第二节 喷射钻井

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水力参数优化设计 三、循环系统压耗的计算
(五) 提高钻头水力参数的途径
上述水力功率传递计算公式的分析和建立，为寻求提高钻头水 力参数的途径提供了理论依据。
ps=KbQ2+KlQ1.8 Ps=KbQ3+KlQ2.8 Kb= 2 2C2A0
综合分析上述公式可知，提高钻头水力参数的可行途径是：通 过改变地面泵的条件提高泵压和泵功率；通过减少钻井液密度、钻 井液粘度降低循环系统的压力损耗系数；通过减少喷嘴直径，提高 钻头压降系数；通过优选钻井液排量，使喷射钻井在最优条件下工 作。
水力参数优化设计 三、循环系统压耗的计算
(一) 流动状态的判别
钻井液的流动状态有层流和紊流的差别，在不同流动状态下流场 性质的变化规律是不同的。根据流体力学原理，流动状态的决定性因 素是雷诺数Re，大量实验证明，下临界雷诺数的值可近似取为2100， 而上临界雷诺数则不是一个固定的值，它与实验条件、操作水平等有 关。因此一般采用下临界雷诺数作为判别流动状态的标准，即Re＜ 2100时为层流，Re≥2100时为紊流。
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水力参数优化设计 三、循环系统压耗的计算
(二) 层流流动
(1) 管内层流 钻井液在地面管汇和钻柱内的流动可看作圆管内流动，研究表 明，钻柱旋转时钻柱内钻井液实际上呈螺旋流运动状态，但由于钻柱 转速对液流压力降没有影响，因此，钻柱内钻井液流动压耗计算和地 面管汇一样，按照轴向流来计算，即可以用流体力学基本原理为基础 建立管流计算公式。
1.水功率传递路径
钻井泵→地面管汇→钻柱内→ 钻头→环空→地面。
2.水功率传递基本关系
水力参数优化设计
三、循环系统压耗的计算 （需要假设，如不假设，无法计算）
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。
水力参数优化设计
五、水力参数优选标准
喷射钻井设计和施工中，通常以优选排量及喷嘴直径作为提高钻 头水力参数和射流水力参数的重要手段。因此，确定排量与各水力参 数之间的关系是十分必要的。 前面我们已经介绍了射流与钻头的五个水力参数：射流喷射速度 v j ，射流冲击力 F j 、射流水功率 P j 、钻头水功率 P b 与钻头压降Δ p b 。 并且给出了射流水力参数与钻头水力参数之间、钻头水力参数与泵压之 间的关系表达式。根据前述公式可以得出水力参数计算公式
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水力参数优化设计 三、循环系统压耗的计算
式中，D w为井深，m为单位长度井深的压力损失系数，n为地面管汇 的压力损失系数；Q为排量；K l为循环系统压力损失，r为指数，推 荐1.8。 由于紊流问题没有研究明白，所以，循环系统的压耗计算也有 几种方法，请慎重选择。
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3.射流对井底的清洗作用
（1）射流的冲击压力作用
射流撞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 受到一个翻转力矩，从而离开井底。
射流冲击面积
岩屑翻转
水力参数优化设计 一 喷射式钻头的水力特性
（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（漫流），对井底岩 屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。
单位时间内流过钻头的钻井液 所具有的做功能量。
水力参数优化设计 一 喷射式钻头的水力特性 由于在形成射流的过程中，有能量损失，输入钻头/喷嘴的 功率，大于射流功率。 1. 喷嘴流量系数 2. 喷嘴的能量转换率 3. 喷嘴的局部阻力系数
Q实 C= Q理
输出能量 C 2 = 输入能量
பைடு நூலகம்
1
2

