关于钻探水力学介绍

[拼音]：zuantan shuilixue

[外文]：drilling hydraulics

用水力学和钻井液流变学的原理，研究钻孔内钻井液流动状况和规律的学科。用以解决钻孔内的排除岩屑、冷却钻头、水功率利用、优化钻探等实际问题。钻探水力学又分为钻孔环空水力学和钻头水力学两部分。

钻孔环空水力学

研究钻具及孔壁之间环状空间(简称环空) 内钻液的流态、压力降、动压力、流速等相互关系。钻孔冲洗液为非牛顿流体，且钻杆在钻孔内运动，经不同学者的研究，提出一系列公式和参数，并开展了模拟试验研究。

（1）环空流态及冲蚀能力。用何种参数或方法判断流态为层流或紊流，大多数人仍采用雷诺数

μe为钻井液有效粘度，随剪切速率而变化,由流变学中不同流变模式进行计算。钻井液流对孔壁的冲蚀能力决定于流态。紊流冲蚀能力强，易使钻孔超径；层流冲蚀能力弱，膨胀地层。有人提出冲蚀能力用临界孔径来衡量。保持层流必须的最小孔径为临界孔径Dc，钻头直径为Db，冲蚀准数I可表示为

（2）环空压力降及等效循环密度。钻井液循环时在环空中的压力降，是泵压的重要组成部分。其计算公式

式中△P/L为单位钻孔深度上的环空压力降(帕/米);△D为钻孔直径与钻具外径之差（米）;V为液流在环空中上返速度(米／秒)；ρ为钻井液密度(千克/立方米)；f为摩阻系数,层流时f=24/Re，紊流时f=α/Reb，α=0.046～0.079，b=0.2～0.25。

环空压力降消耗水力功率，在高压喷射钻探中采用孔底动力机时，尽可能减小环空压力降及钻杆内压力降，以提高孔底功率。环空压力降作用在孔壁上，形成动压，影响内压力平衡。钻井液循环时，孔壁所受压力为静压（液柱压力）与动压力之和，相当于钻井液密度增大形成的压力，此增大的密度，称等效循环密度(ρE),可表示为

（千克／立方米）

（3）激动压力。起下钻具时，钻具运动迫使钻井液运动，钻具的速度及加速度传给钻井液，从而产生非连续性的压力降，形成粘滞波和惯性波，这是另一种动压。由于钻具运动的速度和加速度的方向不同，压力有抽汲和挤压两种，常常交互作用在孔壁上。首先需要计算环空中由钻具运动引起的钻井液速度和加速度。此外由开泵之初，钻井液静切力引起另一种激动压力（结构波）。

（4）岩屑流送。岩屑由钻井液输送至地表过程中，因重力而下沉，具有滑落速度。钻井液上返速度大于滑落速度，才能有效地将岩屑输送至地表。因此，必须研究滑落速度和岩屑尺寸、形状、钻井液粘度、流速等的关系。

（5）钻井液流变性能与流量的选择。要从几个方面综合考虑最优效果，选择流变性能和流量。

钻头水力学

研究钻头底部钻井液流动规律，如液流分布、压力降和水功率利用等。以使钻头得到充分清洗和冷却，孔底得到良好净化，使钻头提高钻速和钻头寿命。金刚石钻探中，使用的金刚石耐磨性极高，一旦温度升高，磨损速度呈指数增大。如切削具上吸附着岩屑，则使其热传导受到严重阻碍。通过试验与计算寻求解决以下问题：

（1）可能达到的钻头比水马力（单位钻头底面积上的水力功率）及不同岩层最适宜的数值。如软岩层280～350瓦／平方厘米，中硬岩层220～280瓦／平方厘米，硬岩层170～220瓦／平方厘米。

（2）钻头各部位压力降及总压力降的试验测试，找出其影响因素。

（3）水路面积的合理数值。过大则液流速度太低，得不到有效冲洗；过小则压力过大，钻头憋水，可能导致烧钻，或产生大的升举力，降低钻压。

（4）水口、水槽的合理布置（尺寸、数目、分布），涉及液流冲洗范围和流速分布。水口尺寸大而数目少，则只能有部分钻头的唇面得到冲洗和冷却；水口分布适当，则钻头唇面绝大部分得到有效冲洗（见图）。

20世纪60年代前，钻探水力学尚未形成学科，只是用水力学计算压力降，为设计流体机械服务。70年代以后，环空水力学发展为指导钻孔稳定，钻头水力学用以指导提高钻速和钻头寿命。同时钻探水力学逐渐成为优化钻探最重要的一部分。通过环空水力学和钻头水力学的研究，达到最大限度地降低环空压力降，提高孔底水功率。

参考书目

1. 刘希圣等编：《钻井工艺原理》，石油出版社，北京，1981。