《油气井流体力学》思考题答案.docx

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《油气井流体力学》思考题答案

《油气井流体力学》

复习思考题

Chap1:

（1）钻井液俗称钻井的血液，写出几个钻井液在钻井过程中的主要功用。

1.从井底清除岩屑并经环空携带至地面

2.平衡地层压力和地应力，阻止地层流体流入井和维持井眼稳定

3.停止循环时悬浮钻屑和加重材料

4.清洗、冷却和润滑钻头及钻柱；形成泥饼，保护井壁和储层

5.向钻头传递水力功率，辅助破岩

6.与地层黏土和流体配伍，保护油气层

7.反映井下信息，有助于录井监测和地层评价

（2）钻井循环系统的组成部分。

1.地面管汇：

包括地面调节控制管汇、立管、水龙带、水龙头等钻井泵出口至钻柱顶端的流动通道

2.钻柱：

包括方钻杆、钻杆和井下钻具中的圆管形流动通道及各段管柱之间的接头，还包括井下动力钻具、各种测量及控制工具等

3.钻头：

主要是钻头流道、水眼及喷嘴

4.环空：

分为钻柱与套管或尾管柱之间的环空、钻柱与裸眼之间的环空

Chap2:

（1）非牛顿流体的分类，常见的非牛顿流体有哪些，各有何特点？

1.与时间无关的非牛顿流体：

剪切应力仅与剪切速率有关，与剪切持续时间无明显关系

一般又可分为以下两种类型

1）纯黏性流体：

只要施加很小的力即可流动。

根据其表观黏度随剪切速率的变化情况，通常将这种流体分为假塑性流体和膨胀性流体。

假塑性流体的表观黏度随剪切速率的增加而减小。

膨胀性流体的表观黏度随剪切速率的增大而增大。

2）黏塑性流体：

剪切应力超过一定数值后才开始流动的流体，即具有一定的屈服应力

2.与时间有关的非牛顿流体：

这类非牛顿流体的黏度函数不仅与剪切速率有关，而且与剪切持续时间有关，大致可分为触变性流体和震凝性流体两类。

在一定剪切速率下，触变性流体的表观黏度随剪切时间的增大而减小，而震凝性流体则相反，在一定剪切速率下表观黏度随剪切时间的增大而增大。

3.黏弹性非牛顿流体：

就是具有黏性同时具有弹性的流体。

在定常剪切流场中，这种流体在外力作用下发生形变或流动，外力消除后，它的形变会随时间的顺延而恢复或部分恢复。

（2）实际钻井液的流变曲线有哪些？

有何特点？

屈服应力？

静切力？

。

宾汉模式、幂律模式、卡森模式、赫-巴模式、罗-斯模式、Sisko模式

（3）钻井上常用的流变方程及其流变参数的名称、意义？

（4）漏斗粘度计的单位？

秒

（5）旋转粘度计按转速档位可以分为几类？

有2速（300，600rpm）旋转粘度计；6速（3，6，100，200，300，600rpm）旋转粘度计,ZNN-D6,Fann35A；无级变速旋转粘度计（RV20,Fann50C）；高温高压流变仪（旋转粘度计）（RV20,Fann50C）

