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第六章 钻进参数优选 Optimization of drilling parameters 第六章 钻进参数优选 水力参数优化设计是随着喷射式钻头的使用而提出来的。 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. 水力参数的概念： 钻井水力参数是表征钻头水力特性、射流水力特性以及地面水力设备性质的量，主要包括钻井泵的功率、排量、泵压以及钻头水功率、钻头水力压降、钻头喷嘴直径、射流冲击力、射流喷速和环空钻井液上返速度等。 水力参数优化设计的目的： 寻求合理的水力参数配合，使井底获得最优的水力能量分配，从而达到最优的井底净化效果，提高机械钻速。然而，井底水力能量的分配，要受到钻头喷嘴选择、循环系统水力能量损耗和地面机泵条件的制约。因此，水力参数优化设计是在了解钻头水力特性、循环系统能量损耗规律、地面机泵水力特性的基础上进行的。 （一）射流及其对井底的作用 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。 1、射流特性 射流的定义：指通过管嘴或孔 口过水断面周界不与固体壁接触的 液流。 射流的分类： 射流与周围流体介质的关系： 非淹没射流 淹没射流 有无固体边界：无固体边界， 自由射流 有固体边界 ， 非自由射流 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 淹没非自由连续射流的基本特征 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。 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。 连续射流：压力平稳 （ 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 （3）速度分布规律 dn：喷嘴直径 L：射流轴线上某点距出口的距离 Vjo：射流出口流速 Vjm：距出口L处的最大流速 α：射流扩散角 射流速度分布： 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，中心向向两边速度降低很快，射流边界降至0。 等速核段，中心部分速度始终为V0 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。 （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。 2、射流对井底的清洗作用 （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。这是射击队流对早底岩屑的冲击翻转作用。 （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。 3、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，从而大大降低岩石的破碎强度。 3、射流对井底的破岩作用 水力参数: 钻头压力降公式推导过程： 根据伯努利方程： 式中： H—喷嘴高度，可忽略不计 h —泥浆流过喷嘴以后损失掉的水头 V2远大于V1，V1可以忽略不计。 喷嘴结构及水力特征： 可以证明，喷嘴的流量系数为实际流量与理论流量的比值，即：C=Q/Qi 为提高C，需要改善喷嘴的结构设计 钻头水功率与射流水功率的关系： ①钻头水功率： ②射流速度和射流冲击力也可以用钻头压降表示： 水功率传递路径： 钻井泵 地面管汇 钻柱内