鉆井水力參數(shù)優(yōu)化設計（一）鉆井施工技術課程目錄CONTENTS噴射鉆井技術01射流及其對井底的作用02噴射鉆井技術01噴射鉆井技術噴射鉆井技術就是采用大功率的泥漿泵和可以產(chǎn)生高速射流的鉆頭噴嘴，使高壓鉆井液，流過噴嘴時可產(chǎn)生高速流動的水射流，給井底以很大的沖擊力，把巖屑及時沖離井底，并輔助破碎巖石，該技術稱為噴射鉆井技術。射流及其對井底的作用02射流及其對井底的作用1.射流特性：射流是指通過管嘴或孔口過水斷面周界不與固體壁接觸的液流。射流分類：非淹沒射流和淹沒射流。射流運動和發(fā)展是否受固體邊壁影響分：自由射流和非自由射流。射流出噴嘴后，由于摩擦作用。射流流體與周圍流體產(chǎn)生動量交換，帶動周圍流體一起運動，使射流的周界直徑不斷擴大。射流形狀具有等速核及擴散角。射流縱剖面上周界母線的夾角稱為射流擴散角。它反映了射流的密集程度。α越小，則射流的密集性越高，能量就越集中。在噴嘴出口斷面，各點的速度基本相等，為初始速度；在射流任一橫截面上，射流軸心上的速度最高，由中心向外速度很快降低，到射流邊界上速度降為零；射流中心部分保持初始速度流動的流束，稱為射流等速核。等速核長度與噴嘴直徑和流道形狀有關；在等速核以內(nèi)，射流軸線上的速度，等于出口速度；超過等速核以后，射流軸線上的速度迅速降低。射流及其對井底的作用2.射流對井底的清洗作用（1）射流的沖擊壓力作用射流撞擊井底后形成的沖擊壓力波，并不是作用在整個井底，而是作用在射流沖擊面積上，如圖所示，就小圓面積而言，射流沖擊壓力也極不均勻，射流作用的中心壓力最高，離開中心則壓力急劇下降。由于鉆頭的旋轉(zhuǎn)，射流作用的小面積在迅速移動，本來不均勻的壓力分布又在迅速變化。由于這兩個原因，使作用在井底巖屑上的沖擊壓力極不均勻。極不均勻的沖擊壓力使巖屑產(chǎn)生一個翻轉(zhuǎn)力矩，從而離開井底。這就是射流對井底巖屑的沖擊翻轉(zhuǎn)作用，如圖所示。（2）漫流的橫推作用射流撞擊井底后，形成壓力沖擊波和沿井底高速流動的漫流。對井底巖屑產(chǎn)生一個橫向推力，使其離開原來的位置。對井底清洗有非常重要的作用。射流及其對井底的作用（3）射流對井底的破巖作用在巖石強度較低的地層，射流的沖擊壓力超過地層的破碎強度，直接破碎巖石。在巖石強度較高的地層，射流擠入巖石中由鉆頭機械力造成的微裂紋和微裂縫內(nèi)，形成“水楔”，使微裂紋和裂縫擴展，從而大大降低巖石的破碎強度。鉆井水力參數(shù)優(yōu)化設計（二）鉆井施工技術課程目錄CONTENTS射流的水力參數(shù)01鉆頭水力參數(shù)02水功率傳遞的關系03射流的水力參數(shù)01射流的水力參數(shù)

射流水力參數(shù)包括射流的噴射速度、射流沖擊力和射流水功率。計算位置：噴嘴出口斷面。射流噴射速度：鉆頭噴嘴出口處的射流速度稱為射流噴射速度，習慣上稱為噴速，其計算式如下所示：式中：Vｊ──當量噴嘴射流噴速，ｍ／ｓ；Ｑ──通過鉆頭噴嘴的鉆井液流量，Ｌ／ｓ；Ａ０──鉆頭當量噴嘴出口截面積，ｃｍ２；ｄｉ──噴嘴直徑（ｉ＝１，２，…，ｎ），ｃｍ；ｎ──噴嘴個數(shù)

