鉆井工程第四章-鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選匯編課件

鉆井工程第四章--鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)：

表征鉆進(jìn)過程中的可控因素所包含的設(shè)備、工具、鉆井液以及操作條件的重要性質(zhì)的量。如鉆頭類型、鉆井液性能參數(shù)、鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓、排量、鉆頭噴嘴直徑、鉆頭水功率等。鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選：

指在一定的客觀條件下，根據(jù)不同參數(shù)配合時(shí)各因素對(duì)鉆進(jìn)速度和鉆頭壽命的影響規(guī)律，采用最優(yōu)化方法，選擇合理的鉆進(jìn)參數(shù)配合，使鉆進(jìn)過程達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。一、影響鉆速的主要因素及鉆速方程1.鉆壓對(duì)鉆速的影響oa段：鉆壓小，鉆速Vpc很小。ab段：鉆壓增大，鉆速Vpc隨鉆壓增加成線性關(guān)系增大。bc段：當(dāng)鉆壓增大到一定值Wb時(shí)，鉆壓增大,鉆速改進(jìn)效果并不明顯。第一節(jié)鉆進(jìn)過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系鉆速與鉆壓的關(guān)系曲線實(shí)際應(yīng)用中,以直線段為依據(jù)建立鉆壓(W)與鉆速(Vpc)的定量關(guān)系,即:

式中：M

稱為門限鉆壓,它是ab線在鉆壓軸上的截距,認(rèn)為是牙齒開始吃入地層時(shí)的鉆壓,其值的大小主要取決于巖層性質(zhì),并具有較強(qiáng)的地區(qū)性。鉆速與鉆壓的關(guān)系曲線

2.轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響

鉆速隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，并呈指數(shù)關(guān)系變化。

其中：

λ稱為轉(zhuǎn)速指數(shù),一般小于1，數(shù)值大小主要與巖層性質(zhì)有關(guān)。極軟地層λ≈1，隨著巖石硬度增大，λ值減小。

3.牙齒磨損對(duì)鉆速的影響隨著鉆頭牙齒的磨損，鉆速下降。

式中：

C2—稱為牙齒磨損系數(shù),與鉆頭齒形結(jié)構(gòu)和巖層性質(zhì)有關(guān),由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到。h—為牙齒磨損量,以牙齒的相對(duì)磨損高度

表示,新鉆頭時(shí)h=0；牙齒全部磨損時(shí)h=1。

4.水力因素對(duì)鉆速的影響通常用井底單位面積上的平均水功率(稱為比水功率)來研究水力因素對(duì)鉆速的影響規(guī)律。

水力因素主要從以下兩個(gè)方面影響鉆速：（1）水力凈化井底井底比水功率越大，凈化程度越好，鉆速越快。水力凈化能力通常用水力凈化系數(shù)CH

表示,其含意為實(shí)際鉆速與凈化完善時(shí)的鉆速之比.即：式中P-----實(shí)際比水功率,kW/cm2;

Ps-----凈化完善時(shí)所需的比水功率,kW/cm2。

井底完全凈化后，CH=1；否則，CH＜1。

（2）水力輔助破巖

井底比水功率越大，輔助破巖能力越強(qiáng)，鉆速越快。5.鉆井液性能對(duì)鉆速的影響（1）鉆井液密度對(duì)鉆速的影響鉆井液密度越大，井內(nèi)液柱壓力越大。在井內(nèi)液柱壓力大于地層孔隙壓力的情況下，產(chǎn)生一個(gè)正壓差。在正壓差作用下，井底巖屑難以離開井底，造成重復(fù)破碎現(xiàn)象，鉆速降低。此現(xiàn)象稱為壓持效應(yīng)。

井底壓差與鉆速的關(guān)系：

壓差影響系數(shù)：式中:

vpc----實(shí)際鉆速,m/h;

vpc0----零壓差時(shí)的鉆速,m/h;

p----井底壓差,Mpa；

β----與巖性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。（2）鉆井液粘度對(duì)鉆速的影響

鉆井液粘度增大，將會(huì)增大環(huán)空壓降，使井底壓差增大，鉆速降低；鉆井液粘度增大，鉆柱內(nèi)壓耗增大，在泵壓一定時(shí)鉆頭壓降減小，鉆頭水功率減小，清巖和破巖能力降低，鉆速下降。（3）鉆井液固相含量對(duì)鉆速的影響

