第7章喷射钻井

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(2αtg a =（2）极点J 0：a d tg d J /)22/(000=⋅=α3、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： 22v P K ⋅=ρ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 V QV c ∝0 V 0——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0QV 值尽可能大0.4m mHV c三、射流的水力参数 1、射流喷射速度VoV Q A 0010= m/sQ ——钻井液排量，l/s ； A 0——喷嘴出口截面积，cm 2。

喷嘴当量直径：d d d d e =+++122232 2、射流冲击力射流冲击力F j ：射流在其作用的面积上总作用力的大小:F Q A j =ρ2100 kNρ——射流流体密度，g/cm 3； 3、射流水功率射流水功率N j ：单位时间内射流具有作功的能量:2320A Q N j ρ=千瓦四、钻头水力参数 1、钻头压力降P b ：P Q C Ab =ρ22220 MpaC ——喷嘴流量系数。

2、钻头水功率钻头水功率N b ：钻井液流过钻头时所消耗的水力功率N Q C Ab =ρ32220 千瓦3、射流水力参数与钻头水力参数的关系V C P b 021020=⋅ρF C A P j b =21020 N C N j b =2P b 、N b 、喷嘴能量转换效率↑→V0、F j 、N j ↑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b an st g b i s P P P P P P P +++=+=b an st g b i s N N N N N N N +++=+=N 与P 之间的关系： Q P N ⋅=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d LV f P 212⋅=ρ （管流）pD D LV f P -⋅=212ρ （环空）（2）压剪公式dLP w τ41=（管流） pw D D LP -=τ41 （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：22s D He ητρ=环空：()2212sD D He ητρ-= b. 临界雷诺数的确定圆管：34)1(16800)31341(8Re c cc c c c He He ξξξξξ-=+-=环空：34)1(25200)21231(12Re c cc c c c He He ξξξξξ-=+-=确定方法：方法 1：查图法，根据He 从图中可以得到Re c 方法 2：迭代法。

2．稳定性参数Z （1）计算公式：()K V D D nZ n p n -⋅-⋅⋅⋅=2387.05001516ρ （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4-52．根据雷诺数求层流摩阻系数f ，计算压耗Re16=f （管流）Re24=f （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2.0ReAf r =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：7/)lg 75.1(50/)93.3(lg Re n b n a af br -=+==b. 方法 2：修正的伯拉修斯阻力公式217.0105.02495.03104.0Re -===n b n a a bλ4λ=r fc. 方法 3：修正的卡门 (Karman) 阻力公式 2.12175.04.0Re lg 0.41nf n f n r r -⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎪⎭⎫ ⎝⎛-（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：8.18.18.1)()(Q n mL Q K K K Q K P c p g l l ⋅+=⋅++=⋅=三、提高钻头水力参数的途径将钻头压降公式简化为：220222Q K AC Q P b b ⋅=⋅=ρ则：28.1Q K Q K P P P b l b i s ⋅+⋅=+= 38.2Q K Q K N N N b l b i s ⋅+⋅=+= 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 V H ，泥浆的上返速度V a ，则岩屑的实际速度Vs 为： 313132)(0707.0es s H d V ηρρρ⋅-=H a s V V V -=举升效率： K s =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：()nnp D D Kn V -⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⋅<21887.013193002.0ρ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r Q Q <时，保持r s P P =工作时的工作状态。

特点：泵功率随排量变化而变化，r s N N < （2）额定功率工作状态在r Q Q >时，保持r s N N =工作时的工作状态。

特点：泵压随排量增大而减小，r s P P <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 8.2Q K K N N l N r b -= r Q Q =时，N b 取得最大值。

（2）额定泵压工作状态 )(8.2Q K Q P K N l r N b -= 求导，取极小值，得：r l P P 357.0=时，N b 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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