喷射钻井内容目的

1、喷射钻井内容、目的l高压水射流的结构和特征l射流水力参数和钻头水力参数l水功率传递基本关系l提高钻头水力参数的途径l喷射钻井工作方式l喷射钻井水力参数设计方法步骤喷射钻井内容、目的l目的n熟练计算射流和钻头水力参数n设计钻井水力参数（喷射钻井水力参数设计）l参考书n喷射钻井理论与计算，张绍怀编著n实用钻井工程，Adam et著，徐云英译喷射钻井提高机械钻速的原因l从钻头喷射出的强大的泥浆射流，它具有很高的喷射速度，具有很大的水力功率，能给予井底岩屑很大的冲击力，从而使岩屑及时地、迅速地离开井底，始终保持井底干净。喷射钻井的基本概念l条件：n保证井下安全、一定机泵条件、优质泥浆l措施n按井段采用

2、不同的返速，优选排量、喷嘴直径、和喷嘴布置方案l目的：n在较高泵压下，使泵功率充分发挥，合理分配。使喷射速度、井底水力能量的到优选，从而提高钻速。射流结构l属于淹没非自由射流n淹没：射流出口后，就处在井筒内的泥浆中，被井筒内的泥浆所淹没。n非自由：射流的的运动和发展受到井壁的限制，不能自由地运动和发展。l射流的扩散角和扩散系数a。l等速核长度l0l初始段（ll0）极点l0等速核边界过渡断面扩散系数l距喷嘴l处的射流直径adJtgatgdJ00002222令aldltgdd0022射流的速度分布l射流中心：由于受到淹没钻井流体和返回流体影响小，所以速度最高，且在射流任一截面上，轴线速度最高，中心

3、向向两边速度降低很快，射流边界降至0。l等速核段，中心部分速度始终为V0l基本段（ll0），轴线上任意点的速度V，与该点距极点的距离成反比。距喷嘴l处的射流速度lV0喷嘴出口速度ld0喷嘴出口直径la扩散系数ll0等速核长度ll计算点距喷嘴的距离lb-速度降低系数速度降低系数令因aldaldbbVValdaldVVadJlJlJVV00000000000000/射流动压力l：泥浆密度kg/m3l:泥浆重度N/m3lP0:流速核内的动压力（Pa)l:动压力降低系数0202002020022)(2)(222PaldgaldVPVPVgVPKKPk/P0极点射流的动压力分布规律l在射流的任一截面上，

4、中心动压力最大，自中心向外，Pk急剧衰减，在射流边界上为0.l在等速核内，各处动压力相等。l在射流中心线上，超过等速核以后，动压力急剧下降。射流对井底的清洗作用l冲击压力作用l漫流横推l预破岩或破岩作用0QVVcr射流对井底的清洗作用l钻头的旋转，给井底钻屑一个极不均匀的冲击压力，使岩屑产生个翻转力矩离开井底。漫流横推给钻屑一个横向推力，使钻屑离开井底。其结果是克服了“压持效应”，清除“垫层”，从而提高了钻速。l措施n增大射流速度-使QV0足够大n减小喷射距离射流水力参数l喷射速度V0l冲击力Fjl水功率Nj钻头水力参数l钻头压降Pbl钻头水功率Nb喷射速度V0lV0= Q/A0lV0m/s，

5、lQ钻井泵体积流量（排量），m3/slA0喷咀出口截面积之和，m222221204needddddA(等效喷嘴直径）射流冲击力FjlFj:射流冲击力(N)l：泥浆密度（kg/m3)lQ:排量（m3/s)lA0:喷嘴出口截面积之和（m2）02AQQVtVVtmVFj射流水功率lNj:射流水功率（W)l其它符号的意义及单位同前2032020202212121AQQVVtmtmVNj钻头压降计算模型钻 头 压 降l根据伯努利方程：hgVPgVPH22222211H：喷嘴高度，可忽略不计V2远大于V1，V1可以忽略不计。h：泥浆流过喷嘴以后损失掉的水头gVh220整理后得：lPb:钻头压降（Pa)lC

