1、钻柱受力：规律，中性点钻柱受力：规律，中性点钻柱设计：（由下而上）钻柱设计：（由下而上） 钻铤长度：浮重原则钻铤长度：浮重原则 抗拉强度，最大安全静拉力（三种方法）抗拉强度，最大安全静拉力（三种方法） 其它强度校核其它强度校核钻井液钻井液 功能功能 循环流程循环流程 性能性能课堂回顾课堂回顾第四章第四章 钻进参数的优选钻进参数的优选钻进的钻进的任务任务是破碎岩石，是破碎岩石，钻速的高低、井身质量的优劣钻速的高低、井身质量的优劣和成本的高低和成本的高低，受到，受到地层性质地层性质的制约，同时也受到的制约，同时也受到钻进钻进设备设备、工具的性能工具的性能及及钻进工艺技术措施钻进工艺技术措施的影响。
2、的影响。钻进钻进是根据所钻地层的特点，通过选择和使用合适的工是根据所钻地层的特点，通过选择和使用合适的工具，选择合理的工艺技术措施，使钻头在地层中沿预定具，选择合理的工艺技术措施，使钻头在地层中沿预定的轨道前进的过程，是一口井建井过程的最主要的环节。的轨道前进的过程，是一口井建井过程的最主要的环节。影响钻速的因素分为两大类：影响钻速的因素分为两大类：指客观存在、无法改变的因素，如：指客观存在、无法改变的因素，如：所钻地层的岩石所钻地层的岩石物理机械性质、储层埋藏深度、地层压力物理机械性质、储层埋藏深度、地层压力等。等。指可人为选择和改变的因素，如：指可人为选择和改变的因素，如：地面机泵设备、钻
3、头地面机泵设备、钻头类型、钻压、转速、泵压、排量、钻井液性能类型、钻压、转速、泵压、排量、钻井液性能等。等。西部：西部：0.45m/h0.45m/h东部：东部：70m/h70m/h哈萨克斯坦：哈萨克斯坦：0.2m/h(0.2m/h(巨厚盐膏层巨厚盐膏层2000-5000m)2000-5000m) 钻进参数优选钻进参数优选： 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因素对钻进速度和钻头寿命的影响规律影响规律，采用最优化，采用最优化方法，选择合理的方法，选择合理的钻进参数配合钻进参数配合，使钻进过程达到最，使钻进过程达到最优的技
4、术和经济指标。优的技术和经济指标。 机械破岩参数：机械破岩参数：钻压、转速钻压、转速 水力参数：水力参数：喷嘴直径、泵压、泵排量喷嘴直径、泵压、泵排量第四章第四章 钻进参数的优选钻进参数的优选第一节第一节 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第二节第二节 钻进参数优选钻进参数优选第三节第三节 水力参数优化设计水力参数优化设计钻压是直接作用于钻头上的压力，是使钻压是直接作用于钻头上的压力，是使钻头破碎岩石的最基本参数。钻头破碎岩石的最基本参数。1 1、钻压对钻速的影响、钻压对钻速的影响 oaoa段：钻压小，钻速很小段：钻压小，钻速很小 abab段：钻压增大，钻速随钻压段：钻压
5、增大，钻速随钻压增大，呈线性关系增加增大，呈线性关系增加 bcbc段：当钻压增大到一定值段：当钻压增大到一定值W Wb b时，钻压增大，钻速改进效果时，钻压增大，钻速改进效果并不明显。并不明显。第一节第一节 钻进过程中各参数间基本关系钻进过程中各参数间基本关系条件：其它参数不变条件：其它参数不变钻压与钻速的关系曲线钻压与钻速的关系曲线 实际应用中，以直线段为依据实际应用中，以直线段为依据建立钻压（建立钻压（W W）和钻速（）和钻速（VpcVpc）的定）的定量关系。量关系。 即：即： 式中：式中：W W0 0称为称为门限钻压门限钻压，它是，它是abab线在钻压轴上的截距，认为是线在钻压轴上的截距
6、，认为是钻钻头牙齿刚开始吃入地层时的钻压头牙齿刚开始吃入地层时的钻压，其值的大小主要取决于岩层性质，其值的大小主要取决于岩层性质，有较强的地区性。有较强的地区性。0()pcVWW，pcWV条件：其它参数不变条件：其它参数不变钻压与钻速的关系曲线钻压与钻速的关系曲线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：其中： 称为转速指数，一般小于称为转速指数，一般小于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 =1随岩石硬度的增大，随岩石硬度的增大， 值减小。值减小。nVpc2 2、转速对钻速的影响、转速对钻速的影响，pcnV
