钻井工程理论与技术.pptx

1 1、本章重点：钻进过程中各参数间的基本关系；钻进过程中各参数间的基本关系；钻进方程中有关参数的确定；钻进方程中有关参数的确定；钻进参数优选方法；钻进参数优选方法；水力功率传递的基本关系；水力功率传递的基本关系；水力参数优化设计。水力参数优化设计。2 2、难点：钻进过程中各参数间的基本关系；钻进过程中各参数间的基本关系；水力功率传递的基本关系；水力功率传递的基本关系；水力参数优化设计。水力参数优化设计。第1页/共101页钻井工程的总目标：以最低的成本钻出高质量的井眼以最低的成本钻出高质量的井眼.钻进成本公式：影响钻速和钻头寿命的因素：（1 1）不可控因素 是指客观存在的因素，如所钻的是指客观存在的因素，如所钻的地层地层、岩性岩性、储层埋藏深度储层埋藏深度以及以及地层压力地层压力等。等。（2 2）可控因素 可进行人为调节的因素，如可进行人为调节的因素，如地面机泵设备地面机泵设备、钻头类型钻头类型、钻井钻井液性能液性能、钻压钻压、转速转速、泵压泵压和和排量排量等。等。概 述第2页/共101页钻进参数：表征钻进过程中的可控因素所包含的设备、工具、表征钻进过程中的可控因素所包含的设备、工具、钻井液以及操作条件的重要性质的量。如钻头类型、钻井液以及操作条件的重要性质的量。如钻头类型、钻井液性能参数、钻压、转速、泵压、排量、钻头喷钻井液性能参数、钻压、转速、泵压、排量、钻头喷嘴直径、钻头水功率等。嘴直径、钻头水功率等。钻进参数优选：指在一定的客观条件下，根据不同参数配合时各因指在一定的客观条件下，根据不同参数配合时各因素对钻进速度和钻头寿命的影响规律，采用最优化方素对钻进速度和钻头寿命的影响规律，采用最优化方法，选择合理的钻进参数配合，使钻进过程达到最优法，选择合理的钻进参数配合，使钻进过程达到最优的技术和经济指标。的技术和经济指标。第3页/共101页一、影响钻速的主要因素及钻速方程 (一)钻压对钻速的影响 oaoa段：段：钻压小，钻速钻压小，钻速VpcVpc很小。很小。abab段：段：钻压增大，钻速钻压增大，钻速Vpc Vpc 随随 钻压增加钻压增加成线性关系增大。成线性关系增大。bcbc段：段：当钻压增大到一定值当钻压增大到一定值W Wb b 时，时，钻压增大钻压增大,钻速改进效果钻速改进效果 并不明显。并不明显。第一节 钻进过程中各参数间的基本关系钻压与钻速的关系曲线钻压与钻速的关系曲线第4页/共101页实际应用中实际应用中,以以直线段为依据直线段为依据建建 立钻压立钻压(W W)与钻速与钻速(VpcVpc)的定量关的定量关系系,即即:式中：M M称为称为门限钻压门限钻压,它是它是abab线在线在钻压轴上的截距钻压轴上的截距,认为是牙齿开始认为是牙齿开始吃入地层时的钻压吃入地层时的钻压,其值的大小主其值的大小主要取决于要取决于岩层性质岩层性质,并具有较强的并具有较强的地区性。地区性。钻压与钻速的关系曲线钻压与钻速的关系曲线第5页/共101页 (二)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。钻速随转速的增大而增大，并呈指数关系变化。其中：称为称为转速指数转速指数,一般小于一般小于1 1，数值大小主要与岩层性质有关。数值大小主要与岩层性质有关。极软地层极软地层11，随着岩石硬度增大，随着岩石硬度增大，值减小。值减小。转速与钻速的关系曲线转速与钻速的关系曲线第6页/共101页(三)牙齿磨损对钻速的影响 随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。式中：式中：C C2 2 称为称为牙齿磨损系数牙齿磨损系数,与钻头齿形结构和与钻头齿形结构和 岩层性质有关岩层性质有关,由现场数据统计得到。由现场数据统计得到。h h 为为牙齿磨损量牙齿磨损量,以牙齿的相对磨损高度以牙齿的相对磨损高度 表示表示,新钻头时新钻头时h h=0=0；牙齿全部磨损时；牙齿全部磨损时h h=1=1。第7页/共101页 (四)水力因素对钻速的影响 通常用通常用井底单位面积上的平均水功率井底单位面积上的平均水功率(称为比水功率称为比水功率)来研究来研究水力因素对钻速的影响规律。水力因素对钻速的影响规律。水力因素主要从以下两个方面影响钻速：(1)1)水力净化井底水力净化井底 水力净化能力用水力净化能力用水力净化系数水力净化系数 C CH H 表示表示,其其为实际钻速与净化完善时的钻速之比为实际钻速与净化完善时的钻速之比.