第 4章 钻进参数优选第一节 钻进过程中各参数间的基本关系第二节 钻进机械参数优选第三节 水力参数优化设计概 述
◆ 钻井工程目标：钻速快，成本低。
◆ 钻进成本公式：
pc
rbrrbpm V tttCH ttCCC )/1(/)(
◆ 影响钻速 Vpc和钻头寿命 t的因素：
（ 1）地层性质（客观因素）
（ 2）钻头性能
（ 3）钻井液性能
（ 4）钻进参数
◆ 钻进参数：
（ 1）机械参数：钻压、转速等
（ 2）水力参数：泵压、排量、喷嘴直径、钻头水功率等
◆ 钻进参数优选：
选择合理的钻进参数配合，达到钻速最快，成本最低的目标第一节 钻进过程中各参数间的基本关系一、影响钻速的主要因素及钻速方程二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程一、影响钻速的主要因素及钻速方程影响钻速的主要参数：
1,钻压
2,转速
3,牙齿磨损量
4,井底水功率
5,井底压差
1.钻压对钻速的影响钻速与钻压的关系曲线
M— AB线在钻压轴上的截距，称为门限钻压，可认为是牙齿开始压入地层时的钻压，其大小取决所钻地层的抗压入强度。
M
)( MWV p c （ 4-1）
在某一钻压范围内，钻速与钻压成线形关系。
一、影响钻速的主要因素及钻速方程
2.转速对钻速的影响
nv
pc?
（ 4-2）
钻速随转速的增大而增大，
并呈幂函数关系变化 。
λ— 称为转速指数,其大小主要与岩层性质及井底净化程度有关。
一般小于 1，极软地 λ≈1，岩石硬度增大,λ值减小 。
一、影响钻速的主要因素及钻速方程钻速与转速的关系曲线
3.牙齿磨损对钻速的影响
hCv pc 21
1
（ 4-3）
随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。
C2 — 称为牙齿磨损系数,
与钻头齿形结构和岩层性质有关,
由现场数据统计得到。
h — 为牙齿磨损量,
以牙齿的相对磨损高度表示,
新钻头时 h =0；牙齿全部磨损时 h =1。
一、影响钻速的主要因素及钻速方程钻速与牙齿磨损量的关系曲线
4.井底比水功率对钻速的影响
（ 1）水力净化井底作用
◆ 井底比水功率越大,净化程度越好。
sp c s
pc
H P
P
v
vC （ 4-4）
310210729,,p c ss vP
（ 4-5）
◆ 水力净化系数 CH—— 表征井底水力净化完善程度，定义为实际钻速与净化完善时钻速之比。
井底净化完善,CH=1；否则,CH＜ 1。
（ 2）水力辅助破岩作用水力辅助破岩效果主要体现在岩石强度降低，门限钻压 M值减小。
井底比水功率越大，钻速越快。
一、影响钻速的主要因素及钻速方程井底净化完善时的比水功率随钻速的变化关系曲线
5.井底压差对钻速的影响井 底正压差越大，钻速越慢。
● 压持效应,
在井底正压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成重复破碎，使钻速降低的现象。
v v epc p c o p （ 4-6）
● 井底压差与钻速的关系：
p
pc
pc
p ev
vC
0
（ 4-7）
● 压差影响系数 Cp：
pm ppp
一、影响钻速的主要因素及钻速方程钻速与井底压差的关系曲线
（ 1）粘度对钻速的影响
6.钻井液性能对钻速的影响钻井液粘度增大，钻速降低。
（ 2） 固相含量对钻速的影响钻井液固相含量增大,机械钻速降低 。
（ 3）分散性对钻速的影响分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低；且钻井液中小于 1μm的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。
一、影响钻速的主要因素及钻速方程钻速方程（修正杨格模式）
vpc — 钻速,m/h；
W — 钻压,kN；
M — 门限钻压,kN；
n — 转速,r/min
λ — 转速指数；
C2 — 牙齿磨损系数；
CH — 水力净化系数；
Cp — 压差影响系数；
h — 牙齿磨损相对高度；
KR — 地层可钻系数,与地层岩石的机械性质,
钻头类型以及钻井液性能等因素有关 。
HpRpc CChCnMWKv
21
1)(
（ 4-8）
一、影响钻速的主要因素及钻速方程第一节 钻进过程中各参数间的基本关系一、影响钻速的主要因素及钻速方程二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程影响钻头寿命的主要参数：
1,钻压
2,转速
3,牙齿磨损量钻头的理论极限钻压：
1,钻压对牙齿磨损速度的影响牙齿磨损速度随钻压的增大而增大。当钻压增大到某一极限值时，牙齿磨损速度趋于无穷大。
WZZdt
dh
12
1
（ 4-9）
式中,Z1与 Z2称为钻压影响系数,
与牙轮钻头尺寸有关，见表 4-1。
1
2m a x
z
zW?
二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程钻压对牙齿磨损速度的影响
2,转速对牙齿磨损速度的影响牙齿磨损速度随转速增大而加快。
)( 321 nanadtdh （ 4-10）
式中,a1和 a2是由钻头类型决定的系数，
见表 4-2。
二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程转速对牙齿磨损速度的影响
3.牙齿磨损量对牙齿磨损速度的影响牙齿磨损速度随牙齿磨损量的增大而减小。
hCdt
dh
11
1
（ 4-11）
式中,C1称为牙齿磨损减慢系数,
与钻头类型有关,其数值见表 4-2。
二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程牙齿磨损量对牙齿磨损速度的影响
4.牙齿磨损速度方程式中,Af通称为地层研磨性系数，根据现场钻头资料统计计算确定。
)1)((
)(
112
3
21
hCWZZ
nanaA
dt
dh f
（ 4-12）
5.轴承磨损速度方程轴承磨损量用 B表示。轴承磨损速度用 dB/dt表示。
式中,b称为轴承工作系数，与钻头类型与钻井液性能有关，现场资料确定。
nWbdtdB 5.11? （ 4-13）
二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程第二节 钻进机械参数优选目标,寻求最优的钻压、转速组合，使钻进成本最低。
目标函数：
优选方法：
在各种约束条件下寻求目标函数的极值点，满足极值点条件的参数组合即为最优参数。
))((
)(
hCWZZ
nanaA
dt
dh f
112
3
21
1
HpRpc CChCnMWKdtdHv 21 1)(
H
ttCCC trb )(
），，，,PHf CChnWFC (?
