第7章喷射钻井.doc

第七章 喷射钻井
第一节 基础知识

1．岩屑携带的过程：
（1）岩屑离开井底；
（2）岩屑上返携带出地面。
2．清洗困难的原因：
（1）井内液柱压力大于地层压力
（2）泥浆在井底有失水作用—→垫层—→泥包钻头
3．喷射钻井的特点：
（1）高压水射流
（2）辅助和直接破岩

第二节 喷射式钻头的工作原理

一、射流的结构和特性
射流：自小缝隙或微孔喷出的流体，不是由于重力作用传播的现象称为射流。
1、淹没非自由射流的形状
（1）淹没：淹没在泥浆中。
（2）非自由：受到井壁的影响。
（3）射流的形状和射流扩散角
结构：“枣核”状、“梭”形
射流的扩散角α：射流刚离开喷嘴的一段，其边界线间的夹角。
α越小，射流越密集，射程越远。
2、射流扩散系数：
（1）扩散系数：

（2）极点J0：

3、射流的速度分布
划分为初始段和基本段，其分布规律为：
等速核——保持出口速度不变；
轴线速度——初始段后迅速降低；
截面速度——自中心轴向外，迅速降低；
4、射流的动压力分布
定义：
压力分布——同速度分布。

二、射流对井底的清洗作用
1、射流的冲击压力作用
（1）冲击压力的不均匀性（局部作用，自身分布）
射流的冲击翻转作用
（2）钻头旋转加速了不均匀性
剖面压力分布不均＋冲击区转动
2、漫流的横推作用

——射流喷速；
Q——射流流量。
结论：
（1）射流速度↑→漫流速度增加
（2）减少喷射距离
（3）使值尽可能大

三、射流的水力参数
1、射流喷射速度Vo
m/s
Q——钻井液排量，l/s；
——喷嘴出口截面积，。
喷嘴当量直径：
2、射流冲击力
射流冲击力：射流在其作用的面积上总作用力的大小:
kN
r——射流流体密度，g/cm3；
3、射流水功率
射流水功率Nj：单位时间内射流具有作功的能量:
千瓦
四、钻头水力参数
1、钻头压力降Pb：
Mpa
C——喷嘴流量系数。
2、钻头水功率
钻头水功率Nb：钻井液流过钻头时所消耗的水力功率
千瓦
3、射流水力参数与钻头水力参数的关系

Pb、Nb、喷嘴能量转换效率↑→V0、Fj、Nj↑

五、喷嘴结构及其水力特征
1、喷嘴的流量系数
（1）喷嘴流量系数实验
（2）流量系数的含义
实际流量与理论流量的比值，反映了喷嘴对液流的阻力大小。
2、喷嘴结构对射流的影响（自学） P17表4-3
3、喷嘴的选用
（1）喷嘴流道形状的选择：
流线型，等变速型最好
（2）喷嘴设计、加工和组装应注意质量P17
（3）喷嘴的直径的选择
允许的情况下尽可能小

第三节 水功率的传递原理

在钻井过程中，钻井液循环的能量是由泥浆泵提供的。在钻井液循环的过程中，它的能量消耗可以分为两个部分，第一部分为地面管汇和钻柱内外的流动阻力所消耗的能量，第二部分为钻头喷嘴消耗的能量。

一、水功率传递的基本关系式

N与P之间的关系：

二、循环系统压力损耗计算

（一）压耗计算的基本公式
（1）范宁—达西公式
（管流）
（环空）
（2）压剪公式
（管流）
（环空）
（3）对两个基本公式的分析
关键确定 f 和 τw ，因为τw 测量和确定比较困难，因此压剪平衡公式的适用范围小。

（二）流态的判别
1．雷诺数的确定
（1）计算公式 P23 表4-5
（2）判别准则：
① 牛顿流体：Rec=2000；
② 幂律流体：
③ 宾汉流体：
a. Hedstrom 数
圆管：
环空：
b. 临界雷诺数的确定
圆管：
环空：
确定方法：
方法 1：查图法，根据He 从图中可以得到Rec
方法 2：迭代法。
2．稳定性参数Z
（1）计算公式：

