【水力學】-大學《水力學》題庫

（10.0 分）1.100kN/m2，則該點的相對壓強為A：1kN/m2B：2kN/m2C：5kN/m2D：10kN/m2糾錯（10.0 分）2.dd/R=A：8B：4C：2D：1糾錯（10.0 分）3.按是否考慮液體的粘滯性，可將液體分為A：牛頓液體與非牛頓液體；B：連續(xù)液體與非連續(xù)液體C：可壓縮液體與不可壓縮液體D：理想液體與實際液體糾錯判斷題（10.0 分）4.園管中層流的雷諾數(shù)必然大于２000。正確錯誤糾錯（10.0 分）5.漸變流過水斷面上各點的測壓管水頭都相同。正確錯誤糾錯（10.0 分）6.粘滯性是液體產(chǎn)生水頭損失的內(nèi)因。正確錯誤糾錯（10.0 分）7.水力粗糙管道是表示管道的邊壁比較粗糙。正確錯誤糾錯論述題（10.0 分）8.1、簡述尼古拉茲實驗中沿程水力摩擦系數(shù)λ的變化規(guī)律。2、“均勻流一定是恒定流”，這種說法是否正確？為什么？3、簡述明渠均勻流的形成條件和特征。4、 直徑為d＝700mm的管道在支承水平面上分支為d＝500mm的兩支管，A－1 2A截面壓力為70kN/m2，管道中水的體積流量為Q＝0.6m3/s，兩支管流量相等。(1)不計壓頭損失，求支墩受水平推力；(2)5量，求每個螺栓受力多少

5d＝10cm，D＝40cmQ＝0.4m3/s，噴嘴和管道1261mABA、B2.69kNB1、簡述尼古拉茲實驗中沿程水力摩擦系數(shù)λ的變化規(guī)律。（4分）答案：通過尼古拉茲實驗可以發(fā)現(xiàn)：在層流中λ僅是雷諾數(shù)Re的函數(shù)并與ReλReλ=1

Re）；過渡區(qū)λ=f2（Re，<!--[if!vml]--> <!--[endif]-->）；粗糙區(qū)λ=f3（<!--[if!vml]--> <!--[endif]-->），紊流粗糙區(qū)又稱為阻力平方區(qū)。2、“均勻流一定是恒定流”，這種說法是否正確？為什么？（4分）答案：這種說法錯誤的。均勻是相對于空間分布而言，恒定是相對于時間而言。當流量不變通過一變直徑管道時，雖然是恒定流，但它不是均勻流。3、簡述明渠均勻流的形成條件和特征。（6分）答：明渠均勻流的形成條件：根本（力學）條件：重力沿流向的分量=邊壁摩阻力（<!--[if!vml]--> <!--[endif]-->）具體條件：1.水流應為恒定流；2.流量沿程不變；3.渠道必須是長而直的棱柱形順坡渠道；4)糙率n沿程不變；5)渠道中無建筑物的局部干擾。明渠均勻流的水力特征為：1)等深流動：h1=h2=h；2)等速流動：V1=V2=V；3)總水頭線//水面線//渠底線，J=Jp=I。（10.0 分）1.RA：等于水深的一半；C：等于水面寬度的一半；D：等于濕周的一半。糾錯10.0 分2.已知水流的沿程水力摩擦系數(shù)l只與邊界粗糙度有關，可判斷該水流屬于ABC：紊流過渡粗糙區(qū)D糾錯（10.0 分）3.長管的總水頭線與測壓管水頭線A：相重合B：相平行，呈直線C：相平行，呈階梯狀D：以上答案都不對糾錯（10.0 分）4.在同一瞬時，流線上各個流體近質(zhì)點的速度方向總是在該點與此流線A：重合C：相切D：平行糾錯（10.0 分）5.下列說法中，正確的說法是A：理想不可壓均質(zhì)量重力流體作定?；蚍嵌ǔＡ鲃訒r，沿流線總機械能守恒B：理想不可壓均質(zhì)重力流體作定常流動時，沿流線總機械能守恒C：理想不可壓均質(zhì)重力流體作非定常流動時，沿跡線總機械能守恒D：理想可壓縮重力流體作非定常流動時，沿流線總機械能守恒糾錯（10.0 分）6.若明渠水力最優(yōu)矩形斷面的水深為1.2m，其寬度為 （ ）A：0.6mB：1.2mC：1.8mD：2.4m糾錯（10.0 分A：大C：相等D：不定糾錯論述題（10.0 分）8.1、已知速度場為(m/s)，求(2，3，1)點的速度和加速度。、已知速度場為(m/s，求＝2(1點的速度和加速度。、已知速度場為。求＝1時，過(，2點的流線方程。、水流經(jīng)180彎管自噴嘴流出，如管徑＝100m，噴嘴直徑d＝25mmM＝196.5kN/m2A處，上、下螺栓的受力情況。假定螺栓上下前后共安裝四個，上下螺175mm150N，作用位置如圖。（10.0 分）1.牛頓流體具有A：擴散并充滿整個容器的特性B：在任何切應力作用下不能維持靜止狀態(tài)的特性C：實際上絕對不可壓縮的性質(zhì)D：切應力與運動狀態(tài)無關的性質(zhì)糾錯（10.0 分）2.水的動力粘度隨溫度的升高而A：增大C：不變D：不定糾錯（10.0 分）3.下列說法中，正確的說法是（ ）A：理想不可壓均質(zhì)量重力流體作定常或非定常流動時，沿流線總機械能守恒B：理想不可壓均質(zhì)重力流體作定常流動時，沿流線總機械能守恒C：理想不可壓均質(zhì)重力流體作非定常流動時，沿跡線總機械能守恒D：理想可壓縮重力流體作非定常流動時，沿流線總機械能守恒糾錯判斷題（10.0 分）4.恒定流一定是均勻流，層流也一定是均勻流。正確錯誤糾錯（10.0 分）5.水深相同的靜止水面一定是等壓面。正確錯誤糾錯（10.0 分）6.層流均勻流斷面動量修正系數(shù)為２正確錯誤糾錯論述題（10.0 分）7.1、定性繪出圖示管道（短管）的總水頭線和測壓管水頭線。2AB上水平分力的壓強分布圖和垂直分力的壓力體圖。3AB(1/4圓AH＝1.2m，閘門寬B=4m，圓弧形閘門半徑R=1m，水面均為大氣壓強。確定圓弧形閘AB上作用的靜水總壓力及作用方向。4A=0.64l=5030ζ1=0.2，ζ2=0.5，ζ3=1.0，沿程水力摩擦系數(shù)λ=0.024，上下游水位差H=3m。Q5、如圖從水箱接一橡膠管道及噴嘴，橡膠管直徑D=7.5cm，噴嘴出d=2.0cmH=5.5m，由水箱至噴嘴出口的水頭損失h=0.5。用壓力表測得橡膠管與噴嘴接頭處的壓強p=4.9N/c2。w行近流速v≈0，取動能、動量修正系數(shù)均為1。0（1）計算通過管道的流量Q；（2）如用手握住噴嘴，需要多大的水平力？方向如何？12h＝3mb＝2mh＝6m，下游水深h＝4.5m壓力中心的12位置。7、一圓柱形閘門，長＝10m，直徑D＝4m，上游水hh1

