实习技术员的基本功(十一)
序言：
???? 大家好，本篇是實習技術員的完結篇。整個實習技術員這一季，都是一些淺顯的知識點。一些平時經常碰到，用到的知識。其實這一季并不代表著實習員期間應該學習到的所有，而是很小的一部分。我只是拋磚引玉了一下。
???? 技術員第一季所涉及的知識點，并不是我一下隊就學會了。很多都是在犯了錯之后，進行反思，多問自己的師傅和身邊的人得來的。我所經歷過的和我的朋友，同學都是一樣的。寫這一季的目的，不是為了顯示自己的聰明，而是獻給那些很優秀的，最后又離開這個事業的省勞務派遣工。他們才是最棒的。還有值得一提的，定向的岳師傅，他就好像中國的動畫片《天書奇談》里的那個給我看天書的老神仙，教了我很多。卻從不承認教過我什么。他是一位經驗豐富的老技術員，他時常教導我，學東西別學形式，要多想原理。這是最重要的。感謝這位”老神仙”。
??? 最后羅嗦一句。如果將來沒有機會在技術員這個崗位上發展，就將此季所涉及的小知識全部還給教過自己的師傅們。哈哈。。。。。
正文：
開始吧！以下所有內容建立在本油田40的架的設備為例。
在實際的鉆井中，及時地把巖屑攜帶出來時快速鉆進的重要條件之一。那么把巖屑攜帶出來時要經過兩個過程。第一個過程是使巖屑離開井底，進入環形空間；第二個過程是依靠泥漿上返將巖屑帶出地面。那么，巖屑不能及時離開井底，是影響鉆速度的主要因素之一。
巖屑很難沖離井底的原因有二：
1.在鉆井中，井內泥漿柱壓力大于地層內流體壓力。井內液柱壓力大于地層壓力，則被破碎而尚未離開井底的巖屑受到兩者壓差的作用，被緊緊地壓在井底。要使它離開井底則要花很大氣力，來克服這個壓差的作用。
2.泥漿在井底也有失水作用，在井底也會留下類似泥餅一樣的東西，井與巖屑摻混在一起，蓋在井底，形成一個”墊層”，將鉆頭與井底隔開，這樣，鉆頭要破碎新的井底，必須先清除這個”墊層”，這不僅浪費了功率，而且出現了巖屑的重復破碎，降低了鉆速。
???? 由此，我們有了個新的工藝。噴射鉆井技術。噴射鉆井的一個顯著特點，是從鉆頭噴嘴中噴出強大的泥漿射流，它具有很高的噴射速度，具有很大的水力功率，它能給予井底巖屑一個很大的沖擊力，從而使巖屑及時地，迅速地離開井底，始終保持井底干凈。這就是噴射鉆井能夠大幅度提高鉆速的主要原因。泥漿射流的作用，不僅能使巖屑沖離井底，而且在一定條件下可以直接破碎巖石。這已成為噴射鉆井的實踐所證明。
一．噴射式鉆頭的工作原理
主要就在于噴嘴。在前幾集里介紹過噴嘴。這里就補充說明下。
從鉆頭噴嘴中噴出的射流是屬于淹沒非自由射流。淹沒是指射流出口以后，就處在井筒內的泥漿中，被井筒內泥漿所淹沒。由于泥漿的密度比空氣大得多，所以射流在出口以后就受到淹沒液體的巨大阻力。那么非自由是指射流的運動和發展受到固體環境的限制，不能自由地運動和發展，具體的說，射流到達井底以后，要受到井底和井壁的限制，還要受到鉆頭的限制，射流到達井底以后，一部分向四周散開，沿著井底橫向流動，形成漫流；一部分向著原來方向相反的方向返回。最后所有的射流液體都要經過環形空間返出地面。
??? 關于它的一些基本內容，參看參考資料1的教科書。簡單提一下，射流的擴散角阿a表示射流的密集程度。顯然，a越小則射流密集性越高，能量越集中，射程就越遠。對于噴射鉆井來說。我們希望擴散角越小越好。
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如上圖，延長射流收攏以前的邊界母線，交與A點，A點稱為射流的”極點”。極點至噴嘴出口的長度，以 Jo表示。則 ：Jo=(do/2)/tan(a/2)
