鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選

1、第四章第四章 鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選 鉆井的定義和基本工作：鉆井的定義和基本工作： 鉆井的目標(biāo)和影響因素分類：鉆井的目標(biāo)和影響因素分類： 鉆進(jìn)參數(shù)及其優(yōu)選：鉆進(jìn)參數(shù)及其優(yōu)選：優(yōu)選是指在一定的客觀條件下，根據(jù)不同參數(shù)配合時(shí)對(duì)鉆井目標(biāo)的影響規(guī)律，選擇合理的鉆進(jìn)參數(shù)配合，使鉆井達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。 本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：機(jī)械破巖參數(shù)和水力破巖參數(shù)的設(shè)計(jì)第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)械破巖參數(shù)設(shè)計(jì)機(jī)械破巖參數(shù)設(shè)計(jì) 定義：定義：鉆壓w(kN)和轉(zhuǎn)速n(rpm)。 設(shè)計(jì)方法：設(shè)計(jì)方法：數(shù)學(xué)優(yōu)化法和經(jīng)驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)法是通過(guò)直接對(duì)機(jī)械破巖參數(shù)設(shè)計(jì)影響因素的分析，掌握其影響規(guī)律，再結(jié)合 現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)綜合設(shè)計(jì)鉆壓和轉(zhuǎn)速。這種方法

2、不用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量許多數(shù)據(jù)，方便實(shí)用，油田大都使用經(jīng)驗(yàn)法。1 機(jī)械破巖參數(shù)設(shè)計(jì) 的影響因素分析 1.1 1.1 地層性質(zhì)地層性質(zhì) 是影響機(jī)械破巖參數(shù)設(shè)計(jì)的最基本和最重要的因素。地層的各項(xiàng)機(jī)械力學(xué)特性對(duì)機(jī)械參數(shù)的設(shè)計(jì)都有影響。 這些特性大都有了成熟的實(shí)驗(yàn)方法。所得到的定量和等級(jí)指標(biāo)與鉆壓、轉(zhuǎn)速之間也有了一般相關(guān)關(guān)系的認(rèn)識(shí)。 目前國(guó)內(nèi)外主要用巖石的抗壓強(qiáng)度、硬度和可鉆性來(lái)進(jìn)行機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)，塑脆性和研磨性是機(jī)械破巖參數(shù)設(shè)計(jì)的參考指標(biāo)。 一般隨井深的增大，巖石的抗壓強(qiáng)度和硬度逐漸增大，可鉆性逐漸變差，且逐漸由脆轉(zhuǎn)塑，因此鉆壓一般隨井深逐漸增大，轉(zhuǎn)速一般隨井深先增后減。但應(yīng)注意一些特殊地層，如異常高壓地層、鹽

3、巖地層、礫石層等(畫圖)。 1.2 1.2 鉆頭特性和使用要求鉆頭特性和使用要求 設(shè)計(jì)機(jī)械破巖參數(shù)必須考慮鉆頭的承載力、機(jī)械鉆速和壽命、類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及優(yōu)化使用要求。 1.2.1 1.2.1 鉆頭承載力鉆頭承載力 牙輪鉆頭的承載力相對(duì)金剛石材料鉆頭要高一些，這和它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和耐沖擊的能力有關(guān)系。鉆頭的承載力還和其直徑有關(guān)，直徑越大，承載力就越大。施加給鉆頭的鉆壓不能超過(guò)其承載力，否則會(huì)使鉆頭短命。 1.2.2 1.2.2 鉆頭類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)鉆頭類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 牙輪鉆頭鉆壓一般在30300kN范圍，金剛石鉆頭在3080kN范圍。滾動(dòng)軸承牙輪鉆頭的轉(zhuǎn)速范圍一般可達(dá)200r/min，滑動(dòng)軸承鉆頭

4、的在3080r/min，金剛石鉆頭的轉(zhuǎn)速范圍一般在150400r/min。 1.2.3 1.2.3 鉆頭的鉆速、壽命和進(jìn)尺鉆頭的鉆速、壽命和進(jìn)尺 如果w和n過(guò)大，鉆頭的鉆速快，但壽命短，進(jìn)尺小，起下鉆頻繁；反之，雖壽命長(zhǎng)，但鉆速慢，鉆進(jìn)的效率低，進(jìn)尺也不會(huì)大；我們的目標(biāo)是鉆頭能獲得較大的進(jìn)尺和整體鉆井作業(yè)的較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。 1.2.4 1.2.4 廠家推薦廠家推薦 根據(jù)鉆頭的承載力、類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮鉆頭的機(jī)械鉆速和壽命以及現(xiàn)場(chǎng)使用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，鉆頭生產(chǎn)廠家會(huì)給出其鉆頭的鉆壓、轉(zhuǎn)速的推薦值范圍(表5)。表表5 5 江漢鉆頭長(zhǎng)推薦的鉆壓和轉(zhuǎn)速江漢鉆頭長(zhǎng)推薦的鉆壓和轉(zhuǎn)速鉆頭型號(hào)IADC代碼正常

