泵量是指泵在单位时间内排出液体的量。在钻孔过程中,泵量应等于钻孔中循环的冲洗液量。冲洗液量是指钻孔在无漏失情况下,单位时间内通过钻杆与孔壁间环状空间上返的冲洗液的体积量。冲洗液量的大小(也就是泵量的大小)是根据冲洗孔内岩粉和冷却钻头的需要而确定的。钻孔冲洗液量要保证孔底岩粉排出干净并能够充分冷却钻头。
根据经验,按照排出孔底岩粉的需要所确定的冲洗液量完全能满足冷却钻头的需要。因此,在实际确定冲洗液量时,是以有效排出岩粉作为确定冲洗液量的依据。由此,冲洗液量可由下式计算:
式中:Q——冲洗液量,m3/s;
β——上返速度不均匀系数,β=1.1~1.3;
F——最大上返环状空间过流断面面积,m2;
D——由最大钻头决定的孔径或最大套管内径,m;
d——钻杆外径,m;
v——冲洗液上返流速,m/s。
冲洗液上返的流速v必须大于重量最大的岩屑在冲洗液中的沉降速度,即:
v=v0+u
式中:v0——冲洗液使岩屑处于悬浮状态的临界速度,m/s;
u——岩屑上升速度,根据经验,可取u=(0.1~0.3)v0。钻孔越深,钻进速度越快,u值越大,因此:
冲洗液使岩屑处于悬浮状态的临界速度等于岩屑在静止冲洗液中的沉降速度。其沉降速度可用下述理论计算方法求出。
假设岩屑为图4-27所示的球形,其重力为G,则有:
式中:δ——球形岩屑的直径,m;
ρs——岩屑的密度,kg/m3;
g——重力加速度,m/s2。
岩屑在冲洗液中的浮力P为:
图4-27 岩屑受力图
式中:ρ——冲洗液的密度,kg/m3。
球形岩屑在冲洗液中的沉降阻力为:
式中:C——阻力系数,与岩屑的形状、液体的流态和黏度等有关;(www.xing528.com)
f——岩屑的受阻面积,即垂直于下沉运动方向的岩屑横截面面积,m2。
当G>P时,岩屑下降,速度逐渐增大,R值也随之增大。当R值达到足以使作用在岩屑上的3种力保持平衡时,即R=G-P时,岩屑将以恒速v0下降。将式(4-11)~式(4-13)代入平衡方程式,则有:
由上式可得出岩屑的沉降速度为:
式中:k——岩屑的形状系数,圆形岩屑k=4~4.5,不规则形状的岩屑k=2.5~4。
式(4-15)中的k值取决于C值,由于C值的取值范围不够准确,故该式计算结果与实测值相差较大。
为了比较准确地确定出阻力系数,科学工作者进行了大量的试验,得出了阻力系数与流体的雷诺数有关。不同区域雷诺数的液体有不同的阻力系数,进而有不同的沉降速度。现将不同雷诺值的沉降速度计算方法介绍如下。
在此值范围内,物体在液体中所受的阻力主要是黏性摩擦阻力。
式中:η——液体的动黏度,Pa·s。
将C值代入式(4-13),得出物体在液体中的沉降阻力为:
Re=3πηδv0
当岩粉颗粒在静止液体中匀速下沉时:
由此可得:
此公式即为沉降速度的斯托克斯公式。
在此值范围内,物体在液体中受到的阻力为黏性摩擦阻力压差阻力。
3)500≤Re≤2×105,C=0.44
在此值范围内,物体在液体中的沉降阻力主要是压差阻力。
我们是将岩屑假定为球形来进行分析的,而实际钻孔内的岩屑多为不规则的形状,所以根据上述3种Re不同区域值计算的结果与实测值有一定的差距。根据实验结果得出的使用不同类型的钻头时,冲洗液的合理上返速度列于表4-4,供确定泵量时参考。
表4-4 冲洗液的合理上返速度
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