令 2tan(a/2)=a,,即為射流的擴展系數，于是???Jo=do/a ??在射流邊界收攏之前，在噴射距離(即距噴嘴出口的距離)為1的截面上，射流的直徑可以用下式表示。
????????? d=do+2tan(a/2)=do+a1
???? 淹沒非自由射流在出口后受到井筒內淹沒泥漿和返回泥漿的巨大阻力，使射流的速度分布發生了很大的變化。
1．在射流的中心。由于受到淹沒泥漿和返回泥漿的影響較小，所以速度很高。所以速度最高。在射流的任一截面上，軸線上速度最高，自中心向外速度很快降低，到射流邊界上速度為零。
2.射流出口后有一段長度，這段長度內的中心部分始終保持剛出口的速度。這段射流的中心部分稱為射流等速核。這一段射流稱為射流的初始段。超過初始段以后稱為射流基本段。
3．從射流的軸線上看，初始段的軸線上，速度始終等于剛出口時的速度。超過初始段以后，基本段軸線上的速度迅速降低?；径屋S線上任一點的速度，與該點距極點的距離成反比。
??? 等速核是射流能量集中的部分。對噴射鉆井來說，我們希望等速核越長越好。由于鉆頭結構方面的原因。噴嘴距井底的距離即噴射距離，總是有一定的長度。當噴射距離一定的時候，等速核越長，則能量最集中的部分越接近井底，對井底的清洗效果也就越好。
射流液體具有一定的密度，射流又具有一定的速度。在射流前進的方向上遇到障礙物時，射流將給障礙物一個壓力，這個壓力就是射流具有的動壓力。根據水力學原理，射流任一點的動壓力與該點的速度有關，與射流液體的重度有關:
???????? Pr=rV2/(200g)
式中?? Pr是射流某一點的動壓力，巴(bar)。?? 1bar=0.1MPa??
?????? V是射流在該點的速度，米/秒；
?????? r 是射流液體的重度，千牛/米3； (作者：該單位是單位體積所具有的重量)
?????? g是重力加速度，9.81米/秒2
1．?在射流的任一截面上，中心動壓力最大，自中心向外，動壓力急劇衰減，在射流邊界上動壓力為零。
2．?射流等速核內各處的動壓力相等，都等于射流剛出口時的動壓力。
3．?在射流中心線上。超過等速核以后，動壓力急劇下降。
必須指出，射流的擴散角和等速核長度是與噴嘴結構有很大關系的。
二．射流對井底的清洗作用
在前面幾集里，也提到過為什么在本油田上部軟地層裝兩只不等徑的噴嘴，這里將作出合理的解釋。
射流沖到井底以后能產生兩種凈化井底的作用。其一是射流對巖屑的沖擊壓力作用，其二是漫流對巖屑的橫推作用。
由于射流上每一點都具有一定的動壓力，當射流碰到井底以后，將此動壓力傳給井底，形成對井底的沖擊壓力(此沖擊壓力即等于射流到達井底時的動壓力)。巖屑在這個沖擊壓力作用下，會不會被壓得更緊地貼在井底，更不易離開井底呢？不會的。因為：
1．射流的這個壓力不是靜壓力，面試沖擊壓力。此沖擊壓力不是作用在整個井底，而是作用在小圓面積上，就整個井底而言，射流作用的面積內壓力較高，射流作用的面積以外壓力較低。就射流作用面積而言，沖擊壓力也是極不均勻的，射流作用中心的壓力最高，離開中心則壓力急劇下降。
2.由于鉆頭的旋轉，射流作用的小圓面積在迅速移動。本來不均勻的壓力分布，又在迅速發生變化。
???? 由于以上兩個原因，就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生一個翻轉力矩，從而離開井底。這種情況就好像地面上一個石子，我們用棒子猛敲它的邊緣，它會翻轉著蹦起來一樣。