＝2m，求作用在該閘門上的2靜水總壓力的大小與方向。分）1.圓管紊流中的上臨界雷諾數(shù)（）A：是紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r的雷諾數(shù)C2300D：對流態(tài)判別作用不大糾錯（10.0 分）2.A—A內(nèi)外1兩側的、2兩點處各裝一根測壓管，則兩測壓管水面的高度h 與12h 的關系為2A：h1>h2B：h1=h2C：h1<H2<span>D：不定糾錯判斷題10.0 分3.矩形面板所受靜水總壓力的作用點與受壓面的形心點O重合正確錯誤糾錯（10.0 分）4.恒定不可壓縮流體運動在三個坐標方向的線變形速度之和為零。正確錯誤糾錯主觀填空題1如圖所示水箱一側接一串聯(lián)管道已知末端管徑d=0.2流速v=5m/分流量q=0.23/，則水箱出流量Q為 0.3571 。2、水平射流流量為 Q、以速度 v射向固定平板，則射流對平板的水平作用力 F為F=ρQβv方向水平向) 。3、明渠均勻流的力學特征是 重力沿流程的分邊壁摩阻力 。4、圓管層流沿程水頭損失系數(shù)λ的計算公式為 64 。Re5、有一水平分叉管中液流流動如圖示，已知Q=Q=0.5Q，A=A=0.5A

