本發(fā)明涉及石油鉆探技術領域，具體而言，涉及一種石油鉆井用鉆頭的噴嘴尺寸組合計算方法。

背景技術：
實踐表明，在較大的鉆壓和轉速范圍內，縮小噴嘴直徑、增加射流噴射速度可以顯著提高機械鉆速和鉆頭進尺。采用噴射式鉆頭鉆進與普通鉆頭相比，在軟地層中鉆頭進尺可提高50％～100％，在硬地層中則可提高13％～28％；機械鉆速在軟地層中可提高15～30％，在硬地層中可提高14％～21％。理論上而言，現場工程師需要根據所鉆井的施工進度、鉆井參數、鉆具組合與鉆井設備等情況確定鉆頭的最優(yōu)排量和最優(yōu)噴嘴當量直徑，并選擇鉆頭的噴嘴尺寸組合。然而，在實際工作中，受現場設備能力的影響，通常是首先根據經驗確定鉆井液排量，然后根據鉆具組合和泥漿性能參數計算循環(huán)壓耗，最后通過不斷改變噴嘴尺寸組合，保證鉆頭噴嘴壓降與鉆井液循環(huán)壓耗之和低于鉆井泵的額定壓力。為節(jié)省計算工作量，同時也為了保證鉆井泵的額定泵壓能滿足正常鉆進需求，鉆井現場所采用的噴嘴尺寸組合往往選的比較大，使鉆頭水力輔助破巖能力和減輕巖屑持壓效應的效果大為減弱。

技術實現要素：
本發(fā)明所要解決的技術問題在于，提供一種能夠準確、快速地得到最佳噴嘴尺寸組合的方法，因此，本發(fā)明的技術方案如下：一種石油鉆井用鉆頭的噴嘴尺寸組合計算方法，根據約束條件求得ΔS最小情況下di和ni的最優(yōu)解，1≤i≤m，然后與所述最優(yōu)解最接近的噴嘴尺寸，所述的約束條件包括|：1)a1≤di≤a2，1≤i≤m；2)0≤di+1-di≤bi，1≤i≤m-1；3)4)ΔS＝Sd-Sopt>0，其中，其中，m和n表示總共n個噴嘴中有m中尺寸，di為第i種尺寸噴嘴的直徑且按照隨i增大直徑依次增大排序，ni為第i種尺寸噴嘴的數量，a1和a2為限定噴嘴尺寸的經驗數值，bi為限定噴嘴件尺寸差異的經驗數值，ρd為鉆井液密度，pbd為鉆頭擬設計的最大壓力降，Q為鉆井液排量，各參數單位為di-mm、a1-mm、a2-mm、bi-mm、ρd-g/cm3、bi-mm、pbd-MPa，Q-L/s。在該技術方案中，利用excel等工具可以根據鉆進現場備用鉆頭的噴嘴數量、鉆井液參數、泥漿泵額定壓力和井下鉆具組合以及噴嘴尺寸約束條件，快速算出最佳噴嘴尺寸組合，從而在滿足泥漿泵正常工作的條件下，最大限度發(fā)揮鉆頭的水力輔助破巖效果。進一步，pbd＝pbmax/f，pbmax＝pr-Δpcs；其中，pr為鉆井泵額定泵壓，Δpcs為鉆井循環(huán)系統(tǒng)壓力損耗，f為根據經驗設定的安全系數，pr和Δpcs單位均為MPa。在該技術方案中，利用pr和Δpcs計算出鉆頭的最大壓力降pbmax，進一步利用一個安全系數f確定最終的pbd，考慮了實發(fā)泵壓(泥漿泵工作時的實際泵壓)會在一定程度上低于額定泵壓pr，從而保證計算記過更加可靠。具體實施方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。根據本發(fā)明的實施例的石油鉆井用鉆頭的噴嘴尺寸組合計算方法，以某井使用21.59cm鉆頭為例，噴嘴數為5個，Φ17.78/7.14cm鉆鋌80m，其余為Φ12.7/10.862cm鉆桿，該鉆頭預計鉆達井深為4000m，鉆井液平均密度1.2g/cm3，塑性粘度20mPa·s，二臺NB8-600泵。具體步驟如下。