? 射流沖向井底以后，就形成沿著井底橫向流動的漫流。某些試驗證明，漫流是很薄的一層，它具有相當高的流速。某個試驗測量了射流沖擊面積附近的漫流流速得出在距井底0.4毫米的高度上，漫流流速最大。當射流噴速為16.5米/秒時，最大漫流速度可達9.8米/秒。距井底的高度增加時，漫流流速迅速降低。
??? 具有很高速度的井底漫流，將作用于巖屑一個橫向推力或牽引力，從而使巖屑離開井壁的原來位置。某些研究指出，把巖屑沖離井底，漫流起主要作用，而射流的沖擊壓力作用尚未其次。所以研究漫流是很重要的。
???? 還需要指出。測量位置距射流的沖擊中心的距離不同，漫流的速度也不同。在射流沖擊面積以內，射流沖擊中心的漫流速度為零；離開中心，漫流速度逐漸增大；在射流沖擊面積的邊緣，漫流速度達到最大。在射流沖擊面積以外，漫流流速與距沖擊中心的距離成反比。即距離沖擊中心愈遠則漫流流速愈小。
三．射流的水力參數
??? 射流水力參數包括射流的噴射速度，射流沖擊力合射流水功率。
??? 計算射流噴速的通式為：Vo=10Q/Ao
式中：Vo 是射流噴速，米/秒；
????? Q是通過鉆頭噴嘴的泥漿排量，升/秒；
?????Ao 是噴嘴出口截面積，厘米2；
對于普通的三噴嘴鉆頭，Ao=3.14d2o/4???????
如果鉆頭的噴嘴不是三個或個噴嘴直徑不相等，可以使用噴嘴相當的直徑來算。當各噴嘴直徑相等時，噴嘴相當直徑 的計算公式如下：
式中?n為噴嘴的數量。當各噴嘴直徑不相等時：
???
?射流沖擊力是指射流在其作用面積上的總的作用力的大小。
式中?Fj是指射流沖擊力，千牛；
????? P是指射流液體密度，g/cm3
????? Q是指泥漿排量，L/S ；
????? A0是指噴嘴出口面積，厘米2
射流水功率參見參考資料1。
對于噴射鉆井有實際意義的是射流水力參數。但射流是泥漿通過鉆頭噴嘴以后產生的。由于噴嘴對泥漿流動有阻力，所以噴嘴要損耗一部分能量。在噴射鉆井設計中，不僅要計算射流的能量，而且要考慮噴嘴損耗的能量。
1．鉆頭壓力降，就是泥漿流過鉆頭噴嘴以后泥漿壓力降低的值。通過公式推導出噴嘴的流量系數C。而P1-P2就是泥漿流過噴嘴的壓力降。Pb=(0.05pdQ3)/(C2A2o)
式中： Pb是指鉆頭的壓力降，MPa ；
pd是指射流液體密度，g/cm3
????? Q是指泥漿排量，L/S ；
????? A0是指噴嘴出口面積，厘米2
??? 鉆頭水功率是指泥漿流過鉆頭時所消耗的水功率。鉆頭水功率的大部分變成射流水功率。少部分則用于克服噴嘴阻力而作功。而鉆頭水功率與射流水功率之間相差一個系數C2。這個系數C2的物理意義是什么呢？事實上C2表示了噴嘴的能量轉換效率。射流水功率是鉆頭水功率的一部分，是由鉆頭水功率轉換而來的。我們可以吧鉆頭的噴嘴看作一個能量轉換器。為了提高射流的水功率，必須選擇能量轉換效率高的噴嘴，必須提高鉆頭的水功率。
??? 要提高射流噴速和沖擊力，必須提高鉆頭壓降和噴嘴能量轉換效率。
四．噴嘴結構及其水力特征
??? 研究噴嘴結構及其水力特性的意義在于噴射鉆井要求射流具有較小的擴散角和較長的等速核長度。而影響射流擴散角和等速核長度的主要因素是噴嘴的結構。噴射鉆井要求提高射流的水力參數，而射流的水力參數是由鉆頭水利參數轉換而來的，轉換率集中地反映為噴嘴流量系數的大小，而不同的噴嘴其流量系數也是不同的。
???? 噴嘴對液流是有阻力的，也就是說液流流過噴嘴時要損失一部分能量。而流量系數的含義是實際流量與理論流量的比值。
