【水力學(xué)】-水力學(xué)課后答案

第一章緒論1—1．20℃的水2.5m3，當(dāng)溫度升至80℃時(shí)，其體積增加多少？

(完整版)水力學(xué)答案VV11 22又20℃時(shí)，水的密度 998.23kg/m3180℃時(shí)，水的密度 971.83kg/m32V1 V 12

12.5679m32則增加的體積為VVV2 1

0.0679m30℃20，重度10,問此時(shí)動(dòng)力粘度（百分?jǐn)?shù))？［解] 原

0.1)原原

1.035原 1.035 原原 原 0.035原原原 原此時(shí)動(dòng)力粘度增加了3。51—3u0.002g(hy0.5y2/分別為水的密度h為水深。試求h0.5m時(shí)渠底（y=0）處的切應(yīng)力。[解] du0.002g(hy)/dy du0.002g(hy)dy當(dāng)h=0.5m，y=00.00210009.807(0.50)9.807Pa1—4．一底面積為45×50cm2，高為1cm的木塊,質(zhì)量為5kg，沿涂有潤滑油的斜面向下作等速運(yùn)動(dòng)，木塊運(yùn)動(dòng)速度u=1m/，油層厚1cm，斜坡角22.620（見圖示u[解］木塊重量沿斜坡分力F與切力T平衡時(shí)，等速下滑mgsinTdu

(完整版)水力學(xué)答案mgsin59.8sin22.62u 1A 0.40.450.0010.1047Pas1-5．已知液體中流速沿ydu，定性繪出切應(yīng)力沿ydy方向的分布圖.y y yu u uu u u[解]y y y0=0 =0 1—6．為導(dǎo)線表面紅絕緣,將導(dǎo)線從充滿絕緣涂料的模具中拉過。已知導(dǎo)線直徑0.9mm，長度20mm，涂料的=0.02Pa．s50m/s1。O1N）［解］ Adl3.140.8103201035.024105m2u 50F R

A0.02 5.0241051.01Nh 0.05103．兩平行平板相距0.5mm,其間充滿流體，下板固定，上板在2Pa025m/s[解］根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，得/dudy2/

0.250.5103

4103Pas

(完整版)水力學(xué)答案16rads，用0.1Pas的R=0。3m，H=0.5m（39.6N·m）[解］取微元體如圖所示dAdl

dhcos切應(yīng)力：du

r0dy dTdA阻力矩：dMdTrMdMrdTrdArr0

1cosdh 1 cos 1

r3dh(rtgh)0H tgh3dh cos3H4

00.1160.540.63

39.6Nmcos 1030.85721—9．一封閉容器盛有水或油，在地球上靜止時(shí)，其單位質(zhì)量力為若干?當(dāng)封閉容器從空中自由下落時(shí)，其單位質(zhì)量力又為若干？［解]在地球上靜止時(shí)：f fx y

0；fz

g自由下落時(shí)：f fx y

0；fz

gg0第二章流體靜力學(xué)2-1．一密閉盛水容器如圖所示，U形測壓計(jì)液面高于容器內(nèi)液面h=1。5m，求容器液面的相對壓強(qiáng).(完整版)水力學(xué)答案[解］ p p gh0 ap p p 10009.8071.514.7kPae 0 a2—2．4900PaA0.5m，A1。5m.求液面的絕對壓強(qiáng)和相對壓強(qiáng)。［解] pA

p 0.5g表p p 1.5gp 490010009.84900Pa0 A 表pp p0 0 a

49009800093100Pa．多管水銀測壓計(jì)用來測水箱中的表面壓強(qiáng)。圖中高程的單位為。試求水面的絕對壓強(qiáng)p 。abs［解] p g(3.01.4) g(2.51.4) g(2.51.2)p g(2.31.2)0 水 汞 水 a 汞p 1.6 g1.1 g1.3 gp 1.1 g0 水 汞 水 a 汞p p 2.2 g2.9 g980002.213.61039.82.91039.8362.8kPa0 a 汞 水A、Bh=0.2m，Uh0。2mA、B(22。1 2736N／m2）(完整版)水力學(xué)答案［解］ pA

g(h水 1

h)p2 B

gh水銀 2 p pA B

gh水銀 2

g(h水 1

h)13.61039.80.21039.8(0.20.2)22736Pa23m18m，12m，以等加速度向前平駛，為使水不溢出，加速度a［解]坐標(biāo)原點(diǎn)取在液面中心,則自由液面方程為：z ax0 gx

l1.5mz2 0gz 9.80.6

1.81.20.6m，此時(shí)水不溢出a 0 3.92m/s2x 1.5c2—6．ABh=2m,傾角=45,閘門上緣Ac設(shè)有轉(zhuǎn)軸，忽略閘門自重及門軸摩擦力。試求開啟閘門所需拉力。[解]作用在閘門上的總壓力：Ppc

Aghc

A10009.822139200Ny

y c

1231121

2.946m

(完整版)水力學(xué)答案J 2D c J 2c

A sin452sin45

21h l 2 2 y c h l 2 2A sin 2 sin45 2 Tlcos45P(yD

y)AP(yT D

yA)39200(2.9461.828)30.99kNlcos45 2cos452-7．圖示繞鉸鏈O轉(zhuǎn)動(dòng)的傾角=60°的自動(dòng)開啟式矩形閘門，當(dāng)閘門左側(cè)水深h=2m，右側(cè)水深h=0.4m1 x。［解]左側(cè)水作用于閘門的壓力:11F Ah h b11p1 c1 1

2 sin60右側(cè)水作用于閘門的壓力:F

A h h b22p2 c222 F (xp1

21 h13sin60

2 sin60)F (xp2

1 h2 )3sin60 h h 1 h h h 1 hg 1 1 b(x 1 ) g 2 2 b(x 2 )2sin60 3sin60 2sin60 3sin60h2(x1

1 h13sin60

)h2(x2

1 h2 )3sin601 2 1 0.422(x )0.42(x )3sin60 3sin601 2 1 0.4 x0.795m2—8．一扇形閘門如圖所示,寬度b=1。0m，圓心角=45°,閘門擋水深h=3m，試求水對閘門的作用力及方向［解]水平分力:F Apx c x

hhb10009.813.0344.145kN2 2

(完整版)水力學(xué)答案壓力體體積：h 1 hV[h(

h) h2] ( )2sin45 2 8 sin453 1 3[3( 32] ( )2sin451.1629m3鉛垂分力：

2 8 sin45F 10009.811.162911.41kNpz44.145244.145211.412F2F2F2px pzp

45.595kN方向：arctanFpzF

arctan

11.4144.145

14.5px2—9石油

8170m3的石油,下層為甘油

12550Nm3的甘油,試求:當(dāng)測壓管中的甘油表面高程為9。14m時(shí)壓力表的讀數(shù)。［解]設(shè)甘油密度為1

，石油密度為2

，做等壓面1-—1，則有

9.14mp1 1

g(9.143.66)pG

g(7.623.66) G B2 5.481

gpG

3.96g2

7.62石油3.66p 5.48G 1

g3.96g2

1 1甘油1.52 A12.255.488.173.9634.78kN/m22—10．某處設(shè)置安全閘門如圖所示，閘門寬b=0.6m，高h(yuǎn)=1m，鉸接裝置于距離底h=0。4m,閘門可繞A1 2點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，求閘門自動(dòng)打開的水深h為多少米。［解] 當(dāng)hD

hh2

時(shí)，閘門自動(dòng)開啟hAhAh1h21 1bh31 1J h 12 1h h C (h 1) h hD c hA 2hc

(h

1)bh

2 12h62 1將h 代入上述不等式D1 1h h0.42 12h61 0.112h6得h

4m3

(完整版)水力學(xué)答案．有一盛水的開口容器以的加速度3.6m/s2沿與水平面成30o夾角的斜面向上運(yùn)動(dòng)，試求容器中水面的傾角。[解］由液體平衡微分方程dp(f

dxfx

dyfy

dz)zf acos300，fx y

0，fz

(gasin300)在液面上為大氣壓,dp0acos300dx(gasin300)dz0dz

tan

acos300

0.269dx gasin300150h，OZ軸以等角速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，求保持液體不溢出管口的最大角速度ω 。max[解]由液體質(zhì)量守恒知,I管液體上升高度與II管液體下降高度應(yīng)相等，且兩者液面同在一等壓面上,滿足等壓面方程：2r22g

zC

zI IIh 液體不溢出,要求zz 2h，I II以rar1 2

b分別代入等壓面方程得：2 gha2b2 a b2max

gha2b2

a>b2—13600，上部油深h＝1。0m，下部水深h＝2.0m，油的重度=8。0kN/m3，求：平板單位1 2寬度上的流體靜壓力及其作用點(diǎn).[解]合力Pb

