第三章 钻进工艺（3）.ppt

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1、第四节 水力参数,1900年使用旋转钻机钻头水眼作为循环通路钻井液只起清洗井底、冷却钻头、携带岩屑、保护井壁等作用。 1947年美国汉布尔石油公司进行了一次探索性试验。发现：在较大的钻压和转速范围内，缩小喷嘴直径、增加射流喷射速度，可以显著提高机械钻速和钻头进尺。,第三章 钻进工艺,在试验和理论基础上推广使用,钻头水眼内可安装喷嘴，直径可调。 喷嘴是能量转换器，它将钻井液中的压力能（由钻井泵提供）转换成钻井液射流的动能，直接作用于井底。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,国内：70年代未全面推广。软地层：进尺，50100钻速， 1328。硬地层：进尺，1530钻速， 1421。,射流,第四节水

2、力参数,第三章 钻进工艺,流线、等速、圆弧、双圆弧、椭圆、锥形等,水力参数对钻速的影响机理： (1）水力破岩作用。喷嘴是能量转换器，它将钻井液中的压力能（由钻井泵提供）转换成钻井液射流的动能，直接作用于井底，产生水力破岩作用是显而易见的。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,水力参数对钻速的影响机理：,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,（1）水力破岩作用,软：直接破岩。渗透性和半渗透性：泵压达到25MPa有明显的破岩作用。非渗透：需要80MPa以上。,(2）水力清岩作用。 常规钻井岩屑在井底由于如下原因而不能迅速离开： l）钻屑在站井液柱压力和地层压力差的作用下，被紧紧地压在井底不能离开。过种情

3、况称为“压持效应”； 2）钻井液在渗透性地层不断失水，在井底留下一层泥讲。岩屑和泥饼掺混在一起形成一个垫层；不但阻碍岩屑离升井底，还隔离了钻头“重复切削”。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,实验证明，射流对井底的清岩作用是一个莲续的过程。先是由于射流冲击压力的不均匀使井底岩屑发生翻转，然后在井底漫流的作用推动下从中心移动到边缘进入环空，从而使岩屑及时地、迅违地离开井底，始终保持井底的干净。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,射流的作用,水力参数对钻速的影响机理，主要是水力清岩作用，水力破岩作用是辅助性的。 机理研究表明，钻进效益（速度、进尺等）射流作用水力参数是一条主线，钻进效益的提高取决于

4、射流作用的加强，而射流作用的加强又取决于水力参数的合理性。水力参数的合理与否又与机泵条件、钻井液性能、钻具结构、井眼尺寸、井深大小等因素有关。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,喷射钻井关键：把水力能量用在钻头上,一、水功率传递原理,循环系统,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,1、水功率传递的基本关系式 钻井液循环系统大体上是由四部份组成： （1）钻井液从钻井泵流出以后，先经过地面高压管线、立管、水龙带（包括水龙头）和方钻杆。这部分合称为地面管汇。 （2）钻井液从方钻杆流出后，即进入钻杆和钻铤内部。这部分合称为钻柱内部。 （3）钻井液从钻铤流出后，即进入钻头喷嘴，形成钻井液射流，清洗井底和破碎

5、岩石。 （4）钻井液到达井底以后，又从钻柱与井壁的环形空间返出到达地面上，携带岩屑。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,钻井液流过1、2、4三个部分所消耗的压力和水功率是我们不希望要的， 我们将这部分压力降低和水功率称为循环系统的压力损耗和损耗功率。 钻井液流过钻头时的压力降和传给钻头的水功率是我们希望提高的，我们将这部分称为钻头压力降和钻头水功率。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,尽量减小损耗,可以列出下列两个基本关系式： 式中 Ps、Ns钻井泵的泵压和水功率； Pb、Nb钻头压力降和钻头水功率 Pl、Nl循环系统的压力损耗和损耗功率； Pg、Ng地面管汇的压力损耗和损耗功率； Ppl、N