??? 影響噴嘴流量系數，射流擴散角和等速核長度的主要因素是噴嘴的流道形狀。所以我們要得到理想的射流形狀和足夠的射流水力參數。就必須選好噴嘴。
?? 上圖都是高流量系數的噴嘴，它們的流量系數都在0.96以上。但它們形成的射流擴散角和等速核長度都有所不同。從噴射鉆井要求來講，希望選擇流量系數高，射流擴散角小，等速核長的噴嘴。所以，流線型噴嘴和等變速型噴嘴為最好。(作者：這里如何理解這個流量系數呢?比我們常用的雙圓弧噴嘴，它的流量系數是0.96-0.98也就是說，在泥漿經過噴嘴有0.04到0.02的能量損失掉了。)
??? 噴嘴的直徑就是指噴嘴的出口直徑。由射流水力參數的公式可以看出，射流噴速和沖擊力與噴嘴直徑的平方成正比；射流水功率與噴嘴直徑的四次方成反比。說明，縮小噴嘴直徑將大大提高射流的水力參數。
???? 縮小噴嘴直徑可以提高射流的水力參數，這是在一定的條件下講的。事實上，噴嘴直徑不能無限地縮小?？s小到一定程度如果在縮小，就會使射流水力參數下降。
??? 鉆頭的水力參數鉆頭壓力降和鉆頭水功率是來自地面上泥漿泵的泵壓合泵功率，并且是依靠循環泥漿來傳遞。泥漿泵將壓力和水功率傳遞到鉆頭上，也必然損耗一部分能量，要想法減少傳遞過程中的能量的耗損，使鉆頭得到更多的壓力降和水功率。
水功率從泥漿泵傳遞到鉆頭上，是通過泥漿在循環系統中流動而實現的。泥漿循環系統大體上是由四部分組成的。
1．?泥漿從泥漿泵流出以后，先經過地面高壓管線，立管，水龍帶(包括水龍頭)和方鉆桿。這部分合稱為地面管匯，這部分不隨井深變化。
2．?泥漿從方鉆桿流出后，即進入鉆桿和鉆鋌內部。這部分合稱為鉆柱內部。這部分隨著井深的增加而加長。
3．?泥漿從鉆鋌流出后，即進入鉆頭噴嘴，形成泥漿射流。清洗井底和破碎巖石。這是水功率傳遞的目的地。
4．?泥漿到達井底以后，又從鉆柱與井壁的環形空間返出到地面上。泥漿在返出時還要完成一個任務-----攜帶巖屑。
泥漿流過這四個部分，都要遇到阻力。克服阻力就要消耗壓力和水功率。所以這四個分都要使泥漿的壓力降低。
?? 由于泥漿流過1,2，4三個部分所消耗的壓力和水功率是我們不希望要的。我們將這部分壓力降低和水功率稱為循環系統的壓力損耗和損耗功率。而泥漿流過鉆頭時的壓力降和傳給鉆頭的水功率是我們希望提高的。我們將這部分稱為鉆頭壓力降和鉆頭水功率。
循環系統壓力損耗的計算是一項非常復雜的問題。這是因為，一方面鉆井循環系統的管路是不規則的，另一方面鉆井液是一種非牛頓流體，其流變性變化較大。所以在工程上往往要進行簡化計算。
?? 泥漿在循環管路中流動的壓力損耗，就是該段管路兩端的壓力差。而在實際工作中，為了計算循環壓耗，首先要判斷流態。是層流就用層流公式，是紊流就用紊流公式。
?? 流態不同，則泥漿和管壁的摩阻系數f與雷諾數Re的關系式也不同。這就需要在選用公式以前，必須判斷流態是層流還是紊流。根據水力學原理，流態的決定因素是雷諾數Re。試驗證明當Re<2000時為層流；當Re>4000時為紊流；當2000《Re《4000時為從層流向紊流的過渡流態。人們把從層流向紊流過渡時的雷諾數稱為臨界雷諾數，以Rec表示。可見，Rec是從2000到4000的范圍，并不是一個固定值。
1.層流流態下的壓耗的計算
??? 根據流變參數計算層流壓耗。在層流流態下，液流的特點是呈層狀流動，液流質點間不存在互相摻混，而是沿著一定的流線前進。在流路的橫截面上，各點的流速是不相等的。在管路的半徑方向存在著速度梯度。在不同的半徑處，速度梯度又是不相等的。但是每點處的速梯與該點處液流流動的剪應力之間存在一定的關系。可以用一個公式表示，稱作流變模式。不同的流型的液體。流變模式是不同的。
