页数：63页文件大小：2.68 MB来源： 钻井工程ppt课件
本课件讲授钻井水力学，从射流的水力特性与井底净化机理讲起，分析喷射式钻头的水力特性、水功率传递关系与循环系统压耗计算，介绍钻井泵的工作特性，最后按最大钻头水功率与最大射流冲击力两种标准给出水力参数优选条件和设计步骤。
钻井水力学与水力参数优选钻井工程
喷射钻井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。
把岩屑及时的冲离井底，并辅助破碎岩石.
主要内容：射流的水力特性钻头的水力特性循环压耗地面泵的水力特性水力参数的优化设计射流冲击力、射流喷速喷嘴直径钻头水功率、钻头水力压降整个循环系统的压耗钻井泵的功率，排量、泵压水力参数寻求合理的水力参数配合，使井底获得最大的水力能量分配，从而达到最优的井底净化效果和提高机械钻速的目的。
一、喷射式钻头的水力特性在钻头上安放喷嘴，钻井液流经喷嘴产生高压射流，射流冲击井底，达到清除井底岩屑及破碎岩石的目的。
（一）射流及其对井底的作用1、射流特性
井底射流特性：（1）射流形状（2）扩散角a射流纵剖面上周界母线的夹角称为射流扩散角a。
它反映了射流的密集程度。
a越小，则射流的密集程度越高，能量就越集中。
射流的喷距：射流断面距喷嘴出口的距离
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。
（3）速度分布规律在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为初始速度。
在射流的任一横截面上，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。
（4）井底漫流射流撞击井底后，形成压力冲击波和沿井底高速流动的漫流。
一、喷射式钻头的水力特性（一）射流及其对井底的作用1、射流特性2、射流对井底的清洗作用
（1）射流的冲击压力作用射流冲击井底后形成的冲击压力极不均匀，极不均匀的冲击压力使岩屑受到一个翻转的力矩，从而离开井底。
（2）漫流的横推作用射流冲击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流（高速漫流），井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。
2、射流对井底的清洗作用
3、射流对井底破岩作用在岩石强度较低的地层，射流的冲击力超过了地层的破碎强度，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。
1、射流喷射速度（工程单位）2、射流冲击力（国际单位）（工程单位）（国际单位）
1、钻头压力降钻头压力降是钻井液流过钻头喷嘴以后钻井液压力的降低值。
（MPa）C—喷嘴流量系数，与喷嘴的阻力系数有关，C<1;—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；
一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系水功率传递路径：钻井泵地面管汇钻柱内钻头环空地面
压力分配:水功率分配钻头压降环空压耗钻柱内压耗地面管汇压耗钻井泵水功率钻井泵压力钻头水功率环空水功率钻柱内水功率地面管水汇功率
一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压降的计算（一）压耗计算的基本公式
假设：（1）钻井液为宾汉流体（2）钻井液在循环系统各部分的流动均为等温紊流流动（3）钻柱处于与井眼同心的位置（4）不考虑钻柱旋转（5）井眼为已知直径的圆形井眼（6）钻井液是不可压缩流体。
（一）压耗计算的基本公式
一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压降的计算（一）压耗计算的基本公式（二）摩阻系数f的确定
1、宾汉流体在紊流状态下摩阻系数f与Re的关系管内流：管外流：k—系数，与管路特性有关，表4－5；—雷诺数
2循环系统摩阻系数计算公式（1）内平钻杆及钻铤管内（2）贯眼接头钻杆管内（3）环形空间
一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压降的计算（一）压耗计算的基本公式（二）摩阻系数f的确定（三）循环系统压耗的计算公式
（1）地面管汇压耗地面管汇：地面高压管线立管水龙带（头）方钻杆长度,m：L1L2L3L4内径,cm：d1d2d3d4管内压耗：
（2）钻杆内压耗（3）钻铤内压耗（4）钻杆外环形空间压耗（5）钻铤外环空压耗
钻杆内外压耗钻铤内外压耗
分别令为地面管汇、钻杆内外、钻铤内外的压耗系数，即：
则总压耗计算公式：整个循环系统的压耗系数•将压耗系数作进一步的变化，设井深为D，并令令：则
一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压降的计算（一）压耗计算的基本公式（二）摩阻系数f的确定（三）循环系统压耗的计算公式（四）提高钻头水力参数的途径
一、喷射式钻头的水力特性二、水功率传递的基本关系三、循环系统压降的计算四、钻井泵的工作特性
四、钻井泵的工作特性1、钻井泵的性能参数额定功率——钻井泵的最大输出功率，,KW;额定泵压——所用缸套的允许工作压力，,MPa;额定排量——在额定功率和额定泵压时的排量，Qr,L/s；额定泵冲——额定排量时的泵冲数,次／分钟。
额定功率、额定泵压和额定排量关系