7、 3 3、牙齿磨损对钻速的影响、牙齿磨损对钻速的影响211pcVC hC C2 2牙齿磨损系数，牙齿磨损系数，与钻头齿形结构和岩石性质有关。与钻头齿形结构和岩石性质有关。h h牙齿磨损量牙齿磨损量=s/H=s/H，牙齿磨损掉高度牙齿磨损掉高度/ /原齿高原齿高新钻头新钻头h=0h=0；牙齿全部磨损时；牙齿全部磨损时h=1h=1。，pchVsH牙齿磨损级别牙齿磨损级别8 8* *h h 通常用井底通常用井底单位面积上的平均水功率单位面积上的平均水功率（称为（称为比水功率比水功率）来研究水力因素）来研究水力因素对钻速的影响规律。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：水力因素主要从
8、以下两个方面影响钻速： HC4 4、水力因素对钻速的影响、水力因素对钻速的影响（1 1）水力净化井底）水力净化井底 井底井底比水功率比水功率越大，净化程度越好，越大，净化程度越好，钻速越快。钻速越快。 水力净化能力通常用水力净化能力通常用水力净化系数水力净化系数 表示。其含义为实际钻速与净化完表示。其含义为实际钻速与净化完善时的钻速之比。善时的钻速之比。Vpcs净化完善时的钻速，净化完善时的钻速，m/h；P实际比水功率，实际比水功率，kW/cm2;Ps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/cm2；spcspcHPPvvC注意：注意：l C CH H小于或等于小于或等于1
9、1；l 井底完全净化后，随着水功率进一步提高，钻速不会再井底完全净化后，随着水功率进一步提高，钻速不会再由于净化由于净化 的原因的原因而提高。而提高。（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。 原因：原因：水力破岩作用使得水力破岩作用使得门限钻压降低门限钻压降低。 （1）钻井液密度对钻速的影响）钻井液密度对钻速的影响 钻井液密度越大，井内液柱压力越大，在井内液柱压力大于地层孔隙压钻井液密度越大，井内液柱压力越大，在井内液柱压力大于地层孔隙压力的情况下，产生一个正压差。在正压差作用下，井底岩屑难以离开井底，力
10、的情况下，产生一个正压差。在正压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成造成重复破碎重复破碎现象，钻速降低。此现象称为现象，钻速降低。此现象称为压持效应压持效应。井底压差与钻速的关系：井底压差与钻速的关系：ppcopcevv5 5、钻井液性能对钻速的影响、钻井液性能对钻速的影响零压差时的钻速零压差时的钻速压差影响系数：压差影响系数： 式中：式中： 实际钻速，实际钻速，m/h; 零压差时的钻速，零压差时的钻速，m/h; 井内液柱压力与地层孔隙压力之差，井内液柱压力与地层孔隙压力之差，Mpa; 与岩石性质有关的系数。与岩石性质有关的系数。pcpppcovCevpcvpcovp（2）钻井液粘度对钻速的影
11、响）钻井液粘度对钻速的影响 钻井液粘度增大，钻柱内外压耗增大，在泵压一定时钻头压差减钻井液粘度增大，钻柱内外压耗增大，在泵压一定时钻头压差减小，钻头水功率减小，清岩和破岩能力降低，钻速下降。小，钻头水功率减小，清岩和破岩能力降低，钻速下降。（3）钻井液固相含量对钻速的影响）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。（4）钻井液分散性（固相颗粒的分散程度）对钻速的影响）钻井液分散性（固相颗粒的分散程度）对钻速的影响 分散性钻井液比不分散性钻井液钻速低。分散性钻井液比不分散性钻井液钻速低。为了提高钻速，应尽可能为了提高钻速，应尽可能采用：采用：
12、低密度低密度低粘度低粘度低固相低固相不分散体系不分散体系钻井液钻井液影影响响钻钻速速主主要要因因素素不改变因素：不改变因素：地层性质、储层埋藏深度、地层压力地层性质、储层埋藏深度、地层压力等。等。可改变因素：可改变因素：钻头类型：钻头类型：根据地层选钻头；根据地层选钻头；钻压：钻压：W W ，VmVm ；转速：转速： n n ，VmVm ；牙齿磨损：牙齿磨损： h h ，VmVm ； 水力参数：水力参数： NbNb ，VmVm ；钻井液性能：钻井液性能：低密度、低粘度、低固相、低密度、低粘度、低固相、不分散体系不分散体系二、钻速方程（修正杨格模式）二、钻速方程（修正杨格模式）其中：其中： 钻速
13、，钻速，m/h; W 钻压，钻压，kN； M 门限钻压，门限钻压，kN； n 转速转速 ，r/min ; 转速指数，转速指数， 牙齿磨损系数，牙齿磨损系数， 水力净化系数，水力净化系数， 压差影响系数，压差影响系数， h 牙齿磨损量，牙齿磨损量， 地层可钻系数，与地层岩石的机械性质、钻头类型地层可钻系数，与地层岩石的机械性质、钻头类型 及钻井液性能等因素有关。及钻井液性能等因素有关。HC2CpcvpCRK21()1pcRpHvKWM nC CC h综合上述各因素对钻速的影响规律，建立钻速方程。综合上述各因素对钻速的影响规律，建立钻速方程。三、影响钻头寿命的主要因素三、影响钻头寿命的主要因素 1