(完整版)水力學(xué)答案h1＋h2 21 h h 1 h hh1＋h2 22 油1sin600 2 水2sin600 油1sin600＝46.2kN作用點(diǎn)：1 hP h 1 4.62kN1 2 油1sin600h'2.69m11P h2 2 水2

h2sin600

23.09kNh'0.77m2 hP h 2 18.48kN3 油1sin600h'1.155m3112233Dh' 1.115mDh 112233Dh' 1.115mDh 3h'sin6002.03mD D2-14．平面閘門AB傾斜放置，已知α＝45°，門寬b＝1m,水深H＝3m，H＝2m，求閘門所受水靜壓力的大小1 2及作用點(diǎn)。AB［解］閘門左側(cè)水壓力：1 hP 121sin11b 10009.807323 1sin45作用點(diǎn)：h'h313sin 3sin4511.414m閘門右側(cè)水壓力：

Ph'

Ph'hP1 b110009.82 2 127.74kNh22 2 2 sin 2 sin45作用點(diǎn)：h 2h' 2 0.943m2 3sin 3sin45總壓力大小：PPP1 2

62.4127.7434.67kN對B點(diǎn)取矩：Ph'Ph'Ph'11 22 D(完整版)水力學(xué)答案62.411.41427.740.94334.67h'Dh' 1.79mD2-15．如圖所示，一個(gè)有蓋的圓柱形容器,底半徑R＝2m，容器內(nèi)充滿水,頂蓋上距中心為r處開一個(gè)小孔通大0氣。容器繞其主軸作等角速度旋轉(zhuǎn).試問當(dāng)r多少時(shí)，頂蓋所受的水的總壓力為零.0rO 0R[解］液體作等加速度旋轉(zhuǎn)時(shí),壓強(qiáng)分布為p(2r22g

z)C積分常數(shù)Crr，z0pp（大氣壓，于是，

ppa

g[22g

0 a(r2r2)z]0在頂蓋下表面，z0,此時(shí)壓強(qiáng)為1pp 2(r2r2)a 2 0ap，總的壓力為零，即aR(pp)rdr12R(r2r2)rdr00 a 2 0 0積分上式，得1 Rr20

R2，r2 0

2m22—16．AB為半圓柱面，寬度AB柱面所受靜水壓力的水平分。[解］水平方向壓強(qiáng)分布圖和壓力體如圖所示：1 1 D2 3P gD2b g b gD2bx 2 2 2 83 981032133109N381 P D2bD2bz 449810

3.1416

1632117327N2—17．圖示一矩形閘門，已知a及hH〉a14

h時(shí)，閘門可自動(dòng)打開。

(完整版)水力學(xué)答案［證明］形心坐標(biāo)zc

hH(a2h)hHahc 5 2 10則壓力中心的坐標(biāo)為

z hD D1

z Jcc zAcJ c

Bh3;ABhz (Ha

h) h2D 10 12(Hah/10)14當(dāng)Haz

，閘門自動(dòng)打開，即Ha hD 15第三章流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)3-1．檢驗(yàn)u 2x2y,u 2y2z,u 4(xy)zxy不可壓縮流體運(yùn)動(dòng)是否存在？x y z［解]（1）不可壓縮流體連續(xù)方程xu uyx

uz0x y z（2）方程左面項(xiàng)xu 4x;uyx

u4y； z4(xy)x y z（2）方程左面=方程右面,符合不可壓縮流體連續(xù)方程，故運(yùn)動(dòng)存在.3—2．某速度場可表示為ux

xt；uy

yt；uz

(完整版)水力學(xué)答案0,試求（1流線（3t=0時(shí)通過=—1，=1（4）該速度場是否滿足不可壓縮流體的連續(xù)方程？［解］（1）ax

1xta 1yt 寫成矢量即axt)iytjya 0zdx（2）二維流動(dòng),由

dyln(xt)ln(ytCu u 1x y即(xtyt)C2(3）t0,xy1,代入得流線中常數(shù)C 2流線方程：xy1 ,該流線為二次曲線(4）不可壓縮流體連續(xù)方程：x

y

uz0

x y zuy已知：x z0，故方程滿足。yx y z3-3．已知流速場u(4x32yxy)i3xy3z)j（1）的加速度是多少？2）是幾元流動(dòng)?（3）是均勻流還是非均勻流？［解］u 4x32yxyxu 3xy3zyu 0za duxuxu

uxu

u uxu xx dt

xx

yy z z0(4x32yxy)(12x2y)(3xy3z)(2x)0代入（1,1，2）a 0(421)(312)(21)0xa 103x同理:a 9y 因此 （1）點(diǎn)(1，1，2）處的加速度是a103i9j（2）運(yùn)動(dòng)要素是三個(gè)坐標(biāo)的函數(shù)，屬于三元流動(dòng)u（3）t

0，屬于恒定流動(dòng)(完整版)水力學(xué)答案（4）由于遷移加速度不等于0，屬于非均勻流。3—4．v=0.15m/sD=2cm8d=1mm2％,試求第一孔與第八孔的出流速度各為多少？[解]由題意qV

vD24

0.154

0.0220.047103m3/s0.047L/sv 0.98v；v2 1 3d2

0.982v1

·;v8

0.987v1d2q (vV 4 1

0.98v1

0.982v1

0.987v)1

vS4 1 n式中Sn

為括號中的等比級數(shù)的n項(xiàng)和.a=1q=0。98，n=8.于是1a(1qn) 10.988S n4q

7.4621q 10.981 40.047103V1vd2V1

8.04m/sS 7.462nv 0.987v8 1

0.9878.046.98m/s3-5．在如圖所示的管流中，過流斷面上各點(diǎn)流速按拋物線方程:uu

max

[1 )2對稱分布,式中管道半徑rrr0r=3cm，u=0.15m/s，Q。0 max[解]總流量：QudAuA 0

max

r( )2r0

]2rdru2

max

r20

0.150.0322.12104m3/s2斷面平均流速：v Q

u r22 max0

umax0.075m/s20

2 203—6．利用皮托管原理測量輸水管中的流量如圖所示。已知輸水管直徑 d=200mm，測得水銀差壓計(jì)讀書h=60mm，若此時(shí)斷面平均流速v=0.84u

，這里u

為皮托管前管軸上未受擾動(dòng)水流的流速,問輸水管中的流pQ？（3.85m/s)

max

max(完整版)水力學(xué)答案[解］

p u2 pA Ag 2g gAAu2 ppAA

(1)h

12.6h2g p pu 2g12.6hA p

29.80712.60.063.85m/sQd2v4

0.220.843.850.102m3/s43-7．d=200mm,d=400mm，Ap=68。A B Ap=39vBz=12mB Bh。w［解]

d2v4 AA

d2v4004 BB400 v A

d2vBvd2 BA

( )214m/s200假定流動(dòng)方向?yàn)锳→B,則根據(jù)伯努利方程22z pAAvAz pBBvBh22A 2g B 2g w其中z zB A

z，取 A B

1.0 h pApB v v2 2A

zw g 2g6860039200

4212

1.29807 29.8072.56m0故假定正確。3—8．有一漸變輸水管段，與水平面的傾角為45 ，如圖所示。已知管徑d=200mm，d=100mm,兩斷面的間1 2l=2m.1-1v=2m/sh=20cm，試判別流動(dòng)方向，并計(jì)算兩斷面間的水頭損失hw

1 p和壓強(qiáng)差p1—p2。(完整版)水力學(xué)答案［解]

d2v d2v4 1 1 4 2 2d2 200 v 2

1vd2 12

( )228m/s100假定流動(dòng)方向?yàn)?→2，則根據(jù)伯努利方程p v2 p v21 11lsin45 2 22h2g 2g wpp其中 1 2

lsin45( 1)h

12.6h

，取

1.0 p

p 1 2v2v2 464 h 12.6h 1 212.60.2 0.54m0w p 2g 29.807故假定不正確,流動(dòng)方向?yàn)?→1。pp由 1 2

lsin45(

12.6h p p得 pp1 2

p

lsin)98070.22sin45)38.58kPa 1(uA)3—9．試證明變截面管道中的連續(xù)性微分方程為t

A s

0,這里s為沿程坐標(biāo)。［證明］取一微段ds,單位時(shí)間沿s方向流進(jìn)、流出控制體的流體質(zhì)量差△m為sm (1ds)(u1uds)(A1Ads)(1ds)(u1uds)(A1Ads)s 2s 2s 2s 2s 2s 2s 因密度變(uA)(略去高階項(xiàng))s化引起質(zhì)量差為mt

