水平定向钻环空多场耦合模拟钻进实验方法及实验装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种水平定向钻环空多场耦合模拟钻进实验方法，首先搭建实验环境，然后状态初始化，接着通过调节泥浆输入速度、调节岩屑注入速度、改变加重砝码质量实现钻杆和泥浆、钻杆和岩屑、泥浆和钻杆以及岩屑之间的相互耦合运动分析。本发明专利技术同时提供了一种水平定向钻环空多场耦合模拟钻进实验装置，包括泥浆循环系统、钻具回转系统、岩屑注入系统、泥浆流场监测系统、图像处理系统，能够针对HDD钻进过程中环形空间内的钻杆、岩屑、泥浆之间耦合相互作用的问题，实时对环空泥浆流场分布情况、钻杆的空间运动形态以及岩屑床的运动状态进行采集分析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水平定向钻环空多场耦合模拟钻进实验方法及实验装置，属于非开挖工程领域。
技术介绍
水平定钻技术(Horizontal Direct1nal Drilling，HDD)是采用安装于地表的钻孔设备，以相对于地面的较小的入射角钻入地层形成导向孔，然后将导向孔扩至所需大小并铺设管道(线)的一项技术。目前，水平定向钻技术已广泛应用于市政管道和大直径长距离油气管道穿江过河中。随着我国经济飞速发展，能源需求不断增加，水平定向钻(HDD)施工的管道尺寸也越来越大。针对以往的HDD工程失败案例进行分析可知，钻井液排肩效率低是导致大直径HDD工程中各种孔内事故频繁发生的主要原因。在HDD扩孔过程中，钻井液流速随着孔径的增加而降低，进而导致岩肩无法排出而滞留在钻孔内。岩肩堆积可能造成钻杆因扭矩过大而断裂、管道因回拖力过大而被破坏，堵塞的环空还会形成过流断面造成孔内压力升高进而导致地层压裂、地面冒浆等事故，严重影响工期，增加施工成本。而水平定向钻技术与传统的石油钻井技术从工艺上有很大的区别，因此，要研究HDD环空岩肩运移规律，建立HDD岩肩运移模型，优化泥浆性能参数、栗量和进尺等，科学的指导大直径HDD施工。而目前，尚未出现具有此功能的模拟方法和装置。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种水平定向钻环空多场耦合模拟钻进实验方法及实验系统，针对HDD钻进过程中环形空间内的钻杆、岩肩、泥浆之间耦合相互作用的问题，实时对环空泥浆流场分布情况、钻杆的空间运动形态以及岩肩床的运动状态进行采集分析，通过环空泥浆流场的变化、钻杆的运动状态、岩肩床的变化来研究HDD钻进过程中钻杆、岩肩、流场耦合相互作用的影响。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案是:提供了一种水平定向钻环空多场耦合模拟钻进实验方法，包括以下步骤:(1)搭建实验环境:将透明管道水平放置，将钻杆水平穿过透明管道，钻杆的一端连接调速电机，另一端通过分动器悬挂加重砝码，在透明管道上布置2对以上超声多普勒探头，每对中的2个超声多普勒探头分别位于透明管道的顶部和侧面，各对超声多普勒探头沿透明管道轴向均匀分布，在透明管道侧面和顶部放置摄像机；(2)调节泥浆输入速度，以进行钻杆、泥浆耦合运动分析:调速电机调节钻杆回转速度，向透明管道的注入端以稳定流速输入泥浆，测得透明管道的泥浆压力和泥浆流量，利用超声波信号采集器采集剖面流场分布二维数据，利用摄像机采集透明管道中钻杆的水平运动状态数据和垂直运动状态数据；(3)调节泥浆输入速度，以进行钻杆、泥浆耦合