14、、钻压对牙齿磨损速度的影响、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，当牙齿磨损速度随钻压的增大而增大，当钻压增大到某一极值时，牙齿磨损速度趋于钻压增大到某一极值时，牙齿磨损速度趋于无穷大。无穷大。 式中：式中： 和和 称为钻压影响系数，其值称为钻压影响系数，其值 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 时，牙齿磨损速度无限大，时，牙齿磨损速度无限大， 是该尺寸钻头的是该尺寸钻头的极限钻压极限钻压。WZZdtdh1212Z1Z12/ZZ12/ZZP130 表表4-1 钻压影响系数（休斯公司实验数据）钻压影响系数（休斯公司实验数据）2、转速对牙齿磨损速度的
15、影响、转速对牙齿磨损速度的影响 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： 和和 是由钻头类型决定的系数。是由钻头类型决定的系数。见表见表4-2。P131)(321nanadtdh1a2a3、牙齿磨损状况对牙齿磨损速度的影响、牙齿磨损状况对牙齿磨损速度的影响 钻头牙齿一般都是钻头牙齿一般都是顶面积小，底面积大顶面积小，底面积大的梯形、锥形或球形齿。牙齿磨的梯形、锥形或球形齿。牙齿磨损量增大，其工作面积增大，磨损速度减小。损量增大，其工作面积增大，磨损速度减小。式中：式中： 称为牙齿磨损减慢系数，称为牙齿磨损减慢系数， 与钻头类型有关，其数值见表与钻头类型有关，其数值
16、见表4-2。hCdtdh1111C4、牙齿磨损速度方程、牙齿磨损速度方程式中：式中： 为地层研磨性系数。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。)1)(W()(112321hCZZnanaAdtdhffA5、轴承磨损速度方程、轴承磨损速度方程 式中：式中： b称为称为轴承工作系数轴承工作系数，与钻头类型及钻井液性能有关，现场资料，与钻头类型及钻井液性能有关，现场资料确定。确定。nWbdtdB5 . 11 轴承磨损量用轴承磨损量用B表示，新钻头为表示，新钻头为0，全部磨损为，全部磨损为1。 轴承磨损速度用轴承磨损速度用dB/dt表示。根据表示。根据Gr
17、aham J.W.大量现场和室内实验大量现场和室内实验研究，轴承的磨损速度方程为：研究，轴承的磨损速度方程为：四、钻进方程中有关系数的确定四、钻进方程中有关系数的确定 （一）钻速方程的系数：（一）钻速方程的系数：M 1、M 和和 的确定的确定五点法钻速试验五点法钻速试验 （1）基本思路）基本思路 HC2CpCRKHpRpcCChCnMWKv211)(采用两种转速采用两种转速 和和 钻进同一地层（其它参数保持不变），钻进同一地层（其它参数保持不变），可得到两个不同钻速值可得到两个不同钻速值 ，代入钻速方程，联立求解转速，代入钻速方程，联立求解转速指数指数 。采用两种钻压采用两种钻压 和钻进同一地
18、层（其它参数保持不变），和钻进同一地层（其它参数保持不变），可得到两个不同钻速值可得到两个不同钻速值 ，代入钻速方程，联立求解门限，代入钻速方程，联立求解门限钻压钻压M 。minNmaxNmaxmin,pcpcVVmaxmin,pcpcVVminWmaxW（2）试验条件）试验条件试验中钻井液性能、水力参数恒定，一般取本地区常用值，试验中钻井液性能、水力参数恒定，一般取本地区常用值，使使 、 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的的影响。影响。试验井段或试验时间尽可能的短，以保证试验开始和结束时试验井段或试验时间尽可能的短，以保证试验开始和结束时的牙齿磨损量和地
19、层岩性相差很小。的牙齿磨损量和地层岩性相差很小。pCHCHpRpcCChCnMWKv211)(（3）试验步骤：）试验步骤：准备：准备：确定本地区钻压范围（确定本地区钻压范围（ ， ）和转速范围（）和转速范围（ ）以及平均钻压、平均转速（）以及平均钻压、平均转速（ ）。）。minWmaxWmaxmin,nn00, nW第一步：第一步：用平均钻压和平均转速（用平均钻压和平均转速（ ）钻进）钻进1m或或0.5m; 记录钻速记录钻速 。第二步：第二步：用最小钻压和最小转速用最小钻压和最小转速 （ ）钻进）钻进1m或或0.5m； 记录钻速记录钻速 。第三步第三步: 钻压不变，用最大转速（钻压不变，用最大
