5.6 开口管环空流速计算在线视频

第二种情况是开口管

开口管

所谓表示开口管

就表示我钻头的水眼

没有被堵塞的这种情况

既然钻头的水眼没有被堵塞

也就是说

如果我是下放钻柱这种情况

大家想一下

我如果下放钻柱

钻井液会怎么流动

我下放钻柱是不是这部分

钻柱下放的话

钻柱占得这部分体积

钻井液要排出的井外

要排出的

要排出井口

这些钻井液通过哪些通道排出去

第一个就是

环形空间

通过环形空间

要出去一部分

另外一部分

要通过钻柱里面排出去

这部分体积通过这两个

在这里面的话

对于开口管来说

就分为两个流动了

一个就是钻柱里面的流动

往上的钻井的流动

比如说我下放钻柱

另外一部分

就是环形空间的

钻井液的流动

这么两个部分

这里面的计算

我们可以采用

相应的一个计算模型

首先第一个

我的钻柱所占的体积是多少

就是我下放钻柱

我知道下放钻柱的速度

类似的

相当于我们开口管这种

知道钻柱的下放速度

因为钻柱的下放速度

我在地面上是知道的

一定的下放速度我是控制的

这是我们钻头的下放速度

钻柱的下放速度知道过后

它的体积是多少

就是相当于我钻井液的排量是多少

通过这个公式可以计算

这是四分之一π

这个就直径

这个就是我的钻柱的外径

这个di就是钻柱的内径

实际上就是我钻柱

管壁所占的这部分体积

对于开口管来说

我的排量相当于就是这部分体积

这个体积

机体的数学模型就是

0.0785乘以个

钻柱的外径的平方

减去个内径的平方

括起来

在乘以钻柱的速度

这个模型大家应该

这个公式应该很容易掌握

这是我钻井液

相对应钻井液总的排量

这个钻井液的排量

它是包含了哪些

哪些流动

实际上就包含了一个

钻井液从环形空间往上的流动

往上流动的排量

也包括钻柱里面

钻井液往上流动的排量

相对于我这部分的体积

它是附加了

钻井液的流动有两个

一个环形空间的流动

一个是钻柱里面的流动

现在我就要思考一个问题

我要计算它的摩阻压降

一个就是说

我这个

环形空间流动的速度应该是多少

里面流动的速度是多少

两个速度可能是不一样的

首先我假设

我假设钻柱里面的这个排量是

Qi

环形空间流动的排量是

Qc

相当于这里面是Qi

这里面Qc

假如说是那两个排

考虑这么两部分

这两相加

就等于钻柱所排开的这部分体积

对于环形空间来说

事实上环形空间的排量是等于多少

就等于

钻柱的这部分排开的体积

钻柱的体积减去一个

钻柱里面的这个排量

实际上就是这么一个公式

对于这个

我们通过前面知道

钻柱所占有的这部分体积

这么一个计算公式

里面是Qi

环形空间的速度再乘以

环形空间的面积

是不是就等于环形空间的排量

环形空间的面积是什么

就是

井眼的直径

跟钻柱的外径有关系

这个排量是多少

环形空间的排量是多少

实际上就是

环形空间面积乘以

环空的速度

就环空的面积是多少

就是大d的平方减小d的平方

除个4

我们实际上这个排量的话

这乘以它的速度

这面这个面积

把它除过来的话

计算相当于这个

这部分

实际上就对应它的这一块

是不是

这一部分是

管内的排量

再除以这一部分

这个公式大家看

有什么能推断出来吧

能推断出来

就是假如说我

管内的排量是Qi的时候

Qi的时候

那么环空的速度应该是多少

就是可以用这个计算公式

来计算出来

前面讲的这两种情况

都是

指的是我

关泵的时候

没有泵入钻井液的这个情况

接下来看

如果有钻井液泵入的

是开口管的这种情况

它还要包括我的

钻井液泵入的这一部分量

虽然总的量

这个Qt

是我们钻井液泵入的

钻井液的排量

总的排量是多少

相当于对应这个排量

Qs总的排量是多少

总的排量实际上

就是Qs加上一个

泵的排量

那么这是对于这种

开泵这种情况

总的排量的值

前面公式里面

每一个符号的含义

这里有

比如说钻柱的Vp

表示的

Vp表示钻柱的起下钻的速度

Vp

然后这是

环空的速度

还有外径

内径

在我们前面也给大家讲了

这种情况

它的定义

接下来我们知道了速度

我们还要关心一个问题

叫做粘附系数的影响

粘附系数

就是粘滞系数

前面也讲了

就是说我这个钻柱

往上面

往下放的时候

我周围的钻井液跟他

有一个相对的速度

跟它往下面走

我环形空间的平均速度

是这么样

是往上面流动的

但是我们靠近钻柱

周围的这部分流体

跟着它有往下走的趋势