射流沖擊力是指射流在其作用的面積上的總作用力的大小。噴嘴出口處的射流沖擊力表達式可以根據(jù)動量定理導出，其形式如下：

式中Ｆｊ──相當噴嘴的射流沖擊力，KＮ；ρｄ──鉆井液密度，ｇ／ｃｍ３。射流在沖離巖屑、清洗井底和協(xié)助鉆頭破碎巖石的過程中，實質(zhì)上是射流不斷對井底和巖屑做功。單位時間內(nèi)射流所具有的做功能量越多，其清洗井底和破碎巖石的能力就越強。單位時間內(nèi)射流所具有的做功能量，就是射流水功率，其表達式為：射流在沖離巖屑、清洗井底和協(xié)助鉆頭破碎巖石的過程中，實質(zhì)上是射流不斷對井底和巖屑做功。單位時間內(nèi)射流所具有的做功能量越多，其清洗井底和破碎巖石的能力就越強。單位時間內(nèi)射流所具有的做功能量，就是射流水功率，其表達式為：鉆頭水力參數(shù)02鉆頭水力參數(shù)（1）鉆頭壓力降鉆頭壓力降是指鉆井液流過鉆頭噴嘴以后鉆井液壓力降低的值。公式如下所示：式中：C——噴嘴流量系數(shù),與噴嘴的阻力系數(shù)有關，C<1。de——噴嘴當量直徑，即與n個噴嘴出口截面面積總和相當?shù)膰娮熘睆?，cm；（2）鉆頭水功率鉆頭水功率是指鉆井液流過鉆頭噴向井底所消耗的水力功率。公式如下所示：我們可以得到鉆頭水功率與射流水功率之間的關系式如下所示：水功率傳遞的關系03水功率傳遞的關系水功率傳遞的關系鉆頭水功率由鉆井泵提供，鉆井泵的輸出功率(泵功率)：鉆井液從鉆井泵排出時，具有一定的水功率。水功率傳遞路徑:鉆井泵→地面管匯→鉆柱內(nèi)→鉆頭→環(huán)空→地面。(說明：1表示鉆井泵2表示地面管匯3表示鉆柱內(nèi),4鉆頭，5環(huán)空6地面,要求流體在各路徑顯示。）壓力分配關系：水功率分配關系：式中：ΔPs、Ps—鉆井泵壓力及功率；ΔPg、Pg—地面管匯壓耗及功率；ΔPst、Pst—鉆柱內(nèi)壓耗及功率；ΔPan、Pan—環(huán)空壓耗及功率；ΔPb、Pb—鉆頭壓降及水功率。鉆井水力參數(shù)優(yōu)化設計（三）鉆井施工技術課程目錄CONTENTS鉆井泵的工作特性01水力參數(shù)的優(yōu)化設計02鉆井泵的工作特性01鉆井泵的工作特性

每一種泵都有一個最大輸出功率，稱為泵的額定功率；每一種鉆井泵都有幾種直徑不同的缸套，每種缸套都有一定的允許壓力，稱為使用該缸套時的額定泵壓。在額定泵功率和額定泵壓時的排量，稱為泵的額定排量；額定排量時的泵沖數(shù)為泵的額定沖數(shù)。泵的額定功率、額定泵壓和額定排量的關系為：Ｐｒ＝ｐｒＱｒ式中：Ｐｒ—額定泵功率，ｋＷ；ｐｒ—額定泵壓，ＭＰａ；Ｑｒ—額定排量，Ｌ／ｓ。根據(jù)泵排量的大小，可將鉆井泵的工作分為兩種工作狀態(tài)：（1）額定泵壓工作狀態(tài)：當Ｑ＜Ｑｒ時，由于泵壓受到缸套允許壓力的限制，即泵壓最大只能等于額定泵壓Pｒ，因此泵功率要小于額定泵功率。隨著排量的減小，泵功率將下降。泵的這種工作狀態(tài)稱為額定泵壓工作狀態(tài)。（2）額定泵功率工作狀態(tài)：當Ｑ＞Ｑｒ時，由于泵功率受到額定泵功率的限制，即泵功率最大只能等于額定泵功率Ｐｒ。隨著排量的增加，泵的實際工作壓力要降低。泵的這種工作狀態(tài)稱為額定泵功率工作狀態(tài)。從泵的兩種工作狀態(tài)可以看出，只有當泵排量等于額定排量時，鉆井泵才有可能同時達到額定輸出功率和缸套的最大許用壓力。因此，在選擇缸套時，應盡可能選擇額定排量與實用排量相近的缸套，這樣才能充分發(fā)揮泵的能力。水力參數(shù)的優(yōu)化設計02水力參數(shù)的優(yōu)化設計01確定最小排量Ｑａ

a.現(xiàn)場工作經(jīng)驗法

b.根據(jù)經(jīng)驗公式：通常使用的經(jīng)驗公式為：

Va=18.24/ρd

Dh式中：Va—最低環(huán)空返速，m/s；ρd—鉆井液密度，g/cm3；Dh—井徑，cm。02計算各井段循環(huán)壓耗系數(shù)將全井分為若干個井段，用每個井段最下端處的井深作為計算井深。根據(jù)前面所講的公式，分別計算Ｋｇ、Ｋｐ、Ｋｃ、ｍ、ａ，最后計算不同井深時的循環(huán)系統(tǒng)壓耗系數(shù)ＫＬ＝ａ＋ｍＤ。03選擇缸套直徑和確定最高泵壓：鉆井泵的每一級缸套都有一個額定排量，在所選缸套的額定排量