20、转速（ ）钻进）钻进1m或或0.5m; 记录钻速记录钻速 。00, nWminmin,nWmaxmin,nW1pcV2pcV3pcV第四步：第四步：转速不变，用最大钻压（转速不变，用最大钻压（ ）钻进）钻进1m 或或 0.5m； 记录钻速记录钻速 。第五步：第五步：钻压不变，用最小转速（钻压不变，用最小转速（ ）钻进）钻进 1m 或或 0.5m; 记录钻速记录钻速 。第六步：第六步：用平均钻压和平均钻速（用平均钻压和平均钻速（ ）钻进）钻进1m 或或0.5m; 记录钻速记录钻速 。maxmax,nWminmax,nW00, nW4pcV5pcV6pcV 将将 （ ）和（）和（ ）代入钻速方程，
21、可求出：）代入钻速方程，可求出： minmin2,pcWnV5minmax,pcVnW225minmaxmin1pcpcpcvvvWWWM恒转速下，由恒转速下，由2 2、5 5两点两点和和3 3、4 4、两点、两点的数据分别求的数据分别求M M2min1min25max1min21()11()1pcRpHpcRpHvKWMnC CC hvKWMnC CC h（4）M 、 计算计算 将将 （ ）和（）和（ ）代入钻速方程，可求出：）代入钻速方程，可求出： 3maxmin,pcVnWmaxmax4,pcWnV334minmaxmin2pcpcpcvvvWWWM)(2121MMM恒转速下，由恒转速下
22、，由2 2、5 5两点两点和和3 3、4 4、两点、两点的数据分别求的数据分别求M M3m in2m ax25m ax2m ax21()11()1p cRpHp cRpHvKWMnCCC hvKWMnCCC h（4）M 、 计算计算 将将 （ ）和（）和（ ）代入钻速方程，可求出：）代入钻速方程，可求出： minmin2,pcWnVminmax3,pcWnV2minmin23minmax21()11()1pcRpHpcRpHvKWMnC CC hvKWMnC CC h恒钻压下，由恒钻压下，由2 2、3 3两点两点和和4 4、5 5、两点、两点的数据分别求的数据分别求12minmax3pcpcv
23、nnvmaxmin321lg/lgnnvvpcpc 将将 （ ）和（）和（ ）代入钻速方程，可求出：）代入钻速方程，可求出： maxmax4,pcWnVmaxmin5,pcWnV4maxmax25maxmin21()11()1pcRpHpcRpHvKWMnC CC hvKWMnC CC h恒钻压下，由恒钻压下，由2 2、3 3两点两点和和4 4、5 5、两点、两点的数据分别求的数据分别求25minmax4pcpcvnnvmaxmin452lg/ )lg(nnvvpcpc)(2121（5）试验有效性验证（地层差别验证）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， 实际要求：实
24、际要求：61pcpcVV16115%pcpcpcVVV2、牙齿磨损系数、牙齿磨损系数 的确定的确定 假定：假定： 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）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=0，钻头起出时磨损量为，钻头起出时磨损量为 ，钻头开始钻，钻头开始钻 速速 ，起钻时钻速，起钻时钻速 ，由钻速方程反求出牙齿磨损系数，由钻速方程反求出牙齿磨损系数 。2C2Cfh0pcVpcfVfpcfpcfpchvvvC0202200110pcfpcfVC hVC hhHpRpcCChCnMWKv211)(3、地层可钻性系数、地层
25、可钻性系数 的确定的确定 取取新钻头新钻头试钻资料（开始钻进时的钻速试钻资料（开始钻进时的钻速 ，各项，各项钻进参数），钻进参数）， 此时牙齿磨损量此时牙齿磨损量h=0, 由钻速方程可得：由钻速方程可得：RKnMWCCvKpHpcR)(pcvHpRpcCChCnMWKv211)(4、水力净化系数、水力净化系数 和压差影响系数和压差影响系数 井底完全净化，井底完全净化， =1，否则，否则 1。 井底压差为井底压差为0， =1，否则，否则 1。HCpCHCpCHCpC（二）磨损方程系数：（二）磨损方程系数： b 1、钻压影响系数、钻压影响系数 取值与牙轮钻头的尺寸有关，由台架实验确定，查休斯公司数
