钻井工程 第四章.ppt

2.钻头水功率 钻头水功率是指钻井液流过钻头喷向井底所消耗的水力功率 3.钻头水力参数与射流水力参数的关系 二、水功率传递的基本关系 水功率传递路径： 钻井泵 地面管汇 钻柱内 钻头 环空 地面 压力分配：Ps=Pg+Pst+Pan+Pb=Pl+Pb 水功率分配：Ns=Ng+Nst+Nan+Nb=Nl+Nb 式中： Ps、Ns——钻井泵压力及功率； Pg、Ng ——地面管汇压耗及功率； Pst、Nst ——钻柱内压耗及功率 Pan、Nan ——环空压耗及功率 Pb、Nb ——钻头压降及功率 三、循环系统压耗的计算 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。 (一)压耗计算的基本公式 式中： (二)摩阻系数f 的确定 1.宾汉流体在紊流状态下摩阻系数f 与Re的关系 管内流： 环空流： k — 系数，与管路特性有关； Re — 雷诺数； 2. 循环系统摩阻系数计算公式 （1）内平钻杆及钻铤管内 （2）贯眼接头钻杆管内 （3）环型空间 （三）循环系统压耗的计算公式 1、地面管汇压耗 2、钻杆内压耗 3、钻铤内压耗 4、钻杆外环形空间压耗 5、钻铤外环空压耗 钻铤内外压耗： 钻杆内外压耗： 分别令Kg、Kp和Kc为地面管汇、钻杆内外和钻铤内外的压耗系数，即： 则 总压耗计算公式： 称为整个循环系统的压耗系数 将压耗系数Kl作进一步变化，设井深为D，并令： （四）提高钻头水力参数的途径 关系 压力 关系 功率 提高钻头水力参数的主要途径 提高泵压ps和泵功率Ps 降低循环压耗系数Kl 使用低密度钻井液 减小钻井液粘度 适当增大管路直径 3. 增大钻头压降系数Kb 唯一有效的途径是减小喷嘴直径。 4. 优选排量Q 四、钻井泵的工作特性 (一)钻井泵的性能参数 额定功率——钻井泵的最大输出功率，Nr 额定泵压——所用缸套的允许工作压力，pr 额定排量——在额定泵功率和额定泵压时的排量，Qr 额定泵冲——额定排量时的泵冲数。 表4-7 3NB1000钻井泵性能表 (二)钻井泵的工作状态 根据泵排量的大小，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≤Qr时，ps=pr，NS≤Nr 2. 额定功率工作状态 当Q＞Qr时， Ns=Nr ，pS? pr 钻井泵的实际工作状态取决于所选用钢套的大小。 Nr Nr 只有当泵排量等于额定排量时，钻井泵才能同时达到额定输出功率 和额定泵压。因此，应尽量选用额 定排量与实用排量相近的缸套。 五、水力参数优选 （一）优选标准 目标：获得最大的射流水力参数或钻头水力参数。 射流水力参数 钻头水力参数 由于： 所以可选其中的Vj、Fj或Nb作为优选标准。 各水力参数随排量变化的规律： 由曲线可知，选择一个排量不可能使四个参数同时达到最大，那麽究竟按照什麽标准选择排量呢？ 三种选择方式： 以Nb 为标准选排量称为最大水功率工作方式。 以Fj 为标准选排量称为最大冲击力工作方式。 以Vo 为标准选排量称为最大喷射速度工作方式。 （二）获得最大钻头水功率的条件 目标函数： 1. 在额定泵功率状态下工作 Ns=Nr 由上式可看出：Q ↗，Nb ↘ ； Q ↘，Nb ↗ 理论上Q越小越好，但最小 Q=Qr 因此，在额定泵功率状态下, 获得最大钻头水功率的条件是： Qopt= Qr 2.在额定泵压状态下工作 ps = pr 求得最优排量为： 此时有： 3.最优排量随井深的变化规律 当Q＞Qr时 ： 当Q＜Qr时： 不同井深和排量下钻头水功率的变化 规律图象如图4-21所示。 其中，L0＜L1＜L2＜L3＜LNc＜L5＜LNa＜L7。 2→3，井深 LNaL≤LNc 时:泵处于额定泵压工作状态。 3→4，井深L＞LNa时，Qopt=Qa ， Qa为满足携带岩屑所需要的最低排量。 1→2，L≤LNc时：钻头水功率最高时的排量为额定排量，此时泵处于额