钻头水力参数计算

钻井液常用计算一、水力参数计算：(p196-199)1、地面管汇压耗：Psur=C×MW×(Q/100)1.86×C1Psur---地面管汇压耗，Mpa（psi）；C----地面管汇的摩阻系数；MW----井内钻井液密度，g/cm3(ppg);Q----排量，l/s(gal/min);C1----与单位有关的系数，当采用法定法量单位时，C1＝9.818；当采用英制单位时，C1＝1；①钻具内钻井液的平均流速：V1=C2×Q/2.448×d2V1-------钻具内钻井液的平均流速，m/s(ft/s)；Q-------排量，l/s(gal/min);d-------钻具内径，mm(in)；C2------与单位有关的系数。

当采用法定计量单位时，C2＝3117采用英制单位时，C2＝1。

②钻具内钻井液的临界流速V1c=(1.08×PV＋1.08(PV2＋12.34×d2×YP×MW×C3)0.5)/MW×d×C4V1c -------钻具内钻井液的临界流速，m/s(ft/s)；PV----钻井液的塑性粘度，mPa.s(cps);d------钻具内径，mm(in)MW----钻井液密度，g/cm3(ppg);C3、C4------与单位有关的系数。

采用法定计量单位时，C3＝0.006193，C4＝1.078；采用英制单位时，C3＝1、C4＝1。

③如果≤V1c，则流态为层流，钻具内的循环压耗为P p=C5×L×YP/225×d＋C6×V1×L×PV/1500×d2④如果V1>V1c，则流态为紊流，钻具内的循环压耗为P p=0.0000765×PV0.18×MW0.82×Q1.82×L＋C7/d4.82P p---钻具内的循环压耗，Mpa(psi);L----某一相同内径的钻具的长度，m(ft)；V1-------钻具内钻井液的平均流速，m/s(ft/s)；d------钻具内径，mm(in)MW----钻井液密度，g/cm3(ppg);Q-------排量，l/s(gal/min);C3、C6------与单位有关的系数。

可编辑修改精选全文完整版第5章 PDC 钻头水力参数优化设计方法在机泵条件一定的情况下，水力参数优化设计的主要任务是确定钻头的喷嘴直径和钻井泵的压力和排量。

5.1 泵压和排量对PDC 钻头机械钻速的影响现场实践表明，泵压和排量对PDC 钻头和牙轮钻头机械钻速的影响规律不同。

在泵功率一定的条件下，对PDC 钻头来说，排量对钻速的影响更为重要；而对牙轮钻头来说，泵压对钻速的影响更为重要。

因此，PDC 钻头趋向于使用较大排量和较低泵压，而牙轮钻头则趋向于使用较高泵压和较低排量。

在相同地层用相同尺寸钻头钻进，PDC 钻头所用排量一般比牙轮钻头高5~10 L/s ，而泵压一般低2~3MPa 。

图5-1、图5-2是由现场资料统计分析得出的牙轮钻头与PDC 钻头的机械钻速与排量的关系。

可以看出，PDC 钻头的机械钻速随着排量的增大几乎线性增长。

而对牙轮钻头，排量超过一定值（25 L/s ）后，机械钻速几乎不再增加。

图5-1 排量对牙轮钻头钻速的影响 图5-1 排量对PDC 钻头钻速的影响泵压和排量对牙轮钻头和PDC 钻头的影响不同，是因为两种钻头的破岩机理和结构不同。

牙轮钻头主要以冲击压碎的方式破碎岩石，在井底形成裂纹发育的破碎坑穴（图5-3），故需要的较大的水功率来清除破碎坑内的岩屑。

而且，射流水功率越大，辅助破碎岩石的效果越好。

然而，牙轮钻头的喷嘴距井底较远，射流能量衰减严重，故需要较高的泵压（钻头压降）来补偿射流能量损失。

图5-3 牙轮钻头破岩作用 图5-3 PDC 钻头破岩作用PDC 钻头的喷嘴距井底只有30~40mm ，一般小于射流等速核长度（等速核长度约为喷嘴当量直径的4.8~5倍），射流能量可以得到有效利用。

PDC 钻头是以切削作用破碎岩石，岩屑直接被剥离井底，破岩效率高。

因此，使岩屑离开井0510152025252627282930313233排量/L/s机械钻速/m /h02468100510152025303540排量/L/s机械钻速/m /h底原位置并不困难，关键问题是有效地将岩屑清离井底。

