Буровая гидравлика

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет  (КубГТУ)» 
Ю. Г. Вбвбёо 
ВФСПГБа ДЙЕСБГМЙЛБ 
Учебное  пособие  
Инфра-Инженерия 
Москва-Вологда 
2018 

ФЗ 
№436-ФЗ 
Издание не подлежит маркировке  
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11 
УДК 621.22(075.8) 
ББК Ж123я73 
      Б 12 
 
 
 
Рецензенты:  
А. Е. Нижник, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «МГТУ»; 
С. В. Усов, кандидат технических наук, доцент кафедры Нефтегазового дела  
имени профессора Г. Т. Вартумяна ФГБОУ ВО «КубГТУ». 
 
 
 
 
 
 
  
Бабаян Э. В. 
Б 12    Буровая гидравлика. Учебное пособие. /Э. В. Бабаян. - М.: Инфра- 
           Инженерия,  2018. - 156с. 
 
ISBN 978-5-9729-0204-0 
 
Содержит систематизированное изложение основ гидравлики вязких  
и вязкопластичных жидкостей в объеме, необходимых для гидравлических  
расчетов при решении практических задач строительства нефтяных и газо- 
вых скважин. Уделено внимание гидродинамике спускоподъемных операций  
в скважине, гидравлике цементирования обсадных колонн. 
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Бурение 
нефтяных и газовых скважин», а также проектантов и инженерно-технических 
работников нефтяной и газовой промышленности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
‹ Бабаян Э. В., автор, 2018 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2018 
 
ISBN 978-5-9729-0204-0 

ГГЖЕЖОЙЖ. Спмэ дйесбгмйлй г вфсжойй 
Гидравлика - наука, изучающая механические свойства жидкостей, законы их равновесия и движения. Произошло это слово от древнегреческих слов 
«ходюр» - вода и «аулос» - труба. 
Современная гидравлика изучает движение газированной и разгазированной нефти, разнообразных масел, горючих жидкостей, пульп, суспензий, коллоидных растворов и т.п. 
Гидравлическим явлениям принадлежит ведущая роль при строительстве 
(бурении) нефтяных и газовых скважин. При любом способе бурения невозможно обойтись без циркуляции буровых жидкостей, имеющих массу назначений, 
основными из которых, можно назвать, удержание стенок скважины от обрушения, поступления пластовых флюидов, вынос выбуренной породы и т.п.  
Во время бурения гидравлическими забойными двигателями, тот же поток 
жидкости, нагнетаемый в скважину буровыми насосами, передает энергию забойному двигателю. Применение гидромониторных долот выдвигает самостоятельную задачу о разрушающем действии затопленной струи и своевременном выносе 
разрушенной породы из под долота. Уход буровых жидкостей и их фильтратов 
при проходке коллекторов происходит по законам фильтрации и обуславливает 
применение специфических тампонов. В процессе цементирования обсадных колонн не избежать рассмотрения задачи вытеснения одной жидкости другой. 
Решение многообразных гидравлических задач основывается на общих 
положениях механики и физики, из которых главными могут быть названы следующие. 
Ржсгьк иблпо  Ньютона или закон инерции, согласно которому материальная точка может изменить состояния покоя или равномерного и прямолинейного движения только тогда, когда на нее действуют другие материальные 
точки или тела. 
Гупспк иблпо Ньютона, устанавливающий, что изменение количество 
движения пропорционально приложенной силе и происходит в том же направлении, в каков действует эта сила. При этом ускорение a, приобретенное телом, 
прямо пропорционально силе F, действующей на тело, и обратно пропорционально массе тела m: 
dv
F
m
m a
dt
 
˜
 
˜
 
Усжуйк иблпо Ньютона или закон равенства действий и противодействия. 
Согласно этому закону силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, но направлены в диаметрально противоположные стороны. 
Шжугжсуьк иблпо Ньютона или закон независимости действия сил, гласящий, что если на материальную точку действуют одновременно несколько сил, 
то ускорение этой точки равно геометрической сумме тех ускорений, которые 
получает эта точка при действии каждой из этих сил в отдельности. 
3 
 