即：即：P P-实际比水功率实际比水功率,kW/cm,kW/cm2 2;P Ps s-净化完善时所需的比水功率净化完善时所需的比水功率,kW/cm,kW/cm2 2。井底完全净化后，井底完全净化后，C CH H=1=1；否则，；否则，C CH H1 1。(2)(2)水力辅助破岩水力辅助破岩 井底比水功率越大，辅助破岩能力越强，钻速越快。井底比水功率越大，辅助破岩能力越强，钻速越快。第8页/共101页 (五)钻井液性能对钻速的影响 1 1、钻井液密度对钻速的影响 钻钻井井液液密密度度越越大大，井井内内液液柱柱压压力力越越大大。在在井井内内液液柱柱压压力力大大于于地层孔隙压力的情况下，产生一个正压差。地层孔隙压力的情况下，产生一个正压差。压压持持效效应应：在在正正压压差差作作用用下下，井井底底岩岩屑屑难难以以离离开开井井底底，造造成成重复破碎现象，钻速降低。重复破碎现象，钻速降低。压差与钻速的关系：压差与钻速的关系：-零压差时钻速零压差时钻速,m/h;,m/h;p p-井内液柱压力与地层压力只差；井内液柱压力与地层压力只差；-与岩石有关的系数；与岩石有关的系数；第9页/共101页2 2、压差影响系数：式中:vpc-实际钻速实际钻速,m/h;vpc0-零压差时的钻速零压差时的钻速,m/h;p-井底压差井底压差,Mpa,Mpa；-与岩性质有关的系数。与岩性质有关的系数。第10页/共101页3 3、钻井液粘度对钻速的影响 钻井液粘度增大，将会增大钻井液粘度增大，将会增大环空压降，使井底压差增大，环空压降，使井底压差增大，钻速降低；钻速降低；钻井液粘度增大，钻柱内压钻井液粘度增大，钻柱内压耗增大，在泵压一定时钻头压耗增大，在泵压一定时钻头压降减小，钻头水功率减小，清降减小，钻头水功率减小，清岩和破岩能力降低，钻速下降。岩和破岩能力降低，钻速下降。第11页/共101页4 4、钻井液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。钻井液固相含量增大，机械钻速降低。5 5、钻井液分散性对钻速的影响 分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低；钻井液中小分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低；钻井液中小于于1m1m的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。第12页/共101页(六 )钻速方程（修正杨格模式）其中：其中：v vpc pc 钻速钻速,m/h,m/h；W W 钻压钻压,kN,kN；M M 门限钻压门限钻压,kN,kN；n n 转速转速,r/min,r/min 转速指数；转速指数；C C2 2牙齿磨损系数；牙齿磨损系数；C CH H 水力净化系数；水力净化系数；C Cp p压差影响系数；压差影响系数；h h 牙齿磨损相对高度；牙齿磨损相对高度；K KR R 地地层层可可钻钻系系数数，与与地地层层岩岩石石的的机机械械性性质质、钻钻头头类类型型以及钻井液性能等因素有关。以及钻井液性能等因素有关。第13页/共101页二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程 (一)钻压对牙齿磨损速度的影响 牙齿磨损速度随钻压的增大而增大。当钻压增大到某一极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。限值时，牙齿磨损速度趋于无穷大。式中：式中：Z Z1 1与与Z Z2 2 称为钻压影响系数称为钻压影响系数,与牙轮钻头尺寸有关。与牙轮钻头尺寸有关。当钻压等于当钻压等于Z Z2 2Z Z1 1时时,牙齿的磨损速度无限大。牙齿的磨损速度无限大。Z Z2 2Z Z1 1是该尺寸钻头的理论极限钻压。是该尺寸钻头的理论极限钻压。第14页/共101页表4-1 4-1 钻压影响系数钻头直径（钻头直径（mmmm）Z Z1 1Z Z2 21591590.01980.0198 5.5 5.51711710.01870.0187 5.6 5.62002000.01670.01675.945.942202200.01600.01606.116.112442440.01480.01486.386.382512510.01460.01466.446.442702700.01390.01396.686.683113110.01310.01317.157.153503500.01240.01247.567.56第15页/共101页 增大转速，牙齿磨损速度加快增大转速，牙齿磨损速度加快 式中：式中：a a1 1和和a a2 2是由钻头类型决定是由钻头类型决定的系数。