第四章钻进参数优选2.

第四章钻进参数优选第三节水力参数优化设计•第三节水力参数优化设计•把岩屑携带出来要经过两个过程，第一个过程是使岩屑离开井底，进入环形空间；第二个过程是依靠钻井液上返将岩屑带出地面。•把岩屑冲离井底困难的原因是：第一，在钻井过程中，井内钻井液形成的压力大于地层压力，对井底岩屑有一个压持作用，使岩屑难以离开井底；第二，钻井液在井底同样具有失水作用留下泥饼，将钻头与井底隔开。•钻井水力参数是指表征钻头水力特性、射流水力特性以及地面水力设备性质的量。•主要包括钻井泵的功率、排量、泵压、以及钻头水功率、钻头水力压降、钻头喷嘴直径、射流冲击力、射流喷速和环空钻井液上返速度等。•水力参数优化设计的目的就是寻求合理的水力参数配合，使井底获得最优的水力能量分配，从而达到最优的井底净化效果，提高机械钻速。•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•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：•按与周围流体介质的关系划分：ρ射ρ介，非淹没射流，•ρ射ρ介，淹没射流•按射流的运动和发展是否受到固壁限制分：无固体边界—自由射流•有固体边界—非自由射流•按射流压力是否稳定划分：连续射流——压力平稳脉冲射流——流量发生一定频率的脉动，射流产生周期性的动载混合射流——既有连续部分，又有脉动部分空化射流——气体进入液体产生空穴，空穴破裂产生很高的压力•自钻头喷嘴射出的射流为淹没非自由连续射流。•射流纵剖面上周界母线的夹角称为射流扩散角（如图4-13中的α）。射流扩散角α表示了射流的密集程度。显然，α越小，则射流的密集性越高，能量就越集中。•射流在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为初始速度。•射流中心这一部分保持初始速度流动的流束，称为射流等速核（如图4-13所示）。•在射流的任一横截面上，射流轴心上的速度最高，自射流中心向外速度很快降低，到射流边界上速度为零图4-13喷射式钻头的井底射流特性•在射流轴线上，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。•淹没非自由连续射流的基本特征：射流具有等速核和扩散角；在射流横截面上中心速度最大；在射流轴线上，超过等速核以后射流轴线上的速度迅速降低；撞击井底后，形成井底冲击压力波和井底漫流。图4-14射流轴线上的速度衰减规律•2.射流对井底的清洗作用•主要作用形式：射流的冲击压力作用波和井底漫流横推作用。•（1）射流的冲击压力作用•作用面积不是整个井底，作用面积内压力高；射流的冲击范围内冲击压力也极不均匀；钻头的旋转。•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。图4-15射流冲击面积图4-16岩屑翻转•(2)漫流的横推作用•射流撞击井底后形成的漫流是一•层很薄的高速液流层，具有附面射•流的性质。•漫流的速度分布：•径向（横向）：冲击圆的中心为0；•冲击圆边缘最大；冲击圆边缘以外，•漫流速度下降。•轴向（纵向）：距井底0.5mm高度处•漫流速度最大，向上迅速减小。最大•漫流速度值可达到射流喷嘴出口速度•的50%～80%。•对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。•3.射流对井底的破岩作用•（二）射流水力参数•射流水力参数：射流的喷射速度、射流冲击力和射流水功率。•1.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。•(4-51)•式中，vj——射流喷速，m/s；Q——通过钻头喷嘴的钻井液流量，L/s；A0——喷嘴出口截面积，cm2。••其中，di——喷嘴直径（i=1,2,…,n），cm；n——喷嘴个数。010AQvjniidA1204•2.射流冲击力•射流冲击力是指射流在其作用的面积上的总的作用力的大小。•而且（国际制单位）•（国际制单位）•（工程制单位）(4-52)•其中，Fj——射流冲击力，kN；ρd——钻井液密度，g/cm3。•3.射流水功率•单位时间内射流所具有的作功能量，就是射流水功率。•（工程制单位）(4-53)•式中，Nj——射流水功率，kW。02100AQFdjtmvFmvtFjj00Qtm00AQv02AQFj国际制单位）(212121212032000AQQvvtmtmvNj20305.0AQNdj•（三）钻头水力参数•钻头水力参数包括钻头压力降和钻头水功率。•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。•(4-54)•式中，pb——钻头压力降，MPa；ρd——钻井液密度，g/cm3;C——喷嘴流量系数,与喷嘴的阻力系数有关，C的值总是小于1。•如果喷嘴出口面积用喷嘴当量直径表示，则钻头压力降计算式为•(4-55)••其中，de——喷嘴当量直径，cm；n——喷嘴个数;•di——喷嘴直径(i=1,2,…,n)，cm。•思考：钻头压力降公式的推导过程202205.0ACQpdb422081.0edbdCQpniiedd12•2.钻头水功率•钻头水功率是指钻井液流过钻头时所消耗的水力功率。•(4-56)•或(4-57)•其中，Nb——钻头水功率，kW。•对比式（4-53）与式（4-56），可以得出:•(4-58)•射流的另两个水力参数也可以用钻头水力参数来表示，即:•(4-59)•(4-60)202305.0ACQNdb423081.0edbdCQNbjNCN2bdjpCv2010bjpCAF202.0•二、水功率传递的基本关系•泵压传递的基本关系式可表示为•(4-61)•ps——钻井泵压力，MPa；•pg——地面管汇压耗，MPa；•pst——钻柱内压耗，MPa；•pan——环空压耗，MPa；•pb——钻头压降，MPa。