运动分析:调节泥浆输入透明管道的速度，利用调速电机控制钻杆回转速度稳定，测得透明管道的泥浆压力和泥浆流量，利用超声波信号采集器采集剖面流场分布二维数据，利用摄像机采集透明管道中钻杆的水平运动状态数据和垂直运动状态数据；(4)调节钻杆回转速度，以进行钻杆、泥浆、岩肩耦合运动分析:调速电机调节钻杆回转速度，向透明管道的注入端以稳定流速输入泥浆和岩肩，记录岩肩总加入量，测得透明管道的泥浆压力和泥浆流量，利用超声波信号采集器采集剖面流场分布二维数据，利用摄像机采集透明管道中岩肩床和钻杆的水平运动状态数据和垂直运动状态数据；(5)调节泥浆输入速度，以进行钻杆、泥浆、岩肩耦合运动分析:调节泥浆输入透明管道的速度，利用调速电机控制钻杆轴向转动，记录岩肩总加入量，测得透明管道的泥浆压力和泥浆流量，利用超声波信号采集器采集剖面流场分布二维数据，利用摄像机采集透明管道中岩肩床和钻杆的水平运动状态数据和垂直运动状态数据；(6)调节岩肩注入速度，以进行钻杆、泥浆、岩肩耦合运动分析:调节岩肩注入泥浆的速度，利用调速电机控制钻杆轴向转动，记录岩肩总加入量，测得透明管道的泥浆压力和泥浆流量，利用超声波信号采集器采集剖面流场分布二维数据，利用摄像机采集透明管道中岩肩床和钻杆的水平运动状态数据和垂直运动状态数据。本专利技术同时提供了一种基于上述方法的水平定向钻环空多场耦合模拟钻进实验装置，包括用于观察的透明管道、与透明管道连通的泥浆罐，以及穿过透明管道管体的钻杆，透明管道的排出端通过三通管A与振动筛连通，振动筛通过三通管B与泥浆罐连通，泥浆罐通过三通管C与透明管道连通，其中，三通管A的a端连通透明管道的排出端，三通管A的b端通过球阀A连通振动筛的入口，三通管A的c端通过球阀B与三通管B的a端连通，三通管B的b端连通振动筛的出口，三通管B的c端连通泥浆罐的回收口，泥浆罐底部的循环出口安装有泥浆栗，泥浆栗与三通管C的a端连通，三通管C的c端通过球阀C通向泥浆罐顶部的循环入口，三通管C的b端通过球阀D与三通管D的a端连通，三通管D的c端与透明管道的注入端连通，三通管D的b端通过岩肩控制阀与岩肩加料装置连通；球阀D与岩肩控制阀之间设有电磁流量计和节流阀，透明管道内设有压力传感器；钻杆顶端安装有由变频控制器控制的调速电机，所述调速电机通过减速箱与钻杆一端连接，钻杆另一端通过分动器与加重砝码连接；在透明管道上布置2对以上超声多普勒探头，每对中的2个超声多普勒探头分别位于透明管道的顶部和侧面，各对超声多普勒探头沿透明管道轴向均匀分布，超声多普勒探头通过超声波信号采集器与数据处理终端连接；在透明管道侧面和顶部放置摄像机。所述三通管A、三通管B、三通管C和三通管D均采用透明钢丝软管。所述透明管道的注入端和排出端各通过锥形转接头与三通管连通，锥形转接头的大头与透明管道连接。所述岩肩加料装置包括由动力装置驱动的螺旋进料器，螺旋进料器的一端通过岩肩控制阀与三通管D的b端连通，螺旋进料器的另一端安装有进料漏斗。 所述摄像机采用高速摄像机。所述透明管道采用亚克力材料。所述钻杆的两端各由一个支撑台支撑。