鉆井液固相含量增大，機(jī)械鉆速降低。（4）鉆井液分散性對(duì)鉆速的影響

分散性鉆井液比不分散性鉆井液的鉆速低；鉆井液中小于1μm的固體顆粒越多，對(duì)鉆速的影響越大。

6.鉆速方程（修正楊格模式）

其中：vpc—鉆速,m/h；W—鉆壓,kN；

M—門限鉆壓,kN；n—轉(zhuǎn)速,r/min λ—轉(zhuǎn)速指數(shù)；

C2—牙齒磨損系數(shù)；

CH—水力凈化系數(shù)；Cp—壓差影響系數(shù)；

h—牙齒磨損相對(duì)高度；KR—地層可鉆系數(shù)。二、影響鉆頭壽命的主要因素及磨損方程1.鉆壓對(duì)牙齒磨損速度的影響

牙齒磨損速度隨鉆壓的增大而增大。當(dāng)鉆壓增大到某一極限值時(shí)，牙齒磨損速度趨于無窮大。

式中：Z1與Z2

稱為鉆壓影響系數(shù),與牙輪鉆壓尺寸有關(guān)。

當(dāng)鉆壓等于Z2／Z1時(shí),牙齒的磨損速度無限大。Z2／Z1是該尺寸鉆頭的理論極限鉆壓。

表4-1鉆壓影響系數(shù)2.轉(zhuǎn)速對(duì)牙齒磨損速度的影響

增大轉(zhuǎn)速，牙齒磨損速度加快。式中：a1和a2是由鉆頭類型決定的系數(shù)。見表4-2。3.牙齒磨損狀況對(duì)牙齒磨損速度的影響

牙齒磨損量增大，其工作面積增大，磨損速度減小。

式中：

C1稱為牙齒磨損減慢系數(shù),

與鉆頭類型有關(guān),其數(shù)值見表4-2。

4.牙齒磨損速度方程

式中：Af

稱為地層研磨性系數(shù).需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆頭資料統(tǒng)計(jì)計(jì)算確定。

5.軸承磨損速度方程

軸承磨損量用B表示。軸承磨損速度用dB/dt表示。

式中：b稱為軸承工作系數(shù)，與鉆頭類型與鉆井液性能有關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)資料確定。三、鉆進(jìn)方程中有關(guān)系數(shù)的確定(一）鉆速方程的系數(shù)：M、λ、C2、CH、CP、KR

1.M和λ的確定——五點(diǎn)法鉆速試驗(yàn) （1）基本思路

保持鉆壓和鉆速方程中的其它參數(shù)恒定，采用兩種轉(zhuǎn)速Nmin、Nmax鉆進(jìn)同一地層，可得到兩個(gè)不同鉆速值Vpcmin、Vpcmax，代入鉆速方程，聯(lián)立求解轉(zhuǎn)速指數(shù)λ。保持轉(zhuǎn)速和鉆速方程中的其它參數(shù)恒定，采用兩種鉆壓Wmin、Wmax鉆進(jìn)同一地層，可得到兩個(gè)不同鉆速值Vpcmin、Vpcmax，代入鉆速方程，聯(lián)立求解門限鉆壓M。

（2）試驗(yàn)條件試驗(yàn)中鉆井液性能、水力參數(shù)恒定，一般取本地區(qū)常用值，使CH、CP不變，且避免水力因素變化對(duì)門限鉆壓M值的影響。試驗(yàn)井段或試驗(yàn)時(shí)間盡可能短，以保證試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)的牙齒磨損量和地層巖性相差很小。