Ужпсжнб п лпмйшжтугж егйзжойё: изменение количества движения материальной точки mv за некоторый промежуток времени t равно импульсу действующей на эту точку силы F за это же время: 
t
mV
mv
Fdt

 ³
 
t
0
0
.
Ужпсжнб п лйожуйшжтлпк юожсдйй: изменение кинетической энергии (живой 
2
силы) 
2
mv , движущейся материальной точки, равно работе, приложенных к 
ней сил на пройденном этой точкой пути L: 
2
2
0
L
L
mv
mv
FdL

 ³
0
2
2
В то время как теорема количества движения характеризует передачу 
движения внешними силами, теорема о кинетической энергии представляет меру преобразования движения и характеризует работу всех сил - внешних и 
внутренних. 
Метод размерностей. Для определения какого-нибудь определенного 
свойства тела, вещества или процесса в физике и в механике употребляется понятие величины. Измерить какую-либо величину, значить сравнить ее с другой, 
выбранной за единицу измерения, а полученное в результате сравнения отношений выразить числом. 
В механике достаточно ввести только три независимые основные единицы, т.е. такие единицы, размерность каждой из которых не может быть представлена в виде степенного одночлена из размерностей других величин. В системе единиц ими являются метр, килограмм и секунда. 
В октябре 1960 г. Х1 Генеральная конференция по мерам и весам, проходящая в Париже, приняла новую Международную систему (SI или СИ), которая 
была утверждена в качестве Государственного стандарта СССР. В качестве основных в системе СИ приняты следующие единицы (таблица 1). 
                Т а б л и ц а 1 
Единицы измерения 
Величина 
Единица 
измерения 
Международное 
обозначение 
единицы 
Обозначение 
единицы  
в Советском 
Союзе (РФ) 
Длина 
метр 
м
m
Масса 
килограмм 
кг
kg
Время 
секунда 
сек
s
Сила электрического тока 
ампер 
а
A
Термодинамическая 
температура 
градус  
Кельвина 
0K 
0K 
Сила света 
свеча 
св
cd 
4 

Практически во всем мире используется система СИ, но параллельно 
продолжает применяться англо-американская система, по которой единица 
длины - ft; единица массы - lbm, единица веса - lbf
Зная основные единицы измерения, можно найти любые производные величины.  
ДМБГБ I. Хйийлп-нжцбойшжтлйж тгпктугб  
        вфспгьц зйелптужк 
1.1. Фежмэоьк гжт й рмпуоптуэ 
Для характеристики физико-механических свойств жидкостей пользуются различными понятиями и в первую очередь понятием удельного веса Ȗ, под 
которым понимается вес (сила тяжести) единицы объема жидкости, т. е. отношение веса (силы тяжести) жидкости G к занимаемому ею объема V. Если жидкость однородная, то: 
 
      
G
V
J  
                                                 (1.1)
Размерность удельного веса в системе СИ: н/м3. Допускается в практической работе Г/см3; в англо-американской системе - lbf./ ft3 
Плотность ȡ жидкости называется ее масса, приходящаяся на единицу 
объема: 
 
     
m
V
U  
                                                    (1.2)
Размерность плотности в системе СИ - кг/м3 в англо-американской системе - lbm./ ft3. 
Понятие плотность весьма тесно связано с понятием веса единицы объема 
Ȗ, а именно: 
   
   
    
/
    
g или
g
J
U
U
J
 
˜
 
        
               (1.3) 
1.2. Гёилптуэ 
Свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению ее частиц 
или слоев охватывается общим понятием «вязкость». Если силы трения F отнести к единице площади S, то получится значение так называемого касательного 
напряжения: 
 
 
    
F
du
S
dn
W
P
 
 
    
       (1.4) 
В этой формуле du/dn - градиент скорости, а коэффициент ȝ - коэффициент внутреннего трения или динамической вязкости. Физическое значение величины ȝ представляет собой силу трения, приходящуюся не одну квадратную 
единицы поверхности при градиенте скорости, равной единице: 
5 