，各斷面形心位2 3 1 2 3 1于同一水平面內(nèi)，取α=α=α2—2p

與斷1 2 3 2面形心點壓強p1的關系為 p2 =p1 。p6、圖示容器內(nèi)液面壓強p0

為 9800 Pa。7、當管道尺寸及粗糙度一定時，隨著流量的加大，紊流流區(qū)的變化是光滑區(qū)→過渡粗糙區(qū)→粗糙區(qū)。8、紊流過水斷面上的流速分布比層流過水斷面上的流速分布 均勻 。9、作層流運動的牛頓流體，其層間切應力為 du 。dy10.0 分）6.、δ，間隙中液體的μω旋轉(zhuǎn)，求所需力M的表達式。2、一圓錐體繞其中心軸作等角速度ω＝16 1/s旋轉(zhuǎn)，錐體與固定壁面間的距離δ＝1mm，用μ＝0.1Pa·s的潤滑油充滿間隙，錐體半徑R＝0.3m，高H＝0.5m，求作用于圓錐體的阻力矩。330×40cm2的矩形平板，浮在油面上，其水平運動的μ＝0.102Pa·s，求平板所受的阻力。4z＝20cmU形管壓差計相連，壓h＝10cm、B兩點的壓力差：(1)γ1為空氣；(2)γ19kN/m3的油。5ABb＝2mh＝8m，試A的力矩。6、矩形平板閘門，寬b＝0.8m，高h＝1m，若要求箱中水深h1超過2m時，閘門即可自動開啟，鉸鏈的位置y應設在何處？單選題（10.0 分）1.對于并聯(lián)長管道，每根管道的A：流量相等B：切應力相等C：沿程水頭損失相等D：水力坡度相等糾錯（10.0 分）2.圓管層流過流斷面上切應力分布為A：在過流斷面上是常數(shù)B：管軸處是零，且與半徑成正比C：管壁處是零，向管軸線性增大D：按拋物線分布糾錯（10.0 分）3.發(fā)生水躍的充分必要條件是A：從層流過渡到紊流C：從緩流過渡到急流D：從急流過渡到緩流糾錯（10.0 分）4.δΔ小得多的壁面稱為A：光滑面B：過渡粗糙面C：粗糙面D：以上答案均不對糾錯（10.0 分）5.管軸高程沿流向增大的等直徑管道，其管軸壓強沿流向A：增大BC：不變D：不定糾錯論述題（10.0 分）6.1、流線和跡線的區(qū)別和聯(lián)系是什么？2、簡述過水斷面上單位重量流體的平均總機械能E（斷面總能）與斷面比能e的區(qū)別與聯(lián)系。3、何為連續(xù)介質(zhì)模型？水力學研究中引入連續(xù)介質(zhì)模型的可行性和必要性是什么？4、簡述明渠均勻流的形成條件和特征。5、簡述雷諾數(shù)Re、弗勞德數(shù)Fr的物理意義。6、何為長管？何為短管？7、正常工作條件下，作用水頭、面積相同的孔口和圓柱型外管嘴的出流能力是否相同？為什么？8AB＝3m，＝5md＝75mm，兩池H＝2mh＝1.8mλ＝0.02，局部阻力系K＝0.5K＝0.3K＝1，試求流量及管道最大超高截e b o面的真空度。9、由水庫引水，先用長＝25md＝75mm1長＝150m，直徑d＝50mmH＝8m，沿程阻2λ＝λ＝0.03K＝3Q1 2 v差h。10d=40mm1d=30mm=100mmH=3m2 1穩(wěn)定后的流量Q和下游水深H。21160m200mm，λ＝0.012，管道進口、彎頭和出口的局部阻K＝0.5，K＝0.5，K＝1.0H＝1.5m，試求虹吸管的e b o流量。1、答：（1）區(qū)別：跡線是單個液體質(zhì)點在某一時段內(nèi)不同時刻的流動軌跡線；流線是同一瞬時由連續(xù)的一系列液體質(zhì)點所構成的流動方向線。（2）聯(lián)系：恒定流時，流線與跡線重合。2、答：（1）基準面不同E：是以某一個水平面為基準面計算的單位重量液體所具有的機械能，水平面可任取，但同一題目必須是同一基準面；斷面比能e：是以斷面最低點所在的水平面為基準面計算的單位重量液體所具有的機械能，水平面不能任意選取，且一般情況下同一題目不同的過水斷面基準面不同。（2）沿流程變化率不同E沿流程總是減小，即<!--[if!vml]--> <!--[endif]-->恒小于零；e則可以沿流程上升、下降或不變，即<!--[if!vml]--><!--[endif]-->可>0，<0，=0。3、答：連續(xù)介質(zhì)模型：假設液體是一種充滿其所占據(jù)空間的毫無空隙的連續(xù)體。引入可能性：水力學所研究的，是液體在外力作用下的機械運動，而不研究其微觀運動。在常溫下，水相鄰分子間的距離與我們所要研究的液流特征尺度相比是極其微小的。引入必要性：有了連續(xù)介質(zhì)假設，就可以擺脫分子運動的復雜性，在研究、答：明渠均勻流的形成條件：根本（力學）條件：重力沿流向的分=邊壁摩阻力（<!--[if!vml]--> <!--[endif]-->）具體條件：1.水流應為恒定流；2.流量沿程不變；3.渠道必須是長而直的棱柱形順坡渠道；4.糙率n沿程不變；25.渠道中無建筑物的局部干擾。明渠均勻流的水力特征為：1.等深流動：h1=h=h；22.等速流動：V1=V2=V；3.總水頭線//水面線//渠底線，J=Jp=i。5、答：（1）雷諾數(shù)的力學意義：表征慣性力作用與粘性力作用的對比；（2）弗勞德數(shù)的力學意義：表征慣性力作用與重力作用的對比；（3）弗勞德數(shù)的能量意義：表征斷面平均動能的二倍與斷面平均勢能的比值。6、答：是根據(jù)管路中沿程水頭損失加流速水頭與局部水頭損失所占的比重分為長管、短管。（1）長管：水頭損失以hf為主，(<!--[if!vml]--> <!--[endif]-->)hf的百分數(shù)計算的管道。（2）短管：(<!--[if!vml]--> <!--[endif]-->)在總損失中占有一定的比重，計算時不能忽略的管道。7、答：正常工作條件下，作用水頭、面積相同的孔口和圓柱型外管嘴的出流能力不同，管嘴出流大于孔口出流，其原因是圓柱型外管嘴的收縮斷面處出現(xiàn)真空，加大了出流能力。8=3=5d=75mmH=2h=1.8λ=0.2K=0.5K=0.，e K=1。o解析：(1)列上下游水面間的伯努利方程，基準面取在下游水面上，得第一節(jié)鉆井液循環(huán)水力學一、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，鉆井介質(zhì)由地面的壓力泥漿泵或壓風機泵入地面高壓膠管，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、灌注樁鉆進和空氣鉆進中，為了能較好地攜帶出巖屑，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，用以實現(xiàn)反循環(huán)連續(xù)取心鉆進。（3）全孔反循環(huán)的流向與巖心進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小；同時，流動阻力損失也較小。（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)生的是正的動壓力，即循環(huán)時井內(nèi)的壓力大于停泵時的靜液柱壓力；而泵吸式反循環(huán)恰恰相反，產(chǎn)生的是負的動壓力，即循環(huán)時井內(nèi)的壓力小于停泵時的靜液柱壓力。（）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)。孔底局部反循環(huán)是正反循環(huán)相結合的洗井方式，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間內(nèi)向井內(nèi)送入循環(huán)液的體積量，它的大小對鉆進速度和鉆進質(zhì)量有著明顯的1、以鉆屑的上返速度達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。現(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。在實際應用中，應根據(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，即以鉆進速度來確定泵量。10%。當鉆頭尺寸（鉆頭底唇面積）A和鉆進速度v一定時，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的鉆屑量q也就確定了。此時，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，則可建立泵量的計算公式：（2-8）（2-9）、循環(huán)阻力損失鉆井液在循環(huán)流動過程中，流經(jīng)地面管路、鉆桿、孔底鉆具、鉆頭和環(huán)狀間隙時，形成一定的掌握鉆井液循環(huán)阻力損失是一項十分有意義的技術工作。一方面為選擇泥漿泵提供所需能力的指標；另一方面為測算井內(nèi)壓力及變化情況提供科學依據(jù)。鉆井液循環(huán)時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)狀間隙時的阻力損失。