连续油管钻井水力计算实例分析一、计算原始参数CT 规格："7873 4.8(20.188")3500mm m φ⨯⨯⨯，级别CT80。

滚筒尺寸（底径x 内宽x 轮缘）：260024504200mm φφ⨯⨯采用老井加深工艺，原井筒1500m （5-1/2”和7”套管）加深钻井1000m 和2000m ，参考大量实例，钻头采用4-3/4”和6-1/8’牙轮钻头或PDC 钻头，螺杆马达采用3-3/4”和4-3/4”规格。

钻井液采用清水和一种水基泥浆（ULTRADRIL 钻井液），其流体参数为： ρl =1180kg/m 3，n=0.52564，k=0.8213Pa.s n ，粘度为45.5mPa.s 。

二、泵压计算P P P P P P P =∆+∆+∆+∆+∆+∆泵工具CT 直管汇钻头环空CT 盘（一）管内压降计算模型CT 内流体的摩阻损失通常表示为压力降低的形式，即：22f L v P f dρ∆=中L 和d 分别是管长和管径，v 是管内的平均速度，f 是范宁Fanning 摩擦因子，它与流体的雷诺数、管壁的粗糙度等因素有关。

（二）清水（牛顿流）介质管内摩阻计算 1.雷诺数计算及狄恩数计算e R d N ρνμ=式中，N Re 为雷诺数，无量纲；ρ为液体密度，kg/m 3；ν为循环介质在管路中的平均流速，m/s ； d 为模拟连续油管内径，m ；μ为牛顿流体的动力粘度，Pa*s ；狄恩数(Dean)是研究弯管流动阻力的基本无量纲数：De N N =其中r 0为连续油管内径，R 为连续油管弯曲半径，N Re 为雷诺数。

2.直管摩阻系数计算模型 （1）层流对于直管，范宁摩阻系数可用如下公式计算： Re16SL f N =（2）紊流对管内单向流摩阻系数公式进行了分析，当不考虑管粗糙度，在紊流光滑区（3*103<De N <3*106），采用Miller 公式：1.8lg 1.53Re N =-对一定的相对粗糙度，雷诺数影响不能忽略。

