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1、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.第1页/共63页主要内容: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。第2页/共63页一、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,达到清在钻头上安放喷嘴,钻井
2、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。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、射流特性第3页/共63页 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。非淹没射流淹没射流 射流压力是否稳定: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 射流分类(按条件)射流与周围流体介质的关系:有无固体边界:无固体边界,自由射流 有固体边界,非自由射
3、流钻头喷嘴的射出的射流为淹没非自由连续射流第4页/共63页井底射流特性:(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第5页/共63页在等速核以内,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
4、和流道形状有关。第6页/共63页(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。第7页/共63页一、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第8页/共63页 (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第9页/共63页一、喷射式钻头的水力特
5、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。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2 2、射流对井底的清洗作用、射流对井底的清洗作用第10页/共63页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
6、降低岩石的破碎强度。第11页/共63页一、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:喷射速度,射流冲击力,射流水功率计算位置:喷嘴出口断面第12页/共63页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)第13页/共63页3、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(KW)工程单位制第14页/共63页一、喷射式钻头的水力特
7、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: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第15页/共63页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 时:当Q 时,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
8、大射流冲击力标准下的第一临界井深和第二临界井深。第47页/共63页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。第48页/共63页(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。第49页/共63页2、设计步骤:(1)确定携岩要求的最小排量
9、 a、根据经验公式:b、根据岩屑举升效率:式中:最低环空返速,m/s;钻井液密度,井深,cm;式中:岩屑举升效率,无因次;环空的平均上返速度,m/s;岩屑在环空的实际上返速度,m/s;一般要求第50页/共63页岩屑的下滑速度:式中:岩屑下滑速度,m/s;分别为岩屑和钻井液密度,岩屑直径,cm;钻井液的有效粘度,Pa.s;携岩所需的最小排量:第51页/共63页(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
10、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。第52页/共63页设计举例: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NB1000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。第53页/共63页解:确定最小排量 Qa 最低环空返速Va 为:m/s 由于要求环
11、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 第54页/共63页井深4000m处的循环压耗系数为:第55页/共63页选择缸套 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3NB1000的缸套直径,由表4-6选择120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 MPa 19.9*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 M
12、pa 工作额定排量Qr=17.91 L/s第56页/共63页计算按钻头最大水功率方式下的临界井深 第一临界井深 第二临界井深第57页/共63页计算优选排量 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第58页/共63页计算各水力参数第59页/共63页本章结束!第60页/共63页 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?2、什么是门限钻压?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?3、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5、牙轮钻头牙齿、轴
13、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?7、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 8、在实际工作中,如何确定最优钻压、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10、射流水力参数的概念与计算第61页/共63页11、水功率的传递关系12、循环压耗的影响因素及计算13、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?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?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?16、第一、第二临界井深有何意义?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?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?如何进行水力参数的优化设计?第62页/共63页感谢您的观看!第63页/共63页
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