用水力學和鑽井液流變學的原理，研究鑽孔內鑽井液流動狀況和規律的學科。用以解決鑽孔內的排除岩屑、冷卻鑽頭、水功率利用、最佳化鑽探等實際問題。鑽探水力學又分為鑽孔環空水力學和鑽頭水力學兩部分。
基本介紹
- 中文名：鑽探水力學
- 外文名：drilling hydraulics
- 拼音：zuantan shuilixue
- 能力：環空流態及沖蝕能力
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百科名片
zuantan shuilixue
鑽探水力學
drilling hydraulics
詳細介紹
鑽孔環空水力學
研究鑽具及孔壁之間環狀空間(簡稱環空) 內鑽液的流態、壓力降、動壓力、流速等相互關係。鑽孔沖洗液為非牛頓流體，且鑽桿在鑽孔內運動，經不同學者的研究，提出一系列公式和參數，並開展了模擬試驗研究。
① 環空流態及沖蝕能力。用何種參數或方法判斷流態為層流或紊流，大多數人仍採用雷諾數
[685-01]μe為鑽井液有效粘度，隨剪下速率而變化,由流變學中不同流變模式進行計算。鑽井液流對孔壁的沖蝕能力決定於流態。紊流沖蝕能力強，易使鑽孔超徑；層流沖蝕能力弱，膨脹地層。有人提出沖蝕能力用臨界孔徑來衡量。保持層流必須的最小孔徑為臨界孔徑Dc，鑽頭直徑為Db，沖蝕準數I可表示為
[685-02]
② 環空壓力降及等效循環密度。鑽井液循環時在環空中的壓力降，是泵壓的重要組成部分。其計算公式
[685-03]式中△P/L為單位鑽孔深度上的環空壓力降(帕/米);△D為鑽孔直徑與鑽具外徑之差（米）;V為液流在環空中上返速度(米/秒)；ρ為鑽井液密度(千克/立方米)；為摩阻係數,層流時=24/R，紊流時=/R(，=0.046～0.079，=0.2～0.25。
環空壓力降消耗水力功率，在高壓噴射鑽探中採用孔底動力機時，儘可能減小環空壓力降及鑽桿內壓力降，以提高孔底功率。環空壓力降作用在孔壁上，形成動壓，影響內壓力平衡。鑽井液循環時，孔壁所受壓力為靜壓（液柱壓力）與動壓力之和，相當於鑽井液密度增大形成的壓力，此增大的密度，稱等效循環密度(ρE),可表示為
[685-04]（千克/立方米）
③ 激動壓力。起下鑽具時，鑽具運動迫使鑽井液運動，鑽具的速度及加速度傳給鑽井液，從而產生非連續性的壓力降，形成粘滯波和慣性波，這是另一種動壓。由於鑽具運動的速度和加速度的方向不同，壓力有抽汲和擠壓兩種，常常互動作用在孔壁上。首先需要計算環空中由鑽具運動引起的鑽井液速度和加速度。此外由開泵之初，鑽井液靜切力引起另一種激動壓力（結構波）。
④ 岩屑流送。岩屑由鑽井液輸送至地表過程中，因重力而下沉，具有滑落速度。鑽井液上返速度大於滑落速度，才能有效地將岩屑輸送至地表。因此，必須研究滑落速度和岩屑尺寸、形狀、鑽井液粘度、流速等的關係。
⑤ 鑽井液流變性能與流量的選擇。要從幾個方面綜合考慮最優效果，選擇流變性能和流量。
鑽頭水力學
研究鑽頭底部鑽井液流動規律，如液流分布、壓力降和水功率利用等。以使鑽頭得到充分清洗和冷卻，孔底得到良好淨化，使鑽頭提高鑽速和鑽頭壽命。金剛石鑽探中，使用的金剛石耐磨性極高，一旦溫度升高，磨損速度呈指數增大。如切削具上吸附著岩屑，則使其熱傳導受到嚴重阻礙。通過試驗與計算尋求解決以下問題：①可能達到的鑽頭比水馬力（單位鑽頭底面積上的水力功率）及不同岩層最適宜的數值。如軟岩層280～350瓦/平方厘米，中硬岩層220～280瓦/平方厘米，硬岩層170～220瓦/平方厘米。②鑽頭各部位壓力降及總壓力降的試驗測試，找出其影響因素。③水路面積的合理數值。過大則液流速度太低，得不到有效沖洗；過小則壓力過大，鑽頭憋水，可能導致燒鑽，或產生大的升舉力，降低鑽壓。④水口、水槽的合理布置（尺寸、數目、分布），涉及液流沖洗範圍和流速分布。水口尺寸大而數目少，則只能有部分鑽頭的唇面得到沖洗和冷卻；水口分布適當，則鑽頭唇面絕大部分得到有效沖洗（見圖[液流沖範圍和流束分布示意圖]）。
發展
20世紀60年代前，鑽探水力學尚未形成學科，只是用水力學計算壓力降，為設計流體機械服務。70年代以後，環空水力學發展為指導鑽孔穩定，鑽頭水力學用以指導提高鑽速和鑽頭壽命。同時鑽探水力學逐漸成為最佳化鑽探最重要的一部分。通過環空水力學和鑽頭水力學的研究，達到最大限度地降低環空壓力降，提高孔底水功率。
參考書目
劉希聖等編：《鑽井工藝原理》，石油出版社，北京，1981。
胡耿寰
水井鑽井和成井新技術 孫友宏、張祖培、劉寶昌 地質出版社 (2004-12出版)