5、鉆壓kN/轉(zhuǎn)速r/min鉆頭型號(hào)IADC代碼正常鉆壓kN/轉(zhuǎn)速r/minATJ-1116 0.35-0.90 180-80MAX-G11150.20-0.70220-40ATJ-05C427 0.35-0.90 140-60MAX-11H4350.20-0.70350-80ATJ-225517 0.35-1.00 120-60ATX-114350.20-0.70200-80ATM-G1117 0.35-0.90 300-80J11C4470.50-0.70150-160ATM-33C547 0.5-1.05220-40J33C 5470.60-0.9080-40 廠家推薦的鉆壓和轉(zhuǎn)速范圍是一個(gè)

6、參考，所設(shè)計(jì)的鉆壓和轉(zhuǎn)速一般不超過(guò)廠家推薦范圍的上限，且一般不能同時(shí)取上線,具體還應(yīng)考慮鉆壓和轉(zhuǎn)速的乘積值。但可以小于其下限。 1.2.5 1.2.5 鉆頭優(yōu)化使用要求鉆頭優(yōu)化使用要求跑合：造型：磨損過(guò)程中的鉆壓調(diào)節(jié)： 1.3 1.3 鉆機(jī)和鉆井方法的限制鉆機(jī)和鉆井方法的限制 所設(shè)計(jì)的機(jī)械破巖參數(shù)都是在確定類型的鉆機(jī)和采用一定的鉆井方法的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)施的，故設(shè)計(jì)機(jī)械破巖參數(shù)必須考慮鉆機(jī)功率、類型和鉆井方法的限制。 1.3.1 1.3.1 鉆機(jī)分配給鉆頭的破巖鉆機(jī)分配給鉆頭的破巖功率對(duì)機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)的限制功率對(duì)機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)的限制 鉆機(jī)功率的分配：鉆機(jī)功率的分配： 頂驅(qū)鉆和轉(zhuǎn)盤鉆破巖功率的來(lái)頂驅(qū)鉆和轉(zhuǎn)

7、盤鉆破巖功率的來(lái)源：源：旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)功率=空旋轉(zhuǎn)鉆柱的功率+旋轉(zhuǎn)鉆頭的功率。 井下動(dòng)力鉆破巖功率的來(lái)源：井下動(dòng)力鉆破巖功率的來(lái)源：循環(huán)系統(tǒng)，其功率=循環(huán)鉆井液的功率+動(dòng)力鉆具消耗的功率+鉆頭消耗的功率。 復(fù)合鉆破巖功率的來(lái)源：復(fù)合鉆破巖功率的來(lái)源：旋轉(zhuǎn)和循環(huán)系統(tǒng)，且以后者為主。 主要是在井相對(duì)較深、井斜較大、舊鉆機(jī)或鉆機(jī)功率相對(duì)有限等的情況下有功率對(duì)機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)的限制問(wèn)題，應(yīng)加以考慮。 1.3.2 1.3.2 鉆機(jī)類型和鉆井方法對(duì)鉆機(jī)類型和鉆井方法對(duì) 轉(zhuǎn)速的限制轉(zhuǎn)速的限制 鉆機(jī)類型：鉆機(jī)類型：按照動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)特性不同,鉆機(jī)可分為硬驅(qū)動(dòng)特性鉆機(jī)和軟驅(qū)動(dòng)特性鉆機(jī)兩種類型。前者的幾檔轉(zhuǎn)速是恒

8、定的，后者的幾檔轉(zhuǎn)速都在一定范圍內(nèi)隨旋轉(zhuǎn)載荷而變化。 轉(zhuǎn)盤鉆和頂驅(qū)鉆：轉(zhuǎn)盤鉆和頂驅(qū)鉆：1)柴油機(jī)機(jī)械傳動(dòng)鉆機(jī)：一種硬驅(qū)動(dòng)特性鉆機(jī)，每檔轉(zhuǎn)速恒定。如大慶130型鉆機(jī)，一檔轉(zhuǎn)速是67rpm，二檔117rpm，三檔217rpm。2)交流恒頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)：同上。3)柴油機(jī)液力變矩器鉆機(jī)：一種軟驅(qū)動(dòng)特性鉆機(jī)，每檔轉(zhuǎn)速有一定范圍，且在其范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)，基本恒功率輸出。4)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)：同上。5)交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)：同上。 井下動(dòng)力鉆：井下動(dòng)力鉆：1)渦輪鉆具額定轉(zhuǎn)速較高。其工作轉(zhuǎn)速由外轉(zhuǎn)矩決定，隨外轉(zhuǎn)矩的增大工作轉(zhuǎn)速減小。經(jīng)驗(yàn)證明，直徑在127254之間，普通渦輪鉆具的最大功率和最優(yōu)效率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速處