6、pl钻柱内外的压力损耗和损耗功率； Pcl、Ncl钻铤内外的压力损耗和损耗功率。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,射流的作用:破岩（软地层）清除岩屑消除“压持效应”和避免了重复切削（冲击压力的不均匀性及漫流的作用）,提高射流的强度:钻头压降喷射速度冲击力减小喷射距离,循环压耗计算基本公式,P2,V,d,P1,L,h:水头损失；f:水力摩阻系数；rw:水力半径,与L、rw有关,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,管内流,环空流,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,f,摩阻系数f的确定,f与流型、流态、管壁粗糙度、雷诺数等有关。目前

7、为止还没有适合于各种流动状态下精确的计算f的方法。,有人以牛顿液体为流动介质测定了紊流条件下f与Re的关系数据：,铜、玻内平管套管环空裸眼环空,循环系统压力损耗的计算是一项非常复杂的问题。工程上往往要进行简化计算，在进行喷射钻井的水力参数研究时主要采用以下二点假设： 钻井液流变特性符合宾汉流变模式； 钻井液流动状态为紊流状态。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,当量紊流粘度,研究表明，可用牛顿液体的结果,内平钻杆：k=0.046贯眼接头和环形空间：k=0.059,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,2、循环系统压耗计算-理论计算法如果不计地面管汇压耗，循环系统压

8、耗公式为：,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,Kl为L的隐函数,若令：,得到：,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,步骤：Q固定（1）方钻杆+钻头 Ps=Pb （2）方钻杆+钻铤+钻头 Ps=Pc+Pb （3）方钻杆+钻铤+钻杆+钻头 Ps= Pp +Pc+Pb（4）计算,2、循环系统压耗计算-实测法,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,1、水力参数 射流与钻头的五个水力参数：射流喷速V0、射流冲击力Fj、射流水功率Nj、钻头水功率Nb和钻头压降Pb。由于Nb和Nj之间仅差个系数C2，本质上是一个参数，所以在实际工作中只计算Nb不计算Nj，所剩下四个水力参数：,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,能

9、量方程,其中:式中 Pb钻头压降，MPa； Vo射流喷速，m/s； Fj射流冲击力，kN； Nb钻头水功率，kW； 钻井液密度，g/cm3； Q 钻井液排量，l/s； d 喷嘴直径，cm； C 钻头喷嘴流量系数，常数。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,四个水力参数都是Q的函数，但变化规律是不同的，究竟哪个对钻进影响最大？,四种工作方式：最大射流喷速（Vomax），最大钻头水功率指标（Nbmax），最大射流冲击力(Fjmax)组合式工作方式。 Vomax工作方式是“动压”的观点;Nbmax工作方式是“功”的观点;Fjmax工作方式是“力”的观点。1975年，有

10、人通过实验，认为在Vomax 、Nbmax和Fjmax三种工作方式中，以Fjmax最好，Nbmax次之，Vomax方式最差。 目前国内各油田使用最普通的是Nbmax 和Fimax工作方式。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,2、目标函数 综合分析水力参数的计算式，结合埃凯尔的研究结果，可以得到不同工作方式下的钻速目标函数: 式中 Vm钻速目标函数；Q排量；d喷嘴直径；K综合系数；工作方式排量指数； 工作方式喷嘴直径指数。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,该处理方法很巧妙,由钻头压降公式可知喷嘴直径d与排量Q的关系为： 式中 Ps泵压； Pl钻井液循环压降； kb系数循环压降Pl与排量Q的关系

11、式为： 式中 kl系数，是井深L的函数klf（L）。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,找d的关系,化简后得： 分析发现： （1）在一定的条件下，排量越大，钻速一般也随之增加； （2）排量不能太大，不然将导致循环压降上升，反而使钻速下降，因此， 在一定的生产条件下，排量Q应有一个最优值； （3）排量与喷嘴直径有一一对应的关系，因此最优排量对应有最优喷嘴直径。事实上， 最优排量只是保证了泵功率的合理分配，而钻头是否能得到分配的份额，需要由选配最优喷嘴直径来实现。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,3、选择排量和喷嘴直径 钻井泵有二种工作状态： （1）额定功率状态，即在钻井过程中保持泵功率不变，始

