石油钻井用钻头的喷嘴尺寸组合计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油钻探技术领域，具体而言，涉及一种石油钻井用钻头的喷嘴尺寸 组合计算方法。
【背景技术】
[0002] 实践表明，在较大的钻压和转速范围内，缩小喷嘴直径、增加射流喷射速度可以显 著提高机械钻速和钻头进尺。采用喷射式钻头钻进与普通钻头相比，在软地层中钻头进尺 可提高50%~100%，在硬地层中则可提高13%~28%;机械钻速在软地层中可提高15~ 30%，在硬地层中可提高14%~21%。
[0003] 理论上而言，现场工程师需要根据所钻井的施工进度、钻井参数、钻具组合与钻井 设备等情况确定钻头的最优排量和最优喷嘴当量直径，并选择钻头的喷嘴尺寸组合。然而， 在实际工作中，受现场设备能力的影响，通常是首先根据经验确定钻井液排量，然后根据钻 具组合和泥浆性能参数计算循环压耗，最后通过不断改变喷嘴尺寸组合，保证钻头喷嘴压 降与钻井液循环压耗之和低于钻井栗的额定压力。为节省计算工作量，同时也为了保证钻 井栗的额定栗压能满足正常钻进需求，钻井现场所采用的喷嘴尺寸组合往往选的比较大， 使钻头水力辅助破岩能力和减轻岩肩持压效应的效果大为减弱。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种能够准确、快速地得到最佳喷嘴尺寸 组合的方法，
[0005] 因此，本发明的技术方案如下：
[0006] -种石油钻井用钻头的喷嘴尺寸组合计算方法，根据约束条件求得AS最小情况 下山和ni的最优解，1<i<m，然后与所述最优解最接近的喷嘴尺寸，所述的约束条件包 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表示总共n个喷嘴中有m中尺寸，山为第i种尺寸喷嘴的直径且按照 随i增大直径依次增大排序，&为第i种尺寸喷嘴的数量，a:和a2为限定喷嘴尺寸的经验 数值，匕为限定喷嘴件尺寸差异的经验数值，P,为钻井液密度，pbd为钻头拟设计的最大压 力降，Q为钻井液排量，各参数单位为di-rnnKai-mnuajj-rnnKbi-mm、pd-g/cm'bi-mnKPbd-MPa， Q_L/s〇
[0012] 在该技术方案中，利用excel等工具可以根据钻进现场备用钻头的喷嘴数量、钻 井液参数、泥浆栗额定压力和井下钻具组合以及喷嘴尺寸约束条件，快速算出最佳喷嘴尺 寸组合，从而在满足泥浆栗正常工作的条件下，最大限度发挥钻头的水力辅助破岩效果。
[0013]进一步，pbd=pbmax/f，pbmax=pr_APt:s;其中，pr为钻井栗额定栗压，Apu为钻井 循环系统压力损耗，f?为根据经验设定的安全系数，pJPAp^单位均为MPa。
[0014] 在该技术方案中，利用pJPApu计算出钻头的最大压力降Pb_，进一步利用一个 安全系数f?确定最终的pbd，考虑了实发栗压（泥浆栗工作时的实际栗压）会在一定程度上 低于额定栗压匕，从而保证计算记过更加可靠。
【具体实施方式】
[0015] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互 组合。
[0016] 根据本发明的实施例的石油钻井用钻头的喷嘴尺寸组合计算方法，以某井使用 21. 59cm钻头为例，喷嘴数为5个，〇 17. 78/7. 14cm钻铤80m，其余为〇 12. 7/10. 862cm钻 杆，该钻头预计钻达井深为4000m，钻井液平均密度1. 2g/cm3,塑性粘度20mPa?s，二台 NB8-600栗。具体步骤如下。
[0017] 步骤一，计算循环压耗。通过现场测试的方式，分别测出地面管汇、钻铤内外和钻 杆内外的循环压耗系数，最终求得循环压耗为7. 77MPa。
[0018] 步骤二，根据工程实际情况确定最小排量〇_为23. 93L/s。
[0019] 步骤三，根据机栗实际条件选择缸套直径。对于NB8-600栗，根据《钻井手册》提 供的资料，可选用130_直径的缸套，额定栗压为19. 6MPa，冲数为65次/min时的额定排量 Q1^为 15. 34L/s，采用双栗时，Q1^为 30. 68L/s。
[0020] 步骤四，根据现场实际情况确定钻井液排量。采用最大射流冲击力原则确定的最 优排量为为30. 76L/S，因所得最优钻井液排量大于泥浆栗的额定排量，取实际钻井液排量 Q等于泥浆栗的额定排量，即30. 68L/s。
[0021] 步骤五，计算钻头喷嘴当量面积和直径。钻井过程中，钻井栗处于额定栗压工作状 态，钻头喷嘴当量直径下的截面积为
[0022]
[0023]
[0024] 喷嘴当量直径与钻头实际各喷嘴直径的关系为