（2）判别准则
Zc=808；
（三）层流流态下压耗的计算
1．根据流变参数计算 P23 表4-5
2．根据雷诺数求层流摩阻系数f，计算压耗
（管流）
（环空）
3．根据流变曲线求τw ，再求压耗 P25 表4-6

（四）紊流流态下压耗的计算
1．宾汉流体

A=0.053（内平钻杆）； A=0.059（钻杆内和环型空间）
具体见 P27 （4-53）到（4-55）
2．幂律流体
a. 方法1：
圆管和环空紊流：
b. 方法 2：修正的伯拉修斯阻力公式

c. 方法 3：修正的卡门 (Karman) 阻力公式

（五）循环系统压耗计算公式的简化
1．全部采用紊流公式
2．循环系统压耗公式合并
合并的结果：

三、提高钻头水力参数的途径
将钻头压降公式简化为：

则：

P30 四点认识

第四节 喷射钻井的水力程序设计

水力程序设计的主要任务：确定泥浆排量和喷嘴直径

一、低返速下岩屑的举升问题
1．岩屑举升效率
岩屑的下滑速度 VH ，泥浆的上返速度Va，则岩屑的实际速度Vs为：

举升效率： Ks=Vs/Va
要求：Ks>=0.5
提高举升效率的措施：
（1）泥浆要有好的剪切稀释性和触变性
（2）环空流态尽量为平板型层流
2．流速的限制
防止井壁冲蚀：

二、泥浆泵的工作状态
1．基本参数
额定功率Nr：最大输出功率；
最大输出功率=最大输入功率×机械效率×容积效率
额定泵压 Pr：某种缸套允许的最高压力；
额定排量Qr：当泵压为额定泵压、泵功率为额定泵功率的时的排量,此时泥浆泵的冲数为额定冲数（最大冲数）。
2．工作状态
** 泥浆泵工作状态图
（1）额定泵压工作状态
在时，保持工作时的工作状态。
特点：泵功率随排量变化而变化，
（2）额定功率工作状态
在时，保持工作时的工作状态。
特点：泵压随排量增大而减小，

三、喷射钻井的工作方式
（一）喷射钻井工作方式的含义
射流和钻头的5个水力参数中钻头水功率和射流水功率实际上是一个参数，现场采用钻头水功率，简化为4个参数；
经过公式转换，分别建立4个水力参数和排量的关系式（4-76～4-79）；
特点：无法找到一个排量使4个水力参数同时达到最大。
从不同的观点出发，提出了4种工作方式：
最大钻头水马力方式 （“功”的观点） **
最大冲击力方式 （“力” 的观点） *
最大射流速度方式（“压力” 的观点）
经济钻头水功率方式（“经济”的观点）

（二）各种工作方式下获得最优参数的条件
1．最大钻头水马力方式
（1）额定功率工作状态

时，Nb 取得最大值。
（2）额定泵压工作状态

求导，取极小值，得：
时，Nb 取得最大值。
2．最大射流冲击力
（1）额定功率工作状态
（2）额定泵压工作状态
3．最大射流速度方式（“压力” 的观点）
（1）额定功率工作状态
（2）额定泵压工作状态
4．经济钻头水功率方式（“经济”的观点）

（三）最大水马力和最大冲击力方式下工作特点
1．两种方式的图象
（1）最大水马力工作方式
（2）最大冲击力工作方式
2．临界井深
（1）最大水马力工作方式
（2）最大冲击力工作方式
3．临界压耗和临界压耗系数

（四）各方式的排量和喷嘴直径的确定

四、水力程序设计步骤

第七章 作业：
1、从水力能量的传递和分配的角度出发分析喷射钻井的基本原理。
2、分析射流对钻井的影响。
3、一钻头使用直径分别为8mm，8mm，13mm的三个喷嘴，钻井液密度为1.15g/cm3，钻井液排量为30l/s，钻头流量系数为0.975，分别计算射流水力参数和钻头水力参数。
4、简述如何根据最大水马力工作方式设计喷射钻井参数。
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