•钻井泵功率可用下式计算•(4-62)•Ns——钻井泵输出功率，kW；•Q——钻井泵排量，L/s。banstgspppppQpNss•由于整个循环系统是单一管路，系统各处的排量应相等。因此，由式（4-61），泵功率传递的基本关系式可表示为•(4-63)•式中，Ng——地面管汇损耗功率，kW；•Nst——钻柱内损耗功率，kW；•Nan——环空损耗功率，kW；•Nb——钻头水功率，kW。•地面管汇、钻柱内和环形空间这三部分的压力损耗，称为循环系统压耗。•三、循环系统压耗的计算•在循环系统压耗的实际工程计算中，进行了以下假设：（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。banstgsNNNNN•(一)压耗计算的基本公式•钻井液在管内流动的沿程水头损失h可表示为•p1-p2就是钻井液在该管路内的流动压耗。因而，钻井液在循环管路中的流动压耗pl为•ξ与管路长度L成正比，与管路的水力半径rw成反比，与管壁的摩阻系数f成正比，即•gvpph2221图4-17管流示意图222221vgvppplwrLf•（4-64）•根据水力半径的定义，水力半径等于过流截面积除以湿周。•对管内流，；•对环空流，。•其中，d为管路内径，Dh为井眼直径，Dp为钻柱外径。•对管内流(4-65)•对环空流(4-66)dLvfpl22.0phlDDLvfp22.04drw4phwDDrwdlrLvfp22•（二）摩阻系数的确定•当量紊流粘度ηe与宾汉流体塑性粘度η的关系为•(4-67)•对管内流(4-68)•对环空流(4-69)•其中，η——宾汉流体的塑性粘度，Pa·s；•ρd——钻井液密度，g/cm3；•v——管路平均流速，m/s；•d，Dh，Dp——分别为管路内径、井眼直径和钻柱外径，cm。•可将图4-18中的四条曲线用一个关系式近似表示为•(4-69)•式中的A值，对于各条曲线可由表4-5查得。2.3edvd32RevDDphd)(32ReRe2.0Af表4-6不同管路条件下的A值•根据式（4-68）式（4-69）和式（4-70）以及表4-5中的A值即可求出不同管路条件下的摩阻系数f。•(1)对于内平钻杆内部和钻铤内部•(4-71)•(2)对于贯眼接头的钻杆内部•(4-72)•(3)对于环形空间•(4-73)曲线编号ⅠⅡⅢⅣA0.0460.0530.0590.0622.00265.0dvfd2.00295.0dvfd2.0)(0295.0vDDfphd图4-18牛顿流体紊流流态下f与Re关系图Ⅰ—冷轧黄铜管或玻璃管的最小值；Ⅱ—接头处断面不变的新管子（内平管）；Ⅲ—具有贯眼接头的钻杆或下套管井的环形空间；Ⅳ—未下套管裸眼井的环形空间。•（三）循环系统压耗的计算公式•(1)地面管汇，包括地面高压管线、立管、水龙带（包括水龙头在内）、方钻杆等。•(4-74)•式中，Pg——地面管汇压耗，MPa;ρd——钻井液密度，g/cm3;η——钻井液塑性粘度，Pa·s;Q——钻井液排量，L/s。L1，L2，L3，L4和d1，d2，d3，d4分别为地面高压管线、立管、水龙带（头）、方钻杆的长度和内径，长度单位为米，内径单位为厘米。•(2)钻杆内压耗•(4-75)•式中，ppi——钻杆内压耗，MPa;dp——钻杆内径，cm;B——常数，内平钻杆B=0.51655，贯眼钻杆B=0.57503；Lp——钻杆总长度，m。下次课内容8.18.4448.4338.4228.4112.08.051655.0QdLdLdLdLPdg8.48.12.08.0ppdpidQLBp•(3)钻杆外环形空间压耗•(4-76)•式中ppa——钻杆外环空压耗，MPa；Dh——井眼直径，cm；Dp——钻杆直径，cm。•(4)钻铤内压耗•(4-77)•式中，pci——钻铤内压耗，MPa；Lc——钻铤长度，m；dc——钻铤直径，cm。•(5)钻铤外环空压耗•(4-78)•式中，pca——钻铤外环空压耗，MPa;•Dc——钻铤外径，cm。8.138.12.08.0)()(57503.0phphpdpaDDDDQLp8.48.12.08.051655.0ccdcidQLp8.138.12.08.0)()(57503.0chchcdcaDDDDQLp•钻杆内外压耗•(4-79)•钻铤内外压耗•(4-80)•在式（4-74）、式（4-79）和式（4-80）中，分别令Kg、Kp和Kc为地面管汇、钻杆内外和钻铤内外的压耗系数，即•(4-81)•(4-82)•（4-83）8.12.08.08.138.4)()(57503.0QLDDDDdBppdphphpp8.12.08.08.138.4)()(57503.051655.0QLDDDDdpcdchchcc8.4448.4338.4228.4112.08.051655.0dLdLdLdLKdg8.138.42.08.0)()(57503.0phphppdpDDDDdBLK8.138.42.08.0)()(57503.051655.0chchccdcDDDDdLK•则整个循环系统的压耗公式为••其中称为整个循环系统的压耗系数。•将压耗系数Kl作进一步变化，设井深为L，单位为米，并令•得•则••令•则得到•最终得到循环系统压耗的计算公式为•(4-83)8.18.1)(QKQKKKpppplcpgcpglcpglKKKK8.138.42.08.0)()(57503.0phphpdDDDDdBmppmLKccgcgccgpcpglmLKKmLKKLLmKKmLKKKK)(ccgmLKKnnmLKl8.18.18.1)()(