9、在400800r/min內(nèi)。2)螺桿鉆具的特點(diǎn)是扭矩增加而轉(zhuǎn)速不變，從空載到滿載，速度降低一般不超過(guò)10%。螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速與泵的排量成正比，一般200rpm左右。 1.4 1.4 破巖、清巖與攜巖的協(xié)調(diào)破巖、清巖與攜巖的協(xié)調(diào) 1.4.1現(xiàn)代旋轉(zhuǎn)鉆井的破巖方式現(xiàn)代旋轉(zhuǎn)鉆井的破巖方式 總體是機(jī)械和水力聯(lián)合破巖。對(duì)極軟地層，以水力破巖為主，機(jī)械破巖為輔；巖石由軟變硬，破巖方式逐漸變?yōu)闄C(jī)械破巖為主，水力破巖為輔；對(duì)硬到極硬的地層，只有機(jī)械破巖作用。 1.4.2 1.4.2 清巖和攜巖清巖和攜巖 1.4.31.4.3破巖、清巖和攜巖的關(guān)系破巖、清巖和攜巖的關(guān)系 破巖速度破巖速度= =清巖速度清巖速度=

10、=攜巖速度攜巖速度 破巖速度偏小的后果：破巖速度偏小的后果：?jiǎn)栴}較輕時(shí)，會(huì)使清巖和攜巖的效率下降；嚴(yán)重時(shí)，鉆井液幾乎在空循環(huán)，浪費(fèi)大量水功率。 專家推薦，環(huán)空巖屑濃度一般在5%為宜，最大不要超過(guò)9%。據(jù)我們對(duì)江漢油田幾口井現(xiàn)場(chǎng)資料的研究，環(huán)空巖屑濃度沒(méi)有超過(guò)3%，低的井段不到1%。這種情況似乎具有一定的普遍性。 清巖速度偏小的后果：清巖速度偏小的后果：巖屑會(huì)部分堆積在井底，問(wèn)題較輕時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鉆頭重復(fù)破碎，鉆速下降和鉆頭壽命縮短；嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)至鉆頭泥包、噴嘴堵塞、蹩泵和鉆頭短命。 攜巖速度偏小的后果：攜巖速度偏小的后果：巖屑會(huì)部分堆積在鉆井液攜巖能力相對(duì)較弱的井段，使這些井段的環(huán)空巖屑濃度過(guò)高，

11、問(wèn)題較輕時(shí)，會(huì)導(dǎo)致環(huán)空流阻增大、泵壓升高、旋轉(zhuǎn)鉆柱的扭矩增大和起下鉆遇阻，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致沉砂卡鉆。 1.4.4 1.4.4 機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)如何保證機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)如何保證 破巖與清巖、攜巖的協(xié)調(diào)和破巖與清巖、攜巖的協(xié)調(diào)和 機(jī)械破巖與水力破巖的協(xié)調(diào)機(jī)械破巖與水力破巖的協(xié)調(diào) 問(wèn)題的性質(zhì)和判斷方法：?jiǎn)栴}的性質(zhì)和判斷方法：1)1)實(shí)測(cè)返出鉆井液的巖屑濃度;2)觀察鉆進(jìn)時(shí)旋轉(zhuǎn)扭矩和泵壓是否正常;3)起下鉆有無(wú)阻卡;4)起出鉆柱和鉆頭有無(wú)泥包。 機(jī)械破巖參數(shù)設(shè)計(jì)：機(jī)械破巖參數(shù)設(shè)計(jì)：主要應(yīng)注意的是淺井段等易鉆的地層。因?yàn)榈貙尤菀足@，機(jī)械和水力聯(lián)合破巖的速度更容易大于清巖和攜巖的速度。此時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制鉆壓和轉(zhuǎn)速。必要時(shí)