6、:喷嘴流量系数l其它符号同前。gVPCQgCVPb钻头水功率lNb:钻头水功率(W)l其它符号同前20232ACQQPNbbPQPAVtPAStFStWNb钻头水功率与射流水功率的关系l水功率bjNCN2射流速度和射流冲击力也可以用钻头压降表示：PbACQVFjPbCV0202022喷嘴结构及水力特征l可以证明，喷嘴的流量系数为实际流量与理论流量的比值，及lc=Q/Qil为提高c，需要改善喷嘴的结构设计射流水力参数l喷射速度V0l冲击力Fjl水功率Nj钻头水力参数l钻头压降Pbl钻头水功率Nb喷射速度V0lV0= Q/A0lV0m/s，lQ钻井泵体积流量

7、（排量），m3/slA0喷咀出口截面积之和，m222221204needddddA(等效喷嘴直径）射流冲击力FjlFj:射流冲击力(N)l：泥浆密度（kg/m3)lQ:排量（m3/s)lA0:喷嘴出口截面积之和（m2）02AQQVtVVtmVFj射流水功率lNj:射流水功率（W)l其它符号的意义及单位同前2032020202212121AQQVVtmtmVNj整理后得：lPb:钻头压降（Pa)lC:喷嘴流量系数l其它符号同前。gVPCQgCVPb钻头水功率lNb:钻头水功率(W)l其它符号同前20232ACQQPNbbPQPAVtPAStFStWNb喷射

8、钻井水功率传递原理l钻井泵l地面管汇l立管压力l水龙带l水龙头l方钻杆l钻杆l钻铤l钻头l环形空间l高架槽l振动筛l其它泥浆净化装置l泥浆罐泥浆泵水功率的传递原理l泥浆的循环路径n地面管汇，不随井深变化n钻柱内部，随井深变化n钻头n环形空间l水功率传递的基本关系式Ps=Pi+Pb=Pg+Pst+Pan+PbNs=Ni+Nb=Ng+Nst+Nan+Nb循环压耗计算l范宁-达西公式P2VdP1L22221222VgVPgVPPhl2222VrLfgVrLfPrLfwwlw循环压耗计算2222VrLfgVrLfPrLfwwlw湿周过流截面积水力半径 环空流）管内流）(4(4DpDrdrwwl对管内流

9、dVLfPl/22)/(22DpDVLfPll对环空流Pl：循环压耗（Pa）：泥浆密度（kg/cm3）L：管路长度（m）d：管内径（m）Dd：管外径（m）D：井眼直径(m)f：范宁水力摩阻系数幂律流变模型计算范宁水力摩阻系数：分管内和环空计算泥浆流变参数：npkpnp1022/511. 0log322. 3600300600管管 内内Pa.snnakana511/511. 0log322. 33003300环环 空空Pa.sn计算给定排量下管内流速和环空返速)(/4)/(4222pDDQVadQVp计算雷诺数及判别流态ppppnpppnnpnnnKVdp)413(8Re12钻柱内环形空间aaa

10、anaaannanpnnKVDDa)312(12)(Re12流态判定：层流：Re4270-1370n1370n-4270Re1370n-3470摩阻系数：ReGf bafRe8001Re)12(1CCGCaCGfbG=16(钻柱内)G=24(环空)C1=3470-1370nC2=4270-1370n7log75. 15093. 3lognbna（层流）（紊流）（过渡流）宾汉流型计算范宁摩阻系数l计算管内和环空的平均流速l计算管内和环空的雷诺数（钻井工艺原理中册P12)l根据雷诺数判定流态，若为层流：Re16fRe24f管内环空l若为紊流，必须重新计算雷诺数Re:2 . 0Re)2 . 3Re2

11、 . 3ReAfVDpDdV摩阻系数：（对于环空流：对于管内流：内平钻杆：A=0.046贯眼接头和环形空间：A=0.059l压耗计算：环空）（管内）()()7053. 5(8 . 138 . 18 . 02 . 08 . 48 . 18 . 02 . 0DpDDpDLQPldLQBPl 计算地面、管内、环空压耗系数l地面管汇压耗：Pg=KgQ1.8l钻杆内外压耗：Pp=KpQ1.8l钻铤内外压耗：Pc=KcQ1.8l循环压耗：Pl=Pg+Pp+Pc=(Kg+Kp+Kc)Q1.8 =Kl Q1.8 压耗系数的变化l可将压耗系数分成两部分：与井深有关的部分和与井深无关的部分，即：lKp=mLp=m

