水平定向鉆環(huán)空多場(chǎng)耦合模擬鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水平定向鉆環(huán)空多場(chǎng)耦合模擬鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)裝置，屬于非開(kāi)挖工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]水平定鉆技術(shù)(Horizontal Direct1nal Drilling，HDD)是采用安裝于地表的鉆孔設(shè)備，以相對(duì)于地面的較小的入射角鉆入地層形成導(dǎo)向孔，然后將導(dǎo)向孔擴(kuò)至所需大小并鋪設(shè)管道(線)的一項(xiàng)技術(shù)。目前，水平定向鉆技術(shù)已廣泛應(yīng)用于市政管道和大直徑長(zhǎng)距離油氣管道穿江過(guò)河中。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，能源需求不斷增加，水平定向鉆(HDD)施工的管道尺寸也越來(lái)越大。針對(duì)以往的HDD工程失敗案例進(jìn)行分析可知，鉆井液排肩效率低是導(dǎo)致大直徑HDD工程中各種孔內(nèi)事故頻繁發(fā)生的主要原因。在HDD擴(kuò)孔過(guò)程中，鉆井液流速隨著孔徑的增加而降低，進(jìn)而導(dǎo)致巖肩無(wú)法排出而滯留在鉆孔內(nèi)。巖肩堆積可能造成鉆桿因扭矩過(guò)大而斷裂、管道因回拖力過(guò)大而被破壞，堵塞的環(huán)空還會(huì)形成過(guò)流斷面造成孔內(nèi)壓力升高進(jìn)而導(dǎo)致地層壓裂、地面冒漿等事故，嚴(yán)重影響工期，增加施工成本。而水平定向鉆技術(shù)與傳統(tǒng)的石油鉆井技術(shù)從工藝上有很大的區(qū)別，因此，要研究HDD環(huán)空巖肩運(yùn)移規(guī)律，建立HDD巖肩運(yùn)移模型，優(yōu)化泥漿性能參數(shù)、栗量和進(jìn)尺等，科學(xué)的指導(dǎo)大直徑HDD施工。而目前，尚未出現(xiàn)具有此功能的模擬方法和裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種水平定向鉆環(huán)空多場(chǎng)耦合模擬鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，針對(duì)HDD鉆進(jìn)過(guò)程中環(huán)形空間內(nèi)的鉆桿、巖肩、泥漿之間耦合相互作用的問(wèn)題，實(shí)時(shí)對(duì)環(huán)空泥漿流場(chǎng)分布情況、鉆桿的空間運(yùn)動(dòng)形態(tài)以及巖肩床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行采集分析，通過(guò)環(huán)空泥漿流場(chǎng)的變化、鉆桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、巖肩床的變化來(lái)研究HDD鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿、巖肩、流場(chǎng)耦合相互作用的影響。
[0004]本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:提供了一種水平定向鉆環(huán)空多場(chǎng)耦合模擬鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟:
[0005](1)搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境:
[0006]將透明管道水平放置，將鉆桿水平穿過(guò)透明管道，鉆桿的一端連接調(diào)速電機(jī)，另一端通過(guò)分動(dòng)器懸掛加重砝碼，在透明管道上布置2對(duì)以上超聲多普勒探頭，每對(duì)中的2個(gè)超聲多普勒探頭分別位于透明管道的頂部和側(cè)面，各對(duì)超聲多普勒探頭沿透明管道軸向均勻分布，在透明管道側(cè)面和頂部放置攝像機(jī)；
[0007](2)調(diào)節(jié)泥漿輸入速度，以進(jìn)行鉆桿、泥漿耦合運(yùn)動(dòng)分析:
[0008]調(diào)速電機(jī)調(diào)節(jié)鉆桿回轉(zhuǎn)速度，向透明管道的注入端以穩(wěn)定流速輸入泥漿，測(cè)得透明管道的泥漿壓力和泥漿流量，利用超聲波信號(hào)采集器采集剖面流場(chǎng)分布二維數(shù)據(jù)，利用攝像機(jī)采集透明管道中鉆桿的水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和垂直運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)；
[0009](3)調(diào)節(jié)泥漿輸入速度，以進(jìn)行鉆桿、泥漿耦合運(yùn)動(dòng)分析:
[0010]調(diào)節(jié)泥漿輸入透明管道的速度，利用調(diào)速電機(jī)控制鉆桿回轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定，測(cè)得透明管道的泥漿壓力和泥漿流量，利用超聲波信號(hào)采集器采集剖面流場(chǎng)分布二維數(shù)據(jù)，利用攝像機(jī)采集透明管道中鉆桿的水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和垂直運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)；
[0011](4)調(diào)節(jié)鉆桿回轉(zhuǎn)速度，以進(jìn)行鉆桿、泥漿、巖肩耦合運(yùn)動(dòng)分析:
[0012]調(diào)速電機(jī)調(diào)節(jié)鉆桿回轉(zhuǎn)速度，向透明管道的注入端以穩(wěn)定流速輸入泥漿和巖肩，記錄巖肩總加入量，測(cè)得透明管道的泥漿壓力和泥漿流量，利用超聲波信號(hào)采集器采集剖面流場(chǎng)分布二維數(shù)據(jù)，利用攝像機(jī)采集透明管道中巖肩床和鉆桿的水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和垂直運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)；
[0013](5)調(diào)節(jié)泥漿輸入速度，以進(jìn)行鉆桿、泥漿、巖肩耦合運(yùn)動(dòng)分析:
[0014]調(diào)節(jié)泥漿輸入透明管道的速度，利用調(diào)速電機(jī)控制鉆桿軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄巖肩總加入量，測(cè)得透明管道的泥漿壓力和泥漿流量，利用超聲波信號(hào)采集器采集剖面流場(chǎng)分布二維數(shù)據(jù)，利用攝像機(jī)采集透明管道中巖肩床和鉆桿的水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和垂直運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)；
[0015](6)調(diào)節(jié)巖肩注入速度，以進(jìn)行鉆桿、泥漿、巖肩耦合運(yùn)動(dòng)分析:
[0016]調(diào)節(jié)巖肩注入泥漿的速度，利用調(diào)速電機(jī)控制鉆桿軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄巖肩總加入量，測(cè)得透明管道的泥漿壓力和泥漿流量，利用超聲波信號(hào)采集器采集剖面流場(chǎng)分布二維數(shù)據(jù)，利用攝像機(jī)采集透明管道中巖肩床和鉆桿的水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和垂直運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。
[0017]本發(fā)明同時(shí)提供了一種基于上述方法的水平定向鉆環(huán)空多場(chǎng)耦合模擬鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，包括用于觀察的透明管道、與透明管道連通的泥漿罐，以及穿過(guò)透明管道管體的鉆桿，透明管道的排出端通過(guò)三通管A與振動(dòng)篩連通，振動(dòng)篩通過(guò)三通管B與泥漿罐連通，泥漿罐通過(guò)三通管C與透明管道連通，其中，三通管A的a端連通透明管道的排出端，三通管A的b端通過(guò)球閥A連通振動(dòng)篩的入口，三通管A的c端通過(guò)球閥B與三通管B的a端連通，三通管B的b端連通振動(dòng)篩的出口，三通管B的c端連通泥漿罐的回收口，泥漿罐底部的循環(huán)出口安裝有泥漿栗，泥漿栗與三通管C的a端連通，三通管C的c端通過(guò)球閥C通向泥漿罐頂部的循環(huán)入口，三通管C的b端通過(guò)球閥D與三通管D的a端連通，三通管D的c端與透明管道的注入端連通，三通管D的b端通過(guò)巖肩控制閥與巖肩加料裝置連通；球閥D與巖肩控制閥之間設(shè)有電磁流量計(jì)和節(jié)流閥，透明管道內(nèi)設(shè)有壓力傳感器；鉆桿頂端安裝有由變頻控制器控制的調(diào)速電機(jī)，所述調(diào)速電機(jī)通過(guò)減速箱與鉆桿一端連接，鉆桿另一端通過(guò)分動(dòng)器與加重砝碼連接；在透明管道上布置2對(duì)以上超聲多普勒探頭，每對(duì)中的2個(gè)超聲多普勒探頭分別位于透明管道的頂部和側(cè)面，各對(duì)超聲多普勒探頭沿透明管道軸向均勻分布，超聲多普勒探頭通過(guò)超聲波信號(hào)采集器與數(shù)據(jù)處理終端連接；在透明管道側(cè)面和頂部放置攝像機(jī)。
[0018]所述三通管A、三通管B、三通管C和三通管D均采用透明鋼絲軟管。
[0019]所述透明管道的注入端和排出端各通過(guò)錐形轉(zhuǎn)接頭與三通管連通，錐形轉(zhuǎn)接頭的大頭與透明管道連接。
