第三章 鉆進(jìn)工藝（三）

第五節(jié)機(jī)械參數(shù)機(jī)械參數(shù)一般是指鉆頭工作參數(shù)——鉆壓和轉(zhuǎn)速。一、牙輪鉆頭機(jī)械參數(shù)

根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，牙輪鉆頭機(jī)械參數(shù)的確定應(yīng)遵循如下原則：軟地層采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速；硬及中硬地層、深部地層采用高鉆壓、低轉(zhuǎn)速；鉆頭安全承載能力一般取0.6～0.8KN/mm；密封滑動(dòng)軸承不宜采用高轉(zhuǎn)速。第三章鉆進(jìn)工藝美國(guó)休斯公司J系列鉆頭鉆壓與轉(zhuǎn)速乘積的值:式中W──鉆壓，噸；

N──轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分；

C──軸承能力（bearingCapability），噸·轉(zhuǎn)/分。第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝只是參考值對(duì)于J系列鉆頭應(yīng)按每種鉆頭試驗(yàn)曲線，在ab線范圍內(nèi)根據(jù)具體情況確定鉆頭的最佳工作鉆壓與轉(zhuǎn)速。第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝曲線a以下：軸承不易破壞，鉆頭壽命長(zhǎng)，但鉆速低—密封失效而破壞。曲線b以上：鉆速快，但軸承損壞更快。a、b曲線內(nèi)：牙齒、密封、軸承等效損壞——每米成本低。二、金剛石鉆頭機(jī)械參數(shù)（使用壽命高）

金剛石鉆頭機(jī)械參數(shù)的確定應(yīng)遵循如下原則：在軟地層鉆井中，增加轉(zhuǎn)速可明顯提高機(jī)械鉆速；在中等硬度地層，應(yīng)將轉(zhuǎn)速控制在較低的范圍。在硬的、高研磨性地層，應(yīng)采用中～高鉆壓，以及低～中等轉(zhuǎn)速。第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝1、鉆壓美國(guó)克里斯頓公司金剛石系列鉆頭第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝1bf=4.44822N2、轉(zhuǎn)速金剛石鉆頭的使用轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能高些。用于渦輪鉆的金剛石鉆頭一般300轉(zhuǎn)/分，高的600—900轉(zhuǎn)/分。對(duì)于天然金剛石鉆頭，一般認(rèn)為在150轉(zhuǎn)/分左右較合適。對(duì)于PDC鉆頭，轉(zhuǎn)速可以較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)使用，所以它可用于轉(zhuǎn)盤(pán)鉆，也可用于井底動(dòng)力鉆井。在轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井時(shí)，推薦使用100轉(zhuǎn)/分左右。第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝3、排量

排量首先要滿足環(huán)形空間的最低返回速度的要求，同時(shí)又要保證滿足鉆頭清除巖屑和冷卻金剛石的需要。第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝使用PDC鉆頭時(shí)，機(jī)械鉆速同樣隨比水力功率增加而增長(zhǎng)。一般使用的比水力功率在250瓦/厘米2左右。第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝金剛石取芯鉆頭，推薦鉆壓適用范圍如圖所示。第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝三、取芯鉆頭機(jī)械參數(shù)

四、機(jī)械參數(shù)優(yōu)選方法(試驗(yàn)與實(shí)鉆）1、建立鉆速方程

通過(guò)對(duì)影響鉆速因素的分析，采用數(shù)學(xué)和物理的方法建立能反映鉆進(jìn)的客觀規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。

第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝鮑戈因—楊格模式多元鉆速回歸式中Vm----鉆速；Hb----鉆頭進(jìn)尺；

t----鉆頭工作時(shí)間；aj----待定系數(shù)；

Xj----影響因素。①常數(shù)項(xiàng)a0—巖石可鉆性系數(shù)。其中包括巖石強(qiáng)度，以及與可鉆性有關(guān)的鉆頭類型和鉆井液性能等對(duì)鉆速的影響。②a1X1—巖層埋藏深度，即所鉆井深對(duì)鉆速的影響。在正常情況下，巖層的壓實(shí)程度隨埋藏深度的增加而增加，因此鉆速指數(shù)將隨井深的增加而下降（成反比）。指數(shù)X1為井深H的函數(shù)。取3000m處的相對(duì)鉆速為1.0，則exp（a1X1）=1.0，所以

第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝③a2X2為巖層致密性對(duì)鉆速的影響。它與巖層的埋藏深度L（m）及孔隙壓力梯度有關(guān)。鉆井實(shí)踐證明，鉆速常隨地層隙壓力梯度的增加而加快。現(xiàn)以孔隙壓力梯度=1.07時(shí)的相對(duì)鉆速為1.0，X2可定為

