对钻孔进行冲洗的流体参数分析

在工程钻探中,为了冷却钻头和排除岩粉,一般 须采用泥浆泵进行冲洗。部分资料中主要采用经验 公式直接选用流体参数,本文从两相流流体力学和 工程流体力学的角度对钻孔进行冲洗的流体参数进 行探讨,望对工程实践问题有所指导。

1　洗孔流量的计算

在钻孔冲洗功率计算中,冲洗液量的确定可用下式计算:

Q =βAV (1)

其中:β———为冲洗液上返速度不均匀系数,约为1.2;

A———为冲洗液最大上返空间的过流断面积;

V———为冲洗液上返速度。

冲洗液量确定的前提是保证有效地排出岩粉和 冷却钻头。冲洗液量不足,钻头与岩石摩擦产生的 热量就不能及时带走,温度就会不断上升,以至钻头 上的磨料被软化而失去刻取岩石的能力,甚至“烧 钻”;冲洗液量过大,会增加对孔壁和岩芯冲刷作用, 并导致不必要的能量消耗。一般认为,从排出岩粉 出发确定的冲洗液量能够满足冷却钻头的需要。而 满足排出岩粉需要的条件为:冲洗液的上返速度要 大于岩粉固体颗粒在静止冲洗液中自由沉降的 速度。

设岩粉固体颗粒在静止冲洗液中自由沉降的速度为v0,一般取:

关于岩屑在冲洗液中自由沉降速度的研究较复 杂,属于固液两相流范畴。运用量纲分析法得到固 体质点(粒径为ds)在流体中沉降阻力的表达式为:

式中:Cd———为阻力系数。

固体质点在流体中沉降时,其有效重量(浮重)为:

式中:ρs———为固体质点的密度。

当固体质点受到的阻力与有效重量相等时,固体质点受力平衡,颗粒做等速沉降,即满足:

这里的关键是确定阻力系数Cd。阻力系数的 确定比较复杂,工程上一般由实验确定;对于球体颗 粒(工程上大致满足这样的条件),也可按物料的雷 诺数大小分为三个区域进行分析与计算:

1.1　小雷诺数时的分析

雷诺数一般指的是:Re≤1的情况,这时流体处 在粘性摩擦阻力区(斯托克斯Stokes区),阻力系数 表达式为:

上式的,称物料的雷诺数。(6)式尚 不能应用于实际计算,因为流体的雷诺数未知,故不 能判定雷诺数Re≤1,但当分析出其适用的粒径范 围后,问题就解决了。

从斯托克斯公式可知:v0与d2s成正比,即较大 粒径ds的自由沉降速度v0大。

由代入斯托克斯公式,可得适用的粒径范围为:

这表明,当物料的密度及液体的密度、粘度等已 知时,就可计算出B值,若粒径小于或等于B值,就 可用斯托克斯公式计算其自由沉降速度。