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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确定的状况下，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说明，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。在泵功率确定的条件下，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 钻头趋向于使用较大排量和较低泵压，而牙轮钻头则趋向于使用较高泵压和较低排量。在一样地层用一样尺寸钻头钻进，PDC 钻头所用排量一般比牙轮钻头高 510 L/s，而泵压一般低 23MPa。图 5-1、图 5-2 是
2、由现场资料统计分析得出的牙轮钻头与 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，排量超过确定值25 L/s后，机械钻速几乎不再增加。1025h/m820h/速/6钻 械 4 机m 15速钻 械 10 机2图 5-1 排量对牙轮钻头钻速的影响图55-1 排量对PDC 钻头钻速的影响泵0 压和排量对牙轮钻头和 PDC 钻头的影响0不同，是由于两种钻头的破岩机理和结0构不5同。1015202530354025 2627 2829 30 3132 33排量/L/s排量/L/s牙轮钻头主要以冲击压碎的方式裂开岩石，在井底形成裂纹发育的裂开
3、坑穴图 5-3，故需要的较大的水功率来去除裂开坑内的岩屑。而且，射流水功率越大，关心裂开岩石的效果越好。然而，牙轮钻头的喷嘴距井底较远，射流能量衰减严峻，故需要较高的泵压钻头压降来补偿射流能量损失。图 5-3 牙轮钻头破岩作用图 5-3 PDC 钻头破岩作用PDC 钻头的喷嘴距井底只有 3040mm，一般小于射流等速核长度等速核长度约为喷嘴当量直径的 4.85 倍，射流能量可以得到有效利用。PDC 钻头是以切削作用裂开岩石，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。5.2
4、PDC 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，以获得最大的射流关心破岩效果；（2） 提高井底漫流水功率，以获得最正确的井底净化效果。射流水功率可表示为：N= C 2 DpjbQ5-1依据钻井水功率传递关系，有：Dpb将2式代入1式得：= p - KslQ1.865-25-3N= C 2Q( pjs- K Q1.86 )l争论说明，井底漫流速度与排量及钻头压降有如下关系：5-4v= fQDpbmmD pb井底漫流水功率可按下式计算：5-5N= fmmr Q 2将5-2式代入5-5式得：p- K Q 1 .86sl5-6N=fmmr Q 2
5、利用拉格朗日乘数法构造函数：h(Q, ps5-7) = N(Q, pjs) + l f (Q, p )s其 中 ：5-8解方程组：f (Q, p ) =sh / Q = 0N(Q, p )msQ= 2Dpb- 0.93KlQ1.86h / p= 0s5-9可 得 ：5-10f (Q, p ) = 0sDp= 0.908KblQ1.86将5-10式代入5-2式得：5-11p= 1.908KslpQ1.86 1=由5-11式可得：Q1.86s5-12opt1.908Kl利用5-12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正确排量。可以看出，5-12式与最大冲击力工作方式的最优排
6、量公式一样。目前，国内外通常承受最大允许排量作为 PDC 的最优排量，即：5-135.3 PDC 钻头喷嘴直径的计算由钻头压降计算公式：Qopt= Qmax0.081rQ 25-14Dp=d bC 2 d 4e0.081rQ 24C Dpd2b可 得 ：d=e5-15将5-2式代入5-15式，得：0.081rQ 24C ( p- K Qd21.86)sld=e5-16式5-12、5-16中的循环压耗系数 Kl可按下式计算：5-17K = mD + nl 0.516550.57503式 中 ：m = r 0.8 m 0.2 +5-18dpd 4.8pi(d- dhp)3 (dh+ d )1.8
7、pLLLn = 0.51655r 0.8 m 0.2 1+2+3L+ cdpv d 4.8d 4.8d 4.8d 4.8 123ci+ 0.57503r 0.8 m 0.2 (d- dLc+ d ) - mLd5-195.4 PDC 钻头水力参数设计pvh)3 (dchc1.8 cPDC 钻头水力参数设计步骤如下：（1） 确定最大泵压 p和最大允许排量Qs maxmax（2） 确定钻头下入井深 Di和起钻井深 Dt（3） 计算循环压耗系数m, n（4） 利用12或13式计算最优排量Qoptp 1tQ= s1.86 或Q= Qopt1.908(mD+ n) optmax（5） 利用15式计算钻头
8、喷嘴当量直径de（6） 按下式计算不同井深的泵压排量确定时或最正确排量泵压确定时：0.081rQ 2p=d+ (mD + n)Q1.86 sC 2 d 4e设计举例：某井拟用 8-1/2” PDC 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+6-1/4”钻铤内径 71.4mm135m。钻井液密度 1.15g/cm3，塑性粘度30mPas。最大允许泵压为16MPa。试设计该PDC 钻头的喷嘴直径及水力参数。第一步，计算循环压耗系数m ，
9、n0.51655m = r 0.8 m 0.2 +0.57503dpd 4.8(d- d)3 (d+ d)1.8 pihphp0.516550.57503= 1.150.8 0.030.2 +10.864.8(21.6 -12.7)3 (21.6 + 12.7)1.8 = 3.84 10-6Ln = 0.51655r 0.8 m 0.2 1+2+3L+ cLLdpv d 4.8d 4.8d 4.8d 4.8 1+ 0.57503r 0.8 m 0.2 23ciLc - mLdpv(dh- d )3 (dch+ d )1.8c c201012135= 0.51655 1.150.8 0.030.
10、2 + 7.64.87.64.87.64.87.144.8 + 0.57503 1.150.8 0.030.2 135 - 3.84 10-6 135= 3.982 10-3其次步，求最优排量Qopt(21.6 - 15.875)3 (21.6 + 15.87)1.8 = sp 1Qopt1.86 t 1.908(mD + n 15= = 30.6(l / s) 1.908(3.84 10-6 2500 + 3.982 10-3 ) 第三步，计算钻头喷嘴当量直径de0.081rQ 24C ( p- K Qd21.86 )sld=e40.0811.15 30.620.972 15 - (3.84 10-6 2500 + 3.982 10-3 ) 30.61.86 = 1.9(cm)第四步，水力计算2500 米，排量 30.6l/s，泵压 15MPa，钻头压降 7.11MPa2023 米，排量 31.9l/s，泵压 15MPa；钻头压降 7.73MPa1000 米，排量 33.3l/s，泵压 15MPa，钻头压降 8.42MPa500 米，排量 34.9l/s，泵压 15MPa，钻头压降 9.52MPa