12、，還得控制給鉆頭的破巖水功率。 現(xiàn)在我們?cè)谠S多頁(yè)/砂層序的沉積盆地打井時(shí)，在淺井段都采用低鉆壓和低轉(zhuǎn)速，而且水力參數(shù)設(shè)計(jì)都采用經(jīng)濟(jì)水功率方式，其原因就是為了保證破巖與清巖、攜巖的協(xié)調(diào)。 水力參數(shù)設(shè)計(jì)：水力參數(shù)設(shè)計(jì)：主要應(yīng)注意的是深井段等難鉆地層。此時(shí)攜巖的速度易大于破巖和清巖的速度，應(yīng)注意適當(dāng)控制鉆井液的排量。 1.5 1.5 井眼軌跡控制要求井眼軌跡控制要求 井眼軌跡是井的質(zhì)量控指的最重要目標(biāo)，機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)與這一目標(biāo)有關(guān)系。 1.5.1 1.5.1 鉆壓與井斜的關(guān)系鉆壓與井斜的關(guān)系 1.5.2 1.5.2 轉(zhuǎn)速與井斜的關(guān)系轉(zhuǎn)速與井斜的關(guān)系 在一些井段，當(dāng)井眼軌跡超越有效鉆進(jìn)，成為最重要目標(biāo)時(shí)

13、，機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)必須服從這一目標(biāo)的需要，對(duì)鉆壓和轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格控制(舉例)。2 2 機(jī)械破巖參數(shù)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)法機(jī)械破巖參數(shù)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)法 1)一般鉆壓是主角,轉(zhuǎn)速是配角； 2)根據(jù)所鉆地層的巖性，參考廠家的推薦，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定鉆壓和轉(zhuǎn)速的可用范圍； 3)淺井段軟地層時(shí)，要注意破巖與清巖、攜巖的速度協(xié)調(diào)以及機(jī)械破巖和水力破巖的協(xié)調(diào)配合； 4)因破巖功率鉆壓轉(zhuǎn)速，故井深摩阻大時(shí)，要注意鉆機(jī)破巖功率的限制； 5)轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)應(yīng)在鉆機(jī)和鉆井方法的限制內(nèi)進(jìn)行； 6)如有井眼軌跡控制要求，則必須滿足； 7)在鉆進(jìn)過(guò)程中，還應(yīng)根據(jù)鉆頭優(yōu)化使用要求和變化的地層情況進(jìn)行調(diào)整。 3 3 實(shí)例分析實(shí)例分析 井號(hào)：王西11

14、斜2井 井型/設(shè)計(jì)井深：定向井/3500米 設(shè)計(jì)地層剖面和鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)表地層時(shí)代設(shè)計(jì)地層(m)巖性簡(jiǎn)述界 系 組 段層深度厚度新生界第四系平原組9090黃色粘土、礫石、流砂層上第三系廣華組500410雜色粘土巖、礫狀砂巖、砂礫巖 下第三系荊河鎮(zhèn)組1100600灰、綠灰色泥巖夾粉砂巖、油頁(yè)巖 潛江組潛一段1550450膏鹽韻律層及砂泥巖互層潛二段2150600鹽巖、油浸泥巖、膏質(zhì)泥巖、泥巖韻律層潛三段3050900灰色泥巖、鹽巖、油浸泥巖夾粉砂巖 潛四上41308030灰色泥巖夾粉砂巖41下313050鹽巖、油浸泥巖、泥巖夾粉砂巖40316030灰色泥巖夾粉砂巖40中3310150巖鹽、油浸泥巖

15、、泥巖夾粉砂巖40下335545巖鹽、油浸泥巖、灰色泥巖夾粉砂巖42338025灰色泥巖夾粉砂巖42下341030巖鹽、油浸泥巖、泥巖夾粉砂巖43346050灰色泥巖夾粉砂巖4下3500 40巖鹽、油浸泥巖、泥巖夾粉砂巖序號(hào)層位井段（米）鉆頭鉆進(jìn)參數(shù)型號(hào)尺寸（mm）數(shù)量序號(hào)鉆壓kN轉(zhuǎn)速rpm排量L/s泵壓MPa1 Q-N0-151 P2444.5 1130-6067502 N-EI-900P2244.5 1260-80673216.43 EI-Eq1-1200 H126215.9 1360-100 673016.64 Eq1-Eq3-2850 HA437PDC 215.9 115100-160

16、673017.85 Eq3-Eq4-2991 HJ517215.9 1630-502003016.66 Eq4-3560 HA517215.9 17100-160673017.4第二節(jié)第二節(jié) 水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 清巖和攜巖的重要性及其定義：清巖和攜巖的重要性及其定義： 對(duì)清巖和攜巖的認(rèn)識(shí)過(guò)程：對(duì)清巖和攜巖的認(rèn)識(shí)過(guò)程：輕清巖、重?cái)y巖的觀念 “大排量、大水眼洗井技術(shù)”；清巖與攜巖協(xié)調(diào)，重清巖的新觀念“噴射鉆井技術(shù)”。 噴射鉆井技術(shù)：噴射鉆井技術(shù)： 鉆井水力參數(shù)定義及指標(biāo)：鉆井水力參數(shù)定義及指標(biāo)： 水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的：水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的： 水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件：水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)