第三节 水力参数优化设计概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计
喷射钻井的概念在钻头上安装可以产生高速射流的喷嘴，高压钻井液流过喷嘴时可产生高速流动的水射流，给井底以很大的冲击力，把岩屑及时冲离井底，并辅助破碎岩石。该技术称为喷射钻井技术。
水力参数指表征钻头水力特性、射流水力特性以及地面水力设备性质的量。 主要包括钻井泵的功率、排量、泵压、以及钻头水功率、钻头水力压降、钻头喷嘴直径、射流冲击力、射流喷速和环空钻井液上返速度等。
水力参数优化设计寻求合理的水力参数配合，使井底获得最大的水力能量分配，从而达到最优的井底净化效果和提高机械钻速之目的。
概 述第三节 水力参数优化设计概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计
（一）射流及其对井底的作用
1.射流及分类射流 —— 指通过管嘴或孔口的过水断面周界不与固体壁接触的液流。
射流分类：
一、喷射式钻头的水力特性
自钻头喷嘴射出的射流为 淹没非自由连续射流。
非淹没射流 —— ρ 射 ＞ ρ 介,
淹没射流 —— ρ 射 ≤ ρ 介,
自由射流 —— 无固体边界限制非自由射流 —— 有固体边界连续射流 —— 射流内某一点压力 (流速）保持平稳脉冲射流 —— 射流流束内压力（流速）不稳定，发生一定频率的脉动空化射流 —— 气体进入液体产生空穴，空穴破裂产生很高的压力
2.井底射流 (淹没非自由连续射流 ） 的特性一、喷射式钻头的水力特性
（一）射流及其对井底的作用
① 扩散角 和 等速核
② 流速分布规律,在射流横截面上，中心处速度最大，向外逐渐减小； 在射流轴线上，超过等核以后的速度迅速降低；
③ 冲击压力 和 漫流,射流撞击井底后，形成冲击压力和一层沿井底高速流动的漫流。
3.射流对井底的清洗作用
（ 1）射流的冲击压力作用射流撞击井底后形成的 冲击压力极不均匀 。极不均匀的冲击压力使岩屑受到一个翻转力矩，从而离开井底。
射流冲击面积 岩屑翻转一、喷射式钻头的水力特性
（一）射流及其对井底的作用一、喷射式钻头的水力特性
（一）射流及其对井底的作用
3,射流对井底的清洗作用
（ 2）漫流的横推作用射流撞击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流（漫流），对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。
4,射流对井底的破岩作用在岩石强度较低的地层，射流的冲击压力超过地层的破碎强度，直接破碎岩石。
在岩石强度较高的地层，射流挤入岩石中由钻头机械力造成的微裂纹和微裂缝内，形成“水楔”，使微裂纹和裂缝扩展，从而大大降低岩石的破碎强度。
一、喷射式钻头的水力特性
（一）射流及其对井底的作用一、喷射式钻头的水力特性用以表征射流水力能量大小的参数。
■ 喷射速度
■ 射流冲击力
■ 射流水功率计算位置：喷嘴出口断面
（二）射流水力参数
jF
jv
jP
一、喷射式钻头的水力特性
（二）射流水力参数
1,喷射速度 vj
0
10
A
Qv
j?
n
i
idA
1
2
0 4
（工程单位制）
0A
Qv
j?
（国际单位制）
一、喷射式钻头的水力特性
（二）射流水力参数
2,射流冲击力 Fj
0
2
100 A
QF d
j
（工程单位制）
0
2
A
QF d
j
（国际单位制）
一、喷射式钻头的水力特性
（二）射流水力参数
3,射流水功率 Pj
2
0
305.0
A
QP d
j
（工程单位制）
2
0
3
2 A
QP d
j
（国际单位制）
一、喷射式钻头的水力特性
1p
2p
(三）钻头水力参数
1,钻头压力降
bp?