钻头水利参数计算公式：1、 钻头压降：dc QP eb 422827ρ= （MPa ） 2、冲击力：VF Q j02.1ρ= (N)3、 喷射速度：dV eQ201273=(m/s)4、 钻头水功率：d c QN eb 42305.809ρ= （KW ）5、比水功率：DNN b 21273井比＝ (W/mm 2)6、 上返速度：D DV Q221273杆井返＝- （m/s ）式中：ρ－钻井液密度 g/cm 3Q－排量 l/sc －流量系数，无因次，取0.95～0.98de －喷嘴当量直径 mmd d d de 2n 2221+⋯++= d n ：每个喷嘴直径 mmD 井、D 杆 －井眼直径、钻杆直径 mm全角变化率计算公式：()()⎪⎭⎫ ⎝⎛∂+∂+∆=-∂-∂225sin 222b a b a b a L K abab ϕϕ 式中：a ∂ b ∂ －A 、B 两点井斜角；a ϕ b ϕ －A 、B 两点方位角套管强度校核：抗拉：安全系数 m ＝1.80（油层）；1.60～1.80（技套） 抗拉安全系数＝套管最小抗拉强度/下部套管重量 ≥1.80 抗挤：安全系数：1.12510ν泥挤H P= 查套管抗挤强度P c ' P c'/P挤≥1.125按双轴应力校核：Hn P ccρ10=式中：P cc －拉力为T b 时的抗拉强度（kg/cm 2） ρ －钻井液密度（g/cm 3） H －计算点深度（m ） 其中：⎪⎭⎫⎝⎛--=T T KPP b b ccc K 223T b ：套管轴向拉力（即悬挂套管重量） kg P c ：无轴向拉力时套管抗挤强度 kg/cm 2K ：计算系数 kg σs A K 2=A ：套管截面积 mm 2 σs ：套管平均屈服极限 kg/mm 2 不同套管σs 如下：J 55：45.7 N 80:63.5 P 110:87.9地层压力监测：⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=D W NT R R d m n c 0671.0lg 282.3lg (d c 指数)100417.04895.8105⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯-=H cn ddR d Rcmcnp= （压力系数）式中：T –钻时 min/m N –钻盘转数 r/minW －钻压 KN D －钻头直径 mmR n －地层水密度 g/cm 3 R m －泥浆密度 g/cm 3压漏实验：1、 地层破裂压力梯度：HPG Lm f 10008.9+=ρ KPa2、 最大允许泥浆密度：HP Lm 102max +=ρρ g/cm 3为安全，表层以下[]06.0max-=ρρm g/cm 3 技套以下[]12.0max-=ρρmg/cm 33、 最大允许关井套压：[]8.01000'max ⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛--=gHm R a P P ρρ式中：P L －漏失压力（MPa ） PR－破裂压力（MPa ）ρm－原泥浆密度（g/cm 3） H －实验井深（m ）ρ'm ax－设计最大泥浆密度（g/cm 3） 10008.9mHP PL ρ+＝漏10008.9HmR P P ρ+=破井控有关计算：最大允许关井套压经验公式：表层套管[Pa]=11.5%×表层套管下深（m ）/10 MPa 技术套管[Pa]=18.5%×技术套管下深（m ）/10 MPa地层破裂压力梯度：HPG RR 1000=KPa/m最大允许关井套压：8.000981.01000max ⨯⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=H H G P R a 套套ρ Mpa 最大允许钻井液密度：81.9'max G R=ρ－0.06 (表层)81.9'maxGR=ρ－0.12 （技套）套管在垂直作用下的伸长量：10724854.7-⨯-=∆LmL ρ式中：ρm －钻井液密度 g/cm 3 L ∆ －自重下的伸长 m L －套管原有长度 m 套管压缩距：()ρρmL LLE L 总钢固自-⨯=∆10式中：L ∆ －下缩距 m L自－自由段套管长度 mL固－水泥封固段套管长度 mL总－套管总长 mρ钢－钢的密度 7.85g/cm 3ρm－钻井液密度 g/cm 3E －钢的弹性系数 （2.1×106kg/cm 3）泥浆有关计算公式：1、加重剂用量计算公式：()rr r r r 重加原重原加加－＝-V W 式中：W 加 －所需加重剂重量 吨 V 原 －加重前的泥浆体积 米3r 原、r 重、r 加－加重前、加重后、加重材料比重 g/cm 32、泥浆循环一周时间：QT V V 60柱井-=式中：T －泥浆循环一周时间 分 V 井、V 柱 －井眼容积、钻柱体积 升 Q －泥浆泵排量 升/秒 3、井底温度计算公式：1680HT T += 式中：T 、T 0 －井底、井口循环温度 o C H －井深 米 4、配制泥浆所需粘土和水量计算：粘土量 ()rr r r r 水土水泥泥泥土－＝-V W 水量r土土泥水－＝W VQ 式中：W 土 －所需粘土的重量 吨 V 泥 －所需泥浆量 米3r 水、r 土、r 泥 －水、土和泥浆的比重 g/cm 3 Q 水 －所需水量 米35、降低比重所需加水量：()rrrrr水稀水稀原原水＝--VQ式中：Q水－所需水量米3V原－原泥浆体积米3r原、r稀、r水－原泥浆、稀释后泥浆和水的比重g/cm3。

钻头压降及钻头水马力计算钻头压降及钻头水马力计算是石油钻井工程中的重要计算之一，主要用于确定钻井液在钻头周围的流动速度、施加在钻头上的压力以及钻头的钻进能力。

在进行钻井作业时，了解钻头压降及钻头水马力的计算方法和影响因素对于确保钻井作业的平稳进行和钻头的长寿命具有重要意义。

以下将详细介绍钻头压降及钻头水马力的计算方法和影响因素。

钻头压降计算主要是指钻井液在钻头周围的流动速度所引起的损失压力。

根据流体力学原理，沿着钻井液流动方向，钻头周围的截面面积逐渐减小，流速逐渐增大，从而形成流速梯度。

流速梯度增大会导致杂质沉积在钻头周围，使流体粘度增大，从而使流动阻力增加，流速减小。

为了补偿流动阻力，需要在钻井液中施加一定的压力，这个压力就被称为钻头压降。

钻头压降的计算方法比较复杂，通常使用经验公式进行估算。

其中最常用的是比达里公式（bit hydraulics equation），该公式用于计算叶轮钻头附近的平均压降：△P=0.052×ρ×Q×(K^2/4−K_1^2/4)/K_1^6其中，△P表示单位长度的钻头压降，ρ表示钻井液密度，Q表示流速，K表示钻头内径，K_1表示钻头外径。

钻头水马力计算主要是指钻井液对钻头的施加压力。

在钻井作业中，钻头需要施加一定的压力来战胜地层的抗阻力，使钻头能够顺利地进入地层并完成钻进作业。

钻头水马力是指钻井液对钻头的施加压力，在压力足够的情况下，钻头能够更高效地进行钻进作业。

钻头水马力的计算方法也是使用经验公式进行估算。

根据油气井钻井工程的实际情况，常用的钻头水马力计算公式为：H_p=ρ_w×g×Q×g_r其中，H_p表示钻头水马力，ρ_w表示钻井液密度，g表示重力加速度，Q表示流速，g_r表示水马力系数。