17、計(jì)的條件：充分了解旋轉(zhuǎn)鉆井特點(diǎn)、鉆機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)特性、鉆井泵性能、鉆頭水力特性、循環(huán)系統(tǒng)特性和能量損耗規(guī)律。1 1 噴射式鉆頭的水力特性噴射式鉆頭的水力特性 1.1 1.1 射流及其對(duì)井底的作用射流及其對(duì)井底的作用 1.1.1 1.1.1 射流特性射流特性 射流定義和種類：射流定義和種類： 鉆頭噴嘴射流及特性：鉆頭噴嘴射流及特性：淹沒(méi)非自由射流。射流具有等速核和擴(kuò)散角；射流橫截面上中心速度最大；超過(guò)等速核以后射流軸線上的速度迅速降低；撞擊井底后，形成井底沖擊壓力波和井底漫流(圖4-13)。 1.1.2 1.1.2 射流形成的井底流場(chǎng)射流形成的井底流場(chǎng) 1.1.3 1.1.3 射流對(duì)井底的清洗作用射

18、流對(duì)井底的清洗作用 1)1)射流對(duì)井底巖屑的沖擊翻轉(zhuǎn)射流對(duì)井底巖屑的沖擊翻轉(zhuǎn)作用作用。圖4-15和圖4-16。 2)2)漫流的橫推作用。漫流的橫推作用。 1.1.4 1.1.4 射流對(duì)井底的破巖作用射流對(duì)井底的破巖作用 1.2 1.2 射流水力參數(shù)射流水力參數(shù) 包括射流的噴射速度、射流沖擊力和射流水功率。從衡量射流對(duì)井底的清洗效果來(lái)看，應(yīng)該計(jì)算的是射流到達(dá)井底時(shí)的水力參數(shù)。但由于計(jì)算困難，工程上有時(shí)選擇射流出口斷面作為水力參數(shù)的計(jì)算位置。 1.3 鉆頭水力參數(shù)鉆頭水力參數(shù) 1)1)鉆頭壓力降鉆頭壓力降(4-54式)：dne噴嘴當(dāng)量直徑，cm；di噴嘴直徑(i=1,2,z)，cm；z噴嘴個(gè)數(shù)。2

19、)2)鉆頭水功率鉆頭水功率ziinedd124220810nedbdCQ.p2 2 鉆井循環(huán)系統(tǒng)特性鉆井循環(huán)系統(tǒng)特性 2.1 2.1 循環(huán)系統(tǒng)功用和組成循環(huán)系統(tǒng)功用和組成 2.2 2.2 循環(huán)系統(tǒng)載荷特性曲線循環(huán)系統(tǒng)載荷特性曲線 指在鉆進(jìn)過(guò)程中，保持井身結(jié)構(gòu)，鉆具組合，鉆井液體系、性能和鉆頭不變(以后稱為循環(huán)系統(tǒng)基本條件不變)的情況下，對(duì)應(yīng)一定井深，泵的輸出排量Q與泵壓p的關(guān)系曲線(圖3-1)。 可見(jiàn)，井深不變，排量越大，泵壓越高；相同排量，井越深，泵壓越高。 2.3 2.3 循環(huán)系統(tǒng)工作排量的唯一性和循環(huán)系統(tǒng)工作排量的唯一性和 流速的變化性流速的變化性 在無(wú)漏失和無(wú)溢流的正常鉆進(jìn)過(guò)程中，由于

20、整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)是單一管路，則系統(tǒng)各處的排量應(yīng)該相等。而各管路的幾何尺寸是變化的，即鉆井液流經(jīng)的橫截面積是變化的，所以鉆井液流速是變化的。 2.4 2.4 循環(huán)系統(tǒng)最大工作壓力循環(huán)系統(tǒng)最大工作壓力p pmaxmax 循環(huán)系統(tǒng)各部份所能承受的壓力極限是不同的。pmax必須考慮其最薄弱的環(huán)節(jié)，還要考慮經(jīng)濟(jì)因素。該值很難準(zhǔn)確計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。pmax應(yīng)小于或最多等于額定泵壓。 2.5 2.5 循環(huán)系統(tǒng)攜巖最小環(huán)空循環(huán)系統(tǒng)攜巖最小環(huán)空 返速返速a a和攜巖最小排量和攜巖最小排量Q Qa a a a是指鉆井液有效攜帶巖屑所需要的最低環(huán)空上返速度。Qa為a a下的排量。a a很難準(zhǔn)確計(jì)算。專家推薦