（6）旋转粘度计的基本方程？

该方程对于测量流体的流变参数有何意义？

切应力与扭矩的关系：

筒表面上的剪切应力：

外筒表面上的剪切应力：

将切应力方程变形得：

对上式左右两边同时求导，得：

设距旋转轴r处，流体质点的角速度为，线速度为，求导得：

将应力方程

代入剪切速率方程，得：

积分，得：

（7）严格讲，用通常的旋转粘度计测量确定已知流变方程地的非牛顿液体流变参数时需要改进修正，为什么？

作为测量测量非牛顿流体流变特性通用仪器的圆筒旋转黏度计，实际上是依据牛顿流体剪切应力和剪切速率关系式设计的。

因此，用通常的旋转粘度计测量确定已知流变方程地的非牛顿液体流变参数时需要改进修正。

（8）API表观粘度的定义

（9）未知流变方程液体的测量与已经流变方程的测量有何异同之处？

（10）如何进行钻井液流变模式优选，有哪些标准是什么？

流变曲线对比法

这种方法是分别绘制钻井液的实测流变曲线和理论流变曲线，通过考察两条曲线的吻合情况来选择流变模式。

这是一种直观的判断方法，缺点在于当几条曲线彼此比较接近时，肉眼判断较难。

剪切应力误差对比法

该方法是将各流变模式的剪切应力值与实测剪切应力值进行相对误差和平均相对误差计算，取平均相对误差最小者为优选流变模式。

该方法计算较为简单，缺点在于易受异常点干扰而影响判断的准确性。

相关系数法

运用线性回归计算流变参数时得到相关系数，越接近0，表明回归效果越差，越接近于1，表明回归效果越好。

该方法计算较为简便，但应注意各模式的相关系数值通常在小数点三、四位上才表现出差别。

（11）影响钻井液流变性的因素有哪些，这些因素是如何影响的？

温度、压力、添加剂以及现场施工条件等

水基钻井液：

压力影响很小；在地剪切速率下，温度升高，钻井液的剪切应力上升，表观黏度变大，在高剪切速率下，剪切应力和表观黏度随着温度的升高而降低

油基钻井液：

在同一剪切速率下，当压力一定时，钻井液的剪切应力随着温度的升高而降低，温度一定时，钻井液的剪切应力随着压力的升高而增大。

温度降低和压力增大都会使油基钻井液的表观黏度增大。

在低温条件下，压力对表观黏度的影响很大，随着温度的升高，表观黏度迅速下降，压力所起的作用也越来越小。

Chap3:

（1）管流控制方程

是怎么得来的？

这一方程是否对任何液体圆管层流都适用？

另外，建立该方程时是否作过简化？

假设圆管钻柱静止不动，且不考虑端部效应，圆管半径为，取半径为、长度为的与圆管同心的流体微元为研究对象。

断面S1处的压强为

，断面S2处的压强为p。

该流体微元受力平衡可得。

适用于所有流体类型和不同的流动状态

（2）简述传统的圆管层流的分析方法的主要步骤。

（3）何谓结构流？

塑性液体在圆管层流流动时为何会产生结构流？

牛顿液体、幂律液体圆管层流流动是否会出现结构流？

由塞流直到形成紊流前的整个区域都称为结构流。

塑性液体在圆管层流流动时会产生结构流的原因是塑性流体具有屈服值

不会

（4）何为核隙比？

粘塑性液体屈服应力和核隙比有何比例关系？

流核半径与圆管半径之比

（5）幂律液体的流性指数与其在圆管的速度分布有何关系？

（6）利用传统的圆管层流的分析方法的核心是建立流量表达式，哪个流变模式没有做任何简化而获得工程上常用的压耗计算公式？

宾汉模式及赫-巴模式

（7）写出以宁阻力系数表达的达西公式。

（8）宁（Fanning）阻力系数和莫氏（Moody）阻力系数的关系?

;其中

为莫式摩阻系数，f为宁摩阻系数

（9）什么是通用圆管流量方程，是否对牛顿流体和非牛顿流体都适用？

并简述该方程求解圆管层流压耗的基本思路。

不同流变模型的流量与管壁切应力之间的关系方程可以表示为一种统一的形式，这种统一形式的方程称为通用圆管流量方程。

都适用

在已知流变方程的条件下，利用通过圆管流量方程建立起流量和管壁切应力或管壁剪切速率的精确关系式，通过该关系式由给定的流量求解管壁切应力，从而获得圆管层流压耗精确值

（10）什么是管流特性参数，何为广义流性指数，广义流性指数的物理意义是什么？

如何确定广义流性指数？

管流特性参数：

牛顿流体的管壁剪切速率

广义流性指数：

管壁切应力与管流特征参数在对数坐标系中的关系曲线上任一点处的斜率

（11）何为有效管径？

物理意义？

何为管壁表观粘度？

以有效管径和管壁表观粘度表达的广义雷诺数的定义？

有效管径物理意义：

非牛顿流体在直径为D的圆管做层流运动，压耗等于黏度与其管壁表观黏度相同的牛顿流体以同样的平均速度在直径为

的圆管层流压耗。

管壁表观黏度：

非牛顿流体在圆管的层流流动，其流动压耗等于动力粘度为有效粘度的牛顿流体在相同条件下层流流动时的压耗。

（12）简述基于广义流性指数计算圆管压耗的主要步骤。

1.计算管壁切应力

和剪切速率

。

2.计算广义流性指数

3.计算有效管径

4.计算广义雷诺数

5.计算压耗

Chap4:

（1）研究同心环空轴向层流的流动模型有那两种？

分析利用传统的分析方法分析非牛顿流体同心环空轴向层流用的是哪种模型？

一种是不作简化处理的方法，称为实际流动模型；对于非牛顿流体同心环空轴向层流，一般采用简化方法，即将环空流动假设为窄槽（两无限大平行板间）流动，这种处理方法称为窄槽流动模型

（2）窄槽流模型的核心思想是什么，由此推导的同心环空均匀流控制方程与圆管层流控制方程有何异同之处？

对于钻井工程环空情况，按牛顿流体分析，窄槽流模型的工程误差大概小于多少？

核心思想：

假设同心环空的流速关于环空心线对称分布，即最大流速在中心线上，且环空外壁面切应力相等。

当环空外径之比

>0.3时，窄槽流动模型环空压耗最大误差不超过2.5％

（13）写出同心环空轴向层流以宁阻力系数表达的达西公式。

（3）什么是通用环空流量方程，基于该方程求解环空压耗的主要步骤是什么？

（4）简述通用环空流量方程与传统算法求解环空压耗的主要步骤，并分析传统算法的误差来源。

（5）什么是同心环空广义流性指数，并简述基于广义流性指数求解广义雷诺数的主要步骤。

广义流性指数:

环空管壁切应力与特性参数12v/Dhy在对数坐标系中的关系曲线上任一点处的斜率

（6）有效管径与等效管径有何异同？

等效管径是将牛顿流体环空流动等效为牛顿流体圆管流动。

有效管径则是将非牛顿流体同心环空流动等效为牛顿流体圆管流动

（7）如何描述偏心环空的偏心程度？

偏心度表示不同半径的外管偏心程度的大小

（8）偏心度如何影响偏心环空的速度分布、流量和压降？

Chap5:

（1）.列举几种常用的钻井液流态判别方法。

临界雷诺数法、局部稳定性参数Z值法、整体稳定性参数法

（2）.用临界雷诺数方法判别非牛顿流体流态存在什么局限性？

（3）非牛顿流体的临界雷诺数不为定值，大小与液体的性质有关。

用临界雷诺数方法判别非牛顿流体流动状态与实际情况有出入。

崇建等对七组不同性能的幂律流体进行的圆管流实验结果表明，采用临界雷诺数的方法来判别流态存在较大的误差，有的甚至高达30%。

（3）.目前对非牛顿流体稳定性（流态判别）主要有哪两种理论？

简述各理论要点。

局部稳定性理论：

该理论认为流场中存在这样的一些点，其流动稳定性最弱，最易于产生紊动涡。

若这些点开始产生紊动涡，便认为流动已由层流向紊流转变。

但最易产生紊动涡的点发生紊流，并不能说明整个流动能够完全紊流，只能认为整个流动的部分区域产生局部紊流。

整体稳定性理论：

（4）.简述分层雷诺数的概念，如何利用分层雷诺数求稳定性参数

值？

任意一层流体惯性切应力与黏性切应力之比

（5）.稳定性参数

与稳定性参数

之间有何关系？

（6）.用临界雷诺数

和临界

值判别流体流态进行水力计算时，当

（或

）时，可判断流体为紊流，这种做法对吗？

不对

Chap6:

（1）.牛顿流体紊流压耗计算通式在圆管与同心环空中有何不同？

宁摩阻系数

和雷诺数Re的关系式以及雷诺数Re的计算式不同

（2）.何谓光滑管，何谓粗糙管，两者有何不同之处？

在近管壁处存在着两种流动情况。

雷诺数较小时，近壁层流层的厚度大于绝对粗糙度，粗糙突起对紊流的流动影响不大，这种情况的管流动称为“水力光滑”的，把这种管道称为“光滑管”；随着雷诺数开始变大，层流开始向紊流转变，层流边层的宽度变小，到达一定的程度时，近壁层流层的厚度小于绝对粗糙度，粗糙突起就会对紊流造成影响，这种管流动称为“水力粗糙”的，把这种管道称为“粗糙管”。

（3）.根据尼古拉兹实验，圆管紊流沿程阻力可以分为哪几个区域，各区域如何计算宁阻力系数？

（4）.