Ads由于msm (uA)

(完整版)水力學(xué)答案tAds s ds

1(uA)0t A sd=200mm，流量計(jì)喉管直徑d=100mm，石油1 2密度ρ=850kg/m3h=150mmQp[解]根據(jù)文丘里流量計(jì)公式得d2 3.140.220.1391 2g 29.8070.139K 4 4

0.036 ( 1)4 1 ( )4 1

3.873d 0.12q (1)hV p

0.950.036 (13.6

0.150.0513m3/s51.3L/sAd=200mmQ1.29kg/m3。[解］ p ghp p p gh2 水 a 2 a 水p0ap

00 p2

v2

pa

pa

ghv2水2水22g g 2g g2氣 氣 氣

g 2g氣v2 2g

29.80710000.15 2 水hv 水h 47.757m/s2g 2 氣 氣

1.29q d2vV 4 2

3.140.2247.757 1.5m3/s43—12．已知圖示水平管路中的流量q=2.5L/s，直徑d=50mmd=25mm9807PaV 1 2忽略不計(jì)，試求連接于該管收縮斷面上的水管可將水從容器內(nèi)吸上的高度h。(完整版)水力學(xué)答案[解］

2 2

V4q 42.5103Vq 1vV 4 1

2v v4 2 1v2

d21V4qVd22

1.273m/s3.140.05242.51035.093m/s3.140.0252p v2

p p v2

p(p

p) v

2v201 1 0 2ga 2 1 a 2 2 1g 2g 2g g 2gp p

v2v2

p 5.09321.2732

9807 a 2 2 1 1 0.2398mHO2g 2g 10009.807 2p p2 a

h

p p20.2398mH2O3-13Q=36L/s=30m/Q=12L/s，1（30°;456.6kN)[解］xyx方向的動(dòng)量方程，可得：FvV22y方向的動(dòng)量方程：

cosvV 00q

vsin

vq

vsinq vV22 q v

V1112v

V22

V11sin V11

00.5q vV22V30

24v0不計(jì)重力影響的伯努利方程：p1v2C2p，因此，v=v=va 0 1 2F10002410330cos10003610330F456.5NF456.5N3—14．如圖(俯視圖）所示，水自噴嘴射向一與其交角成60 的光滑平板.若噴嘴出口直徑d=25mm，噴射流量=33.4L/sQ、Q.假定水頭損失可忽略不計(jì)。1 2[解］ v=v=v0 1 2v 433.410368.076m/s0 d2

3.140.0252x方向的動(dòng)量方程：0QvQ(v)Qv

cos6011 2 2 0QQ1

Qcos60QQ2

Q0.5Q2Q 8.35L/s2QQQ1

0.75Q25.05L/sy方向的動(dòng)量方程：F0Q(v0

sin60)F0

sin601969.12N3—15．d=1500mmd=1000mmq=1。8m3/s1 2 V時(shí)，支座前截面形心處的相對壓強(qiáng)為392kPa，試求漸變段支座所受的軸向力F。不計(jì)水頭損失.［解] 由連續(xù)性方:2 2q 1v 2vV 4 1 4 2v1伯努利方程:

4qVd2V1

41.8 1.02m/s；v3.141.52 2

4qVd2V2

41.8 2.29m/s3.141.02p 01 1 0p

p v22 2g 2g g 2gp p

v2v21 2

1.0222.2923921031000 389.898kPa2 1 2 2動(dòng)量方程：F FFp1 p2

q(vV 2

v)1

(完整版)水力學(xué)答案1 Fp2 1 F

d22

q(v

v)1 4 2 4

V 2 13.141.52 3.141.02392103 F389.898103 10001.8(2.291.02)4 4F692721.18306225.172286F3—16．在水平放置的輸水管道中，有一個(gè)轉(zhuǎn)角 450的變直徑彎頭如圖所示，已知上游管道直徑d 600mm，d1 2

300mm，qV

0.425m3/s，壓強(qiáng)p1

140kPa，求水流對這段彎頭的作用力,不計(jì)損失。[解］（1）用連續(xù)性方程計(jì)算v 和vA B4q 40.425

m/s；

4Q 40.425

m/sv V 1.5 v 6.021 πd2 π0.621

2 πd22

π0..32(2)用能量方程式計(jì)算p212v20.115m；v212

1.849m2g 2gv2 v2p pg 1 214081(0.1151.849)122.98 kN/m22 1 2g 2g（3將流段1-2R的分力為R和RX Y兩個(gè)坐標(biāo)方向的動(dòng)量方程式,得

,列出x和yp d2cos45F Q(vcos450)24 2 y 2 p d2p d2cos45F

Q(v

cos45v)14 1

24 2

x 2 1將本題中的數(shù)據(jù)代入： Fp d2p d2cos45q(v

cos45v

)=32。27kNx 14 1 24 2

V 2 1F p d2cos45qv

cos45=7。95kNy 24 2 V 2F F2F233。23kNx yytan1FyFx

(完整版)水力學(xué)答案水流對彎管的作用力F大小與F相等，方向與F相反。3—17．帶胸墻的閘孔泄流如圖所示。已知孔寬B=3m，孔高h(yuǎn)=2m,閘前水深H=4.5m，泄流量q=45m3/s，閘前水V平，試求水流作用在閘孔胸墻上的水平推力F，并與按靜壓分布計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較。[解] 由連續(xù)性方:qV

BHv1

Bhv2q 45 45v V 3.33m/s；v 7.5m/s動(dòng)量方程：

1 BH 34.5

2 32F Fp1 p2

Fq(vV

v)1FF Fp1 p2(vV 2

v)11 1F 2B gh2B(v v1 12 2 V 2 11F 10009.8073(224.52)100045(7.52FF51.4kN()1 11 1F g(Hh)2B 10009.807(4.52)2391.94kNF51.4kN2 23-18．如圖所示，在河道上修筑一大壩。已知壩址河段斷面近似為矩形，單寬流量q=14m3/s,上游水深h=5m，V 1試驗(yàn)求下游水深h。假定摩擦阻力與水頭損失可忽略不計(jì)。2［解]由連續(xù)性方程：q BhvBhvV 11 22q 14 14v 1 Bh1由伯努利方程：