21、應(yīng)在0.5 m/s左右，現(xiàn)場(chǎng)通常在0.31.2 m/s 之間。 2.6 2.6 循環(huán)系統(tǒng)環(huán)空最大返速循環(huán)系統(tǒng)環(huán)空最大返速 maxmax和最大工作排量和最大工作排量Q Qmaxmaxmaxmax是指為避免井壁沖刷導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，裸眼段最薄弱地層所能承受的鉆井液最大返速。Qmax是maxmax下的排量。maxmax難以準(zhǔn)確計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)常把鉆井液在鉆桿環(huán)空達(dá)到紊流時(shí)的速度作為maxmax 。 2.7 2.7 循環(huán)系統(tǒng)最大工作排量循環(huán)系統(tǒng)最大工作排量Q Qmaxmax 與最小攜巖排量與最小攜巖排量Q Qa a的關(guān)系的關(guān)系 2.8 2.8 循環(huán)系統(tǒng)水功率及其傳遞關(guān)系循環(huán)系統(tǒng)水功率及其傳遞關(guān)系 鉆井液從鉆井泵

22、排出時(shí)，具有一定的水功率，稱為鉆井泵的輸出功率或泵功率，也就是循環(huán)系統(tǒng)水功率。其值等于泵的工作泵壓與排量的乘積：QpPss 鉆井液循環(huán)系統(tǒng)總體上可分為地面管匯、鉆柱內(nèi)、鉆頭噴嘴和環(huán)形空間四部分。鉆井液流過(guò)這四部分時(shí)，都要消耗部分能量，使壓力降低。當(dāng)鉆井液返至地面出口管時(shí)，其壓力變?yōu)榱?。因而，泵壓傳遞的基本關(guān)系式(4-60)可表示為：或 ps=pL+pb 2.9 2.9 循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計(jì)算循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計(jì)算或bastgsppppp8 . 18 . 4448 . 4338 . 4228 . 4112 . 08 . 051655. 0QdLdLdLdLppvdg812080-510773.pv.dg

23、Q.p 鉆桿內(nèi)外壓耗： 鉆鋌內(nèi)外壓耗： 8 . 12 . 08 . 08 . 138 . 4)()(57503. 0QLdddddBpppvdphphpip8 . 12 . 08 . 08 . 138 . 4)()(57503. 051655. 0QLdddddpcpvdchchcic 2.10 2.10 提高鉆頭水功率的途徑提高鉆頭水功率的途徑 1)1)提高泵壓提高泵壓p ps s和泵功率和泵功率P Ps s 2)2)降低循環(huán)系統(tǒng)壓耗降低循環(huán)系統(tǒng)壓耗pL 使用低密度、低粘度鉆井液；適當(dāng)增大管路內(nèi)徑。 3)3)縮小噴嘴直徑以增大縮小噴嘴直徑以增大pb 4)4)采用攜巖所需的最小排量采用攜巖所需

24、的最小排量Q Qa a3 3 鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)特性鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)特性 驅(qū)動(dòng)特性驅(qū)動(dòng)特性：指動(dòng)力機(jī)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳給工作機(jī)的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩(工作機(jī)負(fù)荷)改變而變化的程度。鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)特性分硬特性和軟特性。 硬特性：如硬特性：如圖4-1所示?？梢?jiàn)工作機(jī)負(fù)荷在額定負(fù)荷范圍內(nèi)變化時(shí)轉(zhuǎn)速變化很小。 具有硬驅(qū)動(dòng)特性的鉆機(jī)具有硬驅(qū)動(dòng)特性的鉆機(jī)：1)柴油機(jī)-機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)(以柴油機(jī)為動(dòng)力，經(jīng)過(guò)鏈條、皮帶、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤和泵)。2)AC-AC電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)(柴油機(jī)與交流發(fā)電機(jī)組發(fā)出交流電驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤和泵)。 軟特性：軟特性：如圖42所示，可見(jiàn)工作機(jī)負(fù)荷在額定負(fù)荷范圍內(nèi)增大時(shí)，轉(zhuǎn)速降低，但功率基本不變。

25、 具有軟驅(qū)動(dòng)特性的鉆機(jī)：具有軟驅(qū)動(dòng)特性的鉆機(jī)：1)DC-DC電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)(柴油機(jī)與交流發(fā)電機(jī)組發(fā)出直流電驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以從最小無(wú)級(jí)滑動(dòng)地調(diào)節(jié)到最大)。2)AC-SCR-DC電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)(柴油機(jī)與交流發(fā)電機(jī)組發(fā)出交流電，經(jīng)過(guò)可控硅整流輸出的直流電驅(qū)動(dòng)直流動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作機(jī))。3)VVVF電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)(柴油機(jī)與交流發(fā)電機(jī)機(jī)組發(fā)出交流電，經(jīng)過(guò)交流變頻器驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作機(jī))。4 4 鉆井泵的特性鉆井泵的特性 4.1 4.1 鉆井泵的基本特性鉆井泵的基本特性 每臺(tái)鉆井泵都有一個(gè)最大輸出功率，稱為泵的額定功率；每臺(tái)鉆井泵都有幾種直徑不同的缸套，