的系数。见表见表4-24-2。(二)转速对牙齿磨损速度的影响第16页/共101页(三)牙齿磨损状况对牙齿磨损速度的影响 牙牙齿齿磨磨损损量量增增大大，其其工工作作面面积积增增大大，磨磨损损速速度度减减小小 式式中中：C C1 1称称为为牙牙齿齿磨磨损损减减慢慢系系数数,与与钻钻头头类类型型有有关关,其其数数值值见见表表4 4-2 2。第17页/共101页(四)牙齿磨损速度方程 式中：式中：A Af f 称为地层研磨性系数称为地层研磨性系数.需根据现场钻头资料统计计算确定。需根据现场钻头资料统计计算确定。第18页/共101页(五)轴承磨损速度方程 轴承磨损量用轴承磨损量用B B表示。轴承磨损速度用表示。轴承磨损速度用dB/dtdB/dt表示。表示。式中：式中：b b称为称为轴承工作系数轴承工作系数，与钻头类型与钻井液性能有关，与钻头类型与钻井液性能有关，现场资料确定。现场资料确定。第19页/共101页例1 1 某油田某油田2800m2800m井段的地层研磨性系数井段的地层研磨性系数A Af f=2.3310=2.3310-3-3，用，用 251mm251mm适用中硬地层的适用中硬地层的2121型钻头钻进，钻压型钻头钻进，钻压W=196KNW=196KN，转速转速n=110 r/min,n=110 r/min,试求试求10h10h后的牙齿磨损量。后的牙齿磨损量。第20页/共101页三、钻进方程中有关系数的确定 (一）钻速方程的系数：M M、C C2 2、C CH H、C CP P、K KR R 1.M1.M和的确定五点法钻速试验 （1 1）基本思路）基本思路 保持钻压和钻速方程中的其它参数恒定，采用两种转速保持钻压和钻速方程中的其它参数恒定，采用两种转速n nminmin、n nmaxmax钻进同一地层，可得到两个不同钻速值钻进同一地层，可得到两个不同钻速值v vpcminpcmin、v vpcmaxpcmax，代入钻，代入钻速方程，联立求解转速指数速方程，联立求解转速指数。保持转速和钻速方程中的其它参数恒定，采用两种钻压保持转速和钻速方程中的其它参数恒定，采用两种钻压W Wminmin、W Wmaxmax钻进同一地层，可得到两个不同钻速值钻进同一地层，可得到两个不同钻速值v vpcminpcmin、v vpcmaxpcmax，代入钻，代入钻速方程，联立求解门限钻压速方程，联立求解门限钻压M M。第21页/共101页（2 2）试验条件 试验中试验中钻井液性能、水力参数恒定钻井液性能、水力参数恒定，一般取本地区常，一般取本地区常用值，使用值，使C CH H、C CP P不变，且避免水力因素变化对门限钻压不变，且避免水力因素变化对门限钻压M M值的影响。值的影响。试验试验井段井段或或试验时间尽可能短试验时间尽可能短，以保证试验开始和结，以保证试验开始和结束时的牙齿磨损量和地层岩性相差很小。束时的牙齿磨损量和地层岩性相差很小。第22页/共101页（3 3）试验步骤:准备：确定本地区钻压范（确定本地区钻压范（Wmin,Wmax）和转速范围（）和转速范围（nmin,nmax）以以及平均钻压、平均转速（及平均钻压、平均转速（W0，n0）。）。第一步：用平均钻压和平均用平均钻压和平均转速（转速（W0 ，n0 ）钻进）钻进1米或米或0.5米米,记录钻速记录钻速vpc1。第二步：用最小钻压和最小用最小钻压和最小转速（转速（Wmin，nmin）钻进）钻进1米米或或0.5米米,记录钻速记录钻速vpc2。第三步：钻压不变，用最大钻压不变，用最大转速（转速（Wmin，nmax）钻进）钻进1米米或或0.5米米,记录钻速记录钻速vpc3。第23页/共101页第四步：转速不变，用最转速不变，用最大钻压（大钻压（Wmax，nmax）钻）钻进进1米或米或0.5米米,记录钻速记录钻速Vpc4。第五步：钻压不变，用最钻压不变，用最小转速（小转速（Wmax，nmin）钻）钻进进1米或米或0.5米米,记录钻速记录钻速Vpc5。第六步：用平均钻压和平用平均钻压和平均钻速（均钻速（W0 ，n0）钻进）钻进1米或米或0.5米米,记录钻速记录钻速Vpc6。