bP
2,钻头水功率钻井液流过钻头时消耗的水功率与射流水功率的总和。
42
3
2
0
2
3 0 8 1.005.0
ne
dd
b dC
Q
AC
QP
钻井液流过钻头时的压力降。即喷嘴入口与出口的压差。
42
2
2
0
2
2 081.005.0
ne
dd
b dC
Q
AC
Qp
n
i
ine dd
1
2
第三节 水力参数优化设计概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计
1.水功率传递路径钻井泵 → 地面管汇 → 钻柱内 → 钻头 → 环空 → 地面 。
二、水功率传递的基本关系
bl
banstgs
pp
ppppp
bl
banstgs
PP
PPPPP
2.水功率传递基本关系第三节 水力参数优化设计概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计三、循环系统压耗的计算
（一）计算公式
8.18.1
8.4
4
4
8.4
3
3
8.4
2
2
8.4
1
12.08.05 1 6 5 5.0 QKQ
d
L
d
L
d
L
d
Lp
gpvdg
1,地面管汇压耗
（ 4-73）
2,钻杆柱内、外压耗
，贯眼钻杆
，内平钻杆，
5 7 5 0 3.0
5 1 6 6 5.0
8.4
8.12.08.0
Bd QLBp
p
ppvd
pi
8.13
8.12.08.0
)()(
5 7 5 0 3.0
phph
ppvd
pa DDDD
QLp
8.18.12.08.0
8.138.4 )()(
57503.0 QKQL
DDDDd
Bp
pppvd
phphp
p
（ 4-74）
（ 4-75）
（ 4-78）
三、循环系统压耗的计算
（一）计算公式
3,钻铤柱内、外压耗
8.4
8.12.08.05 1 6 5 5.0
c
cpvd
ci d
QL
p
8.13
8.12.08.0
)()(
5 7 5 0 3.0
chch
cpvd
ca DDDD
QL
p
8.18.12.08.0
8.138.4 )()(
5 7 5 0 3.05 1 6 5 5.0 QKQL
DDDDd
p ccpvd
chchc
c
（ 4-76）
（ 4-77）
（ 4-79）
三、循环系统压耗的计算
（一）计算公式
4,循环系统总压耗
8.18.1)( QKQKKKpppp lcpgcpgl
，称为循环压耗系数式中,cpgl KKKK
8.4
4
4
8.4
3
3
8.4
2
2
8.4
1
12.08.05 1 6 5 5.0
d
L
d
L
d
L
d
LK
pvdg
ppvd
phphp
p LDDDDd
BK 2.08.0
8.138.4 )()(
5 7 5 0 3.0
cpvd
chchc
c LDDDDdK
2.08.0
8.138.4 )()(
5 7 5 0 3.05 1 6 5 5.0
三、循环系统压耗的计算
（一）计算公式
4,循环系统总压耗
ccg mLKKa
amD
KKKK gcpl
8.138.4
2.08.0
)()(
5 7 5 0 3.0
phphp
pvd DDDDd
Bm
8.18.1 )( QamDQKp ll
（二）提高钻头水力参数的途径
3
2
2
0
2
205.0
QKP
QK
AC
Q
p
bb
b
d
b
8.2
8.1
QKPP
QKpp
lsb
lsb
力参数钻头水力参数钻头水提高钻头水力参数的主要途径
1,提高泵压 ps和泵功率 Ps
2,降低循环压耗系数 Kl
（ 1）使用低密度钻井液
（ 2）减小钻井液粘度
（ 3）适当增大管路直径
3,增大钻头压降系数 Kb
唯一有效的途径是减小喷嘴直径。
4,优选排量 Q
三、循环系统压耗的计算第三节 水力参数优化设计概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计
（ 一）钻井泵的水力特性额定功率 —— 钻井泵的最大输出功率，
额定泵压 —— 所用缸套的允许工作压力，
额定排量 —— 当泵实际功率达到额定功率，而实际泵压达到所用缸套的允许泵压时的排量，称为泵在这种缸套下的额定排量,Qr。
额定泵冲 —— 达到额定排量时的泵冲数。
四、钻井泵的工作特性
rP
rp
rrr QpP?
额定功率、泵压、排量的关系：
缸套直径
（ mm）
额定泵冲
(次 /分 )
额定排量
(L/s)
额定泵压
（ MPa）
140 120 27.4 31.4
150 120 31.4 27.3
160 120 35.7 24.0
170 120 40.3 21.3
180 120 45.1 19.0
缸套直径 —— 每一种钻井泵都有几种不同直径的缸套。不同直径缸套具有不同的额定泵压和额定排量，使用者可根据实际需要选择合适的缸套,
NB1300（ 956kw）钻井泵性能表
rrr QpP?
QpP ss?
四、钻井泵的工作特性
（二）钻井泵的工作状态泵额定功率：
泵实际功率：
额定泵压工作状态额定功率工作状态钻井泵的两种工作状态：
（ 1） 额定功率工作状态当 Q ≥Qr 时,ps≤pr,Ps = Pr
（ 2） 额定泵压工作状态当 Q ＜ Qr 时,ps=pr,Ps＜ Pr
■ 缸套的选择：
根据实用排量的大小，选择额定排量与实用排量相近的缸套直径，以提高泵压和泵功率。
第三节 水力参数优化设计概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计
Pb
vj
△ pb
（一）水力参数随排量的变化关系五、水力参数优选标准
8.1QKpp lsb
8.1QKpKv lsVj
8.1QKpQKF lsFj
)( 8.1QKpQP lsb
d
V CK?
2010?
1 0 0
20 d
F
CK
其中：
（二）水力参数优选标准
优选标准,最大钻头水功率,最大射流冲击力 和 最大射流喷速 三个标准。几种工作方式观点各异：
最大钻头水功率工作方式 Pbmax：,功,的观点，认为清洗井底是对岩屑作功，钻头水功率越大越好 。
最大射流冲击力工作方式 Fjmax：,力,的观点，认为冲击力的大小是清洗井底的主要因素，冲击力越大越好 。
最大射流喷速工作方式 vjmax：,压力,观点，射流速度越大，井底动压力越大，对井底的清洗效果就越好 。
目前钻井现场常用,最大钻头水功率。
五、水力参数优选标准第三节 水力参数优化设计概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计六、水力参数优化设计
1.当钻井泵处在 额定功率 工作状态时：
（一）获得最大钻头水功率的条件
8.2QKPPPP lrlsb
8.22
305.0
rlr
rd
o p t QKPC
Q
A
ropt QQ?