本专利技术基于其技术方案所具有的有益效果在于:(1)本专利技术的水平定向钻环空多场耦合模拟钻进实验装置是首个针对水平定向钻环空多场耦合模拟钻进的实验系统，包括泥浆循环系统、钻具回转系统、岩肩注入系统、泥浆流场监测系统、图像处理系统:泥浆循环系统主要包括泥浆罐、泥浆栗、球阀、节流阀、电磁流量计、动力端锥形转接头、透明亚克力管道、尾部锥形转接头、振动筛，透明管道可视化程度高，便于观察钻杆的空间形态和岩肩的运动，两个锥形的转接头有助于岩肩与泥浆的混合、环空流场的过渡；钻具回转系统包括变频器、调速电机、减速箱、动力支撑台、地锚、扩孔器、钻杆、分动器、加重砝码、尾部支撑台、尾部盖板组成，变频器、调速电机和减速箱可以提供稳定可调的钻具回转速度，加重砝码提供钻杆的轴向拉力；岩肩注入系统包括螺旋加料斗、加料电机、螺旋加料器、岩肩控制阀，加料动力装置采用调速电机配合变频器控制岩肩注入速度，岩肩控制阀保证泥浆循环系统的密闭性；泥浆流场监测系统主要包括超声多普勒探头、超声波信号采集器、数据处理终端组成，每个流场监测剖面包含两个具有一定偏角的超声波探头，可以实现平面内2D流场分布情况监测；图像处理系统包括顶部和底部高速摄像机、数据处理终端组成，高速摄像机可以记录不同时刻钻杆的运动状态和岩肩床的变化情况；各系统配合可以实现钻杆与泥浆两者之间的耦合运动分析，也可以实现钻杆、泥浆、岩肩三者之间的耦合运动分析；(2)本专利技术的水平定向钻环空多场耦合模拟钻进实验装置通过超声多普勒流场监测系统，可以实现非本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水平定向钻环空多场耦合模拟钻进实验方法，其特征在于包括以下步骤：(1)搭建实验环境：将透明管道水平放置，将钻杆水平穿过透明管道，钻杆的一端连接调速电机，另一端通过分动器悬挂加重砝码，在透明管道上布置2对以上超声多普勒探头，每对中的2个超声多普勒探头分别位于透明管道的顶部和侧面，各对超声多普勒探头沿透明管道轴向均匀分布，在透明管道侧面和顶部放置摄像机；(2)调节泥浆输入速度，以进行钻杆、泥浆耦合运动分析：调速电机调节钻杆回转速度，向透明管道的注入端以稳定流速输入泥浆，测得透明管道的泥浆压力和泥浆流量，利用超声波信号采集器采集剖面流场分布二维数据，利用摄像机采集透明管道中钻杆的水平运动状态数据和垂直运动状态数据；(3)调节泥浆输入速度，以进行钻杆、泥浆耦合运动分析：调节泥浆输入透明管道的速度，利用调速电机控制钻杆回转速度稳定，测得透明管道的泥浆压力和泥浆流量，利用超声波信号采集器采集剖面流场分布二维数据，利用摄像机采集透明管道中钻杆的水平运动状态数据和垂直运动状态数据；(4)调节钻杆回转速度，以进行钻杆、泥浆、岩屑耦合运动分析：调速电机调节钻杆回转速度，向透明管道的注入端以稳定流速输入泥浆和岩屑，记录岩屑总加入量，测得透明管道的泥浆压力和泥浆流量，利用超声波信号采集器采集剖面流场分布二维数据，利用摄像机采集透明管道中岩屑床和钻杆的水平运动状态数据和垂直运动状态数据；(5)调节泥浆输入速度，以进行钻杆、泥浆、岩屑耦合运动分析：调节泥浆输入透明管道的速度，利用调速电机控制钻杆轴向转动，记录岩屑总加入量，测得透明管道的泥浆压力和泥浆流量，利用超声波信号采集器采集剖面流场分布二维数据，利用摄像机采集透明管道中岩屑床和钻杆的水平运动状态数据和垂直运动状态数据；(6)调节岩屑注入速度，以进行钻杆、泥浆、岩屑耦合运动分析：调节岩屑注入泥浆的速度，利用调速电机控制钻杆轴向转动，记录岩屑总加入量，测得透明管道的泥浆压力和泥浆流量，利用超声波信号采集器采集剖面流场分布二维数据，利用摄像机采集透明管道中岩屑床和钻杆的水平运动状态数据和垂直运动状态数据。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾聪，闫雪峰，马保松，王福芝，杨善，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北;42