第24页/共101页(4(4）M M、计算 将将(W Wminmin,n nminmin,V,Vpc2pc2)和和(W Wmaxmax,n nmin min,V,Vpc5pc5)代入钻速方程，可求出代入钻速方程，可求出:将将(W Wminmin,n nmaxmax,V,Vpc3pc3)和和(W Wmaxmax,n nminmin,V,Vpc4pc4)代入钻速方程又可求出代入钻速方程又可求出:取取M M1 1、M M2 2的平均值的平均值:第25页/共101页n 同理可得的计算公式：两边取对数得两边取对数得:第26页/共101页（5 5）试验有效性验证（地层差别验证）若地层完全相同，若地层完全相同，Vpc1=Vpc6。实际要求：实际要求：第27页/共101页2.2.牙齿磨损系数C C2 2的确定 假定：假定：1 1）某钻头所钻井段岩性基本不变）某钻头所钻井段岩性基本不变 2 2）各项钻进参数基本恒定）各项钻进参数基本恒定 已知新钻头牙齿磨损量已知新钻头牙齿磨损量h=0h=0，钻头起出时磨损量为，钻头起出时磨损量为h hf f；钻头；钻头开始钻速开始钻速V Vpc0pc0，起钻时钻速，起钻时钻速V Vpcfpcf。由钻速方程可反求出牙齿磨损系由钻速方程可反求出牙齿磨损系数数C C2 2：3.3.水力净化系数C CH H和压差影响系数C CP P 井底充分净化，井底充分净化，C CH H=1=1，否则，否则C CH H1 1。井底压差为井底压差为0 0，C CP P=1=1，否则，否则C CP P1 1。第28页/共101页4.4.地层可钻性系数K KR R的确定 取得新钻头试钻资料（开始钻进时的钻速取得新钻头试钻资料（开始钻进时的钻速V Vpcpc，各项钻进参数），各项钻进参数），此时牙齿磨损量，此时牙齿磨损量h=0h=0，由钻速方程可锝：，由钻速方程可锝：第29页/共101页（二）磨损方程的系数：Z Z1 1、Z Z2 2、C C1 1、a a1 1、a a2 2、b b、A Af f 1.1.钻压影响系数Z Z1 1、Z Z2 2 取值与牙轮钻头尺寸有关，由台架实验确定。查休斯公司实取值与牙轮钻头尺寸有关，由台架实验确定。查休斯公司实验数据表验数据表4-14-1。第30页/共101页2.2.转速影响系数a a1 1，a a2 2和牙齿磨损减慢系数C C1 1：取值与牙轮钻头类型有关，由台架实验确定。查表取值与牙轮钻头类型有关，由台架实验确定。查表4-2。3.3.轴承工作系数b b：取决于钻头类型和钻井液性能。利用现场实钻资料，根据取决于钻头类型和钻井液性能。利用现场实钻资料，根据轴承磨损方程确定。轴承磨损方程确定。第31页/共101页4.4.地层研磨性系数A Af f 与地层研磨性和钻头耐磨性、钻井液性能等因素有关。利用与地层研磨性和钻头耐磨性、钻井液性能等因素有关。利用实钻资料，由牙齿磨损方程反算。实钻资料，由牙齿磨损方程反算。第32页/共101页M,KR C2,Af ,bZ1,Z2 a1,a2,C1 可查表求得 可计算求得 综上所述：钻速方程、牙齿磨损方程、轴承磨损方程中的系钻速方程、牙齿磨损方程、轴承磨损方程中的系数的确定方法：数的确定方法：第33页/共101页第二节 机械破岩参数优选 目的：寻求最优的钻压、转速组合，使钻井过程达到最寻求最优的钻压、转速组合，使钻井过程达到最佳技术经济效果。佳技术经济效果。优选方法步骤：确定标准确定标准建立目标函数建立目标函数在各种约束条件下寻在各种约束条件下寻求目标函数的极值点求目标函数的极值点满足极值点条件的参数组合即满足极值点条件的参数组合即为最优参数。为最优参数。第34页/共101页其中其中:C C单位进尺成本，元单位进尺成本，元/m/m；C Cb b钻头成本，元钻头成本，元/只；只；C Cr r钻机作业费，元钻机作业费，元/h/h；t tr r起下钻、接单根时间，起下钻、接单根时间，h h；t t钻头工作时间，钻头工作时间，h h；H-H-钻头总进尺，钻头总进尺，m m。一、目标函数的建立 衡量钻井技术经济效果的标准：衡量钻井技术经济效果的标准：第35页/共101页(一)建立钻头进尺H H与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系第36页/共101页 在在上式中，令：上式中，令：J J的物理意义:牙齿磨损量牙齿磨损量h=0h=0（新钻新钻头）头）时的初始钻速。时的初始钻速。S S的物理意义:牙齿磨损量牙齿磨损量h h=0=0 时牙齿时牙齿的初始磨速。它的倒数相当于不考虑的初始磨速。它的倒数相当于不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论寿命。牙齿磨损影响时的钻头理论寿命。E E的物理意义:考虑牙齿磨损对钻速和考虑牙齿磨损对钻速和牙齿磨损速度影响后的进尺系数。