钻头水马力系数是经验值，其数值大小与钻头尺寸、钻井液密度、流速以及水马力的安全系数等因素有关。

通常情况下，钻头水马力系数是根据特定的钻井工艺和地层情况进行确定的。

钻头水利参数计算公式:1、 钻头压降:dc QP eb 422827ρ= (MPa) 2、冲击力:VF Q j02.1ρ= (N)3、 喷射速度:dV eQ201273=(m/s)4、 钻头水功率:d c QN eb 42305.809ρ= (KW)5、比水功率:DNN b 21273井比＝ (W/mm 2)6、 上返速度:D DV Q221273杆井返＝- (m/s)式中:ρ－钻井液密度 g/cm 3Q－排量 l/sc －流量系数,无因次,取0、95～0、98de －喷嘴当量直径 mmd d d de 2n 2221+⋯++= d n :每个喷嘴直径 mmD 井、D 杆 －井眼直径、钻杆直径 mm全角变化率计算公式:()()⎪⎭⎫ ⎝⎛∂+∂+∆=-∂-∂225sin 222b a b a b a L K abab ϕϕ 式中:a ∂ b ∂ －A 、B 两点井斜角;a ϕ b ϕ －A 、B 两点方位角套管强度校核:抗拉:安全系数 m ＝1、80(油层);1、60～1、80(技套) 抗拉安全系数＝套管最小抗拉强度/下部套管重量 ≥1、80抗挤:安全系数:1、12510ν泥挤H P =查套管抗挤强度P c ' P c'/P挤≥1、125按双轴应力校核:Hn P ccρ10=式中:P cc －拉力为T b 时的抗拉强度(kg/cm 2) ρ －钻井液密度(g/cm 3) H －计算点深度(m) 其中:⎪⎭⎫ ⎝⎛--=T T KPP b b ccc K 223T b :套管轴向拉力(即悬挂套管重量) kg P c :无轴向拉力时套管抗挤强度 kg/cm 2K:计算系数 kg σs A K 2=A:套管截面积 mm 2 σs :套管平均屈服极限 kg/mm 2 不同套管σs 如下:J 55:45、7 N 80:63、5 P 110:87、9地层压力监测:⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫⎝⎛=DW NT R R d m n c0671.0lg 282.3lg (d c 指数)100417.04895.8105⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯-=H cnddR d R cmcnp =(压力系数)式中:T –钻时 min/m N –钻盘转数 r/minW －钻压 KN D －钻头直径 mmR n －地层水密度 g/cm 3 R m －泥浆密度 g/cm 3压漏实验:1、 地层破裂压力梯度:HPG Lm f 10008.9+=ρ KPa2、 最大允许泥浆密度:HP Lm 102max +=ρρ g/cm 3为安全,表层以下[]06.0max-=ρρmg/cm 3技套以下[]12.0max-=ρρmg/cm 33、 最大允许关井套压:[]8.01000'max ⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛--=gH m R a P P ρρ式中:P L －漏失压力(MPa) PR－破裂压力(MPa)ρm－原泥浆密度(g/cm 3) H －实验井深(m)ρ'm ax－设计最大泥浆密度(g/cm 3) 10008.9mHP P L ρ+＝漏10008.9HmR P P ρ+=破井控有关计算:最大允许关井套压经验公式:表层套管[Pa]=11、5%×表层套管下深(m)/10 MPa 技术套管[Pa]=18、5%×技术套管下深(m)/10 MPa 地层破裂压力梯度:HPG RR 1000=KPa/m最大允许关井套压:8.000981.01000max ⨯⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=H H G P R a 套套ρ Mpa 最大允许钻井液密度:81.9'max GR=ρ－0、06 (表层)81.9'maxGR=ρ－0、12 (技套)套管在垂直作用下的伸长量:10724854.7-⨯-=∆LmL ρ式中:ρm －钻井液密度 g/cm 3 L ∆ －自重下的伸长 m L －套管原有长度 m 套管压缩距:()ρρmL LLE L 总钢固自-⨯=∆10式中:L ∆ －下缩距 m L自－自由段套管长度 mL固－水泥封固段套管长度 mL总－套管总长 mρ钢－钢的密度 7、85g/cm 3ρm－钻井液密度 g/cm 3E －钢的弹性系数 (2、1×106kg/cm 3)泥浆有关计算公式:1、加重剂用量计算公式:()rr r r r 重加原重原加加－＝-V W式中:W 加 －所需加重剂重量 吨 V 原 －加重前的泥浆体积 米3r 原、r重、r 加－加重前、加重后、加重材料比重 g/cm 32、泥浆循环一周时间:QT V V60柱井-=式中:T －泥浆循环一周时间 分 V 井、V 柱 －井眼容积、钻柱体积 升 Q －泥浆泵排量 升/秒 3、井底温度计算公式:1680HT T += 式中:T 、T 0 －井底、井口循环温度 o CH －井深 米 4、配制泥浆所需粘土与水量计算:粘土量 ()rr r r r 水土水泥泥泥土－＝-V W 水量r土土泥水－＝W VQ 式中:W 土 －所需粘土的重量 吨 V 泥 －所需泥浆量 米3r 水、r 土、r 泥 －水、土与泥浆的比重 g/cm 3 Q 水 －所需水量 米35、降低比重所需加水量: ()rr r r r 水稀水稀原原水＝--V Q式中:Q 水 －所需水量 米3 V 原 －原泥浆体积 米3r 原、r 稀、r 水 －原泥浆、稀释后泥浆与水的比重 g/cm 3。

