[发明专利]石油钻井用钻头的喷嘴尺寸组合计算方法

说明书

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)

4)ΔS＝S_d-S_opt>0，其中，

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。