（3）試驗(yàn)步驟:準(zhǔn)備：確定本地區(qū)鉆壓范圍（Wmin,Wmax）和轉(zhuǎn)速范圍（nmin,nmax）以

及平均鉆壓、平均轉(zhuǎn)速（W0，n0）。第一步：用平均鉆壓和平均轉(zhuǎn)速（W0，n0）鉆進(jìn)1米或0.5米,

記錄鉆速Vpc1。第二步：用最小鉆壓和最小轉(zhuǎn)速（Wmin，nmin）鉆進(jìn)1米或0.5米,記錄鉆速Vpc2。第三步：鉆壓不變，用最大轉(zhuǎn)速（Wmin，nmax）鉆進(jìn)1米或0.5米,記錄鉆速Vpc3。第四步：轉(zhuǎn)速不變，用最大鉆壓（Wmax，nmax）鉆進(jìn)1米或0.5米,記錄鉆速Vpc4。第五步：鉆壓不變，用最小轉(zhuǎn)速（Wmax，nmin）鉆進(jìn)1米或0.5米,記錄鉆速Vpc5。第六步：用平均鉆壓和平均鉆速（W0，n0）鉆進(jìn)1米或0.5米,記錄鉆速Vpc6。(4）M、λ計(jì)算

①將（Wmin，nmin，Vpc2）和（Wmax，nmin，Vpc5）

代入鉆速方程，可求出:②將（Wmin，nmax，Vpc3）和（Wmax，nmin，Vpc4）

代入鉆速方程又可求出:取M1、M2的平均值:同理可得λ的計(jì)算公式：兩邊取對(duì)數(shù)得:（5）試驗(yàn)有效性驗(yàn)證（地層差別驗(yàn)證）

若地層完全相同，Vpc1=Vpc6。

實(shí)際要求：

2.牙齒磨損系數(shù)C2的確定

假定：1）某鉆頭所鉆井段巖性基本不變2）各項(xiàng)鉆進(jìn)參數(shù)基本恒定已知新鉆頭牙齒磨損量h=0，鉆頭起出時(shí)磨損量為hf；鉆頭開始鉆速Vpc0，起鉆時(shí)鉆速Vpcf。由鉆速方程可反求出牙齒磨損系數(shù)C2：3.水力凈化系數(shù)CH和壓差影響系數(shù)CP井底充分凈化，CH=1，否則CH＜1。井底壓差為0，CP=1，否則CP＜1。4.地層可鉆性系數(shù)KR的確定

取得新鉆頭試鉆資料（開始鉆進(jìn)時(shí)的鉆速Vpc，各項(xiàng)鉆進(jìn)參數(shù)），此時(shí)牙齒磨損量h=0，由鉆速方程可锝：

（二）磨損方程的系數(shù)：Z1、Z2、C1、a1、a2、b、Af

1.鉆壓影響系數(shù)Z1、Z2取值與牙輪鉆頭尺寸有關(guān)，由臺(tái)架實(shí)驗(yàn)確定。查休斯公司實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表4-1。

2.轉(zhuǎn)速影響系數(shù)a1，a2和牙齒磨損減慢系數(shù)C1：

取值與牙輪鉆頭類型有關(guān)，由臺(tái)架實(shí)驗(yàn)確定。查表4-2。3.軸承工作系數(shù)b：

取決于鉆頭類型和鉆井液性能。利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆資料，根據(jù)軸承磨損方程確定。4.地層研磨性系數(shù)Af

與地層研磨性和鉆頭耐磨性、鉆井液性能等因素有關(guān)。利用實(shí)鉆資料，由牙齒磨損方程反算。M,λ,KR

C2,Af,bZ1,

Z2

a1,a2,

C1可查表求得可計(jì)算求得綜上所述：鉆速方程、牙齒磨損方程、軸承磨損方程中的系數(shù)的確定方法：第二節(jié)機(jī)械破巖參數(shù)優(yōu)選目的：尋求最優(yōu)的鉆壓、轉(zhuǎn)速組合，使鉆井過程達(dá)到最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。優(yōu)選方法步驟：

確定標(biāo)準(zhǔn)→建立目標(biāo)函數(shù)→在各種約束條件下尋求目標(biāo)函數(shù)的極值點(diǎn)→滿足極值點(diǎn)條件的參數(shù)組合即為最優(yōu)參數(shù)。

其中:C—單位進(jìn)尺成本，元/m；Cb—鉆頭成本，元/只；

Cr—鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)，元/h；tr—起下鉆、接單根時(shí)間，h；

t—鉆頭工作時(shí)間,h；H----鉆頭總進(jìn)尺,m。一、目標(biāo)函數(shù)的建立

衡量鉆井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的標(biāo)準(zhǔn)：1.建立鉆頭進(jìn)尺H與鉆壓、轉(zhuǎn)速、牙齒磨損量等參數(shù)的關(guān)系