牙齿磨损速度影响后的进尺系数。它它是牙齿最终磨损量的函数。是牙齿最终磨损量的函数。第37页/共101页则：J/SJ/S的物理意义：不考虑牙齿磨损影响时的理论进尺。不考虑牙齿磨损影响时的理论进尺。第38页/共101页(二)建立钻头寿命t t与钻压、转速、磨损量等参数的关系由牙齿磨量h h损决定的钻头寿命由轴承磨损量B B决定的钻头寿命考虑牙齿磨损对钻头考虑牙齿磨损对钻头磨速影响后的钻头寿磨速影响后的钻头寿命系数。命系数。第39页/共101页钻头与起下钻钻头与起下钻成本折算时间成本折算时间在此仅考虑牙齿磨损决定的寿命(三)目标函数第40页/共101页二、目标函数的极值条件和约束条件 (一)极值条件(二二)约约束条件束条件 （1 1）牙齿磨损量：）牙齿磨损量：00h hf f1 1（2 2）轴承磨损量：）轴承磨损量：00B Bf f1 1（3 3）钻压：）钻压：M M0 0，M MW WZ Z2 2/Z/Z1 1 M M 0 0，0 0W WZ Z2 2/Z/Z1 1 （4 4）转速：）转速：n0n0 轴承磨损量与牙齿磨损量的关系轴承磨损量与牙齿磨损量的关系C CH H=1;=1;C Cp p=1;=1;第41页/共101页 三、钻头最优磨损量、最优钻压和最优转速 (一)钻头最优磨损量给定（W W，n n），可求出在一定钻压、转速下的钻头最优磨损量第42页/共101页 (二)最优转速 给定的（W W，h hf f），可求出最优转速n nopop。第43页/共101页(三)最优钻压根据给定的（n n，h hf f），可求出最优钻压。第44页/共101页 (四)最优参数组合 理论上：采用迭代方法求解由目标函数、极值条件和采用迭代方法求解由目标函数、极值条件和 约束条件组成的方程组约束条件组成的方程组,可进行全局寻优。可进行全局寻优。实际中：确定钻头磨损量确定钻头磨损量求求不同转速下不同转速下的的最优钻压最优钻压 选取每米成本最低的钻压、转速组合。选取每米成本最低的钻压、转速组合。第45页/共101页 例4-24-2某某井井段段的的地地层层可可钻钻性性系系数数K K=0.0023,=0.0023,研研磨磨性性系系数数A Af f=2.2810=2.2810-3-3,门门限限钻钻压压M M=10kN,=10kN,转转速速指指数数=0.68.=0.68.用用251mm251mm的的2121型型钻钻头头钻钻进进,C C2 2=3.68,=3.68,C CH H=1,=1,C CP P=1,=1,钻钻头头成成本本C Cb b=900=900元元/只只,钻钻机机作作业业费费C Cr r=250=250元元/小小时时,起起下下钻钻时时间间t tr r=5.75=5.75小小时时;所所用用钻钻机机的的转转盘盘转转速速只只有有三三档档,分分别别为为n n1 1=60=60转转/分分,n n2 2=120=120转转/分分,n n3 3=180=180转转/分分,根根据据邻邻井井资资料料,所所选选钻钻头头在在该该井井段段的的牙牙齿齿磨磨损损量量一一般般为为T6T6级级(h hf f=0.75),=0.75),试求最优的钻压、转速组合及其工作指标试求最优的钻压、转速组合及其工作指标.第46页/共101页解:查表可得查表可得251mm的的21型钻头参数为型钻头参数为:D2=6.44,D1=0.0146,a1=1.5,a2=6.5310-5,C1=5 小时小时 第47页/共101页不同转速时的最优钻压及其工作指标不同转速时的最优钻压及其工作指标 n(n(转转/分分)6060120120180180a a1 1n+an+a2 2n n3 3104.105104.105292.838292.838650.830650.830R R 15.487 15.487 43.563 43.563 96.817 96.817R/FR/F 7.183 7.183 20.205 20.205 44.906 44.906Wopt(kN)Wopt(kN)323.34 323.34 285.96 285.96 261.73 261.73S S 0.1383 0.1383 0.2951 0.2951 0.5671 0.5671t(t(小时小时)15.59 15.59 7.31 7.31 3.80 3.80J J 11.898 11.898 16.790 16.790 20.179 20.179H(H(米米)76.57 76.57 50.64 50.64 31.67 31.67C(C(元元/米米)81.43 