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?? 根據各種流體的流變模式?？梢酝茖С鲆惶子嬎愀鞣N流體的層流壓耗公式(看不清楚沒辦法)。
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?? 利用上圖中的公式計算，首先要測得泥漿的流變參數(牛頓流體的粘度，賓漢流體的動切合塑性粘度，冪律流體的稠度系數和流性指數)。
2．根據Re求f,計算層流壓耗
?? 據研究，在層流流態下，摩阻系數f與雷諾數Re之間呈簡單的反比關系，即對管內流f=16/Re，而對環空流f=24/Re。根據下表去判別流態后即可求出層流壓耗。
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??? 這種方法的優點在于：在計算壓耗之前，總要先判別流態，然后才選擇公式。而要判斷流態就要計算雷諾數。有了雷諾數值，計算f就很簡單易行了。
1．?根據流變曲線求層流壓耗
每種流型的流體在層流流態下，遵守一定的流變模式。但是實測泥漿的流變曲線，并不是絕對地遵守某個流型的流變模式。所以不管用哪種流型來代替泥漿，都是不準確的。
2．?紊流流態下壓耗的計算
在紊流流態下，壓耗計算要比層流流態下困難得多。在紊流流態下，摩阻系數f和雷諾數Re的關系很難用一個公式表達出來；而且f和Re的關系隨著管壁粗糙程度而變化。
?? 綜上所述，循環系統壓耗的計算式很負責的(作者：細心的讀者可以自己深入研究)。為了從理論上分析問題方便起見，也為了在實際工作中進行程序設計方便起見，需要對循環系統壓耗計算公式進行簡化。
不判別流態，全用紊流公式。
在鉆井的條件下，管內流動總是紊流，環空流動則可能是紊流也可能是層流，若全用紊流公式計算，勢必造成一定的誤差。但是我們考慮循環系統壓耗的主要組成部分是管內壓耗。而環空壓耗在數值上較小，所以全用紊流公式計算就抓住了矛盾的主要方面。在噴射鉆井設計中，這樣做事足夠精確的。但要注意，在環空水力學中，這樣簡化是不允許的，是會造成很大誤差的。
詳細內容參看參考資料1。自己的專業課課本，這里只是穿針引線一下。
下面我們就一口井的實際數據進行說明。當然其中并沒有考慮到實際公式，而是從經驗的角度出發，雖然這與本篇相悖。
1.一開采用444.5mm的鉆頭+7寸DC(3根)。由于表層只打50米。所以后面接的是鉆桿。噴嘴采用的是18mm的3個。鉆進過程中，開單泵2MPA，而開雙泵最高6MPA。由于當時密度只有1.08。算的鉆頭的壓降：3.54MPA(雙泵170缸套)，0.88MPA(單泵缸套)。那么環空和管柱內的壓耗為2.46MPA。這不符合經驗公式每增加1000米泵壓升高3到3.5MPA。實際上這是個大井眼，環空面積大，且密度和粘度，泥漿性能要懸浮大顆粒的礫石所以，壓耗高。
2．二開采用311.15mm的鉆頭+8寸DC（3根26.91米）+7寸的DC（6根54.19米）+6.2寸DC（9根82.85米）+HWDP30根（279.40米）。噴嘴采用19+19+16。在842米時，密度1.10，粘度38S，泵壓14MPA(雙泵170的缸套)。此時鉆頭的壓降為3.56MPA，那么環空及鉆桿內部的壓耗為10.4MPA。也是由于懸浮大顆粒的礫石且泥漿性能的原因。