钻头水利参数计算公式：1、钻头压降：c d e(MPa) 2、 冲击力：p=i.02pQy （） (N) 3、喷射速度：匕产凹里（le(m/s)4、 钻头水功率：M- 8°饗5[°cd e(KW)5、 比水功率：N ='m弘(W/mm 2)6、上返速唐.V — 1273。

(m/s)式中:P 一钻井液密度g/cm 3Q —排量i/sc 一流量系数，无因次，取0.95〜0.98 de 一喷嘴当量直径mm〃广心+ 〃； + ••• + / dn ：每个喷嘴直径D 杆一井眼直径、钻杆直径mm全角变化率计算公式:式中：da db —A 、B 两点井斜角；（pci （pb —A. B 两点方位角mm(da + db}< 2 >套管强度校核：抗拉：安全系数m=1.80 （油层）；1.60~1.80 （技套）抗拉安全系数=套管最小抗拉强度/下部套管重量21.80抗挤：安全系数：1.125只汀警查套管抗挤强度p；只/”。

1.125按双轴应力校核：pH式中：P“一拉力为几时的抗拉强度（kg/cm2）P一钻井液密度（g/cn?）H 一计算点深度（m）其中："软k-3冗-几）T b：套管轴向拉力（即悬挂套管重量）kgPc：无轴向拉力时套管抗挤强度kg/cm2K:计算系数kg K = 2A（jA：套管截而积mn? 套管平均屈服极限kg/mm2不同套管6如下：J55： 45.7 N8O：63・5Pno：87.9井控有关计算：最大允许关井套压经验公式：表层套管[Pa]=11.5%X 表层套管下深（m ） /IO MPa 技术套管[Pa]=18.5%X 技术套管下深（m ） /IOMPa地层破裂压力梯度：G 厂巴也KPa/mH最大允许关井套压：p n =\^^--0.00981Mpa\z最大允许钻井液密度：p =纟一0.06 （表层）厂 max 9.81p 二傑一 0.12 （技套）尸max 9.81套管在垂直作用下的伸长量：al=7-85^A ，L 2X 1Q -7式中：Q —钻井液密度g/cm 3AL 一自重下的伸长m/ tnL 一套管原有长度m套管压缩距："=蔬仏几-厶几） 式中：AL 一下缩距m厶j 一自由段套管长度m厶:一水泥封固段套管长度m J 一套管总长m P 科一钢的密度7.85g/cm' p —钻井液密度g/cm 3E —钢的弹性系数（2.1X106kg/cn?）泥浆有关计算公式：1、加重剂用量计算公式：mrg式中：一所需加重剂重量吨y…, 一加重前的泥浆体积米彳九、口、心一加重前、加重后、加重材料比重g/cm3V^f V-^2、泥浆循环一周时间：T=602式中：T —泥浆循环一周时间分V井、V柱一井眼容积、钻柱体积升Q 一泥浆泵排量升/秒3、井底温度计算公式：T = T肿丄168式中：T、T o一井底、井口循环温度°CH 一井深米4、配制泥浆所需粘土和水量计算：粘土量W =匹丫血二1•上一r水水量or泥-学r上式中：W土一所需粘土的重量吨V泥一所需泥浆量米3r水、I•土、I•泥一水、土和泥浆的比重g/cm3 Q水一所需水量米'5、降低比重所需加水量:式中：Q水一所需水量米彳V快一原泥浆体积米3I•朴I•水一原泥浆.稀释后泥浆和水的比重g/cm3。