26、据取值与牙轮钻头的尺寸有关，由台架实验确定，查休斯公司数据 表表4-1。1Z2Z1a2a1CfA1Z2Z2、转速系数、转速系数 和牙齿磨损减慢系数和牙齿磨损减慢系数 取值与牙轮钻头类型有关，由台架实验。查表取值与牙轮钻头类型有关，由台架实验。查表 4-2。3、轴承工作系数：、轴承工作系数：b 取决于钻头类型和钻井液性能，利用现场实钻资料，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。根据轴承磨损方程确定。1a2a1CnWbdtdB5 . 11BtnWb5.14、地层研磨性系数、地层研磨性系数 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，与地层研磨性和钻
27、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：由牙齿磨损方程反算：fA)1)()(112321hCWZZnanaAdtdhfTfhdtWZZnanaAdhhCf01232101)()1 (3122121()2fffA a na nChhTZZW2211312()()()2fffZZ WCAhha na nT综上所述：综上所述： 钻速方程，牙齿磨损方程，轴承磨损方程中钻速方程，牙齿磨损方程，轴承磨损方程中 的系数的确定方法：的系数的确定方法：M, , , , , bRK2CfA1Z2Z1a2a1C可计算求得可计算求得可查表求得可查表求得例例4-1 某油田某油田2800 m井
28、段的地层研磨性系数井段的地层研磨性系数Af=3.22*10-3，用，用 直径为直径为 251 mm适合钻中硬地层的适合钻中硬地层的21型钻头钻进，型钻头钻进， W=196 kN，n=110 rpm，求，求10 h后的牙齿磨损量。后的牙齿磨损量。TfhdtWZZnanaAdhhCf01232101)()1 ()1)()(112321hCWZZnanaAdtdhf解：解：查表查表4-1、4-2可得可得 251mm的的21型钻头的参数为：型钻头的参数为：6.44，0.0146, =1.5, =6.53*10(-5), =5;1C1a2a1Z2Z0)(21232121TWZZnanaAhhCfff31
29、21211()112ffAa na ntCZZ WhC0.77fh 将有关数值代入得：将有关数值代入得：第二节第二节 机械破岩钻进参数优选机械破岩钻进参数优选目的：目的：寻求最优钻压、转速组合，使钻井过程达到最佳的经济技术寻求最优钻压、转速组合，使钻井过程达到最佳的经济技术 效果。效果。优选方法步骤：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求在各种约束条件下寻求 目标函数的极值点目标函数的极值点 满足极值点条件的参数组合即为最优满足极值点条件的参数组合即为最优 参数。参数。确定优化目标确定优化目标 结合约束条件结合约束条件用最优化方法求解用最优化方法求解建
30、立影响因素与优化目标建立影响因素与优化目标 之间的数学模型（目标函数）之间的数学模型（目标函数）确定影响目标的主要确定影响目标的主要 因素和影响规律因素和影响规律目标函数：目标函数：每米钻井成本每米钻井成本钻速钻速 进尺进尺 影响规律：影响规律：钻速方程钻速方程牙齿磨损方程牙齿磨损方程 轴承磨损方程轴承磨损方程一、目标函数的建立一、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：HttCCCrrb)( 式中：式中：C单位进尺成本，元单位进尺成本，元/米；米； 钻头成本，元钻头成本，元/只；只； 钻机作业费，元钻机作业费，元/h； 起下钻、接单根时间，起下钻、接单根时间，
31、h; t 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； H= (钻压、转速、牙齿磨损量等钻进参数钻压、转速、牙齿磨损量等钻进参数) t=f(钻压、转速、牙齿磨损量等钻进参数钻压、转速、牙齿磨损量等钻进参数) bCrCrt1、建立钻头进尺、建立钻头进尺H与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系与钻压、转速、牙齿磨损量等参数的关系11()1pcHpRdHvC C K W M ndtCh)1)()(112321hCWZZnanaAdtdhfdthCnMWKCCdHRpH111)(dhhCnanaAWZZdtf)1 ()(132112dhhChCnanaAWZZnMWKCCdHfR