在上式中，令：

J的物理意義：牙齒磨損量h=0（新鉆頭）時(shí)的初始鉆速.S的物理意義：

牙齒磨損量h=0時(shí)牙齒的初始磨速。它的倒數(shù)相當(dāng)于不考慮牙齒磨損影響時(shí)的鉆頭理論壽命。E的物理意義：

考慮牙齒磨損對(duì)鉆速和牙齒磨損速度影響后的進(jìn)尺系數(shù)。它是牙齒最終磨損量的函數(shù)。則：J/S的物理意義：

不考慮牙齒磨損影響時(shí)的理論進(jìn)尺。

2.建立鉆頭壽命t與鉆壓、轉(zhuǎn)速、磨損量等參數(shù)的關(guān)系由牙齒磨量h損決定的鉆頭壽命由軸承磨損量B決定的鉆頭壽命考慮牙齒磨損對(duì)鉆頭磨速影響后的鉆頭壽命系數(shù)。

3.目標(biāo)函數(shù)鉆頭與起下鉆本的折算時(shí)間在此僅考慮牙齒磨損決定的壽命令：把J,E,S,F代入：二、目標(biāo)函數(shù)的極值條件和約束條件1.極值條件約束條件（1）牙齒磨損量：0≤hf≤1（2）軸承磨損量：0≤Bf≤1（3）鉆壓：M＞0，M＜W＜Z2/Z1

M＜0，0＜W＜Z2/Z1（4）轉(zhuǎn)速：n≥0軸承磨損量與牙齒磨損量的關(guān)系CH=1;Cp=1;

三、鉆頭最優(yōu)磨損量、最優(yōu)鉆壓和最優(yōu)轉(zhuǎn)速

1.鉆頭最優(yōu)磨損量

給定（W，n），可求出在一定鉆壓、轉(zhuǎn)速下的鉆頭最優(yōu)磨損量。

2.最優(yōu)轉(zhuǎn)速給定的（W，hf），可求出最優(yōu)轉(zhuǎn)速nop。3.最優(yōu)鉆壓根據(jù)給定的（n，hf），可求出最優(yōu)鉆壓。

4.最優(yōu)參數(shù)組合理論上：采用迭代方法求解由目標(biāo)函數(shù)、極值條件和約束條件組成的方程組,可進(jìn)行全局尋優(yōu)。

實(shí)際中：確定鉆頭磨損量→求不同轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)鉆壓→選取每米成本最低的鉆壓、轉(zhuǎn)速組合。[例4-2]某井段的地層可鉆性系數(shù)K=0.0023,研磨性系數(shù)Af=2.28×10-3,門限鉆壓M=10kN,轉(zhuǎn)速指數(shù)λ=0.68.用Φ251mm的21型鉆頭鉆進(jìn),C2=3.68,CH=1,CP=1,鉆頭成本Cb=900元/只,鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)Cr=250元/小時(shí),起下鉆時(shí)間tt=5.75小時(shí);所用鉆機(jī)的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速只有三檔,分別為n1=60轉(zhuǎn)/分,n2=120轉(zhuǎn)/分,n3=180轉(zhuǎn)/分,根據(jù)鄰井資料,所選鉆頭在該井段的牙齒磨損量一般為T6級(jí)(hf=0.75),試求最優(yōu)的鉆壓、轉(zhuǎn)速組合及其工作指標(biāo).

解:

查表可得Φ251mm的21型鉆頭參數(shù)為:D2=6.44,D1=0.0146,a1=1.5,a2=6.53×10-5,C1=5小時(shí)

不同轉(zhuǎn)速時(shí)的最優(yōu)鉆壓及其工作指標(biāo)第三節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要內(nèi)容:

射流的水力特性鉆頭的水力特性循環(huán)壓耗的計(jì)算地面泵的水力特性水力參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)概述噴射鉆井的概念

