《石油工业概论》课件-钻井水力参数优化设计

钻井水力参数优化设计（一）钻井施工技术课程目录CONTENTS喷射钻井技术01射流及其对井底的作用02喷射钻井技术01喷射钻井技术喷射钻井技术就是采用大功率的泥浆泵和可以产生高速射流的钻头喷嘴，使高压钻井液，流过喷嘴时可产生高速流动的水射流，给井底以很大的冲击力，把岩屑及时冲离井底，并辅助破碎岩石，该技术称为喷射钻井技术。射流及其对井底的作用02射流及其对井底的作用1.射流特性：射流是指通过管嘴或孔口过水断面周界不与固体壁接触的液流。射流分类：非淹没射流和淹没射流。射流运动和发展是否受固体边壁影响分：自由射流和非自由射流。射流出喷嘴后，由于摩擦作用。射流流体与周围流体产生动量交换，带动周围流体一起运动，使射流的周界直径不断扩大。射流形状具有等速核及扩散角。射流纵剖面上周界母线的夹角称为射流扩散角。它反映了射流的密集程度。α越小，则射流的密集性越高，能量就越集中。在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为初始速度；在射流任一横截面上，射流轴心上的速度最高，由中心向外速度很快降低，到射流边界上速度降为零；射流中心部分保持初始速度流动的流束，称为射流等速核。等速核长度与喷嘴直径和流道形状有关；在等速核以内，射流轴线上的速度，等于出口速度；超过等速核以后，射流轴线上的速度迅速降低。射流及其对井底的作用2.射流对井底的清洗作用（1）射流的冲击压力作用射流撞击井底后形成的冲击压力波，并不是作用在整个井底，而是作用在射流冲击面积上，如图所示，就小圆面积而言，射流冲击压力也极不均匀，射流作用的中心压力最高，离开中心则压力急剧下降。由于钻头的旋转，射流作用的小面积在迅速移动，本来不均匀的压力分布又在迅速变化。由于这两个原因，使作用在井底岩屑上的冲击压力极不均匀。极不均匀的冲击压力使岩屑产生一个翻转力矩，从而离开井底。这就是射流对井底岩屑的冲击翻转作用，如图所示。（2）漫流的横推作用射流撞击井底后，形成压力冲击波和沿井底高速流动的漫流。对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。对井底清洗有非常重要的作用。射流及其对井底的作用（3）射流对井底的破岩作用在岩石强度较低的地层，射流的冲击压力超过地层的破碎强度，直接破碎岩石。在岩石强度较高的地层，射流挤入岩石中由钻头机械力造成的微裂纹和微裂缝内，形成“水楔”，使微裂纹和裂缝扩展，从而大大降低岩石的破碎强度。钻井水力参数优化设计（二）钻井施工技术课程目录CONTENTS射流的水力参数01钻头水力参数02水功率传递的关系03射流的水力参数01射流的水力参数

射流水力参数包括射流的喷射速度、射流冲击力和射流水功率。计算位置：喷嘴出口断面。射流喷射速度：钻头喷嘴出口处的射流速度称为射流喷射速度，习惯上称为喷速，其计算式如下所示：式中：Vｊ──当量喷嘴射流喷速，ｍ／ｓ；Ｑ──通过钻头喷嘴的钻井液流量，Ｌ／ｓ；Ａ０──钻头当量喷嘴出口截面积，ｃｍ２；ｄｉ──喷嘴直径（ｉ＝１，２，…，ｎ），ｃｍ；ｎ──喷嘴个数

