油气井流体力学教学课件ppt井底射流

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1、第四章井底射流流动主要内容能量方程钻头射流流动规律钻头喷嘴尺寸选择钻头水力参数计算1第四章井底射流流动第一节能量方程为外界对单位质量流体做的功分别代表单位质量流体的焓、位能、动能。单位质量流体的能量能量方程为2第四章井底射流流动第一节能量方程(4.2)(4.3)流体内能的变化和流体获得的热能常用摩擦损失来表示，因此我们定义摩擦损失为：将式(4.2)代入式(4.1)得：3第四章井底射流流动第一节能量方程则式（4.3）改写为：(4.4)如果流体为可压缩上式中第一项很难计算；而对于不可压缩流体，有：若采用工程单位磅/英尺2、磅/加仑、英尺/秒和英尺表示上述各

2、物理量，则有：4第四章井底射流流动第一节能量方程例4.1若已知作用在钻杆上的摩擦力损失为1400psi，流体流量为400gal/min，泥浆密度为12lbm/gal，井深为10000ft，钻井底部的套管的内径为2.5in，泵压为3000psi，求钻杆底部的压力。解：钻铤中流体的平均速度为上述计算表明在钻井系统中，式(4.4)中的动能项的影响甚微，也就是说，由流体加速所引起的动能的变化是可以忽略的，但通过钻头喷嘴的钻井液的流动除外。泥浆池中的流体速度近似为零，则由能量方程得5第四章井底射流流动第二节钻头射流流动考察钻头射流流动，我们通常假设：（1）忽略由

3、井底温度改变引起的压力变化；（2）与喷嘴射流速度相比，喷嘴上游速度可以忽略；（3）由摩擦引起的喷嘴中的压力损失可以忽略不计。因此，能量方程（4.4）简化为6第四章井底射流流动考虑到上述假设带来的计算误差，我们引入速度校正因子(4.6)Eckel和Bielstein实验研究结果表明可能高达0.98，但一般建议取0.95。(4.5)令喷嘴压降则喷嘴出口速度为第二节钻头射流流动7第四章井底射流流动第二节钻头射流流动现考察装有三个喷嘴的三牙轮钻头。由式4.6知，如果每个喷嘴压降相同，那么喷嘴射流速度相同。如果喷嘴面积不同，则必须调节通过每个喷嘴的流量以便使的比

4、值相同，即因此泵的总流量：换言之，喷嘴速度等于总流量与总面积的比值(4.7)8第四章井底射流流动第二节钻头射流流动联立(4.6)和(4.8)得钻头压力降(4.9)(4.10)若取工程单位，则喷嘴速度(4.8)由得：9第四章井底射流流动第二节钻头射流流动假设射流冲击井底时，流体动量完全传递给井底，则射流对井底的冲击力为：联立方程（4.11）和（4.6）得：(4.12)(4.11)10第四章井底射流流动第二节钻头射流流动例4.2泵压3000psi，密度为12lbm/gal的钻井液流过一个有3个直径为13/32in喷嘴的钻头，喷嘴速度为400gal/min，

5、作用在钻杆上的摩擦力损失为1400psi。试计算：（1）钻头喷嘴压力降；（2）泵的水力功率；（3）粘性力作用而消耗的功率；（4）射流冲击力。11第四章井底射流流动泵功率摩擦而消耗的功率射流冲击力解：总面积压力降第二节钻头射流流动12第四章井底射流流动第三节钻头喷嘴尺寸选择钻井人员经常利用摩擦压力损失方程来确定合适的喷射钻头喷嘴尺寸，然而，真正完善的喷嘴尺寸是不能完全通过方程来确定的。在做这个工作以前，必须建立精确的数学关系来限定以下几种因素对水力水平的影响。（1）钻头磨损；（2）操作费用；（3）钻井液携带性能。目前，对于采用哪些水力参数去描述水力冲击问

6、题，还有很多不令人满意的地方。最常用的水力设计参数是（1）钻头喷嘴速度；（2）钻头水力马力；（3）喷射冲击力。13第四章井底射流流动4.3.1喷嘴速度极大值正如喷嘴速度方程所示，喷嘴速度与通过钻头的压力降平方成正比。因此，当钻头上得到的压降取得最大值时，喷嘴的速度也取得最大值，此时钻柱和环空处的摩擦压力损失最小。流速最小时，磨擦压力最小。第三节钻头喷嘴尺寸选择14第四章井底射流流动第三节钻头喷嘴尺寸选择4.3.2钻头水力马力极大值泵压主要消耗在以下几个方面：（1）地面设备的摩擦压力损失；（2）钻杆内的摩擦压力损失和钻铤内的摩擦压力损失；（3）由加速通过

7、喷嘴的钻井液引起的压力损失；（4）钻铤环空内的摩擦压力损失和钻杆环空内的摩擦压力损失。表达成数学式为：(4.13)15第四章井底射流流动若用表示除钻头外总的摩擦压力损失，则：(4.15b)(4.14a)第三节钻头喷嘴尺寸选择16第四章井底射流流动第三节钻头喷嘴尺寸选择在通常的紊流情况下，的每一项都可以计算出来。我们可以用下式来代替总的附加压力损失其中：m为常数，一般取理论值1.2；c也为常数，其值取决于泥浆的性能和井筒尺寸。(4.15)把式(4.15)代入(4.14b)，得到：17第四章井底射流流动第三节钻头喷嘴尺寸选择钻头水力马力或(4.16)(4.

8、17)18第四章井底射流流动第三节钻头喷嘴尺寸选择因为<0，故求得的为极大值；由上面的计算，可