常见的光滑管阻力系数计算方法有哪些，常见的粗糙管阻力系数计算方法有哪些？

光滑管阻力系数计算方法：

1.多吉-梅茨纳公式；2.伯拉休斯型经验公式；3.克拉佩公式；4.托兰斯公式

粗糙管阻力系数计算方法：

1.Reed-Pilehvari公式；2.Bailey-Peden公式

（5）.如何计算过渡流压降？

流体流动过程中由层流发展到紊流状态存在过渡区，对于过渡区流动压耗求解方法有学者建议在层流临界雷诺数与紊流临界雷诺数之间采用线性插值方法求解得出过渡区宁阻力系数。

因此，对于层流临界雷诺数处宁阻力系数由下式计算得到：

紊流临界雷诺数下的宁阻力系数，采用如前所述宁阻力系数相应的计算公式计算得出。

最后，由下式计算雷诺数为时，过渡区的宁阻力系数。

（6）.

如何计算过流截面突扩、突缩情况下的水头损失？

包达公式：

将连续性方程代入上式，可得

（7）.简述如何计算动力钻具压耗？

1.固定值。

当钻进的参数比较稳定，井下动力钻具的压耗不大时，通常可以取一个常量，使计算简单。

2.插值法。

通过查阅井下动力钻具的参数表确定排量及压力降，通过实际排量来进行插值可近似得到动力钻具的压力降，即

3.利用循环压耗反算井下动力钻具的压耗系数。

在稳定钻进且环空清洁的条件下，可采用这种方法算得压耗系数，并利用算得的压耗系数进行后续计算，即

4.回归法。

根据实测数据可以将动力钻具在当前钻井液性能条件下压降与排量的关系式回归确定为

Chap7:

（1）对岩屑颗粒来讲，何为有效粒径？

何谓球形度？

有效粒径：

比重速度或滑落速度相同的球体直径

球形度：

与颗粒同体积的球体的表面积与颗粒的表面积之比。

（2）岩屑颗粒在充满泥浆的直井环空中下沉时主要受哪些阻力？

一是由流体粘性产生的摩擦阻力；二是由于物体周围流体的速度差等因素的影响，使运动物体前后形成压力差而产生的阻力，称为压差阻力。

（3）压差阻力产生的根本原因是什么？

流体经过球体发生了附面层的分离，产生了旋涡区，消耗了机械能，在球体前后形成压强差，因而产生压差阻力

（4）小雷诺数颗粒下沉时，其阻力主要考虑什么力？

用什么公式计算？

摩擦阻力

（5）大雷诺数颗粒下沉时，其阻力主要考虑什么力？

用什么公式计算？

压差阻力

（6）中雷诺数颗粒下沉时，其阻力主要考虑什么力？

用什么公式计算？

同时考虑压差阻力和摩擦阻力

（7）何谓自由沉降？

何谓干涉沉降？

何谓自由沉降末速？

自由沉降：

单个颗粒在无限的流动空间的滑落。

当固体体积浓度很小时，颗粒与颗粒之间彼此不发生严重干扰的滑落，也可当做自由沉降来处理

干涉沉降：

颗粒群体在有限流体空间的滑落。

自由沉降末速：

作用于颗粒上的外力达到平衡，颗粒等速滑落，把颗粒等速滑落的速度称为滑落末速。

（8）何谓形状系数？

（9）莫尔、钱氏、沃克-迈耶斯关系式，三者有何不同？

（10）何谓岩屑运移比？

为何它能衡量岩屑的运移效率？

当岩屑滑落速度增加时，岩屑运移比减小，则环空的岩屑浓度会增加。

因此，岩屑运移比是对钻井液携岩能力的一种很好的度量方式

（11）何谓环空岩屑浓度Ca?

