石油鉆井用鉆頭的噴嘴尺寸組合計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油鉆探技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種石油鉆井用鉆頭的噴嘴尺寸 組合計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 實(shí)踐表明，在較大的鉆壓和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，縮小噴嘴直徑、增加射流噴射速度可以顯 著提高機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺。采用噴射式鉆頭鉆進(jìn)與普通鉆頭相比，在軟地層中鉆頭進(jìn)尺 可提高50%~100%，在硬地層中則可提高13%~28%;機(jī)械鉆速在軟地層中可提高15~ 30%，在硬地層中可提高14%~21%。
[0003] 理論上而言，現(xiàn)場工程師需要根據(jù)所鉆井的施工進(jìn)度、鉆井參數(shù)、鉆具組合與鉆井 設(shè)備等情況確定鉆頭的最優(yōu)排量和最優(yōu)噴嘴當(dāng)量直徑，并選擇鉆頭的噴嘴尺寸組合。然而， 在實(shí)際工作中，受現(xiàn)場設(shè)備能力的影響，通常是首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定鉆井液排量，然后根據(jù)鉆 具組合和泥漿性能參數(shù)計(jì)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)壓耗之和低于鉆井栗的額定壓力。為節(jié)省計(jì)算工作量，同時(shí)也為了保證鉆 井栗的額定栗壓能滿足正常鉆進(jìn)需求，鉆井現(xiàn)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肩持壓效應(yīng)的效果大為減弱。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種能夠準(zhǔn)確、快速地得到最佳噴嘴尺寸 組合的方法，
[0005] 因此，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種石油鉆井用鉆頭的噴嘴尺寸組合計(jì)算方法，根據(jù)約束條件求得AS最小情況 下山和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I:
[0007] 1)&1^ 1 ^i^m；
[0008] 2)0 ^d^-d^b1 ^i^m-1 ；
[0009]
[0010]
[0011] 其中，m和n表示總共n個(gè)噴嘴中有m中尺寸，山為第i種尺寸噴嘴的直徑且按照 隨i增大直徑依次增大排序，&為第i種尺寸噴嘴的數(shù)量，a:和a2為限定噴嘴尺寸的經(jīng)驗(yàn) 數(shù)值，匕為限定噴嘴件尺寸差異的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，P,為鉆井液密度，pbd為鉆頭擬設(shè)計(jì)的最大壓 力降，Q為鉆井液排量，各參數(shù)單位為di-rnnKai-mnuajj-rnnKbi-mm、pd-g/cm'bi-mnKPbd-MPa， Q_L/s〇
[0012] 在該技術(shù)方案中，利用excel等工具可以根據(jù)鉆進(jìn)現(xiàn)場備用鉆頭的噴嘴數(shù)量、鉆 井液參數(shù)、泥漿栗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，從而在滿足泥漿栗正常工作的條件下，最大限度發(fā)揮鉆頭的水力輔助破巖效果。
[0013]進(jìn)一步，pbd=pbmax/f，pbmax=pr_APt:s;其中，pr為鉆井栗額定栗壓，Apu為鉆井 循環(huán)系統(tǒng)壓力損耗，f?為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的安全系數(shù)，pJPAp^單位均為MPa。
[0014] 在該技術(shù)方案中，利用pJPApu計(jì)算出鉆頭的最大壓力降Pb_，進(jìn)一步利用一個(gè) 安全系數(shù)f?確定最終的pbd，考慮了實(shí)發(fā)栗壓（泥漿栗工作時(shí)的實(shí)際栗壓）會(huì)在一定程度上 低于額定栗壓匕，從而保證計(jì)算記過更加可靠。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互 組合。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的石油鉆井用鉆頭的噴嘴尺寸組合計(jì)算方法，以某井使用 21. 59cm鉆頭為例，噴嘴數(shù)為5個(gè)，〇 17. 78/7. 14cm鉆鋌80m，其余為〇 12. 7/10. 862cm鉆 桿，該鉆頭預(yù)計(jì)鉆達(dá)井深為4000m，鉆井液平均密度1. 2g/cm3,塑性粘度20mPa?s，二臺 NB8-600栗。具體步驟如下。
[0017] 步驟一，計(jì)算循環(huán)壓耗。通過現(xiàn)場測試的方式，分別測出地面管匯、鉆鋌內(nèi)外和鉆 桿內(nèi)外的循環(huán)壓耗系數(shù)，最終求得循環(huán)壓耗為7. 77MPa。
[0018] 步驟二，根據(jù)工程實(shí)際情況確定最小排量〇_為23. 93L/s。
[0019] 步驟三，根據(jù)機(jī)栗實(shí)際條件選擇缸套直徑。對于NB8-600栗，根據(jù)《鉆井手冊》提 供的資料，可選用130_直徑的缸套，額定栗壓為19. 6MPa，沖數(shù)為65次/min時(shí)的額定排量 Q1^為 15. 34L/s，采用雙栗時(shí)，Q1^為 30. 68L/s。
[0020] 步驟四，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)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栗的額定排量，取實(shí)際鉆井液排量 Q等于泥漿栗的額定排量，即30. 68L/s。
[0021] 步驟五，計(jì)算鉆頭噴嘴當(dāng)量面積和直徑。鉆井過程中，鉆井栗處于額定栗壓工作狀 態(tài)，鉆頭噴嘴當(dāng)量直徑下的截面積為
[0022]
[0023]
[0024] 噴嘴當(dāng)量直徑與鉆頭實(shí)際各噴嘴直徑的關(guān)系為
[0025]