8.2
22
305.0
rlr
o p t
rd QKP
AC
Q
获得最大钻头水功率的条件：
2.当钻井泵处在 额定泵压 工作状态时：
（一）获得最大钻头水功率的条件
8.2QKQpPPP lrlsb
8.12
205.0
optlr
optd
opt QKpC
QA
8.1
1
8.2?
l
r
opt K
pQ
8.2
22
305.0
optloptr
opt
optd QKQp
AC
Q
获得最大钻头水功率的条件：
六、水力参数优化设计
（二）泵工作在额定功率和额定泵压状态的条件六、水力参数优化设计
ropt QQ?
rrlr QaDm
p
K
p?
8.1
1
8.1
1
8.28.2
1,泵工作在额定功率状态条件,
pc
r
r DmamQpD 8.18.2
ropta QQQ
rrlra QaDm
p
K
pQ?
8.1
1
8.1
1
8.28.2
2,泵工作在额定泵压状态条件,
pa
a
r
r
rpc DmamQpDmamQpD 8.18.1 8.28.2
aopt QQ?
arlr QaDm
p
K
p?
8.1
1
8.1
1
8.28.2
3,泵工作在最小排量（ 相当于固定功率 ）状态条件,
pa
a
r DmamQpD 8.18.2
第一临界井深第二临界井深第一步,确定携岩要求的最小排量六、水力参数优化设计最小环空返速经验公式：
hd
a dv?
2418,?
岩屑举升效率验证：
slas
a
s
s vvvv
vK,5.0
岩屑下滑速度：
3131
3
2
0700
//
)(.
ed
dss
sl
dv
nn
a
ph
e n
n
v
ddK?
3
12
1200
1
计算携岩要求最小排量：
apha vddQ )(
22
40
第二步：计算循环压耗系数计算,m,a,KL = a + m D
第三步：选择缸套直径,确定额定泵压,排量,功率原则,1） 在额定排量大于最小携岩排量前提下,尽可能选用小尺寸缸套；
2） 缸套的工作压力不能超过循环系统的耐压能力 。
第四步：计算最优排量和喷嘴直径
1） 计算第一,第二临界井深
2） 计算各井段的最优排量和喷嘴直径第五步：各水力参数的计算计算各井段的射流水力参数和钻头水力参数,结果列表 。
六、水力参数优化设计设计举例：
已知条件：上层套管直径,9-5/8in(内径 244.5mm）
钻头直径 Dh=215.9mm=21.59cm,
喷嘴流量系数 C=0.98，
钻铤 Dc=17.78cm,dc=7.14cm,Lc=120m
内平钻杆 Dp=12.7cm,dp=10.86cm
Kg=1.07× 10-3MPa·s1.8,
d=1.64g/cm3,?=0.047Pa?s
井队配备两台 NB-1000钻井泵,
井深 D=4000m,要求环空返速不低于 0.7m/s
地面泵压以不超过 18MPa较合适试按最大钻头水功率方式对该井深处进行水力参数设计,
解,① 确定最小排量 Qa
由已知最低环空返速 va为
m/s
由于 要求环空返速不低于 0.7m/s
故,va=0.7m/s
根据经验公式得,Qa=16.75L/s
② 计算井深 4000m时的循环压耗系数
515.059.2164.1 24.1824.18
hd
a DV?
apha vDDQ )(40 22
6
8.138.4
2.08.0
8.138.4
2.08.0
1058.5
7.1259.217.1259.21
5 7 5 0 3.0
86.10
5 1 6 5 5.0
0 4 7.064.1
)()(
5 7 5 0 3.0
phphp
d
DDDDd
B
m
3
8.138.4
2.08.0
8.138.4
2.08.0
1034.5
78.1759.2178.1759.21
57503.0
14.7
51655.0
120047.064.1
)()(
57503.0
chchc
cdc
DDDDd
B
LK
3
633
107 4 0 4.5
1201058.51034.51007.1
ccg mLKKa
井深 4000m处的循环压耗为
028.0
107404.540001058.5 36
amLK l
③ 选择缸套额定排量 Qr?Qa,且接近才能充分发挥泵的工作效率 ;
根据泵的使用特点,一般缸套的工作额定排量为缸套额定排量的 90%,因此所选缸套的额定排量
l/s
选择 3NB-1000的缸套直径,由表 4-6
选择 120mm的缸套直径,额定排量 19.9L/s,额定泵压 33.1MPa
有,33.1× 0.9=27.79MPa
19.9× 0.9=17.91 l/s
根据限定条件,地面泵压以不超过 18MPa较合适则,泵的工作额定泵压 pr=18MPa
工作额定排量 Qr=17.91L/s
61.189.0 ar QQ
④ 计算按最大钻头水功率方式下的临界井深第一临界井深为第二临界井深为
⑤优选排量由于 D=4000m小于第一临界井深故 Qopt=Qr=17.91L/s
5 3 6 7
1058.5
107 4 0 4.5
91.171058.58.2
18
8.2
6
3
8.16
8.1
m
a
mQ
p
L
r
r
Nc
6 1 8 6
1058.5
107 4 0 4.5
75.161058.58.2
18
8.2
6
3
8.16
8.1
m
a
mQ
p
L
a
r
Na
⑥ 确定喷嘴直径
4000m井深处的循环压耗为
MPa
根据得,de=1.36cm
⑦ 计算各水力参数
4 8.12
2
)(
081.0
rr
rd
e QmLapC
Qd
05.591.170 1 7 5 5 2.0)( 8.18.1 QamLp l
35.1 2 34/36.114.3 91.171010 2
0
0
A
QV m/s
62.34/36.114.31 0 0 91.1764.11 0 0 22
0
2?
A
QF d
j
kN
46.22336.1414.3 91.1764.105.005.0 22
3
2
0
3
A
QN d
j
kW
3.2 3 236.198.0 91.1764.10 8 1.00 8 1.0 42 342
3
e
d
b dC
QN?