當循環(huán)泵量和循環(huán)液流變性不變時，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性能?？偟姆诸惏磶r石類、碎石土類、砂土類、粉土類、粘性土類等五項劃分。（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)結牢固，呈整體或有節(jié)理裂隙，按風化程度可分為微風化、中等風化和強風化。巖質(zhì)新鮮的稱微風化，定名時標在母巖之前，如微風化花崗巖。巖體被節(jié)理，裂隙分割成塊狀(20～50cm2～20cm碎塊，用手可以折斷時稱為強風化。（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.定名時按粒徑由大到小先符合者確定。2.當碎石土孔隙砂卵石。由粘性土充填并有粘結性能可稱為土結礫（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，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度指標。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、相對密實度、飽和度等，需首先測定三個基本指標：（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。當容重作為荷載時，稱土的重度，單位為kN/m3，由容重換為重度時應乘以加速度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，壓實質(zhì)量愈好，承載力愈高。但在實際工程中，土粒成分不同，壓實的效果也不相同，級配較好的土夾石，干密度可達到1.9g/cm3t/m3)以上，而粘土只能達到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Sτ =1時稱為飽和。（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。塑限和液限是兩個反映粘性土在不同含水量時表現(xiàn)出的物理力學特征的特征含水量。塑限(ωp)從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變到塑性狀態(tài)的界限含水量。可用手搓條法進行鑒定，即將土在手中搓條，如土條直徑在3mm時出現(xiàn)斷裂，這時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時土的含水量，即液限。塑性指數(shù)(Ip)其表達式為：（2-14）塑性指數(shù)與粘粒含量關系密切。粘粒含量在30％左右時，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)均為試驗指標，對每個土樣，該值都是不變的。液性指標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，它的強度也愈大；孔隙度愈大，則密度愈小，強度愈小。．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。可以認為，巖石的含水性與巖石的孔隙度成正比例關系。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間內(nèi)通過巖石的水量表示。一般認為，巖石的孔隙度愈大，透水性愈高，巖石的強度和穩(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構和節(jié)理等來描述。它對鉆進指標和鉆探質(zhì)量有直接的影響。(1)巖石結構(2)巖石的節(jié)理巖石的節(jié)理對巖石的強度、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)下述三個指標進行確定：巖心的成塊率Ky(塊/m)，巖心采取率Dk(%)，巖石節(jié)理指標W(個/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)驗系數(shù)計算時可取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)理裂隙等級標準表巖石節(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≤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導致鉆進效率、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)選擇鉆進方法、碎巖工具型式、鉆進參數(shù)等，應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)系力復雜，水飽和則消失，致密的，強度不高，溶于沖洗液或易沖蝕的巖石(泥質(zhì)Ⅱ定性的巖石、巖鹽)。鉆進這類巖石會產(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(堅固但破碎)，聯(lián)系強度不足的角礫巖化巖石(礫巖或角礫膠結的Ⅲ性的 弱砂巖、片巖及煤)。鉆進中發(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，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、巖石的力學性質(zhì)巖石的強度巖石抵抗機械破壞的能力稱為巖石的強度。根據(jù)外載荷作用性質(zhì)不同，巖石有抗拉，抗壓、抗剪和抗彎強度。幾種巖石的強度極限如表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巖石單向抗壓強度σb等于巖樣在單軸向受力條件下整體性破壞時的總壓力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，抗壓強度值變化12%左右；采用0.9～1.1比值時，強度變化最小。若采用其他比值時，依下式計算：（2-22）式中：σ b2——d2直徑下巖樣的單向抗壓強度，Pa；σ b1——d1直徑下巖樣的單向抗壓強度，Pa。巖石的抗壓強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(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、細粒硅質(zhì)砂巖中等 細粒石英長石砂巖、千枚巖、凝灰?guī)r、細?；鸪蓭r、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、片理化矽卡巖強研65～90磨性(以上) 風化粗粒砂巖巖石的抗壓強度和壓入硬度對研磨性的影響，其關系見圖2-4。巖石的研磨性與巖石的摩擦系數(shù)有關。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研磨性指標與1-抗壓強度;2-壓入硬度的關系巖石摩擦系數(shù)還受兩個摩擦物間介質(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弱膠結尖角顆粒砂巖O.32～0.420.27～0.40.0.25～O.35弱膠結圓角顆粒砂巖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。利用巖石的應力應變曲線(圖2-5)可計算出巖石的塑性系數(shù)K。（2-23）式中： ——變形總能量，以OADE正面積表示； ——彈性變形總能量，以OBC面積表示。（a）脆性巖石；（b）塑脆性巖石；（c）塑性巖石圖2-5巖石的應力應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外力作用于巖石時，巖石產(chǎn)生變形，外力撤除后，變形隨之消失，巖石又恢復原來的形狀和體積，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，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過程中顯示出來的綜合指標，它取決于巖性和鉆進工藝技術等因素。、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準(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，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； ——標準巖樣的擺球彈次，次