大家可以想

如果我这部分

它占得面积比较大

走的这个趋势比较强

比如说我这个钻井液

粘附性非常的好

就是相当于胶水这样

很粘的很稠的这种流体

钻井液的话

是不是紧靠井壁的

很大面积里面的流体

是跟着它往下面走的

这么跟着它往下面走

附加的相当于我其他部分的速度

提高了

也有变化

在这个情况下

就要考虑

我钻井液的粘滞力

对我的

环形空间的速度

有什么影响

因为我的

粘度不一样

这个跟着它走的这个速度也不一样

跟着它运动程度不一样

我就要考虑

这个粘滞效应的影响

就是粘附系数的影响

那么粘附系数

我们可以用这个公式

可以表示出来

这个Kc

表示粘附系数

平均的速度

环空的这个平均速度

我们就等于粘附系数乘以

钻柱的这个

Vp的话

就是钻柱的运动速度

就是粘附的这个值大小

这个粘附系数

对于紊流来说

我们可以取0.5

对于其他流体

我们可以通过这个表

都把他们查出来

这个表的话

就是粘附系数

不同流型指数

不同的环空的面积比

它的速度是不一样的

它这个粘附系数是不一样的

根据粘附系数过后

我们就可以计算出来

几种工况的环形空间的速度

根据环形空间的速度

我们就可以计算

波动压力的大小

第一种情况

对于闭管

闭口管的

然后关泵的这种情况

根据前面知道

环空的速度的话

环空的平均速度就等于

这一部分

就是

这个就是

钻柱外径的平方

除以井眼直径的平方

减去钻柱的外径的平方

再加上Kc粘附系数

再乘以速度

大家看这是加了一个粘附系数

主要粘附系数

它主要前面也讲了

主要就是由

这周围的跟着钻柱有一个

跟他一起运动的趋势

相对于

它跟着它走了

环形空间波动压力就增加了

这部分速度提高了

相当于就是这个

粘附系数这个概念

在这里面

这就是我们

粘附效应的这个情况下

闭口管关泵的时候

环空的平均的速度

采用这个公式

对于开口管关泵的时候

开口管关泵的这种情况下

环形空间的速度

也可以通过前面的推导

这个公式

这个公式里面

也是考虑粘附系数的影响

粘附系数的影响

这是开口管开泵的时候

那么开口管开泵的时候

我还加了一定的泵压的

一定的影响

那么这是这么几种情况

知道了环空的速度过后

我们就可以计算

相应的雷诺数

根据雷诺数的计算公式

不同的流型也是不一样的

对于幂律流体来说

我的雷诺数

是这个判别公式

这个雷诺数里面

就跟A或K有关系

跟它的流型指数

和稠度系数有关

这个n的话

就是幂律流体的

流型指数

K是它的稠度系数

这是几个常数

单位换算的

这就是雷诺数的一个计算公式

这是环空的平均的速度

对于塑性流体来说

不同的钻井液体系

它的流变模式是不一样的

根据我们第三章

钻井液这一部分的介绍

可以看出来

如果是塑性流体

就采用这个雷诺数的判别公式

进行一个计算

这个判别公式里面

就有动切力

还有或者叫屈服值

还有塑性粘度

根据这些参数

这些参数

我们通过实验的方法可以得到

计算出雷诺数

根据不同的雷诺数的大小

最后我们可以判断

流动形态

这个在前期的课程

包括水力参数的

流体力学的课程里面也是讲过的

也是跟大家要讲

比如说

不同的雷诺数

对应的不同的流型

根据不同的流型

计算它的摩阻

返流摩阻系数

根据摩阻系数

去算摩阻压降

在这种情况

环形空间

计算出雷诺数

前面第一步是

第一步是计算环空的平均速度

知道环空的平均速度过后

我们就可以计算出

环空的钻井液的流动的雷诺数

根据雷诺数的大小

判断它的流态

如果说

对于幂律流体来说

它大于等于

3470-1370*流型指数

它就属于紊流的

属于紊流状态

如果小于它的话

就属于层流状态

对于塑性流体来说

雷诺数大于2000的话

它就属于紊流的这种状态

再根据紊流和层流的计算模型

就可以计算它的返流的摩阻系数

前面公式的每一个符号的含义

在这里也有说明

刚刚课程也跟大家讲了

知道了摩阻系数过后

雷诺数过后

我们就可以计算出

摩阻系数

根据摩阻系数

就可以计算波动压力的大小

波动压力等于多少

就等于

0.196*摩阻系数*钻井液的密度

还有它平均的速度

这是我的井眼的深度

井深

然后这是井眼的尺寸-钻柱的外径

这里面最关键的就是

这个摩阻系数的计算

摩阻系数

根据雷诺数

它有什么对应的关系

这是n的话

对于塑性流体和幂律流体来说

它的摩阻系数计算

可以采用这个公式计算