95.1205.518 lrb ppp MPa
kW
本章结束
◆ 钻井工程目标：钻速快，成本低。
◆ 钻进成本公式：
pc
rbrrbpm V tttCH ttCCC )/1(/)(
◆ 影响钻速 Vpc和钻头寿命 t的因素：
（ 1）地层性质（客观因素）
（ 2）钻头性能
（ 3）钻井液性能
（ 4）钻进参数
◆ 钻进参数：
（ 1）机械参数：钻压、转速等
（ 2）水力参数：泵压、排量、喷嘴直径、钻头水功率等
◆ 钻进参数优选：
选择合理的钻进参数配合，达到钻速最快，成本最低的目标第一节 钻进过程中各参数间的基本关系一、影响钻速的主要因素及钻速方程二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程一、影响钻速的主要因素及钻速方程影响钻速的主要参数：
1,钻压
2,转速
3,牙齿磨损量
4,井底水功率
5,井底压差
1.钻压对钻速的影响钻速与钻压的关系曲线
M— AB线在钻压轴上的截距，称为门限钻压，可认为是牙齿开始压入地层时的钻压，其大小取决所钻地层的抗压入强度。
M
)( MWV p c （ 4-1）
在某一钻压范围内，钻速与钻压成线形关系。
一、影响钻速的主要因素及钻速方程
2.转速对钻速的影响
nv
pc?
（ 4-2）
钻速随转速的增大而增大，
并呈幂函数关系变化 。
λ— 称为转速指数,其大小主要与岩层性质及井底净化程度有关。
一般小于 1，极软地 λ≈1，岩石硬度增大,λ值减小 。
一、影响钻速的主要因素及钻速方程钻速与转速的关系曲线
3.牙齿磨损对钻速的影响
hCv pc 21
1
（ 4-3）
随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。
C2 — 称为牙齿磨损系数,
与钻头齿形结构和岩层性质有关,
由现场数据统计得到。
h — 为牙齿磨损量,
以牙齿的相对磨损高度表示,
新钻头时 h =0；牙齿全部磨损时 h =1。
一、影响钻速的主要因素及钻速方程钻速与牙齿磨损量的关系曲线
4.井底比水功率对钻速的影响
（ 1）水力净化井底作用
◆ 井底比水功率越大,净化程度越好。
sp c s
pc
H P
P
v
vC （ 4-4）
310210729,,p c ss vP
（ 4-5）
◆ 水力净化系数 CH—— 表征井底水力净化完善程度，定义为实际钻速与净化完善时钻速之比。
井底净化完善,CH=1；否则,CH＜ 1。
（ 2）水力辅助破岩作用水力辅助破岩效果主要体现在岩石强度降低，门限钻压 M值减小。
井底比水功率越大，钻速越快。
一、影响钻速的主要因素及钻速方程井底净化完善时的比水功率随钻速的变化关系曲线
5.井底压差对钻速的影响井 底正压差越大，钻速越慢。
● 压持效应,
在井底正压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成重复破碎，使钻速降低的现象。
v v epc p c o p （ 4-6）
● 井底压差与钻速的关系：
p
pc
pc
p ev
vC
0
（ 4-7）
● 压差影响系数 Cp：
pm ppp
一、影响钻速的主要因素及钻速方程钻速与井底压差的关系曲线
（ 1）粘度对钻速的影响
6.钻井液性能对钻速的影响钻井液粘度增大，钻速降低。
（ 2） 固相含量对钻速的影响钻井液固相含量增大,机械钻速降低 。
（ 3）分散性对钻速的影响分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低；且钻井液中小于 1μm的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。
一、影响钻速的主要因素及钻速方程钻速方程（修正杨格模式）
vpc — 钻速,m/h；
W — 钻压,kN；
M — 门限钻压,kN；
n — 转速,r/min
λ — 转速指数；
C2 — 牙齿磨损系数；
CH — 水力净化系数；
Cp — 压差影响系数；
h — 牙齿磨损相对高度；
KR — 地层可钻系数,与地层岩石的机械性质,
钻头类型以及钻井液性能等因素有关 。
HpRpc CChCnMWKv
21
1)(
（ 4-8）
一、影响钻速的主要因素及钻速方程第一节 钻进过程中各参数间的基本关系一、影响钻速的主要因素及钻速方程二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程影响钻头寿命的主要参数：
1,钻压
2,转速
3,牙齿磨损量钻头的理论极限钻压：
1,钻压对牙齿磨损速度的影响牙齿磨损速度随钻压的增大而增大。当钻压增大到某一极限值时，牙齿磨损速度趋于无穷大。
WZZdt
dh
12
1
（ 4-9）
式中,Z1与 Z2称为钻压影响系数,
与牙轮钻头尺寸有关，见表 4-1。
1
2m a x
z
zW?
二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程钻压对牙齿磨损速度的影响
2,转速对牙齿磨损速度的影响牙齿磨损速度随转速增大而加快。
)( 321 nanadtdh （ 4-10）
式中,a1和 a2是由钻头类型决定的系数，
见表 4-2。
二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程转速对牙齿磨损速度的影响
3.牙齿磨损量对牙齿磨损速度的影响牙齿磨损速度随牙齿磨损量的增大而减小。
hCdt
dh
11
1
（ 4-11）
式中,C1称为牙齿磨损减慢系数,
与钻头类型有关,其数值见表 4-2。
二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程牙齿磨损量对牙齿磨损速度的影响
4.牙齿磨损速度方程式中,Af通称为地层研磨性系数，根据现场钻头资料统计计算确定。
)1)((
)(
112
3
21
hCWZZ
nanaA
dt
dh f
（ 4-12）
5.轴承磨损速度方程轴承磨损量用 B表示。轴承磨损速度用 dB/dt表示。
式中,b称为轴承工作系数，与钻头类型与钻井液性能有关，现场资料确定。
nWbdtdB 5.11? （ 4-13）
二、影响钻头寿命的主要因素及磨损方程第二节 钻进机械参数优选目标,寻求最优的钻压、转速组合，使钻进成本最低。
目标函数：
优选方法：
在各种约束条件下寻求目标函数的极值点，满足极值点条件的参数组合即为最优参数。
))((
)(
hCWZZ
nanaA
dt
dh f
112
3
21
1
HpRpc CChCnMWKdtdHv 21 1)(
H
ttCCC trb )(
），，，,PHf CChnWFC (?
