钻井工程-8-9-水力参数汇编课件

钻井工程-8-9-水力参数主要内容：主要内容：射流的水力特性射流的水力特性 钻头的水力特性钻头的水力特性 循环压耗循环压耗 地面泵的水力特性地面泵的水力特性 水力参数的优化设计水力参数的优化设计射流冲击力、射流喷速射流冲击力、射流喷速 喷嘴直径喷嘴直径钻头水功率、钻头水力压降钻头水功率、钻头水力压降整个循环系统的压耗整个循环系统的压耗钻井泵的功率，排量、泵压钻井泵的功率，排量、泵压水水力力参参数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，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。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。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（一）射流及其对井底的作用1 1 1 1、射流特性、射流特性、射流特性、射流特性 1、射流特性、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。非淹没射流非淹没射流淹没射流淹没射流 射流压力是否稳定：射流压力是否稳定：连续射流：连续射流：压力平稳压力平稳 脉冲射流：脉冲射流：流量发生一定频率的脉动，射流产生周期性动载流量发生一定频率的脉动，射流产生周期性动载 混合射流：混合射流：既有连续部分，又有脉动部分既有连续部分，又有脉动部分 空化射流：空化射流：气体进入液体产生空穴，空穴破裂产生很高的压力气体进入液体产生空穴，空穴破裂产生很高的压力 射流分类（按条件）射流分类（按条件）射流与周围流体介质的关系：射流与周围流体介质的关系：有无固体边界：有无固体边界：无固体边界，无固体边界，自由射流自由射流 有固体边界有固体边界，非自由射流非自由射流钻头喷嘴的射出的射流为淹没非自由连续射流钻头喷嘴的射出的射流为淹没非自由连续射流井底射流特性：井底射流特性：（1）射流形状）射流形状 （2）扩散角）扩散角 a 射流纵剖面上周界母线的夹角射流纵剖面上周界母线的夹角称为射流扩散角称为射流扩散角 a。它反映了射流的密集程度。它反映了射流的密集程度。a越小，则射流的密集程度越高，能越小，则射流的密集程度越高，能量就越集中。量就越集中。射流的喷距：射流的喷距：射流断面距喷嘴出口的距离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，射流轴线上的速度速度，超过等速核以后，射流轴线上的速度 迅速降低。迅速降低。（3）速度分布规律）速度分布规律在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为 初始速度。初始速度。在射流的任一横截面上，射流轴心上的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，到射流边最高，由中心向外速度很快降低，到射流边 界上速度降为零。界上速度降为零。射流中心部分保持初始速度流动的流束，称射流中心部分保持初始速度流动的流束，称 为为射流等速核。射流等速核。等速核长度与喷嘴直径和流道形状有关。等速核长度与喷嘴直径和流道形状有关。（4）井底漫流）井底漫流 射流撞击井底后，形成压力冲击波和射流撞击井底后，形成压力冲击波和沿井底高沿井底高速流动的漫流。速流动的漫流。一、喷射式钻头的水力特性一、喷射式钻头的水力特性（一）射流及其对井底的作用（一）射流及其对井底的作用1 1、射流特性、射流特性2 2、射流对井底的清洗作用、射流对井底的清洗作用 （1）射流的冲击压力作用）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。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）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），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。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、射流对井底的清洗作用一、喷射式钻头的水力特性一、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。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（一）射流及其对井底的作用1 1、射流特性、射流特性3 3 3 3、射流对井底破岩作用射流对井底破岩作用射流对井底破岩作用射流对井底破岩作用2 2、射流对井底的清洗作用、射流对井底的清洗作用3、射流对井底破岩作用、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，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。