塑性系數(shù)以下式計算：

（2-25）式中:——擺球的第一次回彈角度。表2-14巖石可鉆性分級標準表巖巖石級別巖石物理力學性質(zhì)壓入硬度(MPa)擺球硬度鉆進時效指標統(tǒng)計時效(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，巖土滲流是一個值得重視的問題。例如，在鉆井時，若地層的滲透性很強，則鉆井液的漏失將會相當嚴重，這樣，必須采取相應的措施去預防鉆井液的漏失。又如，在控制井壁和槽壁的穩(wěn)定等問題時，地層滲透性的不同，對最后采取不同的護壁堵漏方案有著重要的影響。在工程注漿中，滲透性強和滲透性弱的地層，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、達西實驗定律——均質(zhì)液體滲流方程、達西實驗法國工程師H.Darcy(達西)，在1856年發(fā)表了他的水通過直立均質(zhì)砂粒滲濾管的實驗結果。（1）．實驗裝置圖2-7是達西所采用的實驗裝置。裝置中有一個約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達西實驗裝置（２）．實驗條件（1）滲濾液體為水，且在實驗室整個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極細砂粒，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）．實驗方式保持圓鐵筒總是垂直狀態(tài)下，單獨或同時改變h1、h2或L,并測量Δ h/L和v的關系。．實驗結果（2-26）vcm/sQcm3/s；h1,h2——從某個基準面起算測量的相應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)就是達西實驗公式——均質(zhì)液體滲流方程。滲流系數(shù)是在實驗室常溫下，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系的比例系數(shù)（2-27）式中，K-比例系數(shù)、水力傳導系數(shù)、滲流系數(shù)。v與Δh/L間的關系如圖2-7所示。圖2-7v-Δ h/L關系vΔh/LvΔh/L關系是一條直線，故稱達西實驗公式為直線滲流定律；②該直線通過坐標的原點。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)結構特征等等。如何考慮這些因素的影響呢?許多學者和實踐者對此進行了長期的研究。公認的研究結果是，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)學解析研究法與實驗室試驗法的綜合中引出滲透率在眾多研究者所假設的理想條件的研究中，大多采用等直徑圓柱狀孔道（圖2-8）來代替結構復雜的多孔介質(zhì)實際孔道，然后將研究結果轉(zhuǎn)換到實際多孔體。按這種多孔介質(zhì)模型，由數(shù)學上的解析方法所得的結果表達式，雖隨研究者而有所不同，歸納其相同點得出移項（2-28）式中： ——與孔隙度( )和孔隙空間結構特性( )各不相同的數(shù)值，但總體上可以看作是一個無量綱的系數(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 成線性關系；與②顆粒有效直徑和 成正比例關系；與③液體粘度成反比關系。將數(shù)學解析研究法所得來的綜合方式表示的滲流速度與達西通過實驗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的假設中可知，它僅僅是一個依于多孔介質(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)是一種滲流力學上的特性，只有當流體在其中流動時才會表現(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。這樣或者（2-31）式中：．滲透率的量綱與單位

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

（2-32）此而來。Pa2s．

顯然，這是達西的等效公式，但通常仍統(tǒng)稱為達西公式。相對于此式，原始達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 ，這就是流動測試滲透率的方程這是因為水匯沉積系統(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特的精確性且方便。滲透率K單位采用m2。這是按法定計量單位(SI制)制定的。1m2多孔介質(zhì)滲透率的物理含義是，當粘度為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，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K單位用10-3μ m2時