81.43 82.23 82.23 103.73 103.73第48页/共101页 某井段的地层采用五点法钻井试验的结果如下：某井段的地层采用五点法钻井试验的结果如下：用用251mm251mm的的2121型钻头进型钻头进,C,CH H=1,C=1,CP P=1,=1,钻头成本钻头成本C Cb b=1500=1500元元/只只,钻机作业费钻机作业费C Cr r=800=800元元/小时小时,起下钻时间起下钻时间t tt t=5.75=5.75小时小时;所用钻机的转盘转速只有三档所用钻机的转盘转速只有三档,分别为分别为n n1 1=60=60转转/分分,n n2 2=90=90转转/分分,n n3 3=120=120转转/分分,根据邻井资料根据邻井资料,所选钻头在该井段的牙齿磨损量一般为所选钻头在该井段的牙齿磨损量一般为T6T6级级(h(hf f=0.75),=0.75),试求最优的钻压、转速组合及其工作指标试求最优的钻压、转速组合及其工作指标.试验点试验点1 12 23 34 45 56 6钻压钻压/KN/KN225225254254254254196196196196 225225转速转速/r/rminmin-1-17070606012012012012060607070钻速钻速/m/mh h-1-1313132.532.54646343424243030第49页/共101页第三节 水力参数优化设计 射流的水力特性 钻头的水力特性 循环压耗的计算 地面泵的水力特性 水力参数的优化设计 第50页/共101页概 述 n 喷射钻井的概念 采用大功率的泥浆泵和可以产生高速射流的钻头喷嘴采用大功率的泥浆泵和可以产生高速射流的钻头喷嘴，使高使高压钻井液流过喷嘴时可产生高速流动的水射流，给井底以很大压钻井液流过喷嘴时可产生高速流动的水射流，给井底以很大的冲击力，的冲击力，把岩屑及时冲离井底，并辅助破碎岩石把岩屑及时冲离井底，并辅助破碎岩石。该技术称。该技术称为喷射钻井技术。为喷射钻井技术。n 水力参数 钻井泵的功率、排量、泵压、以及钻头水功率、钻头水力压钻井泵的功率、排量、泵压、以及钻头水功率、钻头水力压降、钻头喷嘴直径、射流冲击力、射流喷速和环空钻井液上返降、钻头喷嘴直径、射流冲击力、射流喷速和环空钻井液上返速度等。速度等。n 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，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速之目的。从而达到最优的井底净化效果和提高机械钻速之目的。第51页/共101页 一、喷射式钻头的水力特性 (一)射流及其对井底的作用 1.1.射流特性 射流是指通过管嘴或孔口过水断面周界不与固体壁接触的液流。射流是指通过管嘴或孔口过水断面周界不与固体壁接触的液流。射流分类：（按条件）射流与周围流体介质的关系：射流与周围流体介质的关系：射射介介 非淹没射流非淹没射流 有无固体边界：有固体边界有无固体边界：有固体边界 非自由射流非自由射流 无固体边界无固体边界 自由射流自由射流 射流压力是否稳定：射流压力是否稳定：连续射流连续射流 压力平稳压力平稳 脉冲射流脉冲射流 流量发生一定频率的脉动，射流产生周期性的动载流量发生一定频率的脉动，射流产生周期性的动载 混合射流混合射流 既有连续部分，又有脉动部分既有连续部分，又有脉动部分 空化射流空化射流 气体进入液体产生空穴，空穴破裂产生很高的压力气体进入液体产生空穴，空穴破裂产生很高的压力 钻头喷嘴射出的射流为淹没非自由连续射流第52页/共101页 井底射流特性：(1)(1)射流形状 (2)(2)扩散角 射射流流纵纵剖剖面面上上周周界界母母线线的的夹夹角角称称为为射射流流扩扩散散角角。它它反反映映了了射射流流的的密密集集程程度度。越越小小，则则射射流流的的密密集性越高，能量就越集中。集性越高，能量就越集中。n 射流的喷距：射射流流断断面面距距喷喷嘴嘴出出口口的的距距离。离。第53页/共101页(3)(3)速度分布规律 在喷嘴出口断面，各点的速度在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为初始速度。基本相等，为初始速度。在射流任一横截面上，射流轴在射流任一横截面上，射流轴心上的速度最高，由中心向外速度心上的速度最高，由中心向外速度很快降低，到射流边界上速度降为很快降低，到射流边界上速度降为零。零。射流中心部分保持初始速度流射流中心部分保持初始速度流动的流束，称为动的流束，称为射流等速核射流等速核。