32、pH213211211)()()(211300122()()1()1ffHhHpRfCCKWMnZZ WC hdHdhAa na nC h)1ln()()()(222122132112fffRpHfhCCCChCCnanaAWZZnMWKCCH在上式中，令：在上式中，令：nMWKCCJRpH)(WZZnanaASf12321)()1ln(2221221ffhCCCChCCEJ的物理意义：的物理意义： 牙齿磨损量牙齿磨损量h=0（新钻头）时的（新钻头）时的初始钻速初始钻速。 S的物理意义：的物理意义： 牙齿磨损量牙齿磨损量h=0时的时的初始磨速初始磨速，它的倒，它的倒数相当于不考虑牙齿磨损影响时
33、钻头的理论数相当于不考虑牙齿磨损影响时钻头的理论寿命。寿命。E的物理意义：的物理意义： 考虑牙齿磨损对钻速和牙齿磨损速度的考虑牙齿磨损对钻速和牙齿磨损速度的 影响后的影响后的进尺系数进尺系数，它是牙齿最终磨损量的，它是牙齿最终磨损量的函数。函数。ESJHfJ/S的物理意义：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。2、建立钻头寿命、建立钻头寿命t与钻压、转速、磨损量等参数的关系与钻压、转速、磨损量等参数的关系由牙齿磨损量由牙齿磨损量h决定钻头的寿命决定钻头的寿命由轴承磨损量由轴承磨损量B决定的钻头寿命决定的钻头寿命)1)()(112321hCWZZnanaA
34、dtdhfnWbdtdB5 . 1121130012(1)()ffthfZZWdtC h dhA a na nfftBdtnWbdB05.101)2()(2132112ffffhChnanaAWZZt5 . 1nWbBtff212ffhChFSFtfF的物理意义：的物理意义：考虑牙齿磨考虑牙齿磨损对钻速和牙齿磨损速度影损对钻速和牙齿磨损速度影响后的响后的钻头寿命系数钻头寿命系数，它是，它是牙齿最终磨损量的函数。牙齿最终磨损量的函数。3、目标函数、目标函数SFtfESJHfHttCCCrrb)( JEFStCSCCrrb)(rrbEtCCt)(FStJECCEr)1ln()(2)(2221221
35、2112321ffRpHfffErhCCCChCCnMWKCChChWZZnanaAtCC令：令： 在此仅考虑牙齿在此仅考虑牙齿磨损决定的寿命。磨损决定的寿命。钻头与起下钻成本的钻头与起下钻成本的折算时间。折算时间。把把J,E,S,F代入代入二、目标函数的极值条件和约束条件二、目标函数的极值条件和约束条件 1、极值条件、极值条件 2、约束条件、约束条件 （1）牙齿磨损量：）牙齿磨损量： （2）轴承磨损量：）轴承磨损量： （3）钻压：）钻压： （4）转速：）转速：;0;0;0),(fpHfhCnCWCCChnWFC; 1; 1pHCC10fh10fB1212/0 ,0/,0ZZWMZZWMM0n
36、)2()()()2()(3215 . 1125 . 1132112fffffffffffhChbnanaAnWWZZBnWbBthChnanaAWZZt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三、钻头最优磨损量、最优钻压和最优钻速三、钻头最优磨损量、最优钻压和最优钻速 1、钻头最优磨损量、钻头最优磨损量0fCh0)()1ln()1 () 1(2123212222212121WZZnanatAhChCCCChCChCEfffff给定（给定（W,n），可求出一定钻压、转速下的最优磨损量。），可求出一定钻压、转速下的最优磨损量。2、最优转速、最优转速0Cn0)(31)3()1 (21
37、2213aAtWZZFnaanfE)3()(212aAtWZZFVfE21)3()1 (aaU332332322322UVVVVVnopt给定（给定（W， ），可求出最优转速），可求出最优转速 。fhoptn3、最优钻压、最优钻压0WC3312222122211111()()2()()0EfEft A a na nZa na nZZWWt AMZZ FZ FZZ2211optZZRRRWMZFFFZ3121()Eft Aa na nRZ根据给定（根据给定（n， ），可求出最优钻压。），可求出最优钻压。fh4、最优参数组合、最优参数组合 理论上：理论上：采用迭代方法求解由目标函数、极值条件和约束