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，形成微裂纹和微裂缝内，形成“水楔水楔”，使微裂纹和裂缝扩展，从而大，使微裂纹和裂缝扩展，从而大 大降低岩石的破碎强度。大降低岩石的破碎强度。一、喷射式钻头的水力特性一、喷射式钻头的水力特性（一）射流及其对井底的作用（一）射流及其对井底的作用（二）射流水力参数（二）射流水力参数（二）射流水力参数（二）射流水力参数1 1、射流特性、射流特性2 2、射流对井底的清洗作用、射流对井底的清洗作用3 3、射流对井底破岩作用、射流对井底破岩作用表征射流水力能量大小的参数：表征射流水力能量大小的参数：喷射速度，射流冲击力，射流水功率喷射速度，射流冲击力，射流水功率计算位置：计算位置：喷嘴出口断面喷嘴出口断面1、射流喷射速度、射流喷射速度 （工程单位）（工程单位）2、射流冲击力、射流冲击力（国际单位）（国际单位）（工程单位）（工程单位）（国际单位）（国际单位）3、射流水功率、射流水功率 单位时间内射流所具有的做功能量称为射流水功率。单位时间内射流所具有的做功能量称为射流水功率。国际单位制国际单位制（KW）工程单位制工程单位制一、喷射式钻头的水力特性一、喷射式钻头的水力特性（一）射流及其对井底的作用（一）射流及其对井底的作用（三）钻头水力参数（三）钻头水力参数（三）钻头水力参数（三）钻头水力参数1 1、射流特性、射流特性2 2、射流对井底的清洗作用、射流对井底的清洗作用3 3、射流对井底破岩作用、射流对井底破岩作用（二）射流水力参数（二）射流水力参数射流水力能量和喷嘴损耗能量的综合反映，包括：射流水力能量和喷嘴损耗能量的综合反映，包括：钻头压力降钻头压力降钻头压力降钻头压力降 钻头水功率钻头水功率钻头水功率钻头水功率1、钻头压力降、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。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，喷嘴流量系数，与喷嘴的阻力系数有关，C 时：当Q 时，时，Q ,这对泵这对泵的工作不利，实际工作取的工作不利，实际工作取 1 2 3 4 5。和和 分别称为最大射流冲击力标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。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、最优喷嘴直径的确定 当当 D 时，时，当当 时，时，当当D 时，时，当当 D 时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大。时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大。当当 时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐减小。时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐减小。当当 D 时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大。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（四）水力参数优化设计的步骤 1、主要任务：、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。径。2、设计步骤：、设计步骤：（1）确定携岩要求的最小排量）确定携岩要求的最小排量 a、根据经验公式：、根据经验公式：b、根据岩屑举升效率：、根据岩屑举升效率：式中：式中：最低环空返速，最低环空返速，m/s；钻井液密度，钻井液密度，井深，井深，cm；式中：式中：岩屑举升效率，无因次；岩屑举升效率，无因次；环空的平均上返速度，环空的平均上返速度，m/s；岩屑在环空的实际上返速度，岩屑在环空的实际上返速度，m/s;一般要求一般要求岩屑的下滑速度：岩屑的下滑速度：式中：式中：岩屑下滑速度，岩屑下滑速度，m/s;分别为岩屑和钻井液密度，分别为岩屑和钻井液密度，岩屑直径，岩屑直径，cm；钻井液的有效粘度，钻井液的有效粘度，Pa.s;携岩所需的最小排量：携岩所需的最小排量：（2）计算循环压耗系数）计算循环压耗系数 分别计算：分别计算：（3）选择缸套直径，确定额定泵压）选择缸套直径，确定额定泵压 、排量、排量 、功率、功率 ；原则：原则：1）尽可能选择额定排量与实际排量接近的缸套；）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。）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）最优排量和喷嘴直径计算 1）计算第一、第二临界井深）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）计算各井段的最优排量和喷嘴直径（5）各水力参数计算）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。