26、每種缸套都有一個(gè)最大允許工作壓力，稱為使用該缸套時(shí)的額定泵壓；在額定泵功率和額定泵壓下的排量，稱為泵的額定排量；額定排量時(shí)的泵沖數(shù)為泵的額定沖數(shù)。表4-1和表4-2顯示了SL3NB系列泵的性能參數(shù)。表表4-1 鉆井泵的參數(shù)鉆井泵的參數(shù)泵型額定功率kW沖程長(zhǎng)度mm額定泵速 沖/minSL3NB-1000A 735.5（1000）305120SL3NB-1300A 956（1300）305120SL3NB-1600A 1177（1600）305120表表4-2 鉆井泵的技術(shù)性能鉆井泵的技術(shù)性能柴油機(jī)轉(zhuǎn)速r/min額定泵速?zèng)_/min缸套直徑（mm）與理論流量（L/s）1401501601701801

27、90150012028.1632.3236.7841.5246.5451.85140011226.2830.1734.3238.7543.4448.40130010424.4028.0131.8736.0040.3444.9412009622.5325.8639.4233.2137.2441.4811008820.6523.7026.9730.4434.1338.0310008018.7721.5524.5227.6831.0334.57最大工作壓力MPaSL3NB-1000A242118.51614.5SL3NB-1300A3127242119 泵的額定功率、額定泵壓和額定排泵的額定功率、額

28、定泵壓和額定排量的關(guān)系為量的關(guān)系為 Nr=prQr式中：Nr額定功率，kW； pr額定泵壓，MPa； Qr額定排量，L/s。 泵不允許超載，也不允許超速，即泵不允許超載，也不允許超速，即只能在只能在p pr r 和和Q Qr r內(nèi)工作。內(nèi)工作。 4.2 4.2 鉆井泵的工作方式鉆井泵的工作方式 1)1)恒排量工作方式恒排量工作方式( (圖5-3) 2)2)恒泵壓工作方式恒泵壓工作方式(圖4-4) 3)3)恒功率工作方式恒功率工作方式(圖4-5) 圖圖4-3 鉆井泵恒排量工作方式的特性曲線鉆井泵恒排量工作方式的特性曲線圖圖44 鉆井泵恒泵壓工作方式的特性曲線鉆井泵恒泵壓工作方式的特性曲線圖圖45

29、 鉆井泵恒功率工作方式的特性曲線鉆井泵恒功率工作方式的特性曲線表表43 鉆井泵工作狀態(tài)的可操作性鉆井泵工作狀態(tài)的可操作性泵的工作方式鉆機(jī)調(diào)節(jié)方式難易應(yīng)用狀況恒功率 硬驅(qū)動(dòng)手動(dòng)很難不用軟驅(qū)動(dòng)自動(dòng)容易用恒排量 硬驅(qū)動(dòng)自動(dòng)容易用軟驅(qū)動(dòng)手動(dòng)較難少用恒泵壓 硬驅(qū)動(dòng)手動(dòng)較難少用軟驅(qū)動(dòng)手動(dòng)較難少用5 5 水力參數(shù)設(shè)計(jì)概述水力參數(shù)設(shè)計(jì)概述 5.1 5.1 水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)思想水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)思想 清巖與攜巖協(xié)調(diào)，重清巖，重水力破巖及機(jī)械破巖與水力破巖的配合。 優(yōu)化設(shè)計(jì)工作方式優(yōu)化設(shè)計(jì)工作方式( (目標(biāo)目標(biāo)) )：1)1)最大鉆頭水功率；最大鉆頭水功率；2)2)最大射流最大射流沖擊力；沖擊力；3)3)最大射流噴

30、速；最大射流噴速；4)4)經(jīng)濟(jì)鉆頭水功率。經(jīng)濟(jì)鉆頭水功率。 前三種本質(zhì)上都是遵循給鉆頭提供最大能量的觀點(diǎn)，因?yàn)樯淞鳑_擊力和射流噴速都是由能量轉(zhuǎn)化而來(lái)，都是能量的某種表現(xiàn)形式，這三種目標(biāo)是一致的。 現(xiàn)場(chǎng)淺井段水力參數(shù)設(shè)計(jì)常用經(jīng)濟(jì)鉆頭水功率方式，其他井段則用最大鉆頭水功率方式。 5.2 5.2 水力參數(shù)設(shè)計(jì)條件水力參數(shù)設(shè)計(jì)條件 掌握地質(zhì)剖面，選定鉆機(jī)，確定井身結(jié)構(gòu)、鉆井液體系和性能、鉆頭及其進(jìn)尺、鉆柱和各次開(kāi)鉆的鉆具組合方案。 5.3 5.3 水力參數(shù)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容水力參數(shù)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 優(yōu)選排量、泵缸套直徑和噴嘴直徑。 5.4 5.4 一口井水力參數(shù)設(shè)計(jì)基本步驟一口井水力參數(shù)設(shè)計(jì)基本步驟 在實(shí)際鉆進(jìn)