12、(L-Lc)ln=Kg+KclKl=mL-mLc+nl令n=Kg+Kc-mLcl则：Kl=mL+n压耗系数实测方法lPc=KlQbl两边取对数：log(Pc)=log(Kl)+blog(Q)l(1)在井口只接方钻杆，测得P1,算Kgl(2) 在方钻杆下只接钻头，测得P2,Pb=P2-P1l(3)下钻至某一井深，测Pi,Pi-P2为管柱内外压耗。为计算钻铤内外压耗，可在钻铤下完后测一次，得到Kc.l下钻完测可到m,(单位长度钻杆内外压耗）压耗计算注意事项l管内应区分不同的管径分别计算，按管的内径的大小分成若干段。如钻杆、钻铤、加重钻杆。l环形空间按井眼尺寸、钻具外径的不同将整个环形空间划分成若干

13、段，每一段分别计算。l井眼较小时，应考虑接头变化对压耗的影响。Lc1、D 、Dp、dLc2、 D 、Dp、dLci、 D 、Dp、dLp1、 D 、Dp、dBLp、 D 、Dp、dLpi、 D 、Dp、d提高水力参数的途径l提高泵压、泵功率n第一阶段：13-15MPan第二阶段：17-18MPan第三阶段：20-22MPa2202222022QKACQgCVPbb8 . 12QKKbQPlPbPsll降低循环压耗系数Kln降低泥浆密度n降低泥浆粘度n适当增大泥浆过流面积管内）(8 . 48 . 18 . 02 . 0dLQBPll增大钻头压耗系数Kbn增大，增大井底压力和循环压耗，不可取。n减

14、小C, 减小了能量转换效率，不可取。n减小A0,显著增大Pb,但A0的减小有一定的限度， A0过小会造成泵压过高，这也是喷射钻井需要提高泵压的根本原因。2202222022QKACQgCVPbb提高水力参数的途径l优选排量n增大排量，会使循环压耗和钻头压降同时增大。事实上，可以对排量进行优选，使射流水力冲击力或钻头水功率达到最大。喷射钻井水力程序设计l在一口井钻井以前，就对钻井每个井段的泥浆泵工作参数（排量、泵压、泵功率等），钻头和射流水力参数（喷速、冲击力、钻头水功率等）进行设计和安排。l水力程序设计的主要任务在于确定泥浆排量Q和选择喷嘴直径de钻井液最低排量的确定lVs=Va-VhnVs:

15、岩屑在泥浆中的实际上返速度nVa:环空返速nVh:岩屑的下沉速度。l要求nVs0 或nK=Vs/Va0.5泥浆泵的工作状态l泵的额定功率泵的额定功率Nr：泥浆泵的最大输出功率l泵的额定泵压泵的额定泵压Pr：在一定缸套下泵的允许压力l泵的额定排量：泵的额定排量：泵功率为Nr、泵压为Pr时泵的输出排量。l三者的关系三者的关系：rrrQPN 额定泵压工作状态l假设QPrn泥浆泵的实际泵压大于额定泵压是不允许的。故原假设不成立。l假设QQr, 泵压不变，且Ps=Prn实际泵功率Ns=PsQsNr，假设成立。n在这种工况下，实际泵功率小于额定泵功率sssQPN 额定泵功率状态l一般情况下，泥浆泵的排量不

16、会超过额定排量Qr,但当柴油机的转速提高时，排量也有可能超过Qr。此时，只能是Ns=Nrl在这种工况下，Ps2的井l应用范围：n海上钻井平台n海边开采近海油藏n环境保护要求特别严格的地区l设备：n顶驱n大尺寸钻杆n改进钻机，增大钻机负荷n可变径稳定器n先进的随钻测量系统大位移井 ERD Drilling Tech.(Extended Reach Displacement)l理论：n井身轨迹优化n井壁稳定理论n摩阻分析n扭矩测量及分析n环空流体学及环空携岩n钻柱强度分析钻井新技术l负压钻井技术(Underbalanced Drilling)指钻井过程井内压力小于地层压力一定值的钻井过程l设备：旋转防喷器、井内流体的地面多级分离器、惰性气体发生器l基本理论：多相流理论l优点：n及时发现和保护油气层n提高机械钻速，降低钻井成本钻井新技术l连续油管的应用(Coiled tubing Tech.)n应用：s钻井s完井s修井n理论：s流体力学分析s疲劳寿命估计l钻头尺寸： 215.9mm，井深3005ml泥浆密度1.35g/cm3(1350kg/m3)，l排量Q=34