3．鉆二開水泥塞，由于鉆穿水泥塞一段距離后才起鉆換鉆頭向下個地層鉆進。215.9mm的銑齒鉆頭+6.2寸DC（6根54.78米）+HWDP30根（279.40米）+鉆桿。噴嘴組合為12+13+0，單泵14MPA（170的缸套）。泥漿密度同上，則此時鉆頭的壓力降為8.69MPA，則環空和鉆具內的壓耗為5.31MPA。由于泥漿要防鈣侵，性能上有變化，為什么此時的壓耗是上個鉆具的一半呢？上面可是雙泵哦。
4．起鉆完后換PDC下去快速鉆進。215.9mm的PDC+172的1度螺桿+6.2寸的DC（9根82.85米）+HWDP（30根279.40米）+鉆桿。噴嘴時11.1*2+10.32*2，單泵170的缸套就有14MPA。取井深1540米時，密度1.28粘度58秒，此時泵壓17MPA。柴油機轉速1100轉。那么這時鉆頭的壓降為4.71MPA，環空和鉆桿內壓耗為12.29MPA。套用經驗3-3.5MPA/1000米，這環空和鉆桿造成的壓耗在4.5到5MPA之間。那么還有大約7MPA到哪里去了。首先我們計算的并不是真實值，其次我認為這7兆帕是螺桿帶動鉆頭工作時，自身的壓力降。
5．更換牙輪鉆頭定向鉆進。215.9牙輪+172的1度螺桿+6.2寸DC（6根54.78米）+HWDP（30根279.40米）+鉆桿。噴嘴組合為19+16+0。取井深2450米的點，密度1.30粘度64S，此時泵壓17MPA(換160的缸套)。淺層螺桿帶鉆頭測試為9MPA。此時鉆頭的壓力降為2.47MPA，則螺桿工作的壓力降為6.53MPA。環空和鉆桿內的壓耗為8MPA。符合經驗公式。
6．更換新的1.25度螺桿繼續鉆進。215.9mm的牙輪+172的1度螺桿+6.2寸DC（6根45.34米）+HWDP（30根279.40米）+鉆桿。噴嘴選用12+16+19的。井口不帶鉆頭試螺桿有3MPA(150的缸套)，3.5MPA(160的缸套)。1000米的淺層測試12MPA(150的缸套)。為什么井口試螺桿的工作壓力降會在深井內不同呢?此時鉆頭的壓力降是1.62MPA。
7．完鉆后由于水平電測的需要，采用牙輪鉆頭不裝噴嘴通井，下光鉆桿。3000米開泵：12.5MPA（170的缸套），11MPA（160缸套）。3500米開泵12.5MPA（160的缸套）。此時密度為1.32粘度68S。滿足經驗公式。
??? 綜合上述數據，得出。如果有螺桿在井里工作，存在其自身帶動鉆頭鉆頭的工作壓力降，這個壓力降大小是否與井深，鉆壓，鉆速有關系呢？這有待讀者去探索。
五．經濟水功率工作方式
??? 對于噴射鉆井來說，射流的主要作用使保持井底干凈。當射流的水力參數達到一定值時，井底已經很干凈了，如果此時還要繼續增大射流水力參數，則是功率的浪費。繼續增大那部分水力參數已經對提高鉆速不起作用了。所謂經濟水功率工作方式，就是根據井底達到清潔，干凈實際需要的水功率來確定水力參數。
總結
在本集中，簡單的介紹了下，噴射鉆井。也對實際工作中的數據進行了分析。還有很多不完善，待后期自己理論與能力提高后補充。
參考資料：
1．陳庭根，管志川《鉆井工程理論與技術》
轉載于:https://www.cnblogs.com/315358525/archive/2010/07/14/1777149.html
總結
以上是生活随笔為你收集整理的实习技术员的基本功(十一)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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