W
P  
           (1.5) 
   
du
dn
Таким образом, зависимость между IJ и du/dn для истиной жидкости характеризуется одним параметром, а именно, динамической вязкостью ȝ. Такие 
жидкости называют также ньютоновской. 
Отношение динамической вязкости к плотности - это кинематическая 
вязкость: 
 
P
Q
U
 
         (1.6) 
Размерность ȝ  и  Ȟ определяется по формулам (1.5) и (1.6). Мерой динамической вязкости в системе СИ является ПаÂс. Вязкость воды при температуре 
200С равна 1,0 мПа = 1Â10-3 ПаÂс. По прежнему используется в литературе мера 
вязкости - пуаз. 1ПаÂс = 10 пуаз. В англо-американской (USCS/British) мерой 
вязкости является lbf Âs /ft2. 
Единицей для измерения кинематической вязкостей в системе СИ - м2/с, 
но продолжает использоваться единица - см2/с (стокс) В системе USCS/British - 
ft2/s,  
1.3. Бопнбмэоьж зйелптуй 
Примером аномальных жидкостей является буровые растворы. Абсолютное большинство буровых растворов приготавливаются на воде и глине, которые относят к коллоидам, если величина частиц находится в пределах от 1 до 
0,1 мк, либо к суспензиям или взвесям. 
Буровые растворы, цементные растворы, эмульсионные жидкости,    жидкости для глушения, перфорационных работ для разделения двух жидкостей 
относят к неньютоновским жидкостям. Изучением их деформаций занимается 
реология, составляя предмет раздела физической механики. 
Неньютоновские жидкости - жидкости, отклоняющиеся от закона вязкости 
Ньютона, они совмещают в себе свойства жидкостей и твердых тел. Если для 
твердых тел характерны такие типы деформаций, как растяжение, сжатие, сдвиг, 
изгиб, кручение, то для жидкостей основным видом деформации является течение. Но в скважине с большой глубиной для бурового раствора нельзя не учитывать деформации сдвига, сжатия и растяжения. Для аномальных жидкостей характерно явление, при котором система после механического воздействия (перемешивания) становится жидкой, а после выдерживания в спокойном состоянии 
снова загустевает. Это явление называется тиксотропией. 
6 

1.4. Тубуйшжтлпж обрсёзжойё тегйдб 
Величиной, характеризующей прочность структуры бурового раствора, будет величина того касательного напряжения, при котором буровой раствор выводится из состояния равновесия и начинает двигаться. Эта величина носит название статического напряжения сдвига и обозначается буквой ș. Эта величина характеризует явление тиксотропии. Для учета характера тиксотропных изменений 
в растворе принято замерять статическое напряжения сдвига бурового раствора 
два раза после интенсивного перемешивания: через 1 мин и через 10 мин. 
В реальных условиях скважины, когда циркулирующий раствор подвергается сильному изменению температуры и давления, воздействию химических реагентов при обработке или воздействию электролитов, свежей глины и других 
пород, в процессе самого бурения в нем, кроме тиксотропных изменений, происходят необратимые явления, связанные с диспергацией глины, ее коагуляцией и 
другими весьма сложными процессами. Все это приводит к тому, что прочность 
структуры раствора, долгое время находящегося в скважине в покое, может значительно превзойти ту, которая получится на приборе при замере через 10 мин. 
1.5. Тусфлуфсобё гёилптуэ й ейобнйшжтлпж обрсёзжойж тегйдб 
Зависимость между напряжением и градиентом скорости не может быть 
выражена прямой, проходящей через начало координат. Для их характеристики 
служит более сложная зависимость, предложенная Бенгамом: 
 
  
du
dn
W
K
-
 ˜

                                                 (1.7)
Таким образом, для характеристики реологической кривой, изображающей поведение тело Бингама следует знать уже ни один параметр, а два - угол 
наклона прямой, который получил термин структурная вязкость, и величину 
отрезка, отсекаемой этой прямой на оси напряжений (ߴ). 
Для движущего потока, когда уже полностью разрушена структура раствора, уравнение можно записать следующим образом: 
0
 