第三节 水力参数优化设计概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计
喷射钻井的概念在钻头上安装可以产生高速射流的喷嘴，高压钻井液流过喷嘴时可产生高速流动的水射流，给井底以很大的冲击力，把岩屑及时冲离井底，并辅助破碎岩石。该技术称为喷射钻井技术。
水力参数指表征钻头水力特性、射流水力特性以及地面水力设备性质的量。 主要包括钻井泵的功率、排量、泵压、以及钻头水功率、钻头水力压降、钻头喷嘴直径、射流冲击力、射流喷速和环空钻井液上返速度等。
水力参数优化设计寻求合理的水力参数配合，使井底获得最大的水力能量分配，从而达到最优的井底净化效果和提高机械钻速之目的。
概 述第三节 水力参数优化设计概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计
（一）射流及其对井底的作用
1.射流及分类射流 —— 指通过管嘴或孔口的过水断面周界不与固体壁接触的液流。
射流分类：
一、喷射式钻头的水力特性
自钻头喷嘴射出的射流为 淹没非自由连续射流。
非淹没射流 —— ρ 射 ＞ ρ 介,
淹没射流 —— ρ 射 ≤ ρ 介,
自由射流 —— 无固体边界限制非自由射流 —— 有固体边界连续射流 —— 射流内某一点压力 (流速）保持平稳脉冲射流 —— 射流流束内压力（流速）不稳定，发生一定频率的脉动空化射流 —— 气体进入液体产生空穴，空穴破裂产生很高的压力
2.井底射流 (淹没非自由连续射流 ） 的特性一、喷射式钻头的水力特性
（一）射流及其对井底的作用
① 扩散角 和 等速核
② 流速分布规律,在射流横截面上，中心处速度最大，向外逐渐减小； 在射流轴线上，超过等核以后的速度迅速降低；
③ 冲击压力 和 漫流,射流撞击井底后，形成冲击压力和一层沿井底高速流动的漫流。
3.射流对井底的清洗作用
（ 1）射流的冲击压力作用射流撞击井底后形成的 冲击压力极不均匀 。极不均匀的冲击压力使岩屑受到一个翻转力矩，从而离开井底。
射流冲击面积 岩屑翻转一、喷射式钻头的水力特性
（一）射流及其对井底的作用一、喷射式钻头的水力特性
（一）射流及其对井底的作用
3,射流对井底的清洗作用
（ 2）漫流的横推作用射流撞击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流（漫流），对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。
4,射流对井底的破岩作用在岩石强度较低的地层，射流的冲击压力超过地层的破碎强度，直接破碎岩石。
在岩石强度较高的地层，射流挤入岩石中由钻头机械力造成的微裂纹和微裂缝内，形成“水楔”，使微裂纹和裂缝扩展，从而大大降低岩石的破碎强度。
一、喷射式钻头的水力特性
（一）射流及其对井底的作用一、喷射式钻头的水力特性用以表征射流水力能量大小的参数。
■ 喷射速度
■ 射流冲击力
■ 射流水功率计算位置：喷嘴出口断面
（二）射流水力参数
jF
jv
jP
一、喷射式钻头的水力特性
（二）射流水力参数
1,喷射速度 vj
0
10
A
Qv
j?
n
i
idA
1
2
0 4
（工程单位制）
0A
Qv
j?
（国际单位制）
一、喷射式钻头的水力特性
（二）射流水力参数
2,射流冲击力 Fj
0
2
100 A
QF d
j
（工程单位制）
0
2
A
QF d
j
（国际单位制）
一、喷射式钻头的水力特性
（二）射流水力参数
3,射流水功率 Pj
2
0
305.0
A
QP d
j
（工程单位制）
2
0
3
2 A
QP d
j
（国际单位制）
一、喷射式钻头的水力特性
1p
2p
(三）钻头水力参数
1,钻头压力降
bp?