2.8m/s；v 5 2 h2v2 v2

(完整版)水力學(xué)答案h0 1 h0 2 v

22g(h

h)v21 2g 214

2g 2

1 2 1( )229.807(5h)2.82h 22由動(dòng)量方程：

h 1.63m2F Fp1 p2

Fq(vV

v)11 1 gh2 gh2F(v v)1 12 1 2 2

V 2 11F(v v) g(h2h2)V 2 1 2 1 214 1F100014( 2.8) 10009.807(521.632)14 11.63 2FF28.5kN第一節(jié)鉆井液循環(huán)水力學(xué)一、鉆井液循環(huán)方式鉆井液循環(huán)主要有3種方式，即全孔正循環(huán)、全孔反循環(huán)和孔內(nèi)局部反循環(huán)。全孔正循環(huán)時(shí)，鉆井介質(zhì)由地面的壓力泥漿泵或壓風(fēng)機(jī)泵入地面高壓膠管，經(jīng)鉆桿柱內(nèi)孔到井2-1(a)所示。全孔正循環(huán)循環(huán)系統(tǒng)簡單，孔口不需要密封裝置，這種循環(huán)方式在各種鉆探中得到廣泛的應(yīng)用。(a) (b) (c) (d)(a)全孔正循環(huán)(b)全孔壓注式反循環(huán)(c)全孔泵吸式反循環(huán)(d)孔底局部反循環(huán)圖2-1鉆孔循環(huán)方式示意圖2-1(b)]所用的泵類型與全孔正循環(huán)相同，但孔口必須密封，才能使鉆井介質(zhì)壓入孔內(nèi)，這就需要專門的孔口裝置，它必須保證孔口密封，2-1(c)]全孔反循環(huán)和全孔反循環(huán)比較，有以下特點(diǎn)和區(qū)別：（1）由于反循環(huán)鉆井液從鉆桿柱內(nèi)孔上返至地表，流經(jīng)的斷面較小，因而上返速度較大，且過流斷面規(guī)則，有利于在不大的泵量下將大顆粒巖屑攜帶出孔外，在大口徑水井鉆進(jìn)、灌注樁鉆進(jìn)和空氣鉆進(jìn)中，為了能較好地?cái)y帶出巖屑，常采用全孔反循環(huán)洗井方式。（2）在固體礦床鉆探中采用反循環(huán)方式，可將巖心從鉆桿中帶出地表，用以實(shí)現(xiàn)反循環(huán)連續(xù)取心鉆進(jìn)。（3）全孔反循環(huán)的流向與巖心進(jìn)入巖心管的方向是一致的，可使巖心管內(nèi)的破碎巖礦心處于懸浮狀態(tài)，避免了巖礦心自卡和沖刷，從而有利于巖礦心采取率的提高。（4）在相同情況下，反循環(huán)所需的泵量比正循環(huán)小，因此對井壁的沖刷程度較?。煌瑫r(shí)，流動(dòng)阻力損失也較小。（5）鉆頭旋轉(zhuǎn)使破碎下來的鉆碴離心向外，這與正循環(huán)在鉆頭部位的液流方向一致，而與反循環(huán)的流向相反。從這一點(diǎn)來看，正循環(huán)有利于孔底清碴。（6）壓注式反循環(huán)所需的孔口裝置復(fù)雜。（7）正循環(huán)和壓注式反循環(huán)在井內(nèi)產(chǎn)生的是正的動(dòng)壓力，即循環(huán)時(shí)井內(nèi)的壓力大于停泵時(shí)的靜液柱壓力；而泵吸式反循環(huán)恰恰相反，產(chǎn)生的是負(fù)的動(dòng)壓力，即循環(huán)時(shí)井內(nèi)的壓力小于停泵時(shí)的靜液柱壓力。（）和開式的（非完全的循環(huán)，沖洗介質(zhì)排出地表后即廢棄）。閉式循環(huán)通常用于液體沖洗介質(zhì)，而開式循環(huán)則大都用于氣體介質(zhì)?？椎拙植糠囱h(huán)是正反循環(huán)相結(jié)合的洗井方式，一般是在孔底鉆具以上的絕大部分為正循環(huán)，而2-1(a)]。為了避免鉆井液對巖心的沖刷，提高巖礦心采取率，此時(shí)鉆井液由鉆桿柱內(nèi)孔送到孔底，經(jīng)由噴反接頭而二、泵量與循環(huán)流速泵量是指單位時(shí)間內(nèi)向井內(nèi)送入循環(huán)液的體積量，它的大小對鉆進(jìn)速度和鉆進(jìn)質(zhì)量有著明顯的1、以鉆屑的上返速度達(dá)到必需值來確定泵量V1，所以巖屑的絕對上移速度V2V3V1，即：（2-1）V1和所需達(dá)到的巖屑絕對上移速度V2，則必需的鉆井液的上返速度V3為：（2-2）因此，所需的鉆井液泵量Q為：（2-3）AA為環(huán)狀間隙橫截面積；對于反循環(huán)A為鉆桿內(nèi)圓橫截面積。V2（0.1~0.3）V1V3=(1.1~1.3)V1?，F(xiàn)在的問題是如何確定巖屑在靜止液體中的沉降速度V1。理論上可以有以下兩種方法：1、李丁格爾公式（2-4）式中 ——球形顆粒的直徑，m; ——巖屑顆粒的重度，kg/m3; ——液體的重度，kg/m3;系數(shù)， ;g——重力加速度，m/s2;顆粒的形狀系數(shù)，圓球c=0.5；圓片c=0.64~0.82，不規(guī)則的或扁平狀2、斯托克斯公式

=2.1;（2-5）式中r——球形顆粒的半徑; ——顆粒和分散介質(zhì)的比重; ——分散介質(zhì)的粘度;比較式（2-4）和式（2-5），前者考慮了顆粒的形狀影響，但未考慮介質(zhì)粘度的影響；而后者則恰好相反，只考慮介質(zhì)粘度的影響，但未考慮顆粒形狀的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇公式。上返速度確定之后，所需泵量就是上返流速v與循環(huán)液過流斷面面積A的乘積。對于正循環(huán)，沖攜鉆屑的過流面積是孔壁與鉆桿之間的環(huán)狀間隙橫截面積。因此正循環(huán)時(shí)所需泵量為：

（2—6）式中：D——鉆孔內(nèi)徑，mm；d——鉆桿外徑，mm。對于反循環(huán)，沖攜鉆屑的過流面積是鉆桿內(nèi)孔橫截面積。因此反循環(huán)時(shí)所需泵量為：（2-7）式中：d1——鉆桿內(nèi)徑，mm。、以循環(huán)液中鉆屑的百分含量不超過一定值來確定泵量也可以換一句話來表述這種方法，即以鉆進(jìn)速度來確定泵量。10%。當(dāng)鉆頭尺寸（鉆頭底唇面積）A和鉆進(jìn)速度v一定時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的鉆屑量q也就確定了。此時(shí)，循環(huán)液中鉆屑的含量W由泵量Q決定：泵量大則鉆屑含量少；反之泵量小則鉆屑含量多。根據(jù)這一原理，若已知允許的最大鉆屑含量W，則可建立泵量的計(jì)算公式：（2-8）（2-9）、循環(huán)阻力損失鉆井液在循環(huán)流動(dòng)過程中，流經(jīng)地面管路、鉆桿、孔底鉆具、鉆頭和環(huán)狀間隙時(shí)，形成一定的掌握鉆井液循環(huán)阻力損失是一項(xiàng)十分有意義的技術(shù)工作。一方面為選擇泥漿泵提供所需能力的指標(biāo)；另一方面為測算井內(nèi)壓力及變化情況提供科學(xué)依據(jù)。鉆井液循環(huán)時(shí)的壓力損失由以下因素決定：（1）循環(huán)通道的長度，主要取決于鉆孔的深度。鉆孔越深，壓力損失越大。（2）循環(huán)液的流變性。循環(huán)液的粘性越大，壓力損失越大。（3）泵量或流速的大小。泵量或流速越大，壓力損失越大。（4）過流斷面的截面積。鉆井口徑越大（鉆桿直徑不變），壓力損失越小。鉆井液循環(huán)阻力損失可由下式表示：（2-10）式中：P1、P2、P3P4分別為流體流經(jīng)地面管路、鉆桿、孔底鉆具和環(huán)狀間隙時(shí)的阻力損失。當(dāng)循環(huán)泵量和循環(huán)液流變性不變時(shí)，流經(jīng)地面管路和孔底鉆具的阻力損失P1、P3基本不變。而流經(jīng)鉆桿和環(huán)狀間隙的阻力損失P2和P4則是隨井深的增加而呈線性增加的。當(dāng)井深增加到一定深度以后，P2和P4占了總阻力損失的絕大部分。第二節(jié)巖土性質(zhì)巖土性質(zhì)的內(nèi)容較為廣泛，縱觀不同工程領(lǐng)域?qū)r土性質(zhì)的描述，大體可以分為兩大類型：一種一 、巖土的分類巖土分類方法很多，從工程角度出發(fā)，其分類的目的在于使工程人員掌握其主要力學(xué)性能。總的分類按巖石類、碎石土類、砂土類、粉土類、粘性土類等五項(xiàng)劃分。（130MPa以上者為硬質(zhì)巖石，如花崗巖、閃長巖、玄武巖、石灰?guī)r等。小于30MPa的巖石稱軟質(zhì)巖石，如粘土巖、頁巖、云母片巖等。巖石的顆粒間聯(lián)結(jié)牢固，呈整體或有節(jié)理裂隙，按風(fēng)化程度可分為微風(fēng)化、中等風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化。巖質(zhì)新鮮的稱微風(fēng)化，定名時(shí)標(biāo)在母巖之前，如微風(fēng)化花崗巖。巖體被節(jié)理，裂隙分割成塊狀(20～50cm2～20cm碎塊，用手可以折斷時(shí)稱為強(qiáng)風(fēng)化。（22-1。土的名稱顆粒形狀土的名稱顆粒形狀粒組含量漂石塊石圓形及亞圓形棱角形粒徑大于200mm的顆粒含量超過60%卵石碎石 圓形及亞圓形棱角形粒徑大于20mm的顆粒含量超過50%圓礫角礫 圓形及亞圓形棱角形粒徑大于2mm的顆粒含量超過50%全部由中砂、粗砂充填可稱為石等。