采用大功率的泥漿泵和可以產(chǎn)生高速射流的鉆頭噴嘴，使高壓鉆井液流過噴嘴時(shí)可產(chǎn)生高速流動(dòng)的水射流，給井底以很大的沖擊力，把巖屑及時(shí)沖離井底，并輔助破碎巖石。該技術(shù)稱為噴射鉆井技術(shù)。水力參數(shù)

主要包括：

鉆井泵的功率、排量、泵壓、以及鉆頭水功率、鉆頭水力壓降、鉆頭噴嘴直徑、射流沖擊力、射流噴速和環(huán)空鉆井液上返速度等。水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

尋求合理的水力參數(shù)配合，使井底獲得最大的水力能量分配，從而達(dá)到最優(yōu)的井底凈化效果和提高機(jī)械鉆速之目的。

一、噴射式鉆頭的水力特性（一）射流及其對(duì)井底的作用

1.射流的結(jié)構(gòu)及特性

射流是指通過管嘴或孔口過水?dāng)嗝嬷芙绮慌c固體壁接觸的液流。

A、射流分類：（按條件）

射流與周圍流體介質(zhì)的關(guān)系：ρ射>ρ介，非淹沒射流

ρ射<ρ介，淹沒射流

有無固體邊界：無固體邊界自由射流有固體邊界非自由射流

射流壓力是否穩(wěn)定：

連續(xù)射流壓力平穩(wěn)。

脈沖射流

流量發(fā)生一定頻率的脈動(dòng)，射流產(chǎn)生周期性的動(dòng)載。

混合射流既有連續(xù)部分，又有脈動(dòng)部分。

空化射流氣體進(jìn)入液體產(chǎn)生空穴，空穴破裂產(chǎn)生很高的壓力。

鉆頭噴嘴射出的射流為淹沒非自由連續(xù)射流。B、射流的結(jié)構(gòu)及特性（1）射流的結(jié)構(gòu)射流的擴(kuò)散角射流縱剖面上周界母線的夾角稱為射流擴(kuò)散角（如圖4-13中的α）。射流擴(kuò)散角α表示了射流的密集程度。顯然，α越小，則射流的密集性越高，能量就越集中。射流的噴距射流斷面距噴嘴出口的距離。圖4-13噴射式鉆頭的井底射流特性（2）速度分布規(guī)律在射流軸線上①在噴嘴出口斷面，各點(diǎn)的速度基本相等，為初始速度。②射流中心部分保持初始速度流動(dòng)的流束，稱為射流等速核。

③等速核長(zhǎng)度與噴嘴直徑和流到形狀有關(guān)。在等速核以內(nèi)，射流軸線上的速度等于出口速度；超過等速核以后，射流軸線上的速度迅速降低。射流軸線上的速度衰減規(guī)律如圖4-14。Vjm/Vj0圖4-14射流軸線上的速度衰減規(guī)律圖4-13噴射式鉆頭的井底射流特性④在射流任一橫截面上，射流軸心上的速度最高，由中心向外速度很快降低，到射流邊界上速度降為零。鉆頭射流（淹沒非自由連續(xù)射流）的基本特征：

射流具有等速核和擴(kuò)散角；在射流橫截面上中心速度最大；在射流軸線上，超過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沿井底高速流動(dòng)的漫流。

2.射流對(duì)井底的清洗作用（1）射流的沖擊壓力作用

射流撞擊井底后形成的沖擊壓力極不均勻。極不均勻的沖擊壓力使巖屑受到一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩，從而離開井底。（2）漫流的橫推作用

射流撞擊井底后形成的漫流是一層很薄的高速液流（漫流），對(duì)井底巖屑產(chǎn)生一個(gè)橫向推力，使其離開原來的位置。

圖4-15射流沖擊面積圖4-16巖屑翻轉(zhuǎn)漫流的速度分布：

徑向（橫向）：沖擊圓的中心為0；沖擊圓邊緣最大；沖擊圓邊緣以外，漫流速度下降。

軸向（縱向）：距井底0.5mm高度處漫流速度最大，向上迅速減小。

3.射流對(duì)井底的破巖作用

在巖石強(qiáng)度較低的地層，射流的沖擊壓力超過地層的破碎強(qiáng)度，直接破碎巖石。在巖石強(qiáng)度較高的地層，射流擠入巖石中由鉆頭機(jī)械力造成的微裂紋和微裂縫內(nèi)，形成“水楔”，使微裂紋和裂縫擴(kuò)展，從而大大降低巖石的破碎強(qiáng)度。(二）射流水力參數(shù)