bP
2,钻头水功率钻井液流过钻头时消耗的水功率与射流水功率的总和。
42
3
2
0
2
3 0 8 1.005.0
ne
dd
b dC
Q
AC
QP
钻井液流过钻头时的压力降。即喷嘴入口与出口的压差。
42
2
2
0
2
2 081.005.0
ne
dd
b dC
Q
AC
Qp
n
i
ine dd
1
2
第三节 水力参数优化设计概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计
1.水功率传递路径钻井泵 → 地面管汇 → 钻柱内 → 钻头 → 环空 → 地面 。
二、水功率传递的基本关系
bl
banstgs
pp
ppppp
bl
banstgs
PP
PPPPP
2.水功率传递基本关系第三节 水力参数优化设计概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计三、循环系统压耗的计算
（一）计算公式
8.18.1
8.4
4
4
8.4
3
3
8.4
2
2
8.4
1
12.08.05 1 6 5 5.0 QKQ
d
L
d
L
d
L
d
Lp
gpvdg
1,地面管汇压耗
（ 4-73）
2,钻杆柱内、外压耗
，贯眼钻杆
，内平钻杆，
5 7 5 0 3.0
5 1 6 6 5.0
8.4
8.12.08.0
Bd QLBp
p
ppvd
pi
8.13
8.12.08.0
)()(
5 7 5 0 3.0
phph
ppvd
pa DDDD
QLp
8.18.12.08.0
8.138.4 )()(
57503.0 QKQL
DDDDd
Bp
pppvd
phphp
p
（ 4-74）
（ 4-75）
（ 4-78）
三、循环系统压耗的计算
（一）计算公式
3,钻铤柱内、外压耗
8.4
8.12.08.05 1 6 5 5.0
c
cpvd
ci d
QL
p
8.13
8.12.08.0
)()(
5 7 5 0 3.0
chch
cpvd
ca DDDD
QL
p
8.18.12.08.0
8.138.4 )()(
5 7 5 0 3.05 1 6 5 5.0 QKQL
DDDDd
p ccpvd
chchc
c
（ 4-76）
（ 4-77）
（ 4-79）
三、循环系统压耗的计算
（一）计算公式
4,循环系统总压耗
8.18.1)( QKQKKKpppp lcpgcpgl
，称为循环压耗系数式中,cpgl KKKK
8.4
4
4
8.4
3
3
8.4
2
2
8.4
1
12.08.05 1 6 5 5.0
d
L
d
L
d
L
d
LK
pvdg
ppvd
phphp
p LDDDDd
BK 2.08.0
8.138.4 )()(
5 7 5 0 3.0
cpvd
chchc
c LDDDDdK
2.08.0
8.138.4 )()(
5 7 5 0 3.05 1 6 5 5.0
三、循环系统压耗的计算
（一）计算公式
4,循环系统总压耗
ccg mLKKa
amD
KKKK gcpl
8.138.4
2.08.0
)()(
5 7 5 0 3.0
phphp
pvd DDDDd
Bm
8.18.1 )( QamDQKp ll
（二）提高钻头水力参数的途径
3
2
2
0
2
205.0
QKP
QK
AC
Q
p
bb
b
d
b
8.2
8.1
QKPP
QKpp
lsb
lsb
力参数钻头水力参数钻头水提高钻头水力参数的主要途径
1,提高泵压 ps和泵功率 Ps
2,降低循环压耗系数 Kl
（ 1）使用低密度钻井液
（ 2）减小钻井液粘度
（ 3）适当增大管路直径
3,增大钻头压降系数 Kb
唯一有效的途径是减小喷嘴直径。
4,优选排量 Q
三、循环系统压耗的计算第三节 水力参数优化设计概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计
（ 一）钻井泵的水力特性额定功率 —— 钻井泵的最大输出功率，
额定泵压 —— 所用缸套的允许工作压力，
额定排量 —— 当泵实际功率达到额定功率，而实际泵压达到所用缸套的允许泵压时的排量，称为泵在这种缸套下的额定排量,Qr。
额定泵冲 —— 达到额定排量时的泵冲数。
四、钻井泵的工作特性
rP
rp
rrr QpP?
额定功率、泵压、排量的关系：
缸套直径
（ mm）
额定泵冲
(次 /分 )
额定排量
(L/s)
额定泵压
（ MPa）
140 120 27.4 31.4
150 120 31.4 27.3
160 120 35.7 24.0
170 120 40.3 21.3
180 120 45.1 19.0
缸套直径 —— 每一种钻井泵都有几种不同直径的缸套。不同直径缸套具有不同的额定泵压和额定排量，使用者可根据实际需要选择合适的缸套,
NB1300（ 956kw）钻井泵性能表
rrr QpP?
QpP ss?
四、钻井泵的工作特性
（二）钻井泵的工作状态泵额定功率：
泵实际功率：
额定泵压工作状态额定功率工作状态钻井泵的两种工作状态：
（ 1） 额定功率工作状态当 Q ≥Qr 时,ps≤pr,Ps = Pr
（ 2） 额定泵压工作状态当 Q ＜ Qr 时,ps=pr,Ps＜ Pr
■ 缸套的选择：
根据实用排量的大小，选择额定排量与实用排量相近的缸套直径，以提高泵压和泵功率。
第三节 水力参数优化设计概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计
Pb
vj
△ pb
（一）水力参数随排量的变化关系五、水力参数优选标准
8.1QKpp lsb
8.1QKpKv lsVj
8.1QKpQKF lsFj
)( 8.1QKpQP lsb
d
V CK?
2010?
1 0 0
20 d
F
CK
其中：
（二）水力参数优选标准
优选标准,最大钻头水功率,最大射流冲击力 和 最大射流喷速 三个标准。几种工作方式观点各异：
最大钻头水功率工作方式 Pbmax：,功,的观点，认为清洗井底是对岩屑作功，钻头水功率越大越好 。
最大射流冲击力工作方式 Fjmax：,力,的观点，认为冲击力的大小是清洗井底的主要因素，冲击力越大越好 。
最大射流喷速工作方式 vjmax：,压力,观点，射流速度越大，井底动压力越大，对井底的清洗效果就越好 。
目前钻井现场常用,最大钻头水功率。
五、水力参数优选标准第三节 水力参数优化设计概述一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压耗的计算四、钻井泵工作特性五、水力参数优选标准六、水力参数优化设计六、水力参数优化设计
1.当钻井泵处在 额定功率 工作状态时：
（一）获得最大钻头水功率的条件
8.2QKPPPP lrlsb
8.22
305.0
rlr
rd
o p t QKPC
Q
A
ropt QQ?
