第5章pdc钻头水力参数优化设计方法

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1、第5章PDC钻头水力参数优化设计方法在机泵条件一定的情况下，水力参数优化设计的主要任务是确定钻头的喷嘴直径和钻井泵的压力和排量。5.1泵压和排量对PDC钻头机械钻速的影响现场实践表明，泵压和排量对PDC钻头和牙轮钻头机械钻速的影响规律不同。在泵功率一定的条件下，对PDC钻头来说，排量对钻速的影响更为重要；而对牙轮钻头来说，泵压对钻速的影响更为重要。因此，PDC钻头趋向于使用较人排量和较低泵压，而牙轮钻头则趋向于使用较高泵压和较低排量。在相同地层用相同尺寸钻头钻进，PDC钻头所用排量一般比牙轮钻头高5~10L/s,而泵压一般低2〜3MPa。图5」、图5-2是由现场资料统计分析得

2、出的才轮钻头与PDC钻头的机械钻速与排量的关系。可以看出，PDC钻头的机械钻速随着排量的增大几乎线性增长。而对牙轮钻头，排量超过一定值（25L/S）后，机械钻速几乎不再增加。2510815102064——~—~~~~；的0510152025303540排量/L/so205323328293031252627排量/L/s#7IJJ—A—*•丿*•I<-*-4/—a—•r*

3、IV丿——7r*IV（图5-3）,故需要的较大的水功率来清除破碎坑内的岩屑。而且，射流水功率越人，辅助破碎岩石的效果越好。然而，牙轮钻头的喷嘴距井底较远，射流能量衰减严重，故需要较高的泵压（钻头压降）來补偿射

4、流能量损失。长度约为喷嘴当量直径的4.8〜5倍）,射流能量可以得到有效利用。PDC钻头是以切削作用破碎岩石，岩屑直接被剥离井底，破岩效率高。因此，使岩屑离开井底原位置并不困难，关键问题是有效地将岩屑清离井底。这就需要较高的排量,以形成足够大的漫流速度来保证井底净化充分。5.2PDC钻头的最优排量要提高PDC钻头的水力作用效果，应从以下两方面考虑：(1)提高射流水力功率，以获得最大的射流辅助破岩效果；(2)提高井底漫流水功率，以获得最佳的井底净化效果。射流水功率可表示为：Nf=C2ApbQ(5-1)根据钻井水功率传递关系，有：ph=ps-KtQ^(5-2)将(2)式代入(1)

5、式得：Nj-Cpg—KO")(5-3)研究表明，井底漫流速度与排量及钻头压降有如卜•关系：(5-4)井底漫流水功率可按下式计算：Ntn=fmPQ24^(5-5)将(5-2)式代入(5-5)式得：N”=几PQ珂P「K严(5-6)利用拉格朗日乘数法构造函数：h(Q,Ps)=Nj(Q,p十可(Q,ps)(5-7)其中:几Q,Ps)=""吧‘几)二2△几-0.93K。"dQ(5-8)解方程组：dh/dQ-0

6、1)式可得：Q()l)t=——(5-12)叩(1.908kJ利用(5J2)式求得的排量，即为同时获得最大射流水功率和最大漫流水功率的最佳排量。可以看出，(5-12)式与最大冲击力工作方式的最优排量公式相同。目前，国内外通常采用最大允许排量作为PDC的最优排量，即：(5-13)5.3PDC钻头喷嘴直径的计算由钻头压降计算公式:o.o8i/?6/e2c2dt(5-14)可得:(5-15)将(5-2)式代入(5-15)式,得:0.0810©c2(/75-^e186)(5-16)式(5・12)、(5-16)屮的循环压耗系数K,可按下式计算:K,=mD+n0.516550.57503(

7、5-17)式中:(5-18)n=0.51655/?厶厶2厶匚)+++>4.8>4.8>4.8>4.8dd2dci)+0.57503切碍-mLc(5-19)5.4PDC钻头水力参数设计PDC钻头水力参数设计步骤如下：(1)确定最大泵压p.yinax和最大允许排量enlux(2)确定钻头下入井深0和起钻井深0(3)计算循环压耗系数加/(4)利用(12)或(13)式计算最优排量Ps1.908(加0+鬼)丿1.86或QoPtQmax(1)利用(15)式计算钻头喷嘴当量直径必(2)按下式计算不同井深的泵压(排量一定吋)或最佳排量(泵压一定吋):Ps+(mD+7?)QL86设计举例：某

8、井拟用8-1/rPDC钻头从1000米钻到2500米。地面管汇内径为76mm,长度为20m；水龙带内径为76mm,长度为10m；方钻杆内径为76mm,长度12m。钻具组合为：5”钻杆(内径108.6mm)+6J/4”钻铤(内径71.4mm)135m。钻井液密度1」5g/cm3,塑性粘度30mPa-so最大允许泵压为16MPao试设计该PDC钻头的喷嘴直径及水力参数。m=Q驚硝0.516550.57503_第十⑷—血+叭)：=1.150.8x0.03°2第一步，计算循环压耗系数加，"0.516550.57