12、终等于钻井泵的额定功率。要维持这个状态，需要不断地调整排量和泵压。这种工作状态在钻井过程中很少采用； （2）额定泵压状态，即在钻井过程中保持泵压不变，始终等于钻井泵所选缸直径的额定泵压。除了在浅井段，钻井过程中多采用这种工作状态。 式中 Pr钻井泵额定泵压； Qr钻井泵额定排量。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,代入泵压条件得到： 为获得目标函数极值，令： 解得： 上式表明了获得目标函数极值的条件。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,表4-16 获得目标函数极值的条件目标函数 (2-0.1)/(2-)冲击力Fj 221.9水马力Nb 342.8喷速VO 1 2 漫速Vc 111.9组合指标N

13、bFjV0 682.8组合指标NbFj 562.35组合指标NbVO 463.7组合指标FjVo 342.8,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,（1）在各种工作方式中，有三项获得目标函数极值的条件相同（Pr2.8Pl）， 其中最简明的指标是水马力，因此Pr2.8Pl是目前应用最广泛的目标函数极值条件之一， 被称为最大水马力理论。 （2）另有二项获得目标函数极值的条件也相同（Pr 1.9Pl），因此，Pr 1.9Pl被称为最大冲击力理论，也是目前应用最广泛的目标函数极值条件之一； （3）最大喷速工作方式获得的目标函数极值条件是Pr，这在一定的机泵条件下，不可能由Q 来实现，只能得出d=0来实现。

14、因此，这个条件从一个侧面反映出喷嘴直径越来越小， 钻速越快的影响规律。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,相对于目标函数极值条件，最优排量Qt和最优喷嘴直径dt即可得到： 事实上，最优排量Qt和最优喷嘴直径dt是目标函数极值条件的另一种表达形式。只要采用了最优排量Qt和最优喷嘴直径dt，也就满足了目标函数极值条件，目标函数就能达到极值。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,值得注意的是，由于额定泵压状态的条件，最优排量Qt不能超过额定排量Qr；再由于钻井液携岩机理研究结果，最优排量Qt不能小于钻井液携岩所需的最小排量Qa。由此得到最优排量Qt的限制条件:,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,三牙轮

15、钻头一般有n(n=1,2,3)个水眼，可以安装n个喷嘴，计算出的最优喷嘴直径，是指n个喷嘴的当量直径，与各个喷嘴直径的关系如下： 显然，在已知最优喷嘴直径dt后，满足上式的n个喷嘴直径有多种组合形式， 到底哪种喷嘴组合比较好，能充分发挥破岩和清岩的水力作用，需要进行井底流场的研究。,三、钻头喷嘴组合,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,表4-17 喷嘴组合影响喷嘴组合当量直径（mm）压力梯度（MPa/cm）等径三喷嘴17.82 0.016不等径三喷嘴16.98 0.025等径双喷嘴16.97 0.032不等双喷嘴17.49 0.061单喷嘴 15.00 0.138,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,压力梯度越大，射流对井底岩屑的清移效果就越好，显然，由表4-17可知， 使用不等径双喷嘴（直径比0.60.7左右）和单喷嘴，会收到很好的效果，而使用常规的三等径喷嘴组合，清岩效果就比较差。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,机理： （1）喷嘴组合使得钻头水力能量相对集中，增加了水力作用的频率和幅度，使之更有利于井底清岩和破岩，如图4-23所示。图4-23 组合喷嘴射流幅度 （2）喷嘴组合减少了各喷嘴射流的相互影响，改善了井底流场的流动状态，加强了横向漫流的推举作用。这种作用效果对单喷嘴的情况是最为明显的。,第四节水力参数,第三章 钻进工艺,