表征射流水力能量大小的參數(shù)：噴射速度、射流沖擊力、射流水功率。

計(jì)算位置：噴嘴出口斷面

1.射流噴射速度

2.射流沖擊力

（工程單位制）3.射流水功率

單位時(shí)間內(nèi)射流所具有的作功能量稱為射流水功率。（國(guó)際單位制）（工程單位制）

（三）鉆頭水力參數(shù)

鉆頭水力參數(shù)是射流水力能量和噴嘴損耗能量的綜合反映，包括鉆頭壓力降和鉆頭水功率。1.鉆頭壓力降

鉆頭壓力降是指鉆井液流過鉆頭噴嘴以后鉆井液壓力降低的值。

式中：C——噴嘴流量系數(shù),與噴嘴的阻力系數(shù)有關(guān)，C<1。

de——噴嘴當(dāng)量直徑，即與n個(gè)噴嘴出口截面面積總和相當(dāng)?shù)膰娮熘睆?，cm；（4-54）

2.鉆頭水功率

鉆頭水功率是指鉆井液流過鉆頭噴向井底所消耗的水力功率。3.鉆頭水力參數(shù)與射流水力參數(shù)的關(guān)系

壓力分配：

水功率分配:

二、水功率傳遞的基本關(guān)系式中：Ps、Ns—鉆井泵壓力及功率；

Pg、

Ng—地面管匯壓耗及功率；

Pst、

Nst—鉆柱內(nèi)壓耗及功率；

Pan、

Nan—環(huán)空壓耗及功率；

Pb、

Nb—鉆頭壓降及水功率。水功率傳遞路徑:鉆井泵→地面管匯→鉆柱內(nèi)→鉆頭→環(huán)空→地面。

三、循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計(jì)算

假設(shè)：

（1）鉆井液為賓漢流體；

（2）鉆井液在循環(huán)系統(tǒng)各部分的流動(dòng)均為等溫紊流流動(dòng)；（3）鉆柱處于與井眼同心的位置；（4）不考慮鉆柱旋轉(zhuǎn)；（5）井眼為已知直徑的圓形井眼；（6）鉆井液是不可壓縮流體。

（二）摩阻系數(shù)f的確定

賓漢流體在紊流狀態(tài)下摩阻系數(shù)f與Re的關(guān)系管內(nèi)流：環(huán)空流：式中

k—系數(shù)，與管路特性有關(guān)；Re—雷諾數(shù)；（一）壓耗計(jì)算的基本公式式中：2.循環(huán)系統(tǒng)摩阻系數(shù)計(jì)算公式（1）內(nèi)平鉆桿及鉆鋌管內(nèi)（2）貫眼接頭鉆桿管內(nèi)（3）環(huán)型空間

（三）循環(huán)系統(tǒng)壓耗的計(jì)算公式（1）地面管匯壓耗（2）鉆桿內(nèi)壓耗（3）鉆鋌內(nèi)壓耗(4)鉆桿外環(huán)形空間壓耗(5)鉆鋌外環(huán)空壓耗鉆鋌內(nèi)外壓耗：鉆桿內(nèi)外壓耗：分別令Kg、Kp和Kc為地面管匯、鉆桿內(nèi)外和鉆鋌內(nèi)外的壓耗系數(shù)，即：

則總壓耗計(jì)算公式：稱為整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的壓耗系數(shù)將壓耗系數(shù)Kl作進(jìn)一步變化，設(shè)井深為D，并令：（四）提高鉆頭水力參數(shù)的途徑

關(guān)系壓力關(guān)系功率提高鉆頭水力參數(shù)的主要途徑

1.提高泵壓ps和泵功率Ps2.降低循環(huán)壓耗系數(shù)Kl

（1）使用低密度鉆井液（2）減小鉆井液粘度（3）適當(dāng)增大管路直徑3.增大鉆頭壓降系數(shù)Kb唯一有效的途徑是減小噴嘴直徑。4.優(yōu)選排量Q