为何Ca不能太高？

（12）垂直管固液两相流的三个控制方程是什么？

（13）根据Williams和Bruce等人的实验，在垂直井中，当钻柱转速较小时（<35rpm），钻柱旋转有利于岩屑上返，如何解释？

当钻杆转动时，带动了周围液体的旋转，使液体呈螺旋流上返，补偿了颗粒的翻转力矩，使其平稳转动，从而提高上返速度

Chap9:

（1）何谓波动压力？

何谓挤压（或激动）压力和抽吸压力？

产生波动压力的三个主要原因是什么？

一般情况下那个原因最主要？

波动压力：

油气钻井过程中，经常进行的作业是将管柱起出或下入充满钻井液的井眼，起钻、下钻、下套管或衬管等是这种作业的主要形式。

由于管柱的顶替作用，将会导致井眼钻井液的流动，从而在井产生附加的压力。

因起下钻速度不均匀等，这种附加压力的数值在管柱起出或下入的过程发生变化。

钻井工作者通常将这种现象称为压力波动（PressureSurge），将附加压力的数值称为波动压力。

若波动压力使井总压力增加，则称为激动压力或挤压压力；若波动压力使井总压力减小，则称为抽吸压力。

钻井液的静切力、钻井液黏滞力和钻柱惯性力

钻柱最大速度引起的波动压力

（2）简述波动压力对钻井造成的危害。

①波动压力可以引起井涌或井喷。

为了节省时间，将管柱快速起出井眼时，井可能产生很大的抽吸压力，从而使井压力降低，地层油气流入，从而引起井涌或井喷。

现场统计资料表明，25%以上的井喷是直接由于起钻时抽吸作用引起的。

②过大的激动压力会压裂地层而引起井漏。

③管柱的起出或下入过程中，会引起激动压力和抽吸压力的交替变化，使井壁上的载荷发生周期性变化，容易引起井壁坍塌。

④抽吸压力会导致地层流体流入井而污染钻井液，从而导致钻井液处理上的困难。

⑤激动压力或抽吸压力也会给油层保护带来困难。

（3）喷射钻井时起下钻引起的井下波动压力比普通钻井时大，为什么？

（4）深井满眼钻具钻井比浅井普通钻井引起的波动压力大，为什么？

（5）简述波动压力的计算过程。

①分别计算钻杆环空和钻铤环空的钻井液流动速度；

②分别确定钻杆环空和钻铤环空的流态，并计算钻柱最大速度引起的波动压力；

③根据钻井液性能和现场工作情况，确定有无必要计算钻井液静切力和惯性力引起的波动压力；

④在三个波动压力值中选择数值最大者进行分析，判断是否可能引起井下事故。

（6）下钻时，由于急刹车（刹住不动）所引起的波动压力是挤压压力还是抽吸压力？

下钻前从上提钻柱时引起的波动压力是挤压还是抽吸压力？

两种情况下产生波压的原因是什么？

（7）稳态波动压力理论中，产生波动压力主要有哪几方面的因素？

钻井液的静切力、钻井液黏滞力和钻柱惯性力

（8）简述稳态波动压力理论中，计算波动压力的步骤。

（9）简述瞬态波动压力与稳态波动压力理论的不同点。

（10）试说明以下钻井参数（钻井液性能、下入深度、起下钻速度、起下钻加速度）对井下波动压力的影响规律。

钻井液性能：

1.钻井液密度波动压力的绝对值随钻井液密度的增加而增大（即激动和抽吸压力都增大），而且增加的幅度与下入速度有很大关系，速度较大时影响较明显，反之，速度较小时影响不明显。

2.稠度系数

（1）最大波动压力随K增大而增大；

（2）速度变化较大的点上以及停止下入后，即加速度较大时，表现为波动随K的增加而减少。

3.流性指数与K的影响因素相似

4.压缩性的影响很大程度上表征着钻井液的含气量

下入深度：

随该距离的增加，一方面，最大波动压力下降，另一方面，压力曲线的波动幅度减小，形状也有较大的改变。

起下钻速度：

速度越大，波动压力越大

起下钻加速度：

在开始下入和接近下完时的波动压力很大，而且加速度大，则波动压力的绝对值也大。

Chap10:

（1）简要说明井底压力的计算具体分为哪几种情况。

①井钻井流体处于静止状态，此时的井底压力等于钻井流体的静压力，称为井底静压力，相应的当量密度称为井底当量静态密度（EquivalentStaticDensity，简称ESD）。

②井钻井流体处于循环流动状态（如循环、压井、注水泥顶替等），此时的井底压力等于静液柱压力、环空压耗及井压套压之和，相应的当量密度统称为当量循环密度（EquivalentCirculatingDensity，简称ECD）。