4. 钻头压力降（考虑喷嘴流量 系数，钻头压力降就是射流 冲击力。）
牛顿液体 宾汉液体
64

2di


2di

2
+
摩阻系数
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f=
Re
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水力参数优化设计 三、循环系统压耗的计算 (2) 环空内层流 按照钻柱在井眼中是否与井眼中心相重合，可把钻柱与井壁为钻 井液所提供的流道分为同心环空和偏心环空，因此，钻井液在环形空 间中的流动方式可分为：同心环空轴向流、偏心环空轴向流、同心环 空螺旋流及偏心环空螺旋流四种。实际旋转钻进过程中(特别是定向井、 水平井钻进)钻柱常常偏离井眼轴线，而使上返钻井液在偏心环空中做 螺旋流流动。 对于同心环空轴向流： 96 ρ d Lv 2 48 μ Lv 牛顿液体 2 ( d h − d p ) Re 2 ( d h − d p ) ( d h − d p ) 2
式中的A对不同类型的钻杆和环形空间的取值不同。对于内平钻 杆，A=0.212；对于贯眼接头的钻杆内和环形空间，A=0.236。
(2)
f = 0 . 125 Re − 0 . 5
对于紊流，还没有研究清楚，现在的算法都是近似的。不同版本 的文献的表述方法和观点不同，请应用时注意。
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水力参数优化设计 一 喷射式钻头的水力特性
4.射流对井底的破岩作用
在岩石强度较低的地层，射流的冲击
压力超过地层的破碎强度，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，
从而大大降低岩石的破碎强度。
水力参数优化设计 一 喷射式钻头的水力特性
额定泵压 工作状态
额定功率 工作状态
水力参数优化设计 四、钻井泵的工作特性
3.钻井泵的允许工作状态
钻井泵的工作参数（ p , Q , P ）必须满足（ p ≤ p r , Q ≤ Q max , P ≤ P r）。
■ 缸套的选择：
根据实用排量的大小，选择额定排量与实用排量相近的缸套径，以 提高泵压和泵功率,即:小井眼—小排量—小缸套。
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水力参数优化设计
四、钻井泵的工作特性
1.钻井泵的水力特性
额定功率——钻井泵的最大输出功率 P r 。 额定泵压——所用缸套的允许工作压力 p r 。 额定排量——当泵实际功率达到额定功率，而实际泵压达到所用 钢套的允许泵压时的排量，称为泵在这种钢套下的额定排量，Q r 。 额定泵冲——达到额定排量时的泵冲数。
水力参数优化设计 一 喷射式钻头的水力特性
2.井底射流(淹没非自由连续射流）的特性
（1）具有等速核和扩散角； （2）在射流横截面上，中心处 速度最大； （3）在射流轴线上，超过等速 核以后的速度迅速降低； （4）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。
水力参数优化设计 一 喷射式钻头的水力特性
5. 钻头水功率
C 1 ρ d Q 2 2 2C2A0
1ρdQ3 Pb= 2 2C2A0
水力参数优化设计 一 喷射式钻头的水力特性
4.射流水力参数与钻头水力参数的关系 要提高射流喷射速度和射流冲击力， 必须提高钻头压力降和选择流量系数高的喷嘴。
水力参数优化设计
二、水功率传递的基本关系
水力参数优化设计 三、循环系统压耗的计算
(四) 循环系统压力损耗计算公式的简化处理
在实际钻井条件下，管内流动总是紊流，而环空中的流动则可 能是紊流也可能是层流。研究表明，除小井眼钻井外，循环系统压 力损耗主要产生于管内流动损失，而环空压力损耗在数值上较小。 因此，在进行循环系统压力损耗计算时通常不进行流态的判别，而 全部采用紊流公式进行简化计算。这种方法对于喷射钻井设计来说 还是能够保证精确度的。但是，在单纯研究钻井液环空流动规律、 钻井液携屑规律等涉及的环空水力学问题时，则不能进行这样的简 化。 按钻井液的循环路径，可以把循环系统压力损耗计算公式分为 三个大部分，即地面管汇部分(地面高压管线、立管、水龙带和水龙 头、方钻杆等)，钻杆部分(钻杆内部、钻杆外环形空间)及钻铤部分 (钻铤内部、钻铤外环形空间)。整个循环系统的简化压力损耗公式为
水力参数优化设计
一、喷射式钻头的水力特性 （一）射流及其对井底的作用
1.射流及分类
射流——指通过管嘴或孔口的过水断面周界不与固体壁接触的液流。 射流分类： 非淹没射流——液体在气体中的射流 淹没射流——在同类介质中的射流 自由射流——无固体边界限制 非自由射流——有固体边界 连续射流——射流内某一点压力保持平稳 脉冲射流——射流流束内压力不稳定，发生一定频率的脉动 空化射流——流体部分汽化 自钻头喷嘴射出的射流为淹没非自由连续射流。
式中, f——管路的水力摩阻系数； d i ，d p ，d h——分别为圆管内径、钻柱外径和井眼直径; v——平均流速; L——长度。
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水力参数优化设计 三、循环系统压耗的计算 在紊流状态下，为了便于工程计算，通常将f与Re的实验曲线用下 式来近似计算: (1)
f = A Re − 0 . 25
140
150 160 170
120
120 120 120
27.4
31.4 35.7 40.3
31.4
27.3 24.0 21.3
180
120
45.1
19.0
水力参数优化设计 四、钻井泵的工作特性
2.钻井泵的极限工作状态
泵额定功率： P r = p r Q r
泵实际功率： P s = p s Q 根据排量的大小，可将钻井泵的工作 分为两种工作状态： （1）额定泵压工作状态 当Q＜Q r 时，p s =p r （2）额定功率工作状态 当Q ≥ Q r 时， p s ≤ pr
宾汉液体 摩阻系数
96 f= Re


+
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水力参数优化设计 三、循环系统压耗的计算