四、鉆井泵的工作特性

1.鉆井泵的性能參數(shù)

額定功率——鉆井泵的最大輸出功率，Nr

額定泵壓——所用缸套的允許工作壓力，pr

額定排量——在額定泵功率和額定泵壓時(shí)的排量，Qr

額定泵沖——額定排量時(shí)的泵沖數(shù)。

表4-73NB1000鉆井泵性能表

2.鉆井泵的工作狀態(tài)

根據(jù)泵排量的大小，可將鉆井泵的工作分為兩種工作狀態(tài)：

（1）額定泵壓工作狀態(tài)

當(dāng)Q≤Qr時(shí)，ps=pr，NS≤Nr（2）額定功率工作狀態(tài)當(dāng)Q＞Qr時(shí)，Ns=Nr，pSpr

鉆井泵的實(shí)際工作狀態(tài)取決于所選用鋼套的大小。

NrNr只有當(dāng)泵排量等于額定排量時(shí)，鉆井泵才能同時(shí)達(dá)到額定輸出功率和額定泵壓。因此，應(yīng)盡量選用額定排量與實(shí)用排量相近的缸套。

五、水力參數(shù)優(yōu)選

（一）優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)

目標(biāo)：獲得最大的射流水力參數(shù)或鉆頭水力參數(shù)。射流水力參數(shù)鉆頭水力參數(shù)由于：所以可選其中的Vj、Fj或Nb作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)。各水力參數(shù)隨排量變化的規(guī)律：由曲線可知，選擇一個(gè)排量不可能使四個(gè)參數(shù)同時(shí)達(dá)到最大，那麼究竟按照什麼標(biāo)準(zhǔn)選擇排量呢？三種選擇方式：以Nb為標(biāo)準(zhǔn)選排量稱為最大水功率工作方式。以Fj為標(biāo)準(zhǔn)選排量稱為最大沖擊力工作方式。以Vo為標(biāo)準(zhǔn)選排量稱為最大噴射速度工作方式。

（二）獲得最大鉆頭水功率的條件 目標(biāo)函數(shù)：

1.在額定泵功率狀態(tài)下工作

Ns=Nr

由上式可看出：Q↗，Nb↘；Q↘，Nb↗

理論上Q越小越好，但最小Q=Qr因此，在額定泵功率狀態(tài)下,獲得最大鉆頭水功率的條件是：Qopt=Qr

2.在額定泵壓狀態(tài)下工作ps=pr求得最優(yōu)排量為：此時(shí)有：

3.最優(yōu)排量隨井深的變化規(guī)律

當(dāng)Q＞Qr時(shí)：

當(dāng)Q＜Qr時(shí)：

不同井深和排量下鉆頭水功率的變化規(guī)律圖象如圖4-21所示。其中，L0＜L1＜L2＜L3＜LNc＜L5＜LNa＜L7。

2→3，井深LNc<L≤LNc

時(shí)：泵處于額定泵壓工作狀態(tài)。3→4，井深L＞LNa時(shí)，Qopt=QaQa為滿足攜帶巖屑所需要的最低排量。1→2，L≤LNc時(shí)：鉆頭水功率最高時(shí)的排量為額定排量，此時(shí)泵處于額定功率工作狀態(tài)。

當(dāng)L=LNc時(shí)，最優(yōu)排量：由可求得第一臨界井深為：

當(dāng)井深L=Lna時(shí)，最優(yōu)排量：，由此可求得第二臨界井深為：

2點(diǎn)和3點(diǎn)是兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，有特殊意義。2點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度LNC為第一臨界井深，該井深是鉆井泵由額定功率工作方式向額定泵壓工作方式的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度Lna為第二臨界井深。

4.噴嘴直徑的確定鉆頭水功率能否達(dá)到最大，還取決于鉆頭噴嘴直徑的大小。因?yàn)閲娮熘睆酱笮Q定鉆頭上的壓力降，從而決定泵的工作壓力。由得當(dāng)L≤LNc時(shí)：