③钻井管柱在充满钻井流体的井眼上下运动（如起下钻、下套管、上下活动钻具等），此时的井底压力等于静液柱压力加上波动压力。

（2）井底静压力的计算可以分为哪几种情况考虑？

1.液柱静压力2.气柱静压力3.固液混合物静压力4.气液混合物静压力

（3）现阶段钻井液在井下高温高压条件下，其密度的计算方法主要分为哪几类？

1.复合密度模型

2.经验密度模型

3.固液两相密度模型

（4）当量循环密度ECD的计算方法有哪些？

1.由环空压耗直接计算ECD

2.由立管压力反算ECD

（5）环空返速的影响因素主要有哪些？

1.钻井泵功率的影响；2.钻井液性能的影响3.环空尺寸的影响

（6）如何用最低井底压力法确定最优环空返速？

（7）简要说明合理环空返速与最优环空返速的区别和联系。

Chap11:

（1）射流的种类有哪些？

钻井液从喷嘴喷出形成的射流是哪种类型？

1.根据射流的压力分类低压射流、中压射流和高压射流

2.根据工作介质和环境介质淹没射流和非淹没射流

3.根据固壁条件分类自由射流和非自由射流

4.根据射流施载特性分类连续射流、冲击射流和混合射流

5.根据射流水力学特性分类定常射流和非定常射流

6.根据射流介质相分类单相和多相射流

淹没非自由射流

（2）射流对井底的作用有哪几种？

试简述其作用机理。

1射流的冲击压力作用对岩屑的冲击翻转作用：

作用在井底岩屑上的压力极不均匀，使岩屑产生一个翻转力矩，离开井底。

2.漫流的横推作用漫流具有附面射流性质。

高速漫流对井底岩屑产生一个横推力

3.射流对井底的破岩作用

岩石强度较低：

射流冲击力超过地层岩石的破碎压力时，射流将直接破碎岩石。

岩石强度较高：

高速射流流体挤入岩石的微裂纹或裂缝，形成“水楔”，使微裂纹或裂缝扩大，从而使岩石强度大大降低。

（3）水力破岩机理与增效途径有哪些？

机理：

①拉伸-水楔破岩理论

当拉应力与剪应力超过岩石的抗拉和抗剪的极限强度时，就会在岩石中形成裂隙。

②密实核-劈拉破岩理论

将脉冲射流的破岩过程简化为具有一定速度的刚体压入岩石半无限弹性体，当极限剪应力和拉应力超过岩石本身的抗剪、抗压强度时，即出现剪切和拉伸裂纹。

增效途径：

①提高射流的峰值压力②增大射流的压力梯度③增强射流的脉动④改善井底流场，提高井底净化效果⑤完善钻头结构设计

（4）钻井水力参数有哪些？

如何对其进行分类？

为什么要进行水力参数优化设计？

（5）提高钻头水力能量的途径有哪些？

1.提高泵压和泵功率；2.降低循环系统压耗系数；3.增大钻头压降系数；4.优选排量

（6）简述单作用钻井泵的工作原理。

（7）钻井泵有哪几种工作状态？

1.额定泵压工作状态；2.额定泵功率工作状态；3.非额定工作状态

（8）喷射钻井水力参数优选标准有哪些？

1.最大钻头水功率准则：

是指在最大允许泵压条件下，优选钻井液排量和喷嘴尺寸，使钻头水功率达到最大。

2.最大钻头水功率准则：

是指，在最大允许泵压条件下，优选钻井液排量和喷嘴尺寸，使钻头喷嘴产生的射流冲击力达到最大。

（9）什么是第一临界井深和第二临界井深？

第一临界井深：

最优排量为钻井泵额定排量时对应的井深

第二临界井深：

最优排量为携岩所需的最低排量

时对应的井深

（10）最优排量的理论计算方法有什么缺陷？

迭代计算方法有何好处？

最优排量的理论计算方法缺陷：

在实际工程应用中，不同井段流态未知，加之钻柱接头、扩径及缩径等局部水力损失难以确定，使准确求取各段的压耗存在困难，因而通过最优排量的理论计算方法进行排量设计时，很难根据流态对整个井眼进行详细的分段，以至各段的最优排量难以确定。

迭代计算方法好处：

1.水力模型比较完善且精确度高；2.功能齐全；3.操作方便

（11）简述最优排量迭代计算方法的流程。