第5章-PDC鉆頭水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法

第5章PDC鉆頭水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法在機泵條件一定的情況下，水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的主要任務(wù)是確定鉆頭的噴嘴直徑和鉆井泵的壓力和排量。5.1泵壓和排量對PDC鉆頭機械鉆速的影響現(xiàn)場實踐表明，泵壓和排量對PDC鉆頭和牙輪鉆頭機械鉆速的影響規(guī)律不同。在泵功率一定的條件下，對PDC鉆頭來說，排量對鉆速的影響更為重要；而對牙輪鉆頭來說，泵壓對鉆速的影響更為重要。因此，PDC鉆頭趨向于使用較大排量和較低泵壓，而牙輪鉆頭則趨向于使用較高泵壓和較低排量。在相同地層用相同尺寸鉆頭鉆進(jìn)，PDC鉆頭所用排量一般比牙輪鉆頭高5~10L/s，而泵壓一般低2~3MPa。圖5-1、圖5-2是由現(xiàn)場資料統(tǒng)計分析得出的牙輪鉆頭與PDC鉆頭的機械鉆速與排量的關(guān)系。可以看出，PDC鉆頭的機械鉆速隨著排量的增大幾乎線性增長。而對牙輪鉆頭，排量超過一定值（25L/s）后，機械鉆速幾乎不再增加。圖5-1排量對牙輪鉆頭鉆速的影響圖5-1排量對PDC鉆頭鉆速的影響泵壓和排量對牙輪鉆頭和PDC鉆頭的影響不同，是因為兩種鉆頭的破巖機理和結(jié)構(gòu)不同。牙輪鉆頭主要以沖擊壓碎的方式破碎巖石，在井底形成裂紋發(fā)育的破碎坑穴（圖5-3），故需要的較大的水功率來清除破碎坑內(nèi)的巖屑。而且，射流水功率越大，輔助破碎巖石的效果越好。然而，牙輪鉆頭的噴嘴距井底較遠(yuǎn)，射流能量衰減嚴(yán)重，故需要較高的泵壓（鉆頭壓降）來補償射流能量損失。圖5-3牙輪鉆頭破巖作用圖5-3PDC鉆頭破巖作用PDC鉆頭的噴嘴距井底只有30~40mm，一般小于射流等速核長度（等速核長度約為噴嘴當(dāng)量直徑的4.8~5倍），射流能量可以得到有效利用。PDC鉆頭是以切削作用破碎巖石，巖屑直接被剝離井底，破巖效率高。因此，使巖屑離開井底原位置并不困難，關(guān)鍵問題是有效地將巖屑清離井底。這就需要較高的排量，以形成足夠大的漫流速度來保證井底凈化充分。5.2PDC鉆頭的最優(yōu)排量要提高PDC鉆頭的水力作用效果，應(yīng)從以下兩方面考慮：（1）提高射流水力功率，以獲得最大的射流輔助破巖效果；（2）提高井底漫流水功率，以獲得最佳的井底凈化效果。射流水功率可表示為：（5-1）根據(jù)鉆井水功率傳遞關(guān)系，有：（5-2）將（2）式代入（1）式得：（5-3）研究表明，井底漫流速度與排量及鉆頭壓降有如下關(guān)系：（5-4）井底漫流水功率可按下式計算：（5-5）將（5-2）式代入（5-5）式得：（5-6）利用拉格朗日乘數(shù)法構(gòu)造函數(shù)：（5-7）其中：（5-8）解方程組：（5-9）可得：（5-10）將（5-10）式代入（5-2）式得：（5-11）由（5-11）式可得：（5-12）利用（5-12）式求得的排量，即為同時獲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）式與最大沖擊力工作方式的最優(yōu)排量公式相同。目前，國內(nèi)外通常采用最大允許排量作為PDC的最優(yōu)排量，即：（5-13）5.3PDC鉆頭噴嘴直徑的計算由鉆頭壓降計算公式：（5-14）可得：（5-15）將（5-2）式代入（5-15）式，得：（5-16）式（5-12）、（5-16）中的循環(huán)壓耗系數(shù)可按下式計算：（5-17）式中：（5-18）（5-19）5.4PDC鉆頭水力參數(shù)設(shè)計PDC鉆頭水力參數(shù)設(shè)計步驟如下：（1）確定最大泵壓和最大允許排量（2）確定鉆頭下入井深和起鉆井深（3）計算循環(huán)壓耗系數(shù)（4）利用（12）或（13）式計算最優(yōu)排量或（5）利用（15）式計算鉆頭噴嘴當(dāng)量直徑（6）按下式計算不同井深的泵壓（排量一定時）或最佳排量（泵壓一定時）：設(shè)計舉例：某井?dāng)M用8-1/2”PDC鉆頭從1000米鉆到2500米。地面管匯內(nèi)徑為76mm，長度為20m；水龍帶內(nèi)徑為76mm，長度為10m；方鉆桿內(nèi)徑為76mm，長度12m。鉆具組合為：5”鉆桿（內(nèi)徑108.6mm）+6-1/4”鉆鋌（內(nèi)徑71.4mm）135m。鉆井液密度1.15g/cm3，塑性粘度30mPa第一步，計算循環(huán)壓耗系數(shù)，第二步，求最優(yōu)排量第三步，計算鉆頭噴嘴當(dāng)量直徑第四步，水力計算2500米，排量30.6l/s，泵壓15MPa，鉆頭壓降7