38、条件组成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，可进行全局寻优。的方程组，可进行全局寻优。 实际中：实际中：确定钻头磨损量确定钻头磨损量 求在求在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。例例4-2 某井段的地层可钻性系数某井段的地层可钻性系数K=0.0023，研磨性系数，研磨性系数 = 2.28*10(-3)，门限钻压，门限钻压M=10kN,转速指数转速指数 =0.68，用，用 直径为直径为 251mm的的21型钻头钻进，型钻头钻进， =3.68， =1， =1；钻头成本；钻头成本 =900元元/只，钻
39、机作业费只，钻机作业费 =250元元/h, 起下钻时间起下钻时间 =5.75h,所用钻机的转盘转速只有三挡，分别所用钻机的转盘转速只有三挡，分别 为为n1=60转转/分分 ，n2=120转转/分，分，n3=180转转/分；根据邻井资料分；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T6 级（级（ =0.75），）， 试求最优钻压，转速组合及其工作指标。试求最优钻压，转速组合及其工作指标。fA2CHCpCbCrCrtfh解：解：查表可得查表可得 251mm的的21型钻头的参数为：型钻头的参数为：6.44，0.0146, =1.5, =6.53*10(-5),
40、 =5;1C1a2a1Z2ZrrbEtCCt=9.35 小时212ffhChF)1ln(2221221ffhCCCChCCE=0.89=2.156MZZFRFRFRZZWopt12121321)(ZnanaAtRfE小结小结)(MWVpcnVpchCVpc211HC水力净化水力净化压差影响压差影响pC21()1pcRpHdHVdtKWM nC CC h钻钻速速影影响响因因素素牙牙齿齿磨磨损损影影响响因因素素WZZdtdh121)(321nanadtdhhCdtdh111)1)(W()(112321hCZZnanaAdtdhf()brtCC ttCH成成本本ESJHf(, ,)fCW n hSF
41、tf作业作业P164 1P164 1、2 2、3 3钻速方程：钻速方程：磨损方程：磨损方程：目标函数：目标函数： 课堂回顾课堂回顾21()1pcRpHdHVKWM nC CdtC h)1)(W()(112321hCZZnanaAdtdhfnWbdtdB5 . 11()brtCC ttCH(, ,)fCW n h)1ln()(2)(22212212112321ffRpHfffErhCCCChCCnMWKCChChWZZnanaAtCC第三节第三节 水力参数优化设计水力参数优化设计 及时把岩屑携带出来是及时把岩屑携带出来是安全快速钻井安全快速钻井的重要条件之一。岩的重要条件之一。岩屑携带出来要经过
42、两个过程：屑携带出来要经过两个过程： 岩屑离开井底，进入环空；岩屑离开井底，进入环空； 依靠钻井液上返将岩屑带出地面；依靠钻井液上返将岩屑带出地面；人们认知历程：人们认知历程： 第二个过程比较困难，措施第二个过程比较困难，措施“大排量洗井大排量洗井”； 现象：钻头水眼刺坏后，排量不变，钻速下降？现象：钻头水眼刺坏后，排量不变，钻速下降？ 启示：第一过程启示：第一过程“岩屑及时冲离井底岩屑及时冲离井底”并不容易并不容易 喷射式钻头、喷射钻井技术喷射式钻头、喷射钻井技术问题：问题：井壁冲刷井壁冲刷泥浆泵条件限泥浆泵条件限制制第三节第三节 水力参数优化设计水力参数优化设计喷射钻井的概念：喷射钻井的概
43、念： 采用大功率的泥浆泵和可以产生采用大功率的泥浆泵和可以产生高速射流的钻头喷嘴高速射流的钻头喷嘴，使，使高压钻井液流过喷嘴时产生高压钻井液流过喷嘴时产生高速流动高速流动的水射流，给井底以很大的水射流，给井底以很大的的冲击力冲击力。把。把岩屑及时的冲离井底，并辅助破碎岩石岩屑及时的冲离井底，并辅助破碎岩石，该技术，该技术称为称为喷射钻井技术喷射钻井技术。主要内容：主要内容： 射流的水力特性射流的水力特性 钻头的水力特性钻头的水力特性 循环压耗循环压耗 地面泵的水力特性地面泵的水力特性 水力参数的优化设计水力参数的优化设计射流冲击力、射流喷速射流冲击力、射流喷速 喷嘴直径喷嘴直径钻头水功率、钻头
44、水力压降钻头水功率、钻头水力压降整个循环系统的压耗整个循环系统的压耗钻井泵的功率，钻井泵的功率，排量、泵压排量、泵压水水力力参参数数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，从从而达到最优的井底净化效果和提高机械钻速的目的。而达到最优的井底净化效果和提高机械钻速的目的。（一）射流及其对井底的作用（一）射流及其对井底的作用 1、射流特性、射流特性 射流是指通过管嘴或孔口射流是指通过管嘴或孔口过水断面周界过水断面周界不与固体壁接触的液流。不与固体壁接触的液流。 射流分类（不同依据）：射流分类（不同依据）： 非淹没射流非淹没射流淹没射