（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方式，在流體流動過程中所有的流線是彼此平行的直線，且垂直于流動方向的每個截面上各點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動規(guī)律是完全一樣的。所以，只就其中任意一條流線的流動規(guī)律的研究就可知全體流線運動的特征。A點的滲流速度的變化將立即沿流線傳遞到另一點BAB兩點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為圓心的圓周半徑的函數(shù)。流體愈流向井點，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)-液體向滲流力學上完善井滲流；(c)-液體向滲流力學上不完善井滲流；(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，實際鉆井過程中所碰到的復雜滲流情況，基本上可以認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，具有重要的實用意義和理論研究價值。第四節(jié)漿液的流變性基礎一、概述１、漿液流變性的意義漿液的流變性對鉆進、排粉、孔壁穩(wěn)定、鉆孔漏失及流動阻力(壓力損失)等均有重要影響。理論和實踐均已說明，泥漿粘度越高，機械鉆速越低，如清水的機械鉆速就比泥漿高。這里指的是泥漿的由于流型的不同，水力學中傳統(tǒng)的用于區(qū)分層流或紊流態(tài)的準數(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。流變學已日益被人們所重視，這為流變學的發(fā)展提供了最要的條件。２、漿液流變性的研究任務漿液流變性的研究任務大致有如下幾個方面：（1）．對漿液流型進行分析，進一步完善現(xiàn)有的流變方程，特別是對帶屈服值的假塑流體，與時間有關的觸變流體以及粘彈性流體要進一步研究；（2）．進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)不同地層的特點和鉆井、注漿工程的要求尋求合適流變參數(shù)的化學處理配方，同時滿足其它泥漿性能的要求；（3）．研究漿液流變性對鉆進、排除與攜帶巖粉、護壁、上下鉆的激動壓力、紊流減阻、防治漏失等方面的影響，特別是要結合巖心鉆孔的特點來進行研究；（4）．利用現(xiàn)有各流變模式導出的水力方程，進行水力損失的計算，并進行比較，簡化現(xiàn)場水力計算工作；（5）．進行鉆井(鉆孔)水力參數(shù)的設計與計算，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間無關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間有關流體振凝流體粘彈性體2-12是各種流體在坐標上所作流變曲線。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。以下分別進行討論。１、牛頓流體牛頓流體流動的特點是其流變曲線為通過原點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上的流變圖，其流變曲線均為通過原點O的一根直線，但粘度越高(如甘油，在15℃時為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)坐標圖上的流變曲線。雖然粘度值不同，但均為與坐標軸成圖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典型牛頓流體流變圖

=1s－１軸上(算術坐標) (對數(shù)坐標)除動力粘度外，牛頓流體也可用運動粘度來表示：（2-35）式中：２、非牛頓流體

——密度，g/cm3; ——運動粘度，cm2/s。（一）、與時間無關的流體（１）．塑性流體與粘塑性流體塑性流體可稱為賓漢流體。其流變曲線為不通過原點O的一條直線，如圖2-1６線AB或圖2-1２線2靜切應力是指要使靜止的塑性流體開始運動時，破壞其單位面積上的網(wǎng)狀結構所需要的切力。它可以用來表示塑性流體靜止時網(wǎng)狀結構強度的大小，常用于分析塑性流體由靜止狀態(tài)發(fā)展到運動狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程?，F(xiàn)以塑性流體在U形管中的平衡為例加以說明。設將密度為ρ的塑性流體注滿直徑為D的U形管A，如圖2-15所示,然后慢慢地將水注入管B，當泥漿剛剛要從U形管的左端流出而處于極限平衡狀態(tài)時，密度為ρ水、高度為h的水柱的重力應該與靜切應力τ sU形管的彎曲情況，則有，圖2-15用U形管測定液體流動剪切應力原理 圖2-16塑性流體于是 （2-36）或 （2-37）上式也可用于靜切應力的測定。當外力超過τs后，流體作層流流動，其流變曲線呈斜直線變化。此斜直線可用下列賓漢方程(模式)來表示：（2-38）式中： ——靜切力，Pa；η p——塑性粘度，Pa2s。由式(2-38)可見，τ s是AB線在由式(2-38)移項得：

軸上的截距，ηp為不通過原點O的AB線的斜率。（2-39）由式(2-38)也可見，塑性流體有兩個流變參數(shù)，即塑性粘度η p及靜切力η s。也可仿照牛頓方程(2-34)求塑性流體的表觀粘度(視粘度或有效粘度嚴格說表觀粘度與有效粘度有區(qū)別η A：（2-40）由圖2-16可見，在AB線上任意一點C1或C2與原點O的聯(lián)線得OC1OC2線，它們θ1θ 2C1C2點的數(shù)值。理想的賓漢塑性流體，一般是一些含較高固相且顆粒均勻的懸浮體，如一些礦漿、油墨、油漆等。由于固相顆粒的高度不均勻(如粘土)，在表面引力與斥力作用下易形成結構，在低剪切速率下其流變曲線(本來是直線)往往偏離直線，形成曲線變化，當剪切速率變化(圖2-17)，這種流體稱為粘塑性流體。

