的难度。因而在实际应用中，采