石油鉆井用鉆頭的噴嘴尺寸組合計(jì)算方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)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)4)ΔS＝Sd-Sopt>0，其中，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(guò)本發(fā)明專利技術(shù)能夠準(zhǔn)確、快速地得到最佳噴嘴尺寸組合的方法。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
石油鉆井用鉆頭的噴嘴尺寸組合計(jì)算方法
本專利技術(shù)涉及石油鉆探
，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。
技術(shù)介紹
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％。理論上而言，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(jì)算工作量，同時(shí)也為了保證鉆井泵的額定泵壓能滿足正常鉆進(jìn)需求，鉆井現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)的效果大為減弱。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問(wèn)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，因此，本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下：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(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增大直徑依次增大排序，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，Q為鉆井液排量，各參數(shù)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(shù)方案中，利用excel等工具可以根據(jù)鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)備用鉆頭的噴嘴數(shù)量、鉆井液參數(shù)、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(jìn)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(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的安全系數(shù)，pr和Δpcs單位均為MPa。在該技術(shù)方案中，利用pr和Δpcs計(jì)算出鉆頭的最大壓力降pbmax，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)泵壓(泥漿泵工作時(shí)的實(shí)際泵壓)會(huì)在一定程度上低于額定泵壓pr，從而保證計(jì)算記過(guò)更加可靠。具體實(shí)施方式需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。根據(jù)本專利技術(shù)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)，Φ17.78/7.14cm鉆鋌80m，其余為Φ12.7/10.862cm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(tái)NB8-600泵。具體步驟如下。步驟一，計(jì)算循環(huán)壓耗。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方式，分別測(cè)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。步驟二，根據(jù)工程實(shí)際情況確定最小排量Qmin為23.93L/s。步驟三，根據(jù)機(jī)泵實(shí)際條件選擇缸套直徑。對(duì)于NB8-600泵，根據(jù)《鉆井手冊(cè)》提供的資料，可選用130mm直徑的缸套，額定泵壓為19.6MPa，沖數(shù)為65次/min時(shí)的額定排量Qr為15.34L/s，采用雙泵時(shí)，Qr為30.68L/s。步驟四，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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泵的額定排量，取實(shí)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(jì)算鉆頭噴嘴當(dāng)量面積和直徑。鉆井過(guò)程中，鉆井泵處于額定泵壓工作狀態(tài)，鉆頭噴嘴當(dāng)量直徑下的截面積SJ為噴嘴當(dāng)量直徑與鉆頭實(shí)際各噴嘴直徑的關(guān)系為其中，SJ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為鉆井泵實(shí)發(fā)泵壓(MPa)取額定泵壓值(注：實(shí)發(fā)泵壓是指泥漿泵工作時(shí)的實(shí)際泵壓，會(huì)在一定程度上低于額定泵壓，因此計(jì)算出來(lái)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)。顯然，在已知最優(yōu)噴嘴直徑dt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(shuō)明在某一噴嘴當(dāng)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(jì)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(jù)工程應(yīng)用實(shí)際情況設(shè)定；②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；；③n1，n2，n3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)；④n1+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；⑤ΔS≥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，從而保證泥漿泵工作時(shí)處于額定泵壓以內(nèi)。可變單元包括d1，d2，d3，n1，n2，n3，目標(biāo)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(shè)置求解對(duì)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(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。最后按照手冊(cè)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)。綜上所述，本專利技術(shù)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)人員可以在本專利技術(shù)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)施例都包括在本專利技術(shù)的范圍之內(nèi)。本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
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)Σi=1mni=n;]]>4)ΔS＝Sd?Sopt>0，其中，Sd=πΣi=1mnidi24,Sopt=(554.4×ρd×Q2pbd)0.5;]]>其中，m和n表示總共n個(gè)噴嘴中有m種尺寸，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(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，Q為鉆井液排量，各參數(shù)單位為di?mm、a1?mm、a2?mm、bi?mm、ρd?g/cm3、bi?mm、pbd?MPa，Q?L/s。

【技術(shù)特征摘要】
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ΔS最小情況下di和ni的最優(yōu)解，1≤i≤m，然后得出與所述最優(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(gè)噴嘴中有m種尺寸，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(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...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：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(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：天津;12