等速。等速核长度与喷嘴直径和流道形状有关。核长度与喷嘴直径和流道形状有关。在等速核以内，射流轴线上的在等速核以内，射流轴线上的速度等于出口速度；超过等速核以速度等于出口速度；超过等速核以后，射流轴线上的速度后，射流轴线上的速度迅速降低。迅速降低。Vjm/Vj0 第54页/共101页(4)(4)井底漫流 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漫流 第55页/共101页 3.3.射流对井底的清洗作用 （1 1）射流的冲击压力作用）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。击压力使岩屑受到一个翻转力矩，从而离开井底。（2 2）漫流的横推作用）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）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。，对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。射流冲击面积射流冲击面积 岩屑翻转岩屑翻转第56页/共101页n 漫流的速度分布 径向径向(横向横向)：冲击圆的中心为：冲击圆的中心为0 0；冲击圆边缘最大；冲击圆；冲击圆边缘最大；冲击圆边缘以外，漫流速度下降。边缘以外，漫流速度下降。轴向轴向(纵向纵向)：距井底：距井底0.5mm0.5mm高度处，漫流速度最大，向上迅高度处，漫流速度最大，向上迅速减小速减小 。第57页/共101页4.4.射流对井底的破岩作用 在岩石强度较低的地层，射流的冲击压力超过底层的破碎强在岩石强度较低的地层，射流的冲击压力超过底层的破碎强度，直接破碎岩石。度，直接破碎岩石。在岩石强度较高的地层，射流挤入岩石中由钻头机械力造成在岩石强度较高的地层，射流挤入岩石中由钻头机械力造成的微裂纹和微裂缝内，形成的微裂纹和微裂缝内，形成“水锲水锲”，使微裂纹和裂缝扩展，从，使微裂纹和裂缝扩展，从而大大降低岩石的破碎强度。而大大降低岩石的破碎强度。第58页/共101页(二）射流水力参数 表征射流水力能量大小的参数：表征射流水力能量大小的参数：喷射速度、射流冲击力、喷射速度、射流冲击力、射流水功率。射流水功率。计算位置：计算位置：喷嘴出口断面喷嘴出口断面 1.1.射流喷射速度 2.2.射流冲击力 （工程单位制）（工程单位制）第59页/共101页3.3.射流水功率 单位时间内射流所具有的作功能量称为射流水功率。单位时间内射流所具有的作功能量称为射流水功率。（国际单位制）（国际单位制）（工程单位）（工程单位）第60页/共101页 （三）钻头水力参数 钻头水力参数是射流水力能量和喷嘴损耗能量的综合反映，钻头水力参数是射流水力能量和喷嘴损耗能量的综合反映，包括钻头压力降和钻头水功率。包括钻头压力降和钻头水功率。1.1.钻头压力降 钻头压力降是指钻井液流过钻头喷嘴以后钻井液压力降低的值钻头压力降是指钻井液流过钻头喷嘴以后钻井液压力降低的值 式中：式中：C C喷嘴流量系数喷嘴流量系数,与喷嘴的阻力系数有关，与喷嘴的阻力系数有关，C C 1 1。d de e喷嘴当量直径，即与喷嘴当量直径，即与n n个喷嘴出口截面面积总和相个喷嘴出口截面面积总和相 当的当的喷嘴直径，喷嘴直径，cmcm；第61页/共101页 2.2.钻头水功率 钻头水功率是指钻井液流过钻头喷向井底所消耗的水力功率钻头水功率是指钻井液流过钻头喷向井底所消耗的水力功率 3.3.钻头水力参数与射流水力参数的关系第62页/共101页二、水功率传递的基本关系 n 水功率传递路径：钻井泵 地面管汇 钻柱内 钻头 环空 地面第63页/共101页n 压力分配：p ps s=p=pg g+p+pstst+p+panan+p+pb b=p=pl l+p+pb bn 水功率分配：P Ps s=P=Pg g+P+Pstst+P+Panan+P+Pb b=P=Pl l+P+Pb b式中：式中：p ps s、P Ps s钻井泵压力及功率；钻井泵压力及功率；p pg g、P Pg g 地面管汇压耗及功率；地面管汇压耗及功率；p pstst、P Pst st 钻柱内压耗及功率钻柱内压耗及功率p panan、P Pan an 环空压耗及功率环空压耗及功率p pb b、P Pb b 钻头压降及功率钻头压降及功率第64页/共101页三、循环系统压耗的计算 假设：假设：（1 1）钻井液为宾汉流体；）钻井液为宾汉流体；（2 2）钻井液在循环系统各部分的流动均为等温紊流流动；）钻井液在循环系统各部分的流动均为等温紊流流动；（3 3）钻柱处于与井眼同心的位置；）钻柱处于与井眼同心的位置；（4 4）不考虑钻柱旋转；）不考虑钻柱旋转；（5 5）井眼为已知直径的圆形井眼；）井眼为已知直径的圆形井眼；（6 6）钻井液是不可压缩流体。）