钻孔冲洗是钻井过程的重要组成环节。钻孔冲洗液在孔内的循环的主要作用是清除岩屑、冷却钻头、润滑碎岩工具和孔内钻具以及维护孔壁。 采用传统的钻探工艺，都必须消耗大量水。水一直是困扰干旱缺水地区和漏失地层正常钻探的一个重要因素。在干旱缺水的地区进行钻探，如果采用传统的钻探工艺，就必须从其他地方运送大量的水(在西部干旱地区往往要从几十公里外运水)，在西部缺水地区1台钻机配两辆水罐车还经常停工待水的现象经常发生，这样就大大增加了钻探成本。另外，在漏失地层钻进如果按照传统的工艺方法，必须用套管隔离或封孔堵漏的办法处理漏失段，从而极大地增加了施工成本和时间消耗，同时堵漏材料还会造成环境污染；如果顶漏钻进，则不仅浪费大量的水，增加钻孔成本，而且可能冲垮地层、诱发滑坡等地质灾害。目前国内外钻进漏水孔最经济的办法是实现钻井液在孔内局部循环钻进，即在基本不消耗地表水的前提下，利用孔内地层中的水作为冲洗液，来完成破碎孔内岩石时钻头冷却、携带岩粉和维护孔壁的任务，实现正常钻进。 课题组考虑到在缺水地区，漏失地层中往往存在有地层水的孔段，决定充分利用钻孔中地层水作为钻孔冲洗液，在钻具创新上下功夫，研制孔内局部循环节水钻探系统，配合传统的钻机、泥浆泵、动力机“三大件”和普通回转钻头，在不降低钻探效率的前提下，便可取得既大量节水、又不扰动地层的效果，具有现实意义和推广价值。 本文结合国土资源部中国地质调查局地质调查项目“地质灾害防治节水钻探技术研究”项目，旨在借助项目基金的资助，综合运用机械设计、流体力学、数值计算方法、优化设计理论及计算机仿真技术等知识对孔内局部循环节水钻探系统开展研究。研究的主要内容如下：1、孔内局部循环节水钻探系统创新设计的理论研究；2、孔内局部循环节水钻探系统的结构设计；3、建立孔内局部循环节水钻探系统的数学模型，在此基础上开发计算机仿真程序，对其进行计算机仿真研究，以深入了解孔内局部循环节水钻探系统的工作机理及其工作性能。并试图通过计算机仿真研究得出某些对该新技术、新机具设计或工艺过程优化有一定指导意义的结论与建议。 论文全文共分七章，各章的主要内容如下： 第一章绪论。主要介绍了论文的来源，论文研究的目的和意义，孔内局部循环钻具国内外研究现状，计算机仿真技术简介及研究应用现状，论文研究的可行性以及论文研究的主要内容。 第二章孔内局部循环节水钻探系统的理论研究。主要介绍了实现孔内局部循环节水钻探的基本原则与思路，孔内局部循环节水钻探系统的组成及工作原理，潜水泵的结构与工作原理，孔内局部循环节水钻探系统的数学模型。孔内局部循环节水钻探系统采用脉动器+孔内潜水泵的技术方案，其原理是通过水力脉冲驱动潜水泵的活塞，形成孔内局部循环，达到冷却钻头、排除岩粉、实现正常钻进的目的。脉动器和潜水泵是孔内局部循环节水钻探系统中最重要的两个部件。脉动器实质上是个双向阀，当地表往复泵的活塞排水时，泵腔中的压力逐渐增大直至大于管线中的压力，这时脉动器作为普通的排水阀使用，泵腔中的水打开脉动器，进入管线形成水力脉冲。当地表往复泵的活塞吸水时，管线中的压力大于泵腔中的压力，脉动器的反向球阀被打开，管线中的水又回流到泵腔，地表水只作为一种动力媒介，并不参与冲洗液的循环。潜水泵通过柱塞的往复运动来吸排水。在地表往复泵出口处的脉动器产生的水力脉冲驱动潜水泵工作柱塞正向行程完成排水动作，由复位弹簧驱动工作柱塞反向行程完成吸水动作，吸排水动作不断重复，从而形成孔内局部循环。系统数学模型的建立及应用是人们对现实世界认识的质的飞跃。由于孔内局部循环节水钻探系统的内部结构和特性已经非常清楚，所以采用机理分析法来建立其数学模型。这一章详细分析了地表往复泵的运动规律，往复泵压头，冲洗液循环时的压力损失和潜水泵的运动规律。 第三章孔内局部循环节水钻探系统的设计。