則當(dāng)L≤LNc時(shí)，噴嘴直徑應(yīng)隨井深的增加而逐漸增大；當(dāng)L＞LNa時(shí)：當(dāng)LNc＜L≤Lna時(shí)：當(dāng)LNc＜L≤LNa時(shí)，噴嘴直徑應(yīng)隨井深的增加而逐漸減小；當(dāng)L＞LNa時(shí)，噴嘴直徑則又應(yīng)隨井深的增加而逐漸增大。（三）獲得最大射流沖擊力的條件1、泵在額定功率工作狀態(tài)下工作，

最優(yōu)排量：2、在額定泵壓工作狀態(tài)下工作，

令得3.最大射流沖擊力隨排量和井深的變化規(guī)律當(dāng)Q＞Qr時(shí)：當(dāng)Q＜Qr時(shí)：理論上推出的獲得最大射流沖擊力的工作路線為1＇→2→3→4→5。由于1‘→2段Q＞Qr，這對(duì)泵的工作不利。實(shí)際工作取1→2→3→4→5。LFc和LFa分別稱為最大射流沖擊力標(biāo)準(zhǔn)下的第一臨界井深和第二臨界井深。

4.最優(yōu)噴嘴直徑的確定

當(dāng)L≤LFc時(shí)，

當(dāng)LFc＜L≤LFa時(shí)，

當(dāng)L＞LFa時(shí)，

當(dāng)L≤LFc時(shí)，噴嘴直徑應(yīng)隨井深的增加而逐漸增大；當(dāng)LFc＜L≤LFa時(shí)，噴嘴直徑應(yīng)隨井深的增加而逐漸減??；當(dāng)L＞LFa時(shí)，噴嘴直徑則又應(yīng)隨井深的增加而逐漸增大。

（三）水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

1.主要任務(wù)

水力參數(shù)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)是獲得最大鉆頭水功率或最大射流沖擊力。能否獲得上述標(biāo)準(zhǔn)，取決于排量、噴嘴直徑和鉆井泵的工作狀態(tài)（與鋼套選擇有關(guān)）。因此，水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是確定鉆井液排量、選擇合適的鉆頭噴嘴直徑和泵的鋼套直徑。

2.設(shè)計(jì)步驟（1）確定攜巖要求的最小排量a、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：式中：Va—最低環(huán)空返速，m/s；

ρd—鉆井液密度，g/cm3；Dh—井徑，cm。b、根據(jù)巖屑舉升效率

：式中:Ks—巖屑舉升效率，無因次；

Va—環(huán)空的平均上返速度，m/s；Vs—巖屑在環(huán)空的實(shí)際上返速度，m/s。一般要求Ks≥0.5。

巖屑的下滑速度:式中:vH——巖屑下滑速度，m/s；ρs，ρd——分別為巖屑和鉆井液密度，g/cm3；ds——巖屑直徑，cm；ηe——鉆井液有效粘度，Pa·s。攜巖所需的最小排量:

（2）計(jì)算循環(huán)壓耗系數(shù)

分別計(jì)算：Kg、Kc、m、a，

KL=a+mD（3）選擇缸套直徑，確定額定泵壓pr、排量Qr、功率Pr

原則：1）盡可能選擇額定排量與實(shí)用排量接近的缸套；2）鋼套的工作壓力不能超過循環(huán)系統(tǒng)的耐壓能力。（4）最優(yōu)排量和噴嘴直徑計(jì)算

1）計(jì)算第一、第二臨界井深；2）計(jì)算各井段的最優(yōu)排量和噴嘴直徑。（5）各水力參數(shù)的計(jì)算

計(jì)算各井段的射流水力參數(shù)和鉆頭水力參數(shù)，結(jié)果列表。設(shè)計(jì)舉例：已知條件：鉆頭直徑D=215.9mm=21.59cm,噴嘴流量系數(shù)C=0.98，鉆鋌Dc=17.78cm,dc=7.14cm,Lc=120m內(nèi)平鉆桿Dp=12.7cm,dp=10.86cmKg=1.07×10-3MPa·s1.8,

d=1.64g/cm3,=0.047Pa?s井隊(duì)配備兩臺(tái)NB-1000鉆井泵,井深L=4000m,要求環(huán)空返速不低于0.7m/s地面泵壓以不超過18MPa較合適試按最大鉆頭水功率方式對(duì)該井深處進(jìn)行水力參數(shù)設(shè)計(jì).解:①確定最小排量Qa