45、流淹没射流一、喷射式钻头的水力特性一、喷射式钻头的水力特性喷射式钻头的水力结构特点：喷射式钻头的水力结构特点： 在钻头上安放喷嘴，钻井液流经喷嘴产生高速射流，射流冲击井在钻头上安放喷嘴，钻井液流经喷嘴产生高速射流，射流冲击井底，达到清除井底岩屑及破碎岩石的目的。底，达到清除井底岩屑及破碎岩石的目的。射流流体与周围流体介质的关系：射流流体与周围流体介质的关系：射介射介连续射流：连续射流：射流内某一点的压力保持稳定射流内某一点的压力保持稳定脉冲射流：脉冲射流：流量发生一定频率的脉动，射流产生周期性动载流量发生一定频率的脉动，射流产生周期性动载混合射流：混合射流：既有连续部分，又有脉动部分既有连续部
46、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 自由射流：自由射流：不受固壁限制不受固壁限制非自由射流：非自由射流：受固壁限制受固壁限制射流运动是否受固壁限制：射流运动是否受固壁限制：射流压力是否稳定射流压力是否稳定钻头喷嘴的射出的射流为钻头喷嘴的射出的射流为淹没淹没非自由非自由连续射流。连续射流。井底射流特性：井底射流特性： （1）射流形状）射流形状(枣核形枣核形) （2）扩散角）扩散角 a 射流纵剖面上射流纵剖面上周界母线周界母线的夹角的夹角称为射流扩散角称为射流扩散角 a 。 它反映了射流的密集程度。它反映了射
47、流的密集程度。a越小，则射流的密集程度越高，能越小，则射流的密集程度越高，能量就越集中。量就越集中。射流的喷距射流的喷距L0： 射流断面距喷嘴出口的距离射流断面距喷嘴出口的距离（3）速度分布规律）速度分布规律 在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为 初始速度。初始速度。 在射流的任一横截面上，在射流的任一横截面上，射流轴心上的速度射流轴心上的速度 最高最高，由中心向外速度很快降低，到射流边，由中心向外速度很快降低，到射流边 界上速度降为零。界上速度降为零。 射流中心部分保持初始速度流动的流束，称射流中心部分保持初始速度流动的流束，称 为为射流等速核。射流等
48、速核。 等速核长度与喷嘴直径和流道形状有关。等速核长度与喷嘴直径和流道形状有关。 射流轴线上的速度衰减规律如右图。射流轴线上的速度衰减规律如右图。 在等速核以内，射流轴线上的速度等于出口在等速核以内，射流轴线上的速度等于出口 速度，超过等速核以后，射流轴线上的速度速度，超过等速核以后，射流轴线上的速度 迅速降低。迅速降低。（4 4）井底漫流）井底漫流 射流撞击井底后，形成：射流撞击井底后，形成： 压力冲击波压力冲击波 受井底限制，钻井液从冲击中心向四周高流速作横向流动，形成受井底限制，钻井液从冲击中心向四周高流速作横向流动，形成漫流漫流。 漫流漫流.avi.avi2.2.射流对井底的清洗作用射
49、流对井底的清洗作用( (避免重复切削避免重复切削) )（1 1）射流的冲击压力作用）射流的冲击压力作用 射流冲击井底后形成的射流冲击井底后形成的冲击压力极不均匀，冲击压力极不均匀，极不均匀的冲击压力使极不均匀的冲击压力使岩屑受到一个岩屑受到一个翻转的力矩，翻转的力矩，从而离开井底从而离开井底。（2 2）漫流的横推作用）漫流的横推作用 射流冲击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流（高速漫流），射流冲击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流（高速漫流），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。漫流的速度分布：漫流的速度分布： 径向（横向）：径向
50、（横向）：冲击圆的中心为冲击圆的中心为0，冲击圆的边缘最大，冲击圆，冲击圆的边缘最大，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（纵向）：轴向（纵向）：距井底距井底0.5mm处的漫流速度最大处的漫流速度最大(出口速度的出口速度的 5080%)，向上迅速减小。，向上迅速减小。3 3、射流对井底破岩作用、射流对井底破岩作用 在岩石强度较低的地层，射流的在岩石强度较低的地层，射流的冲击力冲击力超过了地层的破碎强超过了地层的破碎强度，度，直接破碎岩石直接破碎岩石。 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
