第四章 钻进参数优选

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
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）
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。
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
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。
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
■ 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
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
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
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。
Pg 0.51655 d
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
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
（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。
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
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
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
（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。
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
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：
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
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。
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)