 
    
du
dn
W
K
W
 ˜

                                              (1.8)
В технической литературе величина IJ0 известна под названием динамическое напряжение сдвига. 
Фактически динамическое напряжения сдвига является понятием чисто 
условно, так как эту величину непосредственно измерить на каком-либо приборе невозможно. Она может быть найдена только расчетным путем. 
1.6. Ибгйтйнптуэ хйийлп-нжцбойшжтлйц тгпктуг зйелптужк  
       пу ужнржсбуфсь й ебгмжойк 
Температурные изменения объема характеризуются коэффициентом объемного расширения ȕt, выражающим относительное измение объема V при увеличении температуры на 10С и определяемым по формуле: 
7 

t
dV
V dt
E  
                                                     (1.9)  
Зависимость удельного веса жидкости от давления выражается через так 
называемый коэффициент сжимаемости (или коэффициент объемного сжатия): 
1
p
dV
V dp
E  
                                                 (1.10) 
Величина, обратная коэффициенту сжимаемости, называется модулем 
упругости и обозначается İ. Размерность этого коэффициента МПа. 
Более подробно о влиянии этих коэффициентов на удельный вес будет 
рассмотрено в следующей главе.  
Температура на вязкость влияет довольно существенно. Оба коэффициента вязкости воды убывают с повышением температуры, а коэффициенты 
вязкости воздуха возрастают. Эта закономерность свойственна всем жидкостям и газам: 
Т0С ………………………0   20   40   60   80   100 
Вода: 103ȝ, ПаÂс………..1,792 1,005  0,656  0,469  0,357  0,284 
 106Ȟ, м/с ……….1,793 1,007  0,661 0.477  0,367  0,296 
Воздух: 105ȝ, ПаÂс…….....1,709 1,808  1,904 1,997  2,088  2,175 
     104Ȟ, м/с………... 0,132 0,15   0,169 0,188 0,309  0,23 
Однако многие растворы, в том числе буровые и тампонажные, проявляют свойства, отличные от свойств ньютоновских жидкостей. Вязкость таких 
неньютоновских жидкостей зависит не только от температуры и давления, но и 
от скорости сдвига, деформации, времени, характера движения. 
 
1.7. Сжпмпдйшжтлбё (дйесбгмйшжтлбё) цбсблужсйтуйлб  
     вфспгьц сбтугпспг 
Деформацию жидких тел изучают с помощью реологии, которая устанавливает зависимость между градиентом скорости течения du/dn и напряжением 
сдвига IJ. В зависимости от характера выявленной реологической кривой жидкости делят на три большие группы. 
1. Реологически стационарные жидкости, для которых скорость сдвига ߛሶ 
зависит только от касательных напряжений (скорость сдвига одномерного  
течения равна градиенту скорости, т.е. ߛሶ = du/dn): 
   
f
J
W
 

                                                  (1.11) 
2. Реологически нестационарные жидкости, характеристики которых зависят от времени t действия касательных напряжений: 


 
,  
f
t
J
W
 

                                                (1.12)  
8 
 

Вязкоупр
дкости, т
т.е. облад
войствами
и твердог
го тела и
и 
о проявля
ругие жид
яющие уп
осстановл
ающие св
ение фор
мы после
пичным пр
римером 
ела (Макс
сквелова)
) может сл
напряжемола (са-
-
пругое во
такого те
е снятия 
лужить с
крем). 
3. 
частично
ния. Тип
пожный 
Рео
ологическ
кие кривы
ые стацио
онарных 
систем м
могут быт
ть разбиты
ы на вяз-
дель Нью
ютона), вя
язкопласт
тичные (м
модель Би
ингама), а
аномальн
но вязкие
е 
Освальда
а) и анома
ально вязк
дель Шве
едова), 
кие (мод
(модель 
К н
нестацион
нарным от
тносятся 
копласти
тиксотроп
чные (мо
пные и ан
нтитиксот
тропные с
системы.  
1.1. Сбимйш
шоьж уйрь б
бопнбмэоь
ьц ужм 
Сйт. 
а) ньютон
псевдоплас
стичная жи
 в) тиксотр
новская жи
дкость (тел
идкость; б) 
ло Освальда
а); г) ненью
ютоновская
идкость; 
я жидкость
;  
д) плас
стичная жи
ропная жид
идкость (те
ело Бингама
а); е) вязко
опластична
я жидкость
ь (тело Шв
ведова); 
ж
ж) тиксотро
опно-пласт
тичная жид
кость; з) хр
рупкое тело
о. 
Ха
арактерны
и аномал
льно вязк
их систем
м - то, чт
то описыих кривы
ый призна
ые проход
ак вязких 
дят через 
начало к
координат
т (рис. 1.1
1 а, б, в, г
, предста
авляющие
е вязкоп
ластичны
ые и аном
г). Реоловязкоплае кривые
системы
ы, отсекаю
ют на оси
и ординат
т некотор
ый отрезо
ветствую-
-
-
-
вающие 
гические
стичные 
щий пред
дельному
у (статиче
ескому) н
апряжени
ию сдвига
а (рис.1.1
з). 
Ма
атематиче
еские зави
исимости
и, описыв
ающие ос
сновные и
исленных
х 
мально в
ок, соотв
, д, е, ж, 
из перечи
моделей,
щие. 
1. М
, следующ
Модель Н
Ньютона: 
W  