步驟一，計算循環(huán)壓耗。通過現場測試的方式，分別測出地面管匯、鉆鋌內外和鉆桿內外的循環(huán)壓耗系數，最終求得循環(huán)壓耗為7.77MPa。步驟二，根據工程實際情況確定最小排量Qmin為23.93L/s。步驟三，根據機泵實際條件選擇缸套直徑。對于NB8-600泵，根據《鉆井手冊》提供的資料，可選用130mm直徑的缸套，額定泵壓為19.6MPa，沖數為65次/min時的額定排量Qr為15.34L/s，采用雙泵時，Qr為30.68L/s。步驟四，根據現場實際情況確定鉆井液排量。采用最大射流沖擊力原則確定的最優(yōu)排量為為30.76L/s，因所得最優(yōu)鉆井液排量大于泥漿泵的額定排量，取實際鉆井液排量Q等于泥漿泵的額定排量，即30.68L/s。步驟五，計算鉆頭噴嘴當量面積和直徑。鉆井過程中，鉆井泵處于額定泵壓工作狀態(tài)，鉆頭噴嘴當量直徑下的截面積SJ為噴嘴當量直徑與鉆頭實際各噴嘴直徑的關系為其中，SJ為噴嘴當量直徑下的截面積(mm2)，dt為鉆頭噴嘴當量直徑(mm)，Q為鉆井液實際流量(L/s)，Ps為鉆井泵實發(fā)泵壓(MPa)取額定泵壓值(注：實發(fā)泵壓是指泥漿泵工作時的實際泵壓，會在一定程度上低于額定泵壓，因此計算出來的鉆頭噴嘴當量直徑和面積偏小，因而在進行規(guī)劃求解前，需要設定一個安全系數，適當增大優(yōu)化后的噴嘴截面積和噴嘴直徑)。顯然，在已知最優(yōu)噴嘴直徑dt后，滿足上式的n個噴嘴直徑有多重組合形式，且手工計算工作量大并難以確定具體哪種噴嘴尺寸組合能最好的鉆頭水力輔助破巖作用，說明在某一噴嘴當量直徑dt和截面積SJ條件下，噴嘴尺寸組合存在多種解，而且難以判斷最優(yōu)解。步驟六，采用規(guī)劃求解工具(例如Excel)，添加求解約束條件，計算獲得鉆頭噴嘴的最佳尺寸組合。pbmax＝Ps-Δpcs＝pr-Δpcs＝19.6-7.77＝11.83MPapbd＝pbmax/f＝11.83/1.5＝7.89MPaSd＝π(n1d12+n2d22+n3d32)/4ΔS＝Sd-Sopt求解約束條件包括：①用于限制噴嘴尺寸的范圍，噴嘴尺寸范圍可根據工程應用實際情況設定；②用于限制噴嘴尺寸之間的差異大小，可根據工程應用實際情況設定；；③n1，n2，n3都是大于或等于0的整數，用于求解不同尺寸噴嘴的個數；④n1+n2+n3＝5，用于限制求解得出的噴嘴總數與鉆頭上實際噴嘴孔個數相同；⑤ΔS≥0，用于保證求解得出的噴嘴組合當量直徑略大于鉆頭的最優(yōu)噴嘴當量直徑，從而保證泥漿泵工作時處于額定泵壓以內?？勺儐卧╠1，d2，d3，n1，n2，n3，目標單元為ΔS。求解ΔS最小條件下可變單元的值，得出符合條件的噴嘴尺寸組合為即為鉆頭噴嘴的尺寸組合。利用Excel中的規(guī)劃求解功能，設置求解對象，定義變量和約束后，求得d1＝8mm，d2＝8mm，d3＝9mm，n1＝0，n2＝2，n3＝3，即8mm的噴嘴2個，9mm的噴嘴3個時能最好的利用鉆井液水力沖洗能力。最后按照手冊規(guī)定的噴嘴規(guī)格尺寸，選擇與8mm和9mm最接近的噴嘴尺寸，即8.73mm的噴嘴2個，9.53mm的噴嘴3個。綜上所述，本發(fā)明的內容并不局限在上述的實施例中，本領域的技術人員可以在本發(fā)明的技術指導思想之內提出其他的實施例，但這種實施例都包括在本發(fā)明的范圍之內。