注：1.定名時(shí)按粒徑由大到小先符合者確定。2.當(dāng)碎石土孔隙砂卵石。由粘性土充填并有粘結(jié)性能可稱為土結(jié)礫（32mm25～50%0.5mm50%0.25mm的顆粒占全重50%0.075mm85%0.075mm50%。（4）粉土類為介于粉砂及粘性土之間，粉粒含量超過50%的土類，其塑性指數(shù)小于10。其中15%（5）Ip>10Ip>1710≤Ip≤17時(shí)，稱為粉質(zhì)粘土。粘性土的重要屬性是隨著Ip值的增加，內(nèi)摩擦角減少，而粘聚力值逐漸增加并成為其主要強(qiáng)度指標(biāo)。滲透性則隨Ip增加而降低，直至不透水。二、土的物理和水理性質(zhì)土是由下列三種成份組成的復(fù)雜體：①作為土體骨架的礦物質(zhì)顆粒，它是固體相；②填充土體骨架之間的水分，它屬于液體相；③空氣。為了反映土的物理特征，如孔隙比、干容重、相對密實(shí)度、飽和度等，需首先測定三個(gè)基本指標(biāo)：（1）土顆粒的比重即土中礦物的相對密度，以ds表示?？赏ㄟ^比重瓶法測出，它是測定土骨架顆粒體積所不可缺少的數(shù)據(jù)，一般采取2.65。（2）γg/cm3t/m3。當(dāng)容重作為荷載時(shí)，稱土的重度，單位為kN/m3，由容重?fù)Q為重度時(shí)應(yīng)乘以加速度g。（3）含水量(ω)土體內(nèi)孔隙中水的質(zhì)量與土骨架質(zhì)量的比，以百分率表示。土的物理特征可大體分為兩類：①用來反映土的密實(shí)度，如干密度(俗稱干容重)、孔隙比等 ②用來反映水與土粒相互關(guān)系，如飽和度、液限、塑限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)等。第一類干密度：土體每單位容積內(nèi)土粒骨架的質(zhì)量又稱干容重，該值可通過下式求得：3)。