/
du
d
P
 
,
dn
2. М
Модель Б
Бингама: 
W  
-

 


/
du
dn
3. М
Модель Д
Де Вале - 
Освальда
а: 
n
kJ
 
  

k
W  


/
n
du dn
В ч
частном с
случае, ко
огда n = 1,
, то k = ȝ,
м ньютоно
овскую ж
жидкость. 
 то имеем
9 

4. М
Модель Ш
Шведова -
- Бингама
W  
а: 


/
du
dn
0
W

 
1.7.1 М
Модель нь
ьютонов
ской жидк
кости 
Мо
ости являе
ется осно
вой, на ко
ы 
одель нью
модели ж
ютоновско
жидкости.
ой жидко
. Поведен
ние течен
ния ньют
тоновских
оторой по
х жидкос
остроены
стей уже
е 
и можно
 видеть, 
что завис
симость м
между ск
коростью 
сдвига и
и 
другие м
рассматр
напряжен
ривалось 
нием сдви
ига описы
ывается у
уравнение
               
      (1.13)
) 
               
ем: 
 ,             
 
W
P J
 
˜ 
где    IJ - н
напряжен
ние сдвиг
а;   
вязкость
скорость 
ь;   
сдвига. 
ȝ - 
ߛሶ- 
ри постоян
нной тем
напряже
ние сдвиг
га и скоро
ость сдви
ига прямо
о 
пературе 
Пр
иональны
ы; конста
антой пр
ропорцио
яется вяз
зкость ȝ.
.  
пропорци
На рис. 1
1.2 показа
ана линия
ньютоно
ональност
овской жи
тью явля
идкости. 
Об
братите вн
нимание 
я течения 
на то, что
о линия п
ляет собо
ой прямую
ю линию,
, 
проходит
т через на
ачало коо
ординат (
представл
(0,0), а на
аклон пря
ямой лин
нии пред-
которая 
ставляет 
т собой вя
язкость ȝ. 
 
Сйт. 1.2
. Мйойё ужш
шжойё оэяуп
попгтлпк з
зйелптуй 
1.7.2 Би
ингамовск
кая пласт
тическая 
модель 
Вн
начале 190
00 гг. Е.С
е обнаруж
жил, что н
некоторы
ые жидкоявляли пл
ластическ
С. Бингам
кое повед
м впервые
дение, отл
личающее
ьютоновск
ких жид-
-
для нача
ала течен
ния им т
требовало
еся от нь
ось некот
торое пр
е 
ига. До те
ех пор, п
пока прил
 усилие 
не превы
редельное
ысит пре-
тем, что 
ние сдви
о напряж
жения сдв
ложенное
дит никак
кого объ
ъёмного д
движения
я 
льное нап
вига, не 
пряжение 
происход
 сдвига н
называетс
я ещё пре
еделом те
. 
и. Предел
ость меж
жду скоро
остью сдв
апряжени
ем сдвиг
га в бинга
екучести.
амовской
й 
сти проя
костей т
напряжен
дельного
жидкости
Зависимо
пластиче
еской мод
дели даётс
ся уравне
вига и на
ением: 
10