[0026]其中，&為噴嘴當(dāng)量直徑下的截面積（mm2)，dt為鉆頭噴嘴當(dāng)量直徑（mm)，Q為鉆 井液實(shí)際流量（L/s)，Ps為鉆井栗實(shí)發(fā)栗壓（MPa)取額定栗壓值（注：實(shí)發(fā)栗壓是指泥漿栗 工作時(shí)的實(shí)際栗壓，會(huì)在一定程度上低于額定栗壓，因此計(jì)算出來的鉆頭噴嘴當(dāng)量直徑和 面積偏小，因而在進(jìn)行規(guī)劃求解前，需要設(shè)定一個(gè)安全系數(shù)，適當(dāng)增大優(yōu)化后的噴嘴截面積 和噴嘴直徑）。
[0027] 顯然，在已知最優(yōu)噴嘴直徑屯后，滿足上式的n個(gè)噴嘴直徑有多重組合形式，且手 工計(jì)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(dāng)量直徑dt和截面積S:條件下，噴嘴尺寸組合存在多種解，而且難以判斷最優(yōu) 解。
[0028]步驟六，采用規(guī)劃求解工具（例如Excel)，添加求解約束條件，計(jì)算獲得鉆頭噴嘴 的最佳尺寸組合。
[0032]Sd=Jr(n1d12+n2d22+n3d32)/4
[0033]AS=Sd-Sopt
[0034] 求解約束條件包括：
[0035] 用于限制噴嘴尺寸的范圍，噴嘴尺寸范圍可根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)際情 > 況設(shè)定；
[0036]
,用于限制噴嘴尺寸之間的差異大小，可根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)際情 況設(shè)定；；
[0037] ③ni，n2,叫都是大于或等于0的整數(shù)，用于求解不同尺寸噴嘴的個(gè)數(shù)；
[0038] ?ni+n2+n3= 5,用于限制求解得出的噴嘴總數(shù)與鉆頭上實(shí)際噴嘴孔個(gè)數(shù)相同；
[0039] ⑤AS多0,用于保證求解得出的噴嘴組合當(dāng)量直徑略大于鉆頭的最優(yōu)噴嘴當(dāng)量 直徑，從而保證泥漿栗工作時(shí)處于額定栗壓以內(nèi)。
[0040] 可變單元包括屯，d2,d3,r^，n2,n3，目標(biāo)單元為AS。求解AS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。
[0041] 利用Excel中的規(guī)劃求解功能，設(shè)置求解對象，定義變量和約束后，求得(^= 8mm， d2= 8mm，d3= 9mm，n0，n2= 2，n3= 3,即8mm的噴嘴2個(gè)，9mm的噴嘴3個(gè)時(shí)能最好的 利用鉆井液水力沖洗能力。
[0042] 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(gè)，9. 53mm的噴嘴3個(gè)。
[0043] 綜上所述，本發(fā)明的內(nèi)容并不局限在上述的實(shí)施例中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在 本發(fā)明的技術(shù)指導(dǎo)思想之內(nèi)提出其他的實(shí)施例，但這種實(shí)施例都包括在本發(fā)明的范圍之 內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種石油鉆井用鉆頭的噴嘴尺寸組合計(jì)算方法，其特征在于，根據(jù)約束條件求得 A S最小情況下山和n i的最優(yōu)解，1彡i彡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I : 1. a!SdiSa2,i<m; 2) 0 ^ (1；+1-(1^ b I ^ i ^ m-1 ；其中，m和η表示總共η個(gè)噴嘴中有m種尺寸，Cl1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，Ii1為第i種尺寸噴嘴的數(shù)量，a JP a 2為限定噴嘴尺寸的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值， 匕為限定噴嘴件尺寸差異的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，P 鉆井液密度，P bd為鉆頭擬設(shè)計(jì)的最大壓力降， Q 為鉆井液排量，各參數(shù)單位為山-臟、afmm、a2-mm、bi-mm、P d-g/cm3、bi-mm、pbd-MPa，Q-L/ So2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石油鉆井用鉆頭的噴嘴尺寸組合計(jì)算方法，其特征在于： Pbd P bmaxZf ' Pbmax Pr A Pcs， 其中，b為鉆井栗額定栗壓，A P M為鉆井循環(huán)系統(tǒng)壓力損耗，f為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的安全 系數(shù)，PdP Δ p ^單位均為MPa。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種石油鉆井用鉆頭的噴嘴尺寸組合計(jì)算方法，根據(jù)約束條件求得di和ni的最優(yōu)解，0≤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≤a2，0≤i≤m；2)0≤di+1-di≤bi，1≤i≤m；3)<maths num="0001"></maths>4)ΔS＝Sd-Sopt>0，其中，<maths num="0002"></maths>其中，m和n表示總共n個(gè)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增大直徑依次減小排序，ni為第i種尺寸噴嘴的數(shù)量，a1和a2為限定噴嘴尺寸的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，bi為限定噴嘴件尺寸差異的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，ρd為鉆井液密度，pbd為鉆頭擬設(shè)計(jì)的最大壓力降。通過本發(fā)明能夠準(zhǔn)確、快速地得到最佳噴嘴尺寸組合的方法。
【IPC分類】E21B10/61
【公開號】CN105178869
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】譚松成, 藺玉水, 高學(xué)生, 董超, 劉彬, 祝小林, 張洪虎, 馬凱, 陳威, 王佳
【申請人】中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年8月5日