（2-11）式中：ρ d——土的干密度g/cm3(或t/m3)；ρ w——水的密度為1g/cm3(或t/m干密度通常在施工中用以檢查填土的質(zhì)量，干密度愈大，壓實(shí)質(zhì)量愈好，承載力愈高。但在實(shí)際工程中，土粒成分不同，壓實(shí)的效果也不相同，級配較好的土夾石，干密度可達(dá)到1.9g/cm3t/m3)以上，而粘土只能達(dá)到1.55g/cm3?？紫侗戎竿馏w孔隙與土體骨架所占體積之比，用e表示。知道干密度后就可求出孔隙比。通過下式求得（2-12）如圖22l+e，其中孔隙體積為e1。②第二類飽和度(Sτ )土孔隙中水的體積與孔隙體積之比，當(dāng)Sτ =1時(shí)稱為飽和。（2-13）根據(jù)土的飽和度，可將土分為①干的，0<Sτ ≤0.5；②濕的，0.5<Sτ ≤0.8；③飽和的，0.8<Sτ ≤1.0。塑限和液限是兩個(gè)反映粘性土在不同含水量時(shí)表現(xiàn)出的物理力學(xué)特征的特征含水量。塑限(ωp)從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變到塑性狀態(tài)的界限含水量?？捎檬执陾l法進(jìn)行鑒定，即將土在手中搓條，如土條直徑在3mm時(shí)出現(xiàn)斷裂，這時(shí)的含水量即為塑限含水量。ωL76g圓錐自土表面落下，15秒鐘內(nèi)沉入量為10mm時(shí)土的含水量，即液限。塑性指數(shù)(Ip)其表達(dá)式為：（2-14）塑性指數(shù)與粘粒含量關(guān)系密切。粘粒含量在30％左右時(shí)，塑性指數(shù)在17左右，所以一般采用塑性指數(shù)劃分粘性土。液性指數(shù)(IL)用來描述粘性土的狀態(tài)。（2-15）從式(2-15)0<IL0.250.25<IL≤0.750.75<IL≤1.0IL>1.0IL愈小，其承載力愈高，變形愈小。塑限、液限，塑性指數(shù)均為試驗(yàn)指標(biāo)，對每個(gè)土樣，該值都是不變的。液性指標(biāo)則隨土的含水量而改變。粘粒含量愈高，塑性指數(shù)也愈大。三、巖石的物理性質(zhì)2-2、2-3)巖石的密度常以容重來衡量。巖石的容重ρ是巖樣的質(zhì)量G與其總體積V之比.（2-16）巖石的比重 是巖樣的質(zhì)量與純體積V1之比：（2-17）巖石的孔隙度η是巖石中孔隙的體積與V0巖石總體積V之比：（2-18）表2-2幾種巖石密度表巖石密度(103kg/m3)巖石103kg/m3輝石2.7～3.7泥質(zhì)巖2.0～2.5橄欖石2.2～3.4粉砂巖2.O～2.4花崗巖2.5～2.75砂巖2.1～2.65石英巖2.5～3.6灰?guī)r2.3～2.9片巖和角閃巖石膏2.5～3.72.3～2.5巖鹽1.95～2.20一般來說，巖石的密度愈大，它的強(qiáng)度也愈大；孔隙度愈大，則密度愈小，強(qiáng)度愈小。．巖石的含水性和透水性由于巖石有孔隙存在，地表水、地下水便會(huì)滲入巖體，從而使巖層含水。巖石的含水性一般用含水度表示，即巖石孔隙中的水的體積和巖石體積之比。可以認(rèn)為，巖石的含水性與巖石的孔隙度成正比例關(guān)系。表2-3幾種巖石孔隙度表巖石孔隙度(％) 孔隙度(％)花崗巖1.2砂巖3～30輝綠巖和輝長巖1.0砂層30～50石英巖0.8泥質(zhì)頁巖4碳酸鹽巖1.5～2.2粘土45巖石的透水性以單位時(shí)間內(nèi)通過巖石的水量表示。一般認(rèn)為，巖石的孔隙度愈大，透水性愈高，巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性愈低。．巖石的完整度表(2-4)巖石的完整度由巖石的結(jié)構(gòu)和節(jié)理等來描述。它對鉆進(jìn)指標(biāo)和鉆探質(zhì)量有直接的影響。(1)巖石結(jié)構(gòu)(2)巖石的節(jié)理巖石的節(jié)理對巖石的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和可鉆性產(chǎn)生顯著的影響。巖石的節(jié)理等級依據(jù)下述三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行確定：巖心的成塊率Ky(塊/m)，巖心采取率Dk(%)，巖石節(jié)理指標(biāo)W(個(gè)/r)（2-19）式中: ——巖心直徑，m； ——巖石節(jié)理平面與鉆孔軸線夾角，°； ——考慮巖石第二次破碎程度的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算時(shí)可取0.70； ——巖心成塊率(由從孔內(nèi)取出的巖心來確定)。表2-4巖石節(jié)理裂隙等級標(biāo)準(zhǔn)表巖石節(jié)理巖石節(jié)理裂隙分類巖石節(jié)理裂隙程度巖石節(jié)理裂隙性估算值Ⅰ完整的Ⅱ弱裂隙性的Ⅲ裂隙性的Ⅳ強(qiáng)裂隙性的Ⅴ完全破碎的成塊率(塊/m)l～56～1011～3031～50≥51節(jié)理裂隙指標(biāo)≤0.50.5～1.01.01～2.02.01～3.0≥3.01()100～7090～6080～5070～4060～30或更少巖石的裂隙會(huì)導(dǎo)致鉆進(jìn)效率、采心率和鉆頭壽命的降低，造成沖洗液漏失和孔壁坍塌等復(fù)雜情況。（2-20）式中 ——裂隙性指數(shù)； ——裂隙傾角； ——巖心柱狀體平均長度(巖心柱狀體總長與塊數(shù)之比)選擇鉆進(jìn)方法、碎巖工具型式、鉆進(jìn)參數(shù)等，應(yīng)以巖石的可鉆性和巖石節(jié)理、裂隙為依據(jù)。．巖石的穩(wěn)定性（表2-5）級穩(wěn)定性穩(wěn)定性程度級穩(wěn)定性穩(wěn)定性程度別 程度Ⅰ極不穩(wěn)定的顆粒間無聯(lián)系力的松散巖石(砂、礫石、卵石)可變穩(wěn)顆粒間聯(lián)系力復(fù)雜，水飽和則消失，致密的，強(qiáng)度不高，溶于沖洗液或易沖蝕的巖石(泥質(zhì)Ⅱ定性的巖石、巖鹽)。鉆進(jìn)這類巖石會(huì)產(chǎn)生超徑、縮徑、卡鉆和保存巖心困難弱穩(wěn)定顆粒間有足夠聯(lián)系力(堅(jiān)固但破碎)，聯(lián)系強(qiáng)度不足的角礫巖化巖石(礫巖或角礫膠結(jié)的Ⅲ性的 弱砂巖、片巖及煤)。鉆進(jìn)中發(fā)生漏失，部分裂隙巖石塌落，巖心磨損和沖蝕(角礫化巖石中中)顆粒間聯(lián)系力強(qiáng)，硬度高及中等，均一的或弱裂隙的，不沖蝕的巖石(花崗巖、閃長巖、玢Ⅳ穩(wěn)定的巖、玄武巖、石英巖、砂巖等)。四、巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的強(qiáng)度巖石抵抗機(jī)械破壞的能力稱為巖石的強(qiáng)度。根據(jù)外載荷作用性質(zhì)不同，巖石有抗拉，抗壓、抗剪和抗彎強(qiáng)度。幾種巖石的強(qiáng)度極限如表2-6所示。巖石抗壓巖石抗壓(Mpa)抗拉抗彎砂巖：粗粒的1425.11410.3中粒的1515.2013.10細(xì)粒的1857.9524.90砂質(zhì)泥質(zhì)頁巖183.203.50含有石膏的灰?guī)r422.406.50泥質(zhì)頁巖14～611.7～8.04.0～36.0石膏171.906.O灰?guī)r90～12012.012.0閃石170～180.89.O～12.O—石英巖290～30010.8～15.O15.0～20.7大理巖60～1906.O～16.O24.O～31.O白云質(zhì)粉砂巖35～1503.O～10.023.O煤20～501.5～2.59.O玄武巖30～40—17.5～46.0花崗巖100～25010.0～15.O10.O～30.0巖石單向抗壓強(qiáng)度σb等于巖樣在單軸向受力條件下整體性破壞時(shí)的總壓力P與巖樣橫截面積S之比值。（2-21）巖樣一般采用53535cm或 25325mm試樣，巖樣高度與直徑比在1～2之間變化，抗壓強(qiáng)度值變化12%左右；采用0.9～1.1比值時(shí)，強(qiáng)度變化最小。若采用其他比值時(shí)，依下式計(jì)算：（2-22）式中：σ b2——d2直徑下巖樣的單向抗壓強(qiáng)度，Pa；σ b1——d1直徑下巖樣的單向抗壓強(qiáng)度，Pa。巖石的抗壓強(qiáng)度通常是隨著對巖樣的加載速率的增加而增加。加載速率一般取0.5～1.0MPa/s。巖石的硬度巖石抵抗其他物體壓入的能力稱為巖石的硬度。衡量硬度的單位通常采用MPa。通常常采用壓入硬度和擺球硬度來衡量巖石的軟硬程度。用巖石的硬度比用巖石的強(qiáng)度更能反映孔底巖石破碎的難易程度。礦物名稱礦物名稱莫氏硬度HM顯微硬度Hμ洛氏HR維氏HV諾氏HL赫茲 壓入 肖氏硬度 硬度 硬度HZ HE HS金剛石10—100000————滑石1—25—50506巖鹽——200————石膏22223603301402058方解石381811001350920117033硬石膏——22001700———白云石——32501630———螢石4150018903600～49301100160037磷灰石5266053604900～56002370241040長石64150795074502530293079燧石——9250～100007100～9020———石英7—11200125003080483086黃玉858401430017000～220005250502089剛玉9—2060080000～8500011500710088巖石的硬度部分巖石的壓入硬度和擺球硬度值見表2-14。巖石的研磨性2-8。表2-8研磨法所得巖石研磨性分類表研磨研磨性分類研磨指標(biāo)(mg)代表性巖石灰?guī)r、大理巖、白云巖、純橄欖巖、頁巖、磷灰?guī)r、石膏、泥質(zhì)粉砂巖、磁鐵礦、泥質(zhì)弱研5～20 巖、硅化菱鎂巖、輝綠巖、角巖、脈石英、含鐵石英巖、碧玉鐵質(zhì)巖、硅化灰?guī)r、粉砂磨性巖、細(xì)粒硅質(zhì)砂巖中等 細(xì)粒石英長石砂巖、千枚巖、凝灰?guī)r、細(xì)粒火成巖、致密石英巖、矽卡巖、云英巖、輝研磨20～65長巖、閃長巖、中粒長石砂巖、粗粒石英巖、片麻巖、花崗巖、煌斑巖、玢巖、二云母性 片巖、霞石正長巖、片麻巖、片理化矽卡巖強(qiáng)研65～90磨性(以上) 風(fēng)化粗粒砂巖巖石的抗壓強(qiáng)度和壓入硬度對研磨性的影響，其關(guān)系見圖2-4。巖石的研磨性與巖石的摩擦系數(shù)有關(guān)。部分巖石的摩擦系數(shù)見表2-9。表2-9幾種巖石的摩擦系數(shù)表巖石名稱摩擦系數(shù)巖石名稱摩擦系數(shù)鐵質(zhì)石英巖O.35～0.45石灰?guī)r0.25～0.35花崗巖O.30～0.40泥灰?guī)rO.20～O.30石英質(zhì)砂巖0.35～O.50粘土0.11～O.29圖2-4研磨性指標(biāo)與1-抗壓強(qiáng)度;2-壓入硬度的關(guān)系巖石摩擦系數(shù)還受兩個(gè)摩擦物間介質(zhì)的影響(表2-10)。巖石表面狀況巖石名稱巖石表面狀況巖石名稱干燥水濕潤泥漿濕潤泥質(zhì)頁巖0.20～0.250.15～O.200.11～O.13石灰?guī)r0.35～O.400.33～O.380.3l～O.35白云巖0.38～O.420.36～0.48O.34～O.38弱膠結(jié)尖角顆粒砂巖O.32～0.420.27～0.40.0.25～O.35弱膠結(jié)圓角顆粒砂巖0.22～O.340.20～O.30O.17～O.25硬質(zhì)砂巖0.43～O.48O.43～O.450.40～O.43石英巖0.46～O.48O.48～0.50O.42～O.44花崗巖O.47～0.550.46～0.53O.45～0.52無水石膏-0.39～O.450.37～O.40采用乳狀潤滑液可大大降低摩擦系數(shù)和破巖工具的磨損。動(dòng)摩擦系數(shù)在研究范圍內(nèi)，即相對速度為1～3m/s100～900N巖石的塑性和脆性在外力作用下，巖石只改變其形狀和大小而不破壞自身的連續(xù)性，稱為巖石的塑性。而在外力作用下，直至破碎并無明顯的形狀改變，稱為巖石的脆性。根據(jù)巖石的這些性質(zhì)，將巖石分為脆性巖石、塑脆性巖石和塑性巖石。利用巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖2-5)可計(jì)算出巖石的塑性系數(shù)K。（2-23）式中： ——變形總能量，以O(shè)ADE正面積表示； ——彈性變形總能量，以O(shè)BC面積表示。（a）脆性巖石；（b）塑脆性巖石；（c）塑性巖石圖2-5巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線巖石的塑脆性主要以K值為依據(jù)確定(見表2-17)。表2-11常見巖石的塑性系數(shù)表巖石類型巖石類型K值1巖石脆性石英巖塑脆性塑性2～5>6花崗巖、細(xì)砂巖、砂巖、重晶石、硬石膏石灰?guī)r、白云巖，粉砂巖巖石的彈性當(dāng)外力作用于巖石時(shí)，巖石產(chǎn)生變形，外力撤除后，變形隨之消失，巖石又恢復(fù)原來的形狀和體積，這種性質(zhì)稱為彈性。造巖礦物的彈性模數(shù)E從本質(zhì)上影響著巖石的彈性模數(shù)。造巖礦物的E值越高，則巖石的E值也高（表2-12）。礦物名稱E(10礦物名稱E(103MPa)巖石名稱E(103MPa)剛玉520花崗巖≥60黃玉300玄武巖≥97長石78～100石灰?guī)r≥85方解石≥80石英巖≥100石膏58～90砂巖≥50巖鹽12～15≥40泥質(zhì)頁巖粘土15～250～3泊松比是巖石彈性的又一指標(biāo)，它是縱向形變和橫向形變之比(見表2-13)。表2-13幾種巖石的泊松比值表巖石巖石巖石巖石巖石塑性巖石O.38～O.45泥質(zhì)頁巖O.10～O.25致密泥巖O.25～O.35花崗巖0.26～0.29石灰?guī)rO.28～0.33巖鹽0.44砂巖0.30～0.35五、巖石的可鉆性、概念巖石的可鉆性是指鉆進(jìn)過程中巖石抵抗破碎的能力，它表示巖石破碎的難易程度。巖石可鉆性是巖石在鉆進(jìn)過程中顯示出來的綜合指標(biāo)，它取決于巖性和鉆進(jìn)工藝技術(shù)等因素。、金剛石巖心鉆探的巖石可鉆性分級地質(zhì)礦產(chǎn)部于1984年頒布了適用于金剛石巖心鉆探的巖石可鉆性分級標(biāo)準(zhǔn)(見表2-14)。表2-20中巖石的壓入硬度、擺球硬度不在同一區(qū)間時(shí)，可依下式確定巖石級別：（2-24）式中：