31、過(guò)程中，由于鉆頭噴嘴的直徑不能實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)，泵的水力參數(shù)也不可能隨意調(diào)節(jié)，所以不可能對(duì)每個(gè)井深都實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 只能對(duì)全井分段，并對(duì)每一井段確定一個(gè)設(shè)計(jì)井深，然后由淺到深，逐段地對(duì)每段的設(shè)計(jì)井深進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這樣做的效果是以設(shè)計(jì)井深點(diǎn)來(lái)代表一井段，所以對(duì)這一井段來(lái)說(shuō)，其選擇的水力參數(shù)并不是完全優(yōu)化的。只能是相對(duì)優(yōu)化。 根據(jù)本地區(qū)地層剖面、井身結(jié)構(gòu)及預(yù)測(cè)鉆頭進(jìn)尺情況把全井分成若干井段。一個(gè)井段一般是一只鉆頭的進(jìn)尺，并最好使用一種尺寸的缸套(現(xiàn)場(chǎng)通常是這樣)。如果鉆頭進(jìn)尺少，在一個(gè)井段中也可用幾只鉆頭。但最好不要把一只鉆頭的進(jìn)尺行程劃到兩個(gè)井段中去，除非鉆頭進(jìn)尺較大，因別的原因需中途起鉆。 在每一井

32、段中，應(yīng)選擇沿程消耗的壓力降最大點(diǎn)或鉆頭消耗壓力降最小點(diǎn)為設(shè)計(jì)井深，保證泵壓不超過(guò)循環(huán)系統(tǒng)最大工作壓力，確保安全鉆進(jìn)。6 6 硬驅(qū)動(dòng)特性鉆機(jī)泵恒排量工作方硬驅(qū)動(dòng)特性鉆機(jī)泵恒排量工作方式下的水力參數(shù)設(shè)計(jì)方法式下的水力參數(shù)設(shè)計(jì)方法 6.1 6.1 轉(zhuǎn)盤鉆和頂驅(qū)鉆轉(zhuǎn)盤鉆和頂驅(qū)鉆 轉(zhuǎn)盤鉆和頂驅(qū)鉆機(jī)械破巖的能量來(lái)源于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，與循環(huán)系統(tǒng)無(wú)關(guān)，因此水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)不需要考慮機(jī)械破巖能量在循環(huán)系統(tǒng)水力能量中的分配問(wèn)題。 1)1)設(shè)計(jì)井深的確定設(shè)計(jì)井深的確定 在恒排量的工作狀態(tài)下，應(yīng)選擇沿程消耗的壓力降最大點(diǎn)為設(shè)計(jì)井深，因此分段設(shè)計(jì)的每段應(yīng)取最大井深為設(shè)計(jì)井深。 2)2)確定滿足攜巖要求的最低環(huán)空確定滿足攜巖

33、要求的最低環(huán)空返速返速a a 影響a的因素很多，其值很難用理論方法確定?，F(xiàn)場(chǎng)常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。例如，a在江漢油田表層段取0.30.4m/s，技術(shù)套管段或擴(kuò)眼段取0.60.8m/s，油層套管段常取1.0m/s。 3)3)確定滿足攜巖要求的最小排量確定滿足攜巖要求的最小排量 即最優(yōu)排量即最優(yōu)排量Q Qa a Qa=式中： Qa最優(yōu)排量，L/s； dp/dh鉆桿直徑/井徑，cm；a攜巖最低環(huán)空返速，m/s。aphvdd)(4022 4)4)由由Q Qa a選鉆井泵的缸套尺寸，使選鉆井泵的缸套尺寸，使其對(duì)應(yīng)的其對(duì)應(yīng)的Q Qr r等于或稍大于等于或稍大于Q Qa a， Q Qr r就是選定使用的排量。就是選定使用的排量。 5)5)確定循環(huán)系統(tǒng)最大耐壓確定循環(huán)系統(tǒng)最大耐壓p pmaxmax 由循環(huán)系統(tǒng)管線最小耐壓和和泵缸套的額定壓力來(lái)確定，其中較小的值為pmax。 例如，江