主要介绍了孔内局部循环节水钻探系统的设计思路，脉动器的设计，潜水泵的设计目标、主要结构参数的确定，潜水泵的传动部分、工作柱塞、吸排水阀的设计以及提高潜水泵工作效率的措施，最后简单介绍了一些配套设备的设计，例如管线刚度、排气机构、防事故接头等。孔内局部循环节水钻探系统的设计思路有两条主线：功能、结构和尺寸。设计的孔内局部循环节水钻探系统必须能和传统的钻机、泥浆泵、动力机“三大件”及普通回转钻头相匹配，在不降低钻探效率的前提下，能够大大降低钻进过程中的用水量，达到节水钻进的目的。孔内局部循环节水钻探系统目前还处在设计研究阶段，设计的重点放在结构尺寸优化设计和安全性上。首先从理论上对结构进行初步优化设计，钻具的尺寸主要根据钻孔尺寸、孔内悬浮岩屑冷却钻头实现正常钻进所需流量及地表往复泵的参数来确定。由于条件参数众多，而且整个钻进过程中的水力学现象非常复杂，加上一些不确定的因素(如泄漏等)的影响，几乎不可能完全通过理论计算的方法来确定所有构件的尺寸，只能根据条件参数(某些条件参数作适当的修正)来确定重要构件的尺寸和一些重要的参数。对设计的节水钻探系统要进行现场试验，以发现设计中存在的问题，对结构和尺寸作进一步优化，通过反复试验和设计修正使其趋于最优化。 第四章计算机仿真软件开发。主要介绍了开发工具的选择、程序设计、计算机仿真软件简介。进行计算机仿真开发的工具主要有计算机通用程序设计语言和专用的仿真语言。孔内局部循环节水钻探系统计算机仿真软件选用VisualBasic6.0为开发工具，可以根据要求对孔内局部循环节水钻探系统进行计算机仿真，输出地表往复泵和潜水泵的仿真计算结果。在计算机仿真程序设计过程中需要注意以下几点：子程序的正确性问题、程序的健壮性问题、编码的规范化问题。计算机仿真软件简介部分简单介绍了软件的6个功能模块和使用方法。 第五章计算机仿真分析。主要介绍了孔内局部循环节水钻探系统的工作特性、往复泵技术性能参数对潜水泵泵量的影响、潜水泵在孔内的深度对往复泵泵压的影响、孔深对往复泵泵压的影响、高压管线中空气对往复泵泵压和潜水泵泵量的影响。孔内局部循环节水钻探系统的潜水泵要以往复泵提供的水力脉冲为动力，它能达到的理论泵量取决于往复泵的技术性能参数。潜水泵在孔内的深度对往复泵泵压的影响的研究结果表明：随着潜水泵在孔内的深度增加，潜水泵上部高压管线的长度也相应增加了，高压管线中的惯性水头的增加导致往复泵泵压增大。所以在孔底局部循环节水钻探系统工作时要尽量减少地面高压管线的长度，在保证潜水泵正常吸水的情况下，尽量降低潜水泵在孔内的深度，潜水泵在孔内的深度以位于地下水位下5m为宜。孔深对往复泵泵压的影响的研究结果表明：往复泵泵压随孔深的增加而增大。对孔底局部循环节水钻探系统目前采用的BW-250往复泵来说，往复泵的额定泵压为4Mpa，如果采用φ50mm钻杆，最大孔深能达到220m，如果采用φ60mm钻杆，最大孔深能达到560m。高压管线中空气对往复泵泵压和潜水泵泵量的影响的研究结果表明：随着高压管线中空气体积的增加，往复泵泵压、潜水泵泵量都急剧减少。高压管线中的空气严重影响了孔内局部循环钻探系统的正常工作。因此，在孔内局部循环钻探系统工作过程中必须注意高压管线中脉动压力的变化，如果高压管线中的脉动压力比4MPa小1～1.5Mpa，则表明潜水泵已不能正常工作了，必须考虑高压管线中是否混有空气，通过装在水龙头顶端的专用管线排气机构强行排除空气，保证实现冲洗液的强制孔内局部循环。 第六章野外初步试验。这一章主要介绍了在广西来宾市混凝土搅拌站2K1号水井工地进行生产试验的试验方案及实施、试验设备与钻具、试验过程与结果、试验过程中可能出现的故障及排除办法等。试验结果表明：孔内局部循环节水钻探系统以地表水为动力媒介，实现地层水的孔内局部循环，钻进过程基本不消耗地表水，达到了既大量节水又不扰动地层的目的，是一种值得推广的经济、环保的钻进方法。 第七章结论与建议。在总结全文的基础上，对今后的研究工作提出了一些建议和对策。