钻井液是不可压缩流体。第65页/共101页(一)压耗计算的基本公式式中：式中：第66页/共101页 (二)摩阻系数f f 的确定 1.1.宾汉流体在紊流状态下摩阻系数宾汉流体在紊流状态下摩阻系数f f 与与ReRe的关系的关系管内流：管内流：环空流：环空流：k 系数，与管路特性有关；系数，与管路特性有关；Re 雷诺数；雷诺数；第67页/共101页2.2.循环系统摩阻系数计算公式（1 1）内平钻杆及钻铤管内）内平钻杆及钻铤管内（2 2）贯眼接头钻杆管内）贯眼接头钻杆管内（3 3）环型空间）环型空间第68页/共101页 （三）循环系统压耗的计算公式1 1、钻杆内压耗2 2、钻铤内压耗 钻杆外环 形空间压耗 钻铤外环空压耗第69页/共101页钻铤内外压耗：钻铤内外压耗：钻杆内外压耗：钻杆内外压耗：3 3、地面管汇压耗第70页/共101页分别令分别令K Kg g、K Kp p和和K Kc c为地面管汇、钻杆内外和钻铤内外的压耗系数，为地面管汇、钻杆内外和钻铤内外的压耗系数，即：即：第71页/共101页 则则 总压耗计算公式：总压耗计算公式：称为整个循环系统的压耗系数称为整个循环系统的压耗系数将压耗系数K Kl l作进一步变化，设井深为D D，并令：第72页/共101页 （四）提高钻头水力参数的途径 关关系系 压压力力 关关系系 功功率率提高钻头水力参数的主要途径提高钻头水力参数的主要途径 1.1.提高泵压提高泵压p ps s和泵功率和泵功率P Ps s 2.2.降低循环压耗系数降低循环压耗系数K Kl l 使用低密度钻井液使用低密度钻井液 减小钻井液粘度减小钻井液粘度 适当增大管路直径适当增大管路直径 3.3.增大钻头压降系数增大钻头压降系数K Kb b 唯一有效的途径是减小喷嘴唯一有效的途径是减小喷嘴直径。直径。4.4.优选排量优选排量Q Q第73页/共101页四、钻井泵的工作特性 (一)钻井泵的性能参数 额定功率额定功率钻井泵的最大输出功率，钻井泵的最大输出功率，P Pr r 额定泵压额定泵压所用缸套的允许工作压力，所用缸套的允许工作压力，p pr r 额定排量额定排量在额定泵功率和额定泵压时的排量，在额定泵功率和额定泵压时的排量，Q Qr r 额定泵冲额定泵冲额定排量时的泵冲数。额定排量时的泵冲数。第74页/共101页(二)钻井泵的工作状态 根据泵排量的大小，可将钻井泵的工作分为两种工作状态：根据泵排量的大小，可将钻井泵的工作分为两种工作状态：1.1.额定泵压工作状态 当当QQr时，时，ps=pr，PSPr 2.2.额定功率工作状态 当当QQr时，时，Ps=Pr，pS pr 钻井泵的实际工作状态取决于所选用缸套的大小。钻井泵的实际工作状态取决于所选用缸套的大小。只有当泵排量等于额定排量时，只有当泵排量等于额定排量时，钻井泵才能同时达到额定输出钻井泵才能同时达到额定输出功率和额定泵压。因此，应尽功率和额定泵压。因此，应尽量选用额定排量与实用排量相量选用额定排量与实用排量相近的缸套。近的缸套。第75页/共101页 五、水力参数优选 （一）优选标准 目标：获得最大的射流水力参数或钻头水力参数。目标：获得最大的射流水力参数或钻头水力参数。射流水力参数射流水力参数钻头水力参数钻头水力参数由于：由于：所以可选其中的所以可选其中的Vj、Fj或或Pb作为优选标准。作为优选标准。第76页/共101页各水力参数随排量变化的规律：各水力参数随排量变化的规律：由曲线可知，选择一个排量不可能使四个参数同时达到最大，由曲线可知，选择一个排量不可能使四个参数同时达到最大，那麽究竟按照什麽标准选择排量呢？那麽究竟按照什麽标准选择排量呢？n 三种选择方式：三种选择方式：以以P Pb b 为标准选排量称为为标准选排量称为最大水功率最大水功率工作方式。工作方式。以以F Fj j 为标准选排量称为为标准选排量称为最大冲击力最大冲击力工作方式。工作方式。以以V Vj j 为标准选排量称为为标准选排量称为最大喷射速度最大喷射速度工作方式。工作方式。第77页/共101页 （二）获得最大钻头水功率的条件 目标函数：1.1.在额定泵功率状态下工作 P Ps s=P Pr r 且 QQrQQr 由上