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：设计举例：已知条件：钻头直径已知条件：钻头直径 D=215.9mm=21.59cm;喷嘴流量系数喷嘴流量系数 C=0.98 钻铤钻铤 dc=17.78 cm,dci=7.14cm,Dc=120m 内平钻杆内平钻杆 dp=12.7 cm,dpi=10.86cm 井队配备两台井队配备两台NB1000钻井泵钻井泵 井深井深 D=4000 m,要求环空返速不低于要求环空返速不低于0.7m/s；地面泵压以不超过地面泵压以不超过 18 MPa 为适合为适合 试按最大钻头水功率方式对该井深处进行水力参数设计。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：解：确定最小排量确定最小排量 Qa 最低环空返速最低环空返速Va 为：为：m/s 由于要求环空返速不小于由于要求环空返速不小于0.7m/s，故取，故取Va=0.7m/s 携岩要求的最小排量：携岩要求的最小排量：计算不同井深循环压耗系数计算不同井深循环压耗系数 井深井深4000m处的循环压耗系数为：处的循环压耗系数为：选择缸套选择缸套 定排量定排量 ，且接近才能充分发挥泵的工作效率；，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 排量的排量的90%，因此，所选缸套的额定排量应满足：因此，所选缸套的额定排量应满足：选择选择3NB1000的缸套直径，由表的缸套直径，由表4-6选择选择120的缸套直径，额定排量为的缸套直径，额定排量为19.9L/s，额定泵压为，额定泵压为33.1MPa 。有：有：33.1*0.9=27.79 MPa 19.9*0.9=17.91 L/s 根据限定条件：地面泵压以不超过根据限定条件：地面泵压以不超过18 Mpa 为适合，为适合，则：泵的工作额定泵压则：泵的工作额定泵压 Pr=18 Mpa 工作额定排量工作额定排量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 第一临界井深第一临界井深 第二临界井深第二临界井深计算优选排量计算优选排量 由于由于D=4000m小于第一临界井深，故：小于第一临界井深，故：确定喷嘴直径确定喷嘴直径 4000m 井深处的循环压耗为：井深处的循环压耗为：根据：根据：得得 de=1.36 cm计算各水力参数计算各水力参数本章结束！本章结束！复习思考题复习思考题 1、钻压、转速、牙齿磨损量、水力因素和钻井液性能等因素怎样影响机械钻速的、钻压、转速、牙齿磨损量、水力因素和钻井液性能等因素怎样影响机械钻速的？2、什么是门限钻压？、什么是门限钻压？转速指数为什么一般小于转速指数为什么一般小于1？如何确定门限钻压和转速指数？如何确定门限钻压和转速指数？3、修正的杨格钻速模式、修正的杨格钻速模式4、钻压、转速、牙齿磨损量对钻头磨损的影响规律、钻压、转速、牙齿磨损量对钻头磨损的影响规律5、牙轮钻头牙齿、轴承磨损方程、牙轮钻头牙齿、轴承磨损方程6、如何确定牙齿磨损系数、地层可钻性系数、地层研磨性系数？、如何确定牙齿磨损系数、地层可钻性系数、地层研磨性系数？7、机械参数优选的目标及目标函数中的、机械参数优选的目标及目标函数中的 J,S,E,F,J/S 的物理意义的物理意义 8、在实际工作中，如何确定最优钻压、在实际工作中，如何确定最优钻压、转速配合、转速配合9、射流的概念、淹没非自由连续射流的基本特征、射流对井底的作用、射流的概念、淹没非自由连续射流的基本特征、射流对井底的作用10、射流水力参数的概念与计算、射流水力参数的概念与计算11、水功率的传递关系、水功率的传递关系12、循环压耗的影响因素及计算、循环压耗的影响因素及计算13、提高钻头水力参数的途径、提高钻头水力参数的途径14、根据排量的大小，可以将钻井泵的工作分为哪几种工作状态？、根据排量的大小，可以将钻井泵的工作分为哪几种工作状态？在不同的工作状态下，泵压、排量、输出功率是怎样变化的在不同的工作状态下，泵压、排量、输出功率是怎样变化的?如何充分发挥泵的能力？如何充分发挥泵的能力？15、在不同的钻井泵的工作状态下，如何才能获得最大的钻头水功率？、在不同的钻井泵的工作状态下，如何才能获得最大的钻头水功率？16、第一、第二临界井深有何意义、第一、第二临界井深有何意义？如何计算？如何计算？要获得最大钻头水功率，排量和喷嘴直径如何确定？要获得最大钻头水功率，排量和喷嘴直径如何确定？喷嘴直径理论上应如何变化？喷嘴直径理论上应如何变化？17、水力参数优化设计的主要任务是什么？、水力参数优化设计的主要任务是什么？如何进行水力参数的优化设计？如何进行水力参数的优化设计？此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