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地质钻探的目的是为了通过采取岩样、水样来获取矿体形态、产状、埋深、品位、储量以及围岩性质、水文地质资料等。为了达到不同的目的,可采用不同的取心技术,绳索取心技术是目前应用比较广泛的取心技术。绳索取心工艺自从40年代问世以来,发展十分迅速,在钻探工作中所占的比重也越来越高。到70年代初,在世界工业发达国家已成为一种十分重要的取心钻进方式,绳索取芯钻进技术已广泛使用在世界各国岩心钻探的工作中。绳索取心工艺在深孔钻探的优越性非常明显,但是它在深孔钻进中也面临着一些新的问题,目前还有许多技术问题需要研究和解决。
随着绳索取心技术的广泛应用,绳索取心的施工技术水平和钻探设备的研制都日益提高。但是,随着技术水平的发展,绳索取心钻探的孔越来越深,孔内压力损失对钻探的影响也越来越突出。目前,从总体上看对于流体压力损失的研究,人们对各种倾斜、水平、垂直配置的管内两相流流型的研究比较充分,但是对环空管两相流的研究方面,却比较不充分。在绳索取心钻探方面,对于孔内循环压力损失的研究,无论是在实验设计上还是在理论研究上,都存在诸多的问题和不足,对于压力损失方面也尚没有形成一套完整的理论体系。
本文应用流体力学、数学等理论,结合计算机模拟技术分析了钻杆内径和环空尺寸对绳索取心钻进中孔内压力损失的影响,然后通过试验和工程实际经验值对研究结果进行了对比论证。本文第一章,介绍了选题的目的与意义,并介绍了绳索取心钻进和循环压力损失的研究现状；第二章,对绳索取心进行了概述,重点分析了钻进技术参数如何影响钻进。其次,对绳索取心技术对钻井液性能的要求进行了分析；第三章,首先介绍了钻井液的流变性,根据水力学的基本方程,对循环压力损失计算公式进行了推导。其次,通过实验研究了不同钻屑含量对钻井液在钻孔环空中压力的影响；第四章,对钻头的环状间隙的压力损失、钻杆内流体的压力损火和钻孔环空部分压力损火进行了CFD模拟。建立单元体模型,提出了循环系统钻杆内和环空中压力损失计算新模型,并结合激动压力的相关理论推导出了新的压力损失计算公式,并将结果进行了对比分析；第五章,关于本文研究过程中所得到的部分结论和创新点,以及本文研究过程中存在的不足之处和进一步的研究思路。本文所得到的一些结论和成果如下:
1.循环系统压力损耗的计算是一个非常复杂的问题。因此,在循环系统压耗的实际工程计算中,进行了六项假设,在此条件下,根据水力学的基本方程,对循环压力损失计算公式进行了推导。
2.目前,常用的绳索取心钻进钻井液体系多采用低固相泥浆和无固相泥浆。由于绳索取心钻进工艺的环状间隙小,循环阻力大等,为了提高钻井液的排屑能力,不得不适当加大泥浆泵排量。而由于绳索取心循环环隙小、钻井液流速大,导致对孔肇冲刷作用大,易造成孔壁坍塌和孔壁超径；同时由于环隙小,提下钻压力激动大,孔壁安全性变差。因此,探讨深孔绳索取心钻进泥浆技术对于深孔岩心钻探来讲非常重要。
3.钻屑主要通过两个方面影响钻井液的压力,一是钻屑影响了钻井液的流变性能,进而影响钻井液的压力；二是钻屑在孔内堆积改变了钻井液过流面积而产生桥塞效应,因此增加了孔内压力。这两方面影响都将增加钻井液在钻孔内的压力损失。初步研究了钻孔内不同钻屑含量对钻井液压力的影响,并得出了含有不同钻屑量钻井液的压力值,由得出的值可以看出钻屑对钻井液压力损失的影响远远大于净浆的压力分布,这在施工中是不得不考虑的。当钻屑含量达到一定程度时,若钻井液不能顺利排出孔外,将很有可能造成事故。
4.在绳索取心钻进中,孔内压力损尖对钻进过程影响很大。本文应用流体力学、数学等理论推导出了新的压力损失计算公式,结合计算机软件对钻杆中空和环空间隙尺寸的大小对孔内压力损失的影响进行了模拟分析。
(1)在建立钻井液压力损失计算模型的时,考虑到施工中的实际情况,作者认为在在计算孔内压力损失时,必须考虑激动压力这一因素对压力损失的影响。
(2)本文在综合前人研究成果基础上,以及考虑到激动压力的基础上,建立了钻杆内与钻孔环空中钻井液流动模型,推导了钻杆内与钻孔环空中钻井液压力损失计算公式。
本文的创新之处体现在以下几个方面:
1.初步研究得出了钻屑对孔内钻井液压力的影响程度,给出了钻屑含量对于钻井液压力影响程度的参考值。
2.由于钻杆克服井内钻井液的摩擦阻力而运动,会对井底产生动态压力,摩擦阻力与动态压力之和即为激动压力。激动压力对孔内压力损失的影响不可忽视,本文综合前人的研究成果,并在考虑到激动压力对循环压力损失的影响的基础上,应用数学、流体力学等理论建立了钻杆内与钻孔环空中泥浆流动模型,推导出包含激动压力在内的新的压力损失计算公式。
3.应用流体模拟软件CFD对钻杆内流体压力损失和孔内环空间隙压力损失进行了模拟分析,以前只能靠实验手段才能得到的某些结果,现在已可以借助计算机模拟软件来获取。