[0025]
[0026]其中，&为喷嘴当量直径下的截面积（mm2)，dt为钻头喷嘴当量直径（mm)，Q为钻 井液实际流量（L/s)，Ps为钻井栗实发栗压（MPa)取额定栗压值（注：实发栗压是指泥浆栗 工作时的实际栗压，会在一定程度上低于额定栗压，因此计算出来的钻头喷嘴当量直径和 面积偏小，因而在进行规划求解前，需要设定一个安全系数，适当增大优化后的喷嘴截面积 和喷嘴直径）。
[0027] 显然，在已知最优喷嘴直径屯后，满足上式的n个喷嘴直径有多重组合形式，且手 工计算工作量大并难以确定具体哪种喷嘴尺寸组合能最好的钻头水力辅助破岩作用，说明 在某一喷嘴当量直径dt和截面积S:条件下，喷嘴尺寸组合存在多种解，而且难以判断最优 解。
[0028]步骤六，采用规划求解工具（例如Excel)，添加求解约束条件，计算获得钻头喷嘴 的最佳尺寸组合。
[0032]Sd=Jr(n1d12+n2d22+n3d32)/4
[0033]AS=Sd-Sopt
[0034] 求解约束条件包括：
[0035] 用于限制喷嘴尺寸的范围，喷嘴尺寸范围可根据工程应用实际情 > 况设定；
[0036]
,用于限制喷嘴尺寸之间的差异大小，可根据工程应用实际情 况设定；；
[0037] ③ni，n2,叫都是大于或等于0的整数，用于求解不同尺寸喷嘴的个数；
[0038] ?ni+n2+n3= 5,用于限制求解得出的喷嘴总数与钻头上实际喷嘴孔个数相同；
[0039] ⑤AS多0,用于保证求解得出的喷嘴组合当量直径略大于钻头的最优喷嘴当量 直径，从而保证泥浆栗工作时处于额定栗压以内。
[0040] 可变单元包括屯，d2,d3,r^，n2,n3，目标单元为AS。求解AS最小条件下可变单 元的值，得出符合条件的喷嘴尺寸组合为即为钻头喷嘴的尺寸组合。
[0041] 利用Excel中的规划求解功能，设置求解对象，定义变量和约束后，求得(^= 8mm， d2= 8mm，d3= 9mm，n0，n2= 2，n3= 3,即8mm的喷嘴2个，9mm的喷嘴3个时能最好的 利用钻井液水力冲洗能力。
[0042] 最后按照手册规定的喷嘴规格尺寸，选择与8mm和9mm最接近的喷嘴尺寸，即 8. 73mm的喷嘴2个，9. 53mm的喷嘴3个。
[0043] 综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在 本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之 内。
【主权项】
1. 一种石油钻井用钻头的喷嘴尺寸组合计算方法，其特征在于，根据约束条件求得 A S最小情况下山和n i的最优解，1彡i彡m，然后与所述最优解最接近的喷嘴尺寸，所述 的约束条件包括I : 1. a!SdiSa2,i<m; 2) 0 ^ (1；+1-(1^ b I ^ i ^ m-1 ；其中，m和η表示总共η个喷嘴中有m种尺寸，Cl1为第i种尺寸喷嘴的直径且按照随i 增大直径依次增大排序，Ii1为第i种尺寸喷嘴的数量，a JP a 2为限定喷嘴尺寸的经验数值， 匕为限定喷嘴件尺寸差异的经验数值，P 钻井液密度，P bd为钻头拟设计的最大压力降， Q 为钻井液排量，各参数单位为山-臟、afmm、a2-mm、bi-mm、P d-g/cm3、bi-mm、pbd-MPa，Q-L/ So2. 根据权利要求1所述的石油钻井用钻头的喷嘴尺寸组合计算方法，其特征在于： Pbd P bmaxZf ' Pbmax Pr A Pcs， 其中，b为钻井栗额定栗压，A P M为钻井循环系统压力损耗，f为根据经验设定的安全 系数，PdP Δ p ^单位均为MPa。
【专利摘要】本发明公开了一种石油钻井用钻头的喷嘴尺寸组合计算方法，根据约束条件求得di和ni的最优解，0≤i≤m，然后与所述最优解最接近的喷嘴尺寸，所述的约束条件包括|：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表示总共n个喷嘴中有m中尺寸，di为第i种尺寸喷嘴的直径且按照随i增大直径依次减小排序，ni为第i种尺寸喷嘴的数量，a1和a2为限定喷嘴尺寸的经验数值，bi为限定喷嘴件尺寸差异的经验数值，ρd为钻井液密度，pbd为钻头拟设计的最大压力降。通过本发明能够准确、快速地得到最佳喷嘴尺寸组合的方法。
【IPC分类】E21B10/61
【公开号】CN105178869
【申请号】
【发明人】谭松成, 蔺玉水, 高学生, 董超, 刘彬, 祝小林, 张洪虎, 马凯, 陈威, 王佳
【申请人】中国石油集团渤海钻探工程有限公司
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年8月5日