[0020]所述巖肩加料裝置包括由動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)的螺旋進(jìn)料器，螺旋進(jìn)料器的一端通過(guò)巖肩控制閥與三通管D的b端連通，螺旋進(jìn)料器的另一端安裝有進(jìn)料漏斗。
[0021 ] 所述攝像機(jī)采用高速攝像機(jī)。
[0022]所述透明管道采用亞克力材料。
[0023]所述鉆桿的兩端各由一個(gè)支撐臺(tái)支撐。
[0024]本發(fā)明基于其技術(shù)方案所具有的有益效果在于:
[0025](1)本發(fā)明的水平定向鉆環(huán)空多場(chǎng)耦合模擬鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置是首個(gè)針對(duì)水平定向鉆環(huán)空多場(chǎng)耦合模擬鉆進(jìn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括泥漿循環(huán)系統(tǒng)、鉆具回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、巖肩注入系統(tǒng)、泥漿流場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng):泥漿循環(huán)系統(tǒng)主要包括泥漿罐、泥漿栗、球閥、節(jié)流閥、電磁流量計(jì)、動(dòng)力端錐形轉(zhuǎn)接頭、透明亞克力管道、尾部錐形轉(zhuǎn)接頭、振動(dòng)篩，透明管道可視化程度高，便于觀察鉆桿的空間形態(tài)和巖肩的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)錐形的轉(zhuǎn)接頭有助于巖肩與泥漿的混合、環(huán)空流場(chǎng)的過(guò)渡；鉆具回轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括變頻器、調(diào)速電機(jī)、減速箱、動(dòng)力支撐臺(tái)、地錨、擴(kuò)孔器、鉆桿、分動(dòng)器、加重砝碼、尾部支撐臺(tái)、尾部蓋板組成，變頻器、調(diào)速電機(jī)和減速箱可以提供穩(wěn)定可調(diào)的鉆具回轉(zhuǎn)速度，加重砝碼提供鉆桿的軸向拉力；巖肩注入系統(tǒng)包括螺旋加料斗、加料電機(jī)、螺旋加料器、巖肩控制閥，加料動(dòng)力裝置采用調(diào)速電機(jī)配合變頻器控制巖肩注入速度，巖肩控制閥保證泥漿循環(huán)系統(tǒng)的密閉性；泥漿流場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括超聲多普勒探頭、超聲波信號(hào)采集器、數(shù)據(jù)處理終端組成，每個(gè)流場(chǎng)監(jiān)測(cè)剖面包含兩個(gè)具有一定偏角的超聲波探頭，可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)2D流場(chǎng)分布情況監(jiān)測(cè)；圖像處理系統(tǒng)包括頂部和底部高速攝像機(jī)、數(shù)據(jù)處理終端組成，高速攝像機(jī)可以記錄不同時(shí)刻鉆桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和巖肩床的變化情況；各系統(tǒng)配合可以實(shí)現(xiàn)鉆桿與泥漿兩者之間的耦合運(yùn)動(dòng)分析，也可以實(shí)現(xiàn)鉆桿、泥漿、巖肩三者之間的耦合運(yùn)動(dòng)分析；
[0026](2)本發(fā)明的水平定向鉆環(huán)空多場(chǎng)耦合模擬鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)超聲多普勒流場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式環(huán)空流場(chǎng)監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)可靠；
[0027](3)本發(fā)明的水平定向鉆環(huán)空多場(chǎng)耦合模擬鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)球閥控制將泥漿罐與泥漿栗串聯(lián)成為自循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自主泥漿配置，節(jié)省了外部泥漿攪拌配制裝置，能夠方便配制實(shí)驗(yàn)所需泥漿；
[0028](4)本發(fā)明的水平定向鉆環(huán)空多場(chǎng)耦合模擬鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置在進(jìn)入透明管道前設(shè)置巖肩注入口，使得泥漿和巖肩充分混合，更符合實(shí)際施工情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加可靠；
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