8.2
22
305.0
rlr
o p t
rd QKP
AC
Q
获得最大钻头水功率的条件：
2.当钻井泵处在 额定泵压 工作状态时：
（一）获得最大钻头水功率的条件
8.2QKQpPPP lrlsb
8.12
205.0
optlr
optd
opt QKpC
QA
8.1
1
8.2?
l
r
opt K
pQ
8.2
22
305.0
optloptr
opt
optd QKQp
AC
Q
获得最大钻头水功率的条件：
六、水力参数优化设计
（二）泵工作在额定功率和额定泵压状态的条件六、水力参数优化设计
ropt QQ?
rrlr QaDm
p
K
p?
8.1
1
8.1
1
8.28.2
1,泵工作在额定功率状态条件,
pc
r
r DmamQpD 8.18.2
ropta QQQ
rrlra QaDm
p
K
pQ?
8.1
1
8.1
1
8.28.2
2,泵工作在额定泵压状态条件,
pa
a
r
r
rpc DmamQpDmamQpD 8.18.1 8.28.2
aopt QQ?
arlr QaDm
p
K
p?
8.1
1
8.1
1
8.28.2
3,泵工作在最小排量（ 相当于固定功率 ）状态条件,
pa
a
r DmamQpD 8.18.2
第一临界井深第二临界井深第一步,确定携岩要求的最小排量六、水力参数优化设计最小环空返速经验公式：
hd
a dv?
2418,?
岩屑举升效率验证：
slas
a
s
s vvvv
vK,5.0
岩屑下滑速度：
3131
3
2
0700
//
)(.
ed
dss
sl
dv
nn
a
ph
e n
n
v
ddK?
3
12
1200
1
计算携岩要求最小排量：
apha vddQ )(
22
40
第二步：计算循环压耗系数计算,m,a,KL = a + m D
第三步：选择缸套直径,确定额定泵压,排量,功率原则,1） 在额定排量大于最小携岩排量前提下,尽可能选用小尺寸缸套；
2） 缸套的工作压力不能超过循环系统的耐压能力 。
第四步：计算最优排量和喷嘴直径
1） 计算第一,第二临界井深
2） 计算各井段的最优排量和喷嘴直径第五步：各水力参数的计算计算各井段的射流水力参数和钻头水力参数,结果列表 。
六、水力参数优化设计设计举例：
已知条件：上层套管直径,9-5/8in(内径 244.5mm）
钻头直径 Dh=215.9mm=21.59cm,
喷嘴流量系数 C=0.98，
钻铤 Dc=17.78cm,dc=7.14cm,Lc=120m
内平钻杆 Dp=12.7cm,dp=10.86cm
Kg=1.07× 10-3MPa·s1.8,
d=1.64g/cm3,?=0.047Pa?s
井队配备两台 NB-1000钻井泵,
井深 D=4000m,要求环空返速不低于 0.7m/s
地面泵压以不超过 18MPa较合适试按最大钻头水功率方式对该井深处进行水力参数设计,
解,① 确定最小排量 Qa
由已知最低环空返速 va为
m/s
由于 要求环空返速不低于 0.7m/s
故,va=0.7m/s
根据经验公式得,Qa=16.75L/s
② 计算井深 4000m时的循环压耗系数
515.059.2164.1 24.1824.18
hd
a DV?
apha vDDQ )(40 22
6
8.138.4
2.08.0
8.138.4
2.08.0
1058.5
7.1259.217.1259.21
5 7 5 0 3.0
86.10
5 1 6 5 5.0
0 4 7.064.1
)()(
5 7 5 0 3.0
phphp
d
DDDDd
B
m
3
8.138.4
2.08.0
8.138.4
2.08.0
1034.5
78.1759.2178.1759.21
57503.0
14.7
51655.0
120047.064.1
)()(
57503.0
chchc
cdc
DDDDd
B
LK
3
633
107 4 0 4.5
1201058.51034.51007.1
ccg mLKKa
井深 4000m处的循环压耗为
028.0
107404.540001058.5 36
amLK l
③ 选择缸套额定排量 Qr?Qa,且接近才能充分发挥泵的工作效率 ;
根据泵的使用特点,一般缸套的工作额定排量为缸套额定排量的 90%,因此所选缸套的额定排量
l/s
选择 3NB-1000的缸套直径,由表 4-6
选择 120mm的缸套直径,额定排量 19.9L/s,额定泵压 33.1MPa
有,33.1× 0.9=27.79MPa
19.9× 0.9=17.91 l/s
根据限定条件,地面泵压以不超过 18MPa较合适则,泵的工作额定泵压 pr=18MPa
工作额定排量 Qr=17.91L/s
61.189.0 ar QQ
④ 计算按最大钻头水功率方式下的临界井深第一临界井深为第二临界井深为
⑤优选排量由于 D=4000m小于第一临界井深故 Qopt=Qr=17.91L/s
5 3 6 7
1058.5
107 4 0 4.5
91.171058.58.2
18
8.2
6
3
8.16
8.1
m
a
mQ
p
L
r
r
Nc
6 1 8 6
1058.5
107 4 0 4.5
75.161058.58.2
18
8.2
6
3
8.16
8.1
m
a
mQ
p
L
a
r
Na
⑥ 确定喷嘴直径
4000m井深处的循环压耗为
MPa
根据得,de=1.36cm
⑦ 计算各水力参数
4 8.12
2
)(
081.0
rr
rd
e QmLapC
Qd
05.591.170 1 7 5 5 2.0)( 8.18.1 QamLp l
35.1 2 34/36.114.3 91.171010 2
0
0
A
QV m/s
62.34/36.114.31 0 0 91.1764.11 0 0 22
0
2?
A
QF d
j
kN
46.22336.1414.3 91.1764.105.005.0 22
3
2
0
3
A
QN d
j
kW
3.2 3 236.198.0 91.1764.10 8 1.00 8 1.0 42 342
3
e
d
b dC
QN?
95.1205.518 lrb ppp MPa
kW
本章结束