射流冲击力是指射流在其作用的面积上的总作用力的大小。喷嘴出口处的射流冲击力表达式可以根据动量定理导出，其形式如下：

式中Ｆｊ──相当喷嘴的射流冲击力，KＮ；ρｄ──钻井液密度，ｇ／ｃｍ３。射流在冲离岩屑、清洗井底和协助钻头破碎岩石的过程中，实质上是射流不断对井底和岩屑做功。单位时间内射流所具有的做功能量越多，其清洗井底和破碎岩石的能力就越强。单位时间内射流所具有的做功能量，就是射流水功率，其表达式为：射流在冲离岩屑、清洗井底和协助钻头破碎岩石的过程中，实质上是射流不断对井底和岩屑做功。单位时间内射流所具有的做功能量越多，其清洗井底和破碎岩石的能力就越强。单位时间内射流所具有的做功能量，就是射流水功率，其表达式为：钻头水力参数02钻头水力参数（1）钻头压力降钻头压力降是指钻井液流过钻头喷嘴以后钻井液压力降低的值。公式如下所示：式中：C——喷嘴流量系数,与喷嘴的阻力系数有关，C<1。de——喷嘴当量直径，即与n个喷嘴出口截面面积总和相当的喷嘴直径，cm；（2）钻头水功率钻头水功率是指钻井液流过钻头喷向井底所消耗的水力功率。公式如下所示：我们可以得到钻头水功率与射流水功率之间的关系式如下所示：水功率传递的关系03水功率传递的关系水功率传递的关系钻头水功率由钻井泵提供，钻井泵的输出功率(泵功率)：钻井液从钻井泵排出时，具有一定的水功率。水功率传递路径:钻井泵→地面管汇→钻柱内→钻头→环空→地面。(说明：1表示钻井泵2表示地面管汇3表示钻柱内,4钻头，5环空6地面,要求流体在各路径显示。）压力分配关系：水功率分配关系：式中：ΔPs、Ps—钻井泵压力及功率；ΔPg、Pg—地面管汇压耗及功率；ΔPst、Pst—钻柱内压耗及功率；ΔPan、Pan—环空压耗及功率；ΔPb、Pb—钻头压降及水功率。钻井水力参数优化设计（三）钻井施工技术课程目录CONTENTS钻井泵的工作特性01水力参数的优化设计02钻井泵的工作特性01钻井泵的工作特性

每一种泵都有一个最大输出功率，称为泵的额定功率；每一种钻井泵都有几种直径不同的缸套，每种缸套都有一定的允许压力，称为使用该缸套时的额定泵压。在额定泵功率和额定泵压时的排量，称为泵的额定排量；额定排量时的泵冲数为泵的额定冲数。泵的额定功率、额定泵压和额定排量的关系为：Ｐｒ＝ｐｒＱｒ式中：Ｐｒ—额定泵功率，ｋＷ；ｐｒ—额定泵压，ＭＰａ；Ｑｒ—额定排量，Ｌ／ｓ。根据泵排量的大小，可将钻井泵的工作分为两种工作状态：（1）额定泵压工作状态：当Ｑ＜Ｑｒ时，由于泵压受到缸套允许压力的限制，即泵压最大只能等于额定泵压Pｒ，因此泵功率要小于额定泵功率。随着排量的减小，泵功率将下降。泵的这种工作状态称为额定泵压工作状态。（2）额定泵功率工作状态：当Ｑ＞Ｑｒ时，由于泵功率受到额定泵功率的限制，即泵功率最大只能等于额定泵功率Ｐｒ。随着排量的增加，泵的实际工作压力要降低。泵的这种工作状态称为额定泵功率工作状态。从泵的两种工作状态可以看出，只有当泵排量等于额定排量时，钻井泵才有可能同时达到额定输出功率和缸套的最大许用压力。因此，在选择缸套时，应尽可能选择额定排量与实用排量相近的缸套，这样才能充分发挥泵的能力。水力参数的优化设计02水力参数的优化设计01确定最小排量Ｑａ

a.现场工作经验法

b.根据经验公式：通常使用的经验公式为：

Va=18.24/ρd

Dh式中：Va—最低环空返速，m/s；ρd—钻井液密度，g/cm3；Dh—井径，cm。02计算各井段循环压耗系数将全井分为若干个井段，用每个井段最下端处的井深作为计算井深。根据前面所讲的公式，分别计算Ｋｇ、Ｋｐ、Ｋｃ、ｍ、ａ，最后计算不同井深时的循环系统压耗系数ＫＬ＝ａ＋ｍＤ。03选择缸套直径和确定最高泵压：钻井泵的每一级缸套都有一个额定排量，在所选缸套的额定排量