第8章岩屑运移的因素影响..doc

第八章 岩屑运移的因素影响 岩屑在环空中的运移速度是受多种因素决定的，到目前为止，尽管国外不少学者在这方面做了大量的试验研究工作，还未从理论上推导出比较准确地反映颗粒运移速度的表达式。目前所使用的一些计算公式，大都建立在实验的基础上给予近似地表达。 影响岩屑运移的因素很多，综合多年来国内外试验研究的结果，这些因素主要包括泥浆流变性、环空返速和环空流态、岩屑的颗粒尺寸形状，比重以及环空尺寸，偏心度大小和钻柱旋转等工艺因素。 泥浆流变性的影响 泥浆的流变性是由泥浆的塑性粘度，有效粘度和屈服值等性能所决定的。许多学者通过大量试验认为，流变性是影响岩屑运移速度的重要因素。 塞夫曼（Sifferman）[43]等人应用稠、中、稀三种泥浆和水在全尺寸环空井筒中进行了低返速模拟试验。其结果如图8-1所示，图中曲线表明，洗井液粘度不同，其返速的起始点岩屑刚刚上返时的环空返速也不同，粘度大者起始点的返速低，反之则起始点的返速高；曲线还表明，不同粘度的洗井液，对岩屑运移有不同的影响，稠泥浆的运移图8-1泥浆性能对岩屑运移的影响（中等岩屑，不旋转环空，泥浆 比重 12磅/加仑（1.44克/厘米） 比迅速达到80%，且曲线随后变平缓，而水的-曲线一直比较平缓。这一差异部分原因是由于流体的特性不同所造成的，试验证明，水多呈紊流，而所有泥浆多呈层流状态，为了排除洗井液这种因剪切稀释所引起的流态不同所带来的影响，Sifferman等人进一步采用了不同粘度（10~200厘泊）的油进行携岩试验，并将试验结果与水泥浆的曲线绘制在一起，如图8-2所示，曲线表明，随着粘度的增加，其携岩能力（）明显增加。日本学者藤井清光、佐藤光夫[46]用粘度1，10，20，44厘泊的CMCI液所做的试验，也同样得到类似的结果。霍坡金（Hopkin）[39]用不同大小的圆球，立方体等颗粒作了各种试验曲线，图8-3，8-4分别为泥浆的漏斗粘度和屈服值与颗粒下滑速的关系曲线。曲线表明，漏斗粘度在90秒/夸脱，（95.1秒/升）或屈服值在15磅/100呎（73.23毫米/厘米）以前,下滑速均为常数,以后下滑速则随粘度或屈服值的增加而降低.当漏斗粘度超过300秒/夸脱(283.89秒/升)或屈服值超过60磅/100呎(292.92毫克/厘米)后,颗粒的下滑速逐步趋近于零。 因此，不难看出，提高洗井液的静切力或有效粘度，肯定会有助于悬浮或携带岩屑。然而，在实际工作中，并不是盲目地提高屈服值和粘度，还需要考虑一些其它问题。如R.E沃克（Walker）[41]曾指出，如颗粒在层流中下沉时，由于粘滞力起主要作用，故提高粘度能产生明显的效果；但是若在紊流中提高泥浆粘度对携岩并无任何作用。另外，还要考虑相关因素的综合影响及工程实际的具体条件。 图 8-3 颗粒下滑速度与漏斗粘度的关系曲线 第二节 环空上返速的影响 前面已讨论过，洗井液在环空中的上返速是运移岩屑的动力和决定因素。只有当上返速超过岩屑的下滑速数值时，岩屑才能上升。岩屑开始上升时相应的洗井液上返速，称为起始点。从式可知，上返速越大越有利于携带岩屑。几乎所有人的实验都能证明，环空返速愈大，颗粒的实际上升速也愈大。是需注意的一点是与的变化并非线性关系。以塞夫曼试验结果[43]为例（参见图8-5），曲线表明，岩屑运移比在开始时，随上返速的增加而急剧地增加，但在为100~200呎/分（0.51~1.02米/秒）阶段,则增加得很慢这一转折点(Break-over p)对更粘的流体来说会发生在更低的返速上,这一现象主要是由于高返速易使泥浆产生较大的剪切稀释作用而使岩屑下滑速增大所致。（中等岩屑，不旋转，环空，12磅/加仑（1.44克/厘米）比重的泥浆） 从以上分析中看出，高的环空上返速并不能有效地增加岩屑运移比，反而导致更大的压力损失和对井壁的冲蚀，这对钻头水力功率的利用和安全钻进都是不利的。 合理的环空上返速是受多种因素制约的，不少学者都根据自己的试验条件提出了不同的看法和数据，但有一个共同的看法是环空上返速最低值必须大于岩屑因重力作用所产生的自由沉降速度。霍坡金[39]根据实验和经验提出，环空返速大于颗粒的最大下滑速0.1~0.15米/秒(20~30呎/分),即可满意地携带岩屑，若在上部井段用清水快速钻进时，环空返速为1.01米/秒(200呎/分)，亦可满意地清洗井眼。塞夫曼认为[43]，对性能良好的钻井泥浆，环空返速保持在0.25米/秒(50呎/分)，不仅能保证井眼清洁,而且也可获得更大的钻头水马力。还有人认为[40]，采用0.5~0.64米/秒(100~125呎/分)的环空上返速即可清洁井眼，另外，钱锡福(Chien Sze-Foo)[45]根据固液二相流理论并考虑施于井底的压差最小，以便提高钻速为出发点，提出了最优上返速的概念