石油钻井用钻头的喷嘴尺寸组合计算方法.pdf

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)4)ΔS＝Sd-Sopt>0，其中，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

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ΔS最小情况下d_i和n_i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|：
1)a₁≤d_i≤a₂，1≤i≤m；
2)0≤d_i+1-d_i≤b_i，1≤i≤m-1；
3)Σi=1mni=n;]]>
4)ΔS＝S_d-S_opt>0，其中，Sd=πΣi=1mnidi24,Sopt=(554.4×ρd×Q2pbd)0.5;]]>
其中，m和n表示总共n个喷嘴中有m种尺寸，d_i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，n_i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，b_i为限定喷嘴件尺寸差异的经验数值，ρ_d为钻井液密度，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d_i-mm、a₁-mm、a₂-mm、b_i-mm、ρ_d-g/cm³、b_i-mm、p_bd-MPa，Q-L/s。

2.  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：
p_bd＝p_bmax/f，p_bmax＝p_r-Δp_cs；
其中，p_r为钻井泵额定泵压，Δp_cs为钻井循环系统压力损耗，f为根据经验设定的安全系数,p_r和Δp_cs单位均为MPa。

石油钻井用钻头的喷嘴尺寸组合计算方法
技术领域
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
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％。
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泵的额定压力。为节省计算工作量，同时也为了保证钻井泵的额定泵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屑持压效应的效果大为减弱。
发明内容
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，
因此，本发明的技术方案如下：
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ΔS最小情况下d_i和n_i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|：
1)a₁≤d_i≤a₂，1≤i≤m；
2)0≤d_i+1-d_i≤b_i，1≤i≤m-1；
3)Σi=1mni=n;]]>
4)ΔS＝S_d-S_opt>0，其中，Sd=πΣi=1mnidi24,Sopt=(554.4×ρd×Q2pbd)0.5;]]>
其中，m和n表示总共n个喷嘴中有m中尺寸，d_i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，n_i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，b_i为限定喷嘴件尺寸差异的经验数值，ρ_d为钻井液密度，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d_i-mm、a₁-mm、a₂-mm、b_i-mm、ρ_d-g/cm³、b_i-mm、p_bd-MPa，Q-L/s。
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、泥浆泵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，从而在满足泥浆泵正常工作的条件下，最大限度发挥钻头的水力辅助破岩效果。
进一步，p_bd＝p_bmax/f，p_bmax＝p_r-Δp_cs；其中，p_r为钻井泵额定泵压，Δp_cs为钻井循环系统压力损耗，f为根据经验设定的安全系数，p_r和Δp_cs单位均为MPa。
在该技术方案中，利用p_r和Δp_cs计算出钻头的最大压力降p_bmax，进一步利用一个安全系数f确定最终的p_bd，考虑了实发泵压(泥浆泵工作时的实际泵压)会在一定程度上低于额定泵压p_r，从而保证计算记过更加可靠。
具体实施方式
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。
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，Φ17.78/7.14cm钻铤80m，其余为Φ12.7/10.862cm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泵。具体步骤如下。
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。
步骤二，根据工程实际情况确定最小排量Q_min为23.93L/s。
步骤三，根据机泵实际条件选择缸套直径。对于NB8-600泵，根据《钻井手册》提供的资料，可选用130mm直径的缸套，额定泵压为19.6MPa，冲数为65次/min时的额定排量Q_r为15.34L/s，采用双泵时，Q_r为30.68L/s。
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泵的额定排量，取实际钻井液排量Q等于泥浆泵的额定排量，即30.68L/s。
步骤五，计算钻头喷嘴当量面积和直径。钻井过程中，钻井泵处于额定泵压工作状态，钻头喷嘴当量直径下的截面积S_J为
SJ=(554.4×ρd×Q2ps-Δpcs)0.5=(554.4×1.2×30.68219.6-7.77)0.5=230.13mm2;]]>
dt=(4SJπ)0.5=17.12mm;]]>
喷嘴当量直径与钻头实际各喷嘴直径的关系为
dt2=Σi=1ndi2;]]>
其中，S_J为喷嘴当量直径下的截面积(mm²)，d_t为钻头喷嘴当量直径(mm)，Q为钻井液实际流量(L/s)，P_s为钻井泵实发泵压(MPa)取额定泵压值(注：实发泵压是指泥浆泵工作时的实际泵压，会在一定程度上低于额定泵压，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)。
显然，在已知最优喷嘴直径d_t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d_t和截面积S_J条件下，喷嘴尺寸组合存在多种解，而且难以判断最优解。
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。
p_bmax＝P_s-Δp_cs＝p_r-Δp_cs＝19.6-7.77＝11.83MPa
p_bd＝p_bmax/f＝11.83/1.5＝7.89MPa
Sopt=(554.4×ρd×Q2pbd)0.5=(554.4×1.2×30.6827.89)0.5=281.85mm2]]>
S_d＝π(n₁d₁²+n₂d₂²+n₃d₃²)/4
ΔS＝S_d-S_opt
求解约束条件包括：
①8≤d1≤188≤d2≤188≤d3≤18,]]>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；
②0≤d2-d1≤20≤d3-d2≤2,]]>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；；
③n₁，n₂，n₃都是大于或等于0的整数，用于求解不同尺寸喷嘴的个数；
④n₁+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；
⑤ΔS≥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，从而保证泥浆泵工作时处于额定泵压以内。
可变单元包括d₁，d₂，d₃，n₁，n₂，n₃，目标单元为ΔS。求解ΔS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。
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d₁＝8mm，d₂＝8mm，d₃＝9mm，n₁＝0，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。
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。
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。