第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝④a3X3為井底壓差對(duì)鉆速的影響。以井底壓差等于零時(shí)的相對(duì)鉆速為1.0，則X3定義為

——循環(huán)鉆井液時(shí)井底的當(dāng)量鉆井液密度。

第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝⑤a4X4為單位鉆頭直徑的鉆壓對(duì)鉆速的影響。以單位鉆頭直徑的鉆壓為8KN/cm時(shí)的相對(duì)鉆速為1.0。大量實(shí)驗(yàn)證明，鉆速與成正比，因此X4的定義為

式中W——鉆壓，KN；db——鉆頭直徑，cm。實(shí)驗(yàn)證明，鉆頭指數(shù)a4與井底凈化程度有關(guān)，一般為0.6~2.0。第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝⑥a5X5為鉆頭轉(zhuǎn)速的影響。以n=100r/min為標(biāo)準(zhǔn)，即此時(shí)相對(duì)鉆速exp(a5X5)=1，因鉆速與n成正比，所以X5的定義為

很多實(shí)驗(yàn)證明，轉(zhuǎn)速指數(shù)a5一般為0.4～0.9，與巖層的軟硬程度有關(guān)。第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝⑦a6X6為水力參數(shù)對(duì)鉆速的影響。X6可定義為

式中——鉆井液密度；Q——鉆井液排量；

——鉆頭噴嘴出口處的鉆井液粘度；dne——鉆頭噴嘴當(dāng)量直徑；kH——比例系數(shù)。第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝⑧a7X7為牙齒磨損對(duì)鉆速的影響?，F(xiàn)規(guī)定

X7=-h

h為根據(jù)磨損分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定的齒高磨損量。新鉆頭h=0，齒高全部磨損時(shí)h=1。A7與鉆頭類型及巖層性質(zhì)有關(guān)。使用硬質(zhì)合金齒時(shí)，牙齒磨損對(duì)鉆速的影響很小，可以認(rèn)為a7=0（即不考慮牙齒磨損對(duì)鉆速形成的影響）。第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝多元鉆速方程共有12個(gè)影響因素。（L、ρm、μ

、ρe、ρp、db、W、n、Q、de、h、a0）

多元鉆速方程是以大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)回歸分析法建立的相關(guān)模型。它的準(zhǔn)確性首先決定于指數(shù)方程中各回歸系數(shù)ａｊ的精確度。用多元鉆速方程來(lái)確定各種因素與鉆速之間的定量關(guān)系時(shí)，首先必須根據(jù)該地區(qū)一口以上井的準(zhǔn)確資料，求出回歸效果好的各ａｊ值，然后才能用此模型分析計(jì)算各因素對(duì)鉆速的具體影響，由此確定新設(shè)計(jì)井的最優(yōu)化鉆井措施。第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝2、建立鉆頭磨損方程由于鉆頭磨損的不同形式，牙輪鉆頭磨損方程有牙齒磨損方程和軸承磨損方程二種。牙齒磨損(銑齒)軸承磨損(鑲齒)第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝式中Af----巖石研磨性系數(shù)；n---轉(zhuǎn)速;D2----牙齒結(jié)構(gòu)系數(shù)；Wmax----門(mén)限鉆壓;h---磨損量與與原齒高比。

B----軸承相對(duì)磨損量；b----軸承磨損系數(shù)σ----鉆壓指數(shù)。3、建立目標(biāo)函數(shù)目前廣泛應(yīng)用的主要是單位進(jìn)尺成本目標(biāo)函數(shù)：

式中Cb——鉆頭成本，元；Ｃr——鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)，元／h；

tt——起下鉆時(shí)間，h；

t——鉆頭工作時(shí)間，h；Ｈb——鉆頭進(jìn)尺，m。第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝Ｈb由鉆速方程確定t由磨損方程確定4、采用最優(yōu)化方法當(dāng)目標(biāo)函數(shù)確定后，即可對(duì)機(jī)械參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。根據(jù)最優(yōu)化理論,令目標(biāo)函數(shù)對(duì)各變量的偏導(dǎo)數(shù)為零,便可確定各相應(yīng)參數(shù)的最優(yōu)值,即

第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝在目標(biāo)函數(shù)中，只有對(duì)鉆壓、轉(zhuǎn)速和牙齒磨損量求偏導(dǎo)數(shù)為零，對(duì)實(shí)際工作才有指導(dǎo)意義。結(jié)合約束條件，即可確定最優(yōu)鉆壓、轉(zhuǎn)速和牙齒磨損量。第五節(jié)機(jī)械參數(shù)第三章鉆進(jìn)工藝要同時(shí)求得鉆壓、轉(zhuǎn)速和鉆頭磨損的最優(yōu)值，需求解聯(lián)立方程組，有一定的難度。因而在實(shí)際應(yīng)用中，采