增加至層流段時才成直線圖中AB為凹向 軸的曲線，BD為直線段，BD延長線與 軸的交點為C，OC表示動切力。粘塑流體在管道內(nèi)流動情況如圖2-17所示，可作如下解釋：圖2-17粘塑流體流動圖在A點之前表示此流體己形成結構，外力不超過靜切力值τ s是不會流動的。AB段為塞流段即此時粘塑流體與管壁接觸處的結構先受到破壞，此時產(chǎn)生像塞子一樣的流動，故稱為塞流。隨著的逐步升高，結構逐步破壞，表觀粘度也逐漸變小，此段流變曲線為一曲線變化。B點之后處于較穩(wěn)定的層流段，此時粘塑流體內(nèi)部的結構破壞與形成處于平衡狀態(tài)，BD為一直線段，表示有一個穩(wěn)定的塑性粘度值。而D點之后，由于流速快，剪切速率高，就轉(zhuǎn)為紊流態(tài)了。圖2-17中τ0粘塑性流體也可用賓漢方程來表示：（2-41）式中：τ0——動切力，Pa。與式(2-38)比較，此式也是直線方程，截距為τ 0。而不是τ s。即此賓漢方程只能代表流變曲線的層流直線段，而不能代表低剪切速率下的塞流曲線段。其流變參數(shù)有兩個，即塑性粘度ηp，及動切力(或叫屈服值)τ 0。塑性粘度由式(2-41)導出：（2-42）仿牛頓粘度表示法，求粘塑流體的表觀粘度值 ：（2-43）2-17ABDF1F2OOF1OF2??斜率(2-43)可見，表觀粘度總是大于塑性粘度 ，即表觀粘度由塑性粘度 及 組成， 又可稱為結構粘度值，它代表顆粒形成結構的趨勢引起的剪切阻力。剪切速率 越高， 越小，表觀粘度(有效粘度)也越低。這種表觀粘度隨剪切速率升高而降低的現(xiàn)象，可稱為剪切稀釋作用。/XC生物聚合物)，可使塑性粘度增加慢而動切力增加快，能提高泥漿的動塑比，提高泥漿的剪切稀釋作用。屬于粘塑性流體的有泥漿、瀝青、某些原油、水泥漿等，粘度高的牛頓流體也表現(xiàn)出粘塑性流體的性質(zhì)。（２）．冪律流體O2-18及圖2-12的曲線58無單位。

（2-44）KPa2snn——流性指數(shù)，或稱為冪律指數(shù)，KKn值nnn值0.5以下為好。上式中，當n<1時為假塑流體；當n=1時為牛頓流體；當n>1時為膨脹流體。因此，冪律流體又區(qū)分為假塑流體與膨脹流體兩種，其中最常見的是假塑流體。假塑流體如圖2-18所示，假塑流體的流變曲線為凹向 軸的曲線OAB(在高剪切速率下接近于直O(jiān)，表示一加外力即產(chǎn)生流動，不存在靜切力其表觀粘度是不斷下降的，屬于剪切稀釋液。

。隨著剪切速率 的不斷升高，圖2-18冪律流體流變曲線 圖2-19假塑性流體流變曲線(算術坐標) (雙對數(shù)坐標)仿牛頓方程，列出假塑流體表觀粘度的公式：（2-45）對冪函數(shù)式(2-44)兩邊取對數(shù)得：（2-46）2-19)(2-46)也成為帶截距l(xiāng)ogK的直線方程，n為直線的斜率(n=tgβ )。當n<1時，0<tgβ <1，0°<β <45°，為假塑流體；n=1時，β =45°，為牛頓流體(圖3-3可見)，n>1時，β >45°，為膨脹流體。因此n值和K值是假塑流體的兩個流變參數(shù)。由式(2-45)可見，在剪切速率一定時，n值越小，表觀粘度 越小，因此n值的變化也可作為評價泥漿剪切稀釋作用好壞的標準。除上述冪函數(shù)可表示假塑流體的變化外，還有許多其他方程(2或3參數(shù)方程)來表示，但不如冪函數(shù)式(2-44)通用。長鏈高分子聚合物懸浮體是典型的假塑流體。靜止時分子鏈任意相互糾纏，但由于靜電斥力占優(yōu)勢，不易形成結構。運動時，分子鏈趨向于平行流動方向，順序排列，運動阻力減小，隨剪切速率增加，這一趨勢增加，加上分子鏈可能斷裂，因此表觀粘度減少。用高分子處理劑處理的低固相泥漿及聚合物鉆井液，也多屬于假塑流體，或介于賓漢體與假塑體之間。膨脹流體膨脹流體(或稱為脹流型流體)的流變曲線如圖2-19所示，為通過原點O凹向 軸的曲線OA'B（3）．帶屈服值的冪律流體它包括帶屈服值的假塑流體(圖2-12曲線1)及帶屈服值的膨脹流體(圖2-12曲線3)兩種。它們的共同特點是帶有屈服值(以屈服應力τ y表示)，而流變曲線是曲線變化。當連續(xù)相是假塑體，且分散相濃度足夠高時(對泥漿來說是中等濃度)，多相分散體系將變?yōu)閹档募偎芰黧w。鉆井泥漿傳統(tǒng)的模式是賓漢模式，實際上許多情況下是屬于帶屈服值的假塑流體。用什么模式來表示帶屈服值假塑流體較好呢?這個問題仍有爭論，以下介紹三種模式。赫切爾-巴爾克萊(Herschel—Bulktley)1926年提出的模式是以冪函數(shù)加上屈服應力τ y來表示：（2-47）式中：τy(2-44)同。當τy=0(2-47)可變?yōu)閮缏?-44)n=12-41)；當τy=0n=1時，相當于牛頓方程(式2-34)。(2-47)M(Zamora)和R(Bleier)在1977年提出了補充，進行公式簡化，用下列各式求流變參數(shù)：（2-48）（2-49）（2-50）上各式中， 、 及 分別代表范氏粘度計600rpm、300rpm及3rpm時的讀數(shù)。這是個三參數(shù)方程，除去高或低剪切速率外，用它描述帶屈服值假塑流體是相當好的。羅伯遜-斯蒂夫(R?E?Robertson&H．A．Stiff)于1976年提出了一個新模式：（2-51）B=1C=0時，式(2-51)相當于牛頓方程，當B=1及C≠0時，式(2-51)B=l及C=0時，式(2-51)相當于冪律模式。A和BCM(Beirwte)和RW(f1umerfelt)1977年指出此模式對水泥漿來說是一個較好的模式。并指出，由于它忽視了管內(nèi)流動中存在塞流區(qū)，因而有一定誤差。西南石油學院黃ABC我國石油勘探開發(fā)科學研究院白家祉等人，1978年提出一個雙曲模式：（2-52）式中： =5 dyn/cm2=0.5 Pa， 是旋轉(zhuǎn)粘度計3rpm時的讀數(shù)；a-稠度系數(shù)，0.１Pa?s；b-剪切稀釋系數(shù)，s．而a，b可有下列兩式表示：式(2-52)是一條雙曲線，故稱為雙曲模式。該式作者認為，雙曲模式可在較大剪切速率范圍內(nèi)（４）．卡森模式的應用19591979R.V.(Lauzon)和I.G.里德(Reed)供低或中剪切速率下的資料，但高剪切速率的資料仍不準確?？ㄉＪ侥芨鶕?jù)低剪切速率和中剪切速率的資料，較準確地預測高或極高剪切速率下的粘度變化。卡森模式是假定凝聚成長條狀的棒狀物，在剪切下特別是在高剪切速率下能分解為原始短顆粒。它是一個經(jīng)驗公式表示如下：（2-53）或（2-54）式中： ——任意剪切速率 或每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)下表觀粘度，Pa2s； ——剪切速率為無窮大時的表觀粘度，Pa2s； ——剪切速率，s-1； ——屈服值或卡森動切力，Pa。稱為卡森斜率。圖2-20卡森模式圖( - )卡森斜率越高，表示泥漿的剪切稀釋作用越好，而 值等于截距(圖2-20示)?？ㄉＪ皆谳^大剪切速率范圍內(nèi)把塞流、層流和紊流狀態(tài)用直線連在一起，并用圖2-20來分析泥漿的流變性。式(2-54)是以切力形式表示的卡森模式。按式(2-54)所作的卡森模式圖如圖2-21所示，其流變曲線為一直線。與時間有關流體