——巖石可鉆性等級； ——壓入硬度值，MPa； ——標(biāo)準(zhǔn)巖樣的擺球彈次，次

塑性系數(shù)以下式計(jì)算：

（2-25）式中:——擺球的第一次回彈角度。表2-14巖石可鉆性分級標(biāo)準(zhǔn)表巖巖石級別巖石物理力學(xué)性質(zhì)壓入硬度(MPa)擺球硬度鉆進(jìn)時(shí)效指標(biāo)統(tǒng)計(jì)時(shí)效(m/h)代表性巖石舉例彈次塑性系數(shù)金剛石硬質(zhì)合金鋼粒Ⅰ～Ⅳ<1000<30 >0.37>3.90煌斑巖。Ⅴ900～190028～0.33～35O.392.9～2.53.6白色大理巖、石英閃長玢巖、黑色片巖、透輝石大理巖、大理巖Ⅵ1750～34～O.29～2.30～275042O.323.10黑色角閃斜長片麻巖、白云斜長片麻巖、石英白云石2. 1. 大理巖、黑云母大理巖、白云巖、蝕變角閃閃長巖、00 50 角閃變粒巖、角閃巖、黑云母石英片巖、角巖、透輝石榴石矽卡巖、黑云母白云石大理巖Ⅶ2600～360040～0.27～1.90～48O.322.60白云斜長片麻巖、石英白云石大理巖、透輝石化閃長1.4 1.35白云石大理巖、蝕變石英閃長玢巖、石英閃長玢巖、黑云母石英片巖ⅧⅧ3400～440046～0.23～1.50～54O.290. 1.80 202.10花崗巖、矽卡巖化閃長玢巖、柘榴子矽卡巖、石英閃長斑巖、石英角閃巖、黑云母斜長角閃巖、混合偉晶巖、黑云母花崗巖、斜長閃長巖、斜長角閃巖、混合片麻巖、凝灰?guī)r、混合淺粒巖4200～520052～0.20～1.101～1.斜長閃長巖、鉀長偉晶巖、橄欖巖、斜長混合巖、閃Ⅸ600.2670—00長玢巖、石英閃長玢巖、似斑狀花崗巖、斑狀花崗閃長巖Ⅹ5000～610059～0.17～680.24硅化大理巖、矽卡巖、混合斜長片麻巖、鈉長斑巖、0.0～ 鉀長偉晶巖、斜長角閃巖、鞍ft質(zhì)熔巖、長英質(zhì)混合— O.751.20 巖化角閃巖、斜長巖、花崗巖、石英巖、硅質(zhì)凝灰砂礫巖、英安質(zhì)角礫熔巖Ⅺ6000～720067～0.15～0.50～O.5075O.22O.95—凝灰?guī)r、熔凝灰?guī)r、石英角巖、英安巖Ⅻ>7000 >70石英角巖、玉髓、熔凝灰?guī)r、純石英巖第三節(jié)巖土滲流問題巖土的滲透性，是指在水壓和地層壓力作用下，水穿透空隙介質(zhì)的能力。在鉆井工程和巖土工程施工中，要合理地選擇和使用漿液，巖土滲流是一個(gè)值得重視的問題。例如，在鉆井時(shí)，若地層的滲透性很強(qiáng)，則鉆井液的漏失將會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重，這樣，必須采取相應(yīng)的措施去預(yù)防鉆井液的漏失。又如，在控制井壁和槽壁的穩(wěn)定等問題時(shí)，地層滲透性的不同，對最后采取不同的護(hù)壁堵漏方案有著重要的影響。在工程注漿中，滲透性強(qiáng)和滲透性弱的地層，得到的是完全不同的注漿效果。一、均質(zhì)性與非均質(zhì)性和各向同性與各向異性二、達(dá)西實(shí)驗(yàn)定律——均質(zhì)液體滲流方程、達(dá)西實(shí)驗(yàn)法國工程師H.Darcy(達(dá)西)，在1856年發(fā)表了他的水通過直立均質(zhì)砂粒滲濾管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（1）．實(shí)驗(yàn)裝置圖2-7是達(dá)西所采用的實(shí)驗(yàn)裝置。裝置中有一個(gè)約lm長的裝有疏松砂粒的圓鐵筒——滲濾管。管的兩端緊挨著砂柱面有一層高滲透性的鐵絲網(wǎng)。圓鐵筒上、下邊界處連接有開口的測壓管，測量水流通過滲濾管進(jìn)出口的水壓頭高度。水柱高分別由水箱中水容積所控制。圖2-6達(dá)西實(shí)驗(yàn)裝置（２）．實(shí)驗(yàn)條件（1）滲濾液體為水，且在實(shí)驗(yàn)室整個(gè)滲濾過程中水是均質(zhì)、不可壓縮和粘度保持常數(shù)；（2）滲濾管中填充非膠結(jié)極細(xì)砂粒，長度為L；（3）滲濾管上下兩端測壓管水柱差Δ h維持常數(shù)，Δ h/L的數(shù)值不大，且變化范圍不大。（３）．實(shí)驗(yàn)方式保持圓鐵筒總是垂直狀態(tài)下，單獨(dú)或同時(shí)改變h1、h2或L,并測量Δ h/L和v的關(guān)系。．實(shí)驗(yàn)結(jié)果（2-26）vcm/sQcm3/s；h1,h2——從某個(gè)基準(zhǔn)面起算測量的相應(yīng)于滲濾管頂端和底界面的測壓管液柱，cm；(h1-h2)/L——水力梯度，通常用J或i符號表示，cm/cm；式(2-26)就是達(dá)西實(shí)驗(yàn)公式——均質(zhì)液體滲流方程。滲流系數(shù)是在實(shí)驗(yàn)室常溫下，滲流液體為水通過,既定的砂粒滲濾管過程中，滲流速度與水力梯度間關(guān)系的比例系數(shù)（2-27）式中，K-比例系數(shù)、水力傳導(dǎo)系數(shù)、滲流系數(shù)。v與Δh/L間的關(guān)系如圖2-7所示。圖2-7v-Δ h/L關(guān)系vΔh/LvΔh/L關(guān)系是一條直線，故稱達(dá)西實(shí)驗(yàn)公式為直線滲流定律；②該直線通過坐標(biāo)的原點(diǎn)。三、滲透率、問題的提出KKf(多孔介質(zhì)特性2滲流液體性質(zhì))來自這兩方面的影響因素有流體粘度、流體密度和巖石顆粒堆積所決定的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征等等。如何考慮這些因素的影響呢?許多學(xué)者和實(shí)踐者對此進(jìn)行了長期的研究。公認(rèn)的研究結(jié)果是，通過引入巖層性質(zhì)特征系數(shù)——滲透率而將其與受液體性質(zhì)的影響區(qū)分開來。．從數(shù)學(xué)解析研究法與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)法的綜合中引出滲透率在眾多研究者所假設(shè)的理想條件的研究中，大多采用等直徑圓柱狀孔道（圖2-8）來代替結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多孔介質(zhì)實(shí)際孔道，然后將研究結(jié)果轉(zhuǎn)換到實(shí)際多孔體。按這種多孔介質(zhì)模型，由數(shù)學(xué)上的解析方法所得的結(jié)果表達(dá)式，雖隨研究者而有所不同，歸納其相同點(diǎn)得出移項(xiàng)（2-28）式中： ——與孔隙度( )和孔隙空間結(jié)構(gòu)特性( )各不相同的數(shù)值，但總體上可以看作是一個(gè)無量綱的系數(shù)；等方法確定。 ――液體粘度；

——巖石顆粒有效直徑。它可按平均直徑法或平均顆粒重量法――液體重度．圖2-8等直徑圓柱狀孔道式(2-28)表明，滲流速度與①②③單位長度上的壓降 或壓降梯度 成線性關(guān)系；與②顆粒有效直徑和 成正比例關(guān)系；與③液體粘度成反比關(guān)系。將數(shù)學(xué)解析研究法所得來的綜合方式表示的滲流速度與達(dá)西通過實(shí)驗(yàn)所確定的滲流速度相恒等得 （2-29）令（2-30）稱為滲透系數(shù)，或者滲透率。K的假設(shè)中可知，它僅僅是一個(gè)依于多孔介質(zhì)性質(zhì)而變的系數(shù)。滲透率的含義是多孔介質(zhì)允許流體通過本體的潛在性質(zhì)。這種潛在性質(zhì)是一種滲流力學(xué)上的特性，只有當(dāng)流體在其中流動(dòng)時(shí)才會(huì)表現(xiàn)出來。所以，多孔介質(zhì)的滲透率是度量多孔介質(zhì)流通能力的特征系數(shù)，或者說是指標(biāo)。這樣或者（2-31）式中：．滲透率的量綱與單位