摩阻系数的话

上面是个a除以雷诺数的b次方

a和b的含义

这里面就可以通过这两个模型

把它计算出来

这个n就是它的流性指数

幂律流体的塑性指数

流性指数

根据流性指数

可以计算a或b

a或b的话

对于紊流来说

是不是我n是知道的

a或b可以计算出来

雷诺数也是知道的

就可以把摩阻系数计算出来

注意

大家要注意的

实际计算过程当中

要考虑

对于钻井液来说

它的a或k流性指数

稠度系数的话

要用我的300转

600转的这个

范氏粘度计读数来进行计算

这样的话是用300转速度来进行计算

计算出摩阻系数过后

摩阻系数对塑性流体

或者幂律流体

计算出摩阻系数过后

就可以把我们的这个

波动压力

可以计算出来

因为摩阻系数知道

我钻井液密度也是知道的

钻井液流动的速度

环空的速度

我也是可以计算出来的

井深我是知道的

就可以把波动压力计算出来

这就是我们

波动压力的计算方法

但是前面这套波动压力计算

还有存在几个问题

这个波动压力计算

是考虑我

比如说我现在这种环空的速度的计算

大家可以看出来

这个速度的计算

都是考虑的

我钻柱的这部分体积

钻柱比如说我起

起放钻柱

或者下放钻柱

它所占的体积

带来的速度的一个变化

但是

实际钻井当中

比如说我刚开始

刚开始起的

或者刚开始下

和你一直以一个速度起

或者是下

它的产生的附加压力是不一样的

包括我们拧开水龙头也是

刚开始打开水龙头

或者是关闭的时候

有一个很强的瞬即效应

有一个很强的震动

对于我们井底压力的波动来说

也是一样的

我刚开始开

和刚开始关

刚开始下放

或者刚开始起钻柱的时候

它可能都会产生一个

瞬态的波动压力

这个波动压力的计算

就是比较复杂的计算

这个我们讲的

就是这套数学模型

就是现在跟大家讲的

都叫做稳态的波动压力的计算

所谓的稳态的波动压力

就是没有考虑钻井液

瞬态的流动

对它波动压力的影响

现在的话

也有很多的学者

在研究这个瞬态压力的计算

但是它计算出来非常的复杂

通过这个波动压力的计算

对我们钻井工程有什么影响

结合我们井身结构这一章

大家可以知道

在井身结构设计里面

我要考虑

我起下钻柱对外井筒压力的影响

由于我井身结构的不一样

我的波动压力

计算出来

肯定是不一样的

为什么

因为我的套管的直径选择不一样

套管跟钻柱之间

或者说我钻头的尺寸选的不一样

我大尺寸的钻头

钻开的井眼

和小尺寸钻头钻开的井眼

对我这个波动压力

影响也是不一样的

大家想当我钻柱

一般是采用

常见的是5寸的钻杆

或者5寸半

就是我钻杆的尺寸是一定的情况

我钻头的尺寸越大

环形空间越大

环空的速度也就

平均速度

也就越小

环空的速度也就越小

这个起下钻过程产生的波动压力

是要小一些

如果说我钻头的直径比较小

比如对于一些

超深井钻井来说

它的直径

钻头直径就比较小

小井打开的井眼就比较小

这种情况下

钻柱跟环空

跟井眼之间

环空间隙就比较小

相当于环空的面积比较小

这种情况下

环空的速波

速度就比较快

环空的波动的速度比较快

比较大

它产生的波动压力

就相对比较大

这就是

对于小井眼钻井

和大井眼尺寸钻井

我的波动压力的一个

对波动压力的一个影响

这是第一个方面

第二个方面

就是当我们

设计井身结构的时候

要考虑哪些问题

就是我设计井身结构

比如说我套管下到某一个位置

我要防止我钻井液

就是说可能

一个方面就是

钻开这个层位

防止它把地层压破

地层压破

另一个方面

我要保证我的钻井液静止的时候

我在钻井液

静液柱压力要大于地层压力

对于一口井来说

从上面往下面钻井过程当中

前面的

就是上面的地层压力肯定要小一些

下面要大一些

正常情况下

我的地层压力

是逐渐在增加

破裂压力也是一样

从上面往下面走

也是是逐渐增加

你这个层位

比如说同是一个钻头

钻到2000米的话

上面这个

打开这个井眼

上面的地层压力要低一些

下面要高一些

上面的破裂压力要低

下面的要高

这是用同一个钻井液

钻井过程当中

有可能在某些地方

就可能把地层压破

小于地层的破裂压力

在某些地方

有可能低地层压力

发生溢流的这种情况

在这种情况下

我就要考虑

波动压力的一个影响

这里面

有一定的影响

这是我们

对我们井身结构设计的一些影响

下节课

我们就要给大家讲这个

波动压力的计算实例

今天的课就上到这