圖2-21卡森模式圖(

— ) 2-22a一觸變流體，b一振凝流體，

c一與時間無關流體公式實際使用時，如考慮井內(nèi)泥漿的流動處在中、低剪切速率范圍內(nèi)，選用范氏六速旋轉(zhuǎn)粘度計600rpm(及

=1022s-1)及100rpm( =170.3s-1)下表觀粘度 及 或以此兩點的讀數(shù)代入式(2-55)推導出下列各式進行計算：（2-55）（2-56）（2-57）（2-58）（2-59）上述各式中,

， ， ，

是lrpm時的粘度，即極低剪切速率下的表觀粘度。可換算為剪切應力相當于靜切力。

(1rpm相當于

=1.703s-1 可(2-55)(2-56)cPPa2s(1cP=1103Pa2s)3(二)、與時間有關的流體

， 和 。與時間有關的流體或稱為時間依存粘性流體，其粘度變化除與溫度、剪切速率 等有關外，還與切變運動時間(剪切持續(xù)時間或簡稱剪切期有關如圖2-23示在剪切速率 不變條件下線C表示與時間無關的流體，隨剪切持續(xù)時間t的變化，剪切應力 是不變的。而曲線a表示隨時間t的延長， 逐步降低到穩(wěn)定為止，稱為觸變流體。相反，曲線b是隨時間t的變化， 上升，為振凝流體。觸變流體屬于剪切稀釋液，而振凝流體屬于剪切稠化液。(１)．觸變流體39型粘度計等)。如圖2-23所示，從低 開始(A點)，逐步提高 (B點)，剪切應力 是增加的(A B)，如在B點處不停留，逐步降低 ，而流變曲線不是由B至A，而是由B至C，即存在滯后回路這是觸變流體的重要特點如在B點處延長剪切期則會由B至D點(即然后降低 時，則由D回到E點。

降低)，圖2-24是在雙對數(shù)坐標上表觀粘度 隨 增加而降低的曲線也存在著滯后回路圖2-25是在雙對數(shù)坐標上隨剪切持續(xù)時間的不同剪切應力下降的流變曲線圖一直至剪切期無窮大( )時，因此，觸變流體的粘度取決于剪切時間與剪切速率，直到目前為止還沒有一個好的公式來計算。1959F(Moore)（2-62）圖2-23觸變泥漿流變曲線 圖2-24觸變流動(對數(shù)坐標)（2-63）式中： ——粘度，a、b、c——主要常數(shù)，可由簡便的流變試驗來確定， ——結0～1

=0時結構完全破壞， =1時結構完全形成當

=0時式(2-62)變?yōu)榕ｎD方程，t——剪切持續(xù)時間，min，gc——因次變換系數(shù)。還提出了有關計算膠凝速率，即不同時間下靜切力的計算公式，嘉力遜(A.D.Garrsion)提出的公式：

（2-