——運(yùn)動(dòng)粘度，量綱積為 。（１）．滲透率具有面積量綱從 關(guān)系式來看， 是無量量綱滲透率的量綱決定于的量綱。從 關(guān)系式來看∵ ，∴（２）．滲透率單位將滲透率K引入原始達(dá)西公式中，得

（2-32）此而來。Pa2s．

顯然，這是達(dá)西的等效公式，但通常仍統(tǒng)稱為達(dá)西公式。相對于此式，原始達(dá)西公式名稱就由式中各參數(shù)的單位是：K，m2；Q，m3/s；A，m2;L，m;△P，Pa;μ ，這就是流動(dòng)測試滲透率的方程這是因?yàn)樗畢R沉積系統(tǒng)環(huán)境中所發(fā)生的地質(zhì)作用都是在流體勢條件下進(jìn)行的，故用液體滲流方程反演地質(zhì)多孔介質(zhì)的物理屬性，較之其它方法早有獨(dú)特的精確性且方便。滲透率K單位采用m2。這是按法定計(jì)量單位(SI制)制定的。1m2多孔介質(zhì)滲透率的物理含義是，當(dāng)粘度為1Pa2s1Pa情況下，滲流通過面積為1m2lm的多孔介質(zhì)的體積流量為1m3/s時(shí)，以這樣的多孔介質(zhì)的滲透性能定為1m2的滲透率單位，或者說，這樣的多孔介質(zhì)的滲透率等于1m2。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，以m2為滲透率的度量單位太大，即以m2為單位的滲透率在數(shù)值上太小，一般采用μ m2作為滲透率的實(shí)用單位。同樣，壓力以Pa為度量單位，壓力的數(shù)值太大，一般用MPa。這樣：Q:cm3/s；A:cm2；L:cm；Δ P:MPa；μ :mPa2s；K:μ m2。當(dāng)K單位用10-3μ m2時(shí)

（2-33）（2-33a）四、滲流的基本類型．直線滲流所謂直線滲流型是指這樣一種流體流動(dòng)方式，在流體流動(dòng)過程中所有的流線是彼此平行的直線，且垂直于流動(dòng)方向的每個(gè)截面上各點(diǎn)的滲流速度是相等的，而滲流速度是一維的，如圖2-9a所示。按直線方式滲流的每條流線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是完全一樣的。所以，只就其中任意一條流線的流動(dòng)規(guī)律的研究就可知全體流線運(yùn)動(dòng)的特征。A點(diǎn)的滲流速度的變化將立即沿流線傳遞到另一點(diǎn)BAB兩點(diǎn)的滲流速度仍然保持相同的數(shù)值差。圖2-9幾種直線流(a)-直線流；(b)-三面封閉邊界；(c)-二面封閉邊界；(d)-注水井A與生產(chǎn)井B并排．平面徑向滲流所示。流體平面徑向滲流過程中，滲流速度和壓力是以匯集點(diǎn)為圓心的圓周半徑的函數(shù)。流體愈流向井點(diǎn)，其滲流面積愈小，滲流速度愈大。圖2-10幾種平面徑向流(a)-平面徑向流；(b)-液體向滲流力學(xué)上完善井滲流；(c)-液體向滲流力學(xué)上不完善井滲流；(d)-液體向圓形井排徑向匯集滲流。．球形徑向滲流2-11a所示。圖2-11幾種球形徑向流(a)-球形徑向流；(b)-液體向滲流力學(xué)上不完善井滲流；(c)-液體向眼球形射孔井徑向匯集滲流多孔介質(zhì)中流體滲流的三種方式或類型是經(jīng)滲流條件簡化后得出的，實(shí)際鉆井過程中所碰到的復(fù)雜滲流情況，基本上可以認(rèn)為是這三種滲流方式中的一種或幾種的組合。所以，直線流、平面徑向流和球形徑向流的滲流方式，具有重要的實(shí)用意義和理論研究價(jià)值。第四節(jié)漿液的流變性基礎(chǔ)一、概述１、漿液流變性的意義漿液的流變性對鉆進(jìn)、排粉、孔壁穩(wěn)定、鉆孔漏失及流動(dòng)阻力(壓力損失)等均有重要影響。理論和實(shí)踐均已說明，泥漿粘度越高，機(jī)械鉆速越低，如清水的機(jī)械鉆速就比泥漿高。這里指的是泥漿的由于流型的不同，水力學(xué)中傳統(tǒng)的用于區(qū)分層流或紊流態(tài)的準(zhǔn)數(shù)——雷諾數(shù)Re，已不完全適用于泥漿等非牛頓流體，代替它的有穩(wěn)定性參數(shù)Z值。對牛頓流體來說，Z值與Re數(shù)間并無本質(zhì)差別，只是數(shù)值上的差別，而對非牛頓流體來說，卻有本質(zhì)上的差別。流變學(xué)已日益被人們所重視，這為流變學(xué)的發(fā)展提供了最要的條件。２、漿液流變性的研究任務(wù)漿液流變性的研究任務(wù)大致有如下幾個(gè)方面：（1）．對漿液流型進(jìn)行分析，進(jìn)一步完善現(xiàn)有的流變方程，特別是對帶屈服值的假塑流體，與時(shí)間有關(guān)的觸變流體以及粘彈性流體要進(jìn)一步研究；（2）．進(jìn)一步研究分析各種處理劑水溶液及各類漿液的流變特性，研究各流變參數(shù)的影響因素及其調(diào)節(jié)，根據(jù)不同地層的特點(diǎn)和鉆井、注漿工程的要求尋求合適流變參數(shù)的化學(xué)處理配方，同時(shí)滿足其它泥漿性能的要求；（3）．研究漿液流變性對鉆進(jìn)、排除與攜帶巖粉、護(hù)壁、上下鉆的激動(dòng)壓力、紊流減阻、防治漏失等方面的影響，特別是要結(jié)合巖心鉆孔的特點(diǎn)來進(jìn)行研究；（4）．利用現(xiàn)有各流變模式導(dǎo)出的水力方程，進(jìn)行水力損失的計(jì)算，并進(jìn)行比較，簡化現(xiàn)場水力計(jì)算工作；（5）．進(jìn)行鉆井(鉆孔)水力參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，以求得到最大鉆頭水馬力或改善流變參數(shù)，使鉆井工作能較好完成。二、流體與流型2-15所示。表2-15 流體類型的劃分純純牛頓流體塑性流體及粘彈性流體粘與時(shí)間無關(guān)流體假塑流體冪律流體膨脹流體非牛頓流體流帶屈服值帶屈服值假塑流體冪律流體冪律流體帶屈服值膨脹流體體觸變流體與時(shí)間有關(guān)流體振凝流體粘彈性體2-12是各種流體在坐標(biāo)上所作流變曲線。非牛頓流體中，1、2、4、5可屬于剪切稀釋流體，隨著剪切速率的升高，其表觀粘度不斷下降，而3、8可屬于剪切稠化液，隨著剪切速率升高，其表現(xiàn)粘度不斷上升。以下分別進(jìn)行討論。１、牛頓流體牛頓流體流動(dòng)的特點(diǎn)是其流變曲線為通過原點(diǎn)O的一條直線，如圖2-12線7所示。它表示在一定溫度和壓力條件下，牛頓粘度為一常數(shù)，它可用牛頓流變方程來表示：或 （2-34）式中：

Pa；

——剪切速率或流速梯度，s-1；Pa2s,(1Pa2s=1000cPlcP=103Pa2s=1mPa2s)圖2-12各種流體流變曲線(1)(2)(3)(4)(5)假塑流體，(6)觸變流體，(7)牛頓流體，(8)膨脹流體, -靜切力， -靜切力（屈服值）頓流體。

氣體、水、甘油、硅油、油(除高剪切速率下的高粘度油外)、低分子化合物溶液等均屬于牛圖2-13是三種不同粘度的牛頓流體在坐標(biāo)上的流變圖，其流變曲線均為通過原點(diǎn)O的一根直線，但粘度越高(如甘油，在15℃時(shí)為2.33Pa2s)其斜率越高，即流變曲線與 軸的夾角越大。150.0182103Pa2s)151.1405103Pa2s201.002103Pa2s圖2-14是這三種牛頓流體在雙對數(shù)坐標(biāo)圖上的流變曲線。雖然粘度值不同，但均為與坐標(biāo)軸成圖2-13典型牛頓流體流變圖圖2-14典型牛頓流體流變圖圖2-13典型牛頓流體流變圖圖2-14典型