2、额定泵的工作状态根据泵排量大小，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：（2）额定功率工作状态：只有当泵排量等于额定排量时，钻井泵才能同时达到额定输出功率和额定泵压，因此，应尽量选用额定排量与实际排量相近的缸套。
钻井泵的实际工作状态取决于所选缸套的大小：
五、水力参数优选（一）优选标准：目标：获得最大的水力参数或钻头水力参数射流水力参数钻头水力参数由于：所以可选其中的作为优选标准。
各水力参数随排量的变化规律：由曲线可知：选择一个排量不能使四个参数同时达到最大，那么究竟按照什么标准来优选排量呢？
三种选择方式：以为标准选排量称为最大水功率工作方式以为标准选排量称为最大冲击力工作方式以为标准选排量称为最大喷射速度工作方式
（二）获得最大钻头水功率的条件目标函数：1、在额定泵功率状态下由上式可看出：Q，；Q ,。
理论上Q越小越好，但最小Q=。
因此，在额定泵功率状态下，获得最大钻头水功率的条件是：
2、在额定泵压状态下工作令：得：求得最优排量为：此时有：
3、最优排量随井深的变化规律当Q>时：当Q<时：不同井深和排量下的钻头水功率的变化规律图像如图4-21所示。
其中：
12时，钻头水功率最高时的排量为额定排量，此时泵处于额定功率工作状态，23时，泵处于额定泵压工作状态34时，为满足携带岩屑所需要的最小排量。
2点和3点是两个转折点，有特殊的意义。
2点对应的深度为第一临界井深，该井深是钻井泵由额定功率工作方式向额定泵压工作方式的转折点。
3点对应的深度为第二临界井深。
当D=时，最优排量：由：可求得第一临界井深为：当D=时，最优排量：由此可求得第二临界井深为：
4、喷嘴直径的确定钻头水功率能否达到最大，还取决于钻头喷嘴直径的大小，因为喷嘴直径的大小决定了钻头上的压力降，从而决定泵的工作压力。
由得当D时则当D时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大。
当时：当时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐减小。
当时：当时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大。
（三）获得最大射流冲击力的条件1、泵在额定功率的工作状态下工作最优排量：2、泵在额定泵压的工作状态下工作令：得
3、最大射流冲击力随排量和井深的变化规律当Q>时，Q<时，理论上推出的获得最大射流冲击力的路线为1‘ 2 3 4 5由于1‘ 2段Q> ,这对泵的工作不利，实际工作取1 2 3 4 5。
和分别称为最大射流冲击力标准下的第一临界井深和第二临界井深。
4、最优喷嘴直径的确定当D时，当时，当D >时，当D时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大。
当时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐减小。
当D >时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大。
（四）水力参数优化设计的步骤1、主要任务：水力参数优化设计的标准是获得最大钻头水功率或最大射流冲击力。
能否获得上述标准，取决于排量、喷嘴直径和钻井泵的工作状态（与缸套选择有关），因此，水力参数优化设计的主要任务是确定钻井液排量，选择合适的钻头喷嘴直径和泵的缸套直径。
（2）计算循环压耗系数分别计算：（3）选择缸套直径，确定额定泵压、排量、功率；原则：1）尽可能选择额定排量与实际排量接近的缸套；2）缸套的工作压力不能超过循环系统的耐压能力。
（4）最优排量和喷嘴直径计算1）计算第一、第二临界井深2）计算各井段的最优排量和喷嘴直径（5）各水力参数计算计算各井段射流水力参数和钻头水力参数，结果列表。
设计举例：已知条件：钻头直径D=215.9mm=21.59cm;喷嘴流量系数C=0.98钻铤dc=17.78 cm, dci= 7.14cm ,Dc =120m内平钻杆dp=12.7 cm, dpi=10.86cm井队配备两台NB—1000钻井泵井深D=4000 m ,要求环空返速不低于0.7m/s；地面泵压以不超过18 MPa为适合试按最大钻头水功率方式对该井深处进行水力参数设计。
解：确定最小排量Qa最低环空返速Va为：m/s由于要求环空返速不小于0.7m/s，故取Va=0.7m/s携岩要求的最小排量：计算不同井深循环压耗系数
井深4000m处的循环压耗系数为：
选择缸套定排量，且接近才能充分发挥泵的工作效率；根据泵的使用特点，一般缸套的工作额定排量为缸套额定排量的90%，因此，所选缸套的额定排量应满足：选择3NB—1000的缸套直径，由表4-6选择120ｍｍ的缸套直径，额定排量为19.9L/s，额定泵压为33.1MPa。
有：33.1 * 0.9 = 27.79 MPa19.9 * 0.9 =17.91 L/s根据限定条件：地面泵压以不超过18 Mpa为适合，则：泵的工作额定泵压Pr =18 Mpa工作额定排量Qr = 17.91 L/s
计算按钻头最大水功率方式下的临界井深第一临界井深第二临界井深
计算优选排量由于D=4000m小于第一临界井深，故：确定喷嘴直径4000m井深处的循环压耗为：根据：得de=1.36 cm
计算各水力参数
本章结束！
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