CN110529098A - 近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置及方法。包括模拟地质体、钻进驱动系统、泥浆泵、固控系统、管汇系统和监测控制系统六部分。通过水平放置的混凝土圆柱模拟实钻地质体,沿混凝土圆柱轴线方向铺设轨道,采用链条驱动安装在轨道上的动力头滑动模拟钻机,并通过固控系统、泥浆泵,管汇系统实现钻孔冲洗液循环,通过监测控制系统控制试验台各部分,并监测钻进过程中的各项参数。该试验台可为定向钻进工艺开发,仪器测试,近水平定向钻进基础研究提供场地和平台。
Description
技术领域
本发明涉及一种实钻模拟与参数测试装置,属于定向钻探领域,具体涉及一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置及方法。
背景技术
煤矿井下定向钻进技术可以实现钻孔轨迹的精确控制,保证钻孔轨迹在预定层位中的有效延伸,增长钻孔有效抽采距离。此外,定向钻进技术可进行多分支孔施工,施工的钻孔能均匀覆盖整个工作面,具有钻进效率高、一孔多用、集中抽采等优点,能显著提高煤层瓦斯治理效果,现已成为我国煤矿区瓦斯高效抽采的主要技术途径。
随着煤矿井下定向钻进施工面临的工况日趋复杂,以及煤矿生产对钻进施工能力的要求越来越高,必须不断升级定向钻进设备和工艺,才能满足煤矿生产的需求。现阶段煤矿定向钻探新工艺、新仪器开发都是在现场试验的基础上完成,现场试验虽然能最大限度的检验工艺和仪器的适用性,但也存在很多问题。
针对工艺和仪器开发的现场试验往往对试验场地要求较高,需要有一定的针对性,找到合适的试验场地比较困难。其次,现场试验一般采用实际生产设备,在天然地质体中施工,天然地质体条件千差万别,试验前不能完全掌握准确的地质条件,也没有条件安装监测仪器,不能采集试验期间的相关参数,试验效果的评估及分析缺乏依据,对试验现象的分析不能锁定影响因素,实验重复性差。此外,现场试验往往贯穿于煤矿实际生产或工程项目中,受煤矿生产进度制约,没有充分的试验时间,煤矿井下的空间狭小,以及对仪器设备的防爆要求,也限制了部分设备,工具,监测仪器的使用。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览,并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的技术问题,提供了一种系统及方法。该系统及方法采用XX,提高了XX处理精度。
本发明所要解决的技术问题在于针对现场试验条件对近水平定向钻进新工艺、新仪器开发的制约,提供了一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置及方法。该试验台可为定向钻进工艺开发,仪器测试,定向钻进基础研究提供场地和平台,大幅度改善试验条件,摆脱煤矿实际生产对现场试验的制约,提高钻进参数监测水平。
为解决上述问题,本发明的方案是:
一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置,包括:
模拟地质体,包括若干节混凝土圆柱体;
钻进驱动系统,包括轨道、驱动电机以及布置在导轨上的动力头,所述动力头在安装钻具后,所述钻具轴线和模拟地质体轴线重合;
泥浆泵,用于为钻进驱动系统提供钻进所需的高压钻孔冲洗液,且压力在一定范围内连续可调;
管汇系统,包括若干个用于模拟长钻孔实钻过程中钻井液在钻具中沿程压力损失的盘绕的长钢管组成,所述长钢管连接各系统用于输送钻孔冲洗液的管道以实现钻孔冲洗液循环流动。
优选的,上述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置,还包括:
固控系统,包括振动筛和离心机,可分离处理钻孔冲洗液中岩屑和/或泥砂颗粒并净化冲洗液从而实现钻孔冲洗液循环利用;
其中,所述固控系统和泥浆泵安装在下沉式工作坑内,所述工作坑紧邻钻进驱动系统,由水池收集的孔口返水可在重力作用下流至固控系统。
优选的,上述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置,所述模拟地质体采用多节预制混凝土圆柱体拼装而成,拼装间隙采用混凝土浇灌;
并且混凝土圆柱体设置有配筋,所述配筋包括沿轴向布置的主筋和沿周向布置的箍筋,钻孔轨迹布置在配筋以内的混凝土中。
优选的,上述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置,所述管汇系统通过调节三通阀选择试验期间接入固控系统或采用外接水源,孔口返水外排。
优选的,上述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置,所述管汇系统中的盘绕长钢管是一组固定在地面的螺旋形钢管,各钢管之间通过选择接口位置和开关对应闸阀,调节接入钻孔冲洗液循环线路的钢管长度。
一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试方法,包括:
采用若干节混凝土圆柱体模拟模拟地质体;
将钻具装入一钻进驱动系统,钻进驱动系统包括轨道、驱动电机以及布置在导轨上的动力头,所述动力头在安装钻具后,所述钻具轴线和模拟地质体轴线重合;
用泥浆泵向钻进驱动系统提供钻进所需的高压钻孔冲洗液,且压力在一定范围内连续可调;
用包括若干个盘绕的长钢管组成的管汇系统模拟长钻孔实钻过程中钻井液在钻具中沿程压力损失,所述长钢管连接各系统用于输送钻孔冲洗液的管道以实现钻孔冲洗液循环流动。
优选的,上述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试方法,还包括:
利用一包括振动筛和离心机的固控系统分离处理钻孔冲洗液中岩屑和/或泥砂颗粒并净化冲洗液从而实现钻孔冲洗液循环利用;
其中,所述固控系统和泥浆泵安装在下沉式工作坑内,所述工作坑紧邻钻进驱动系统,由水池收集的孔口返水可在重力作用下流至固控系统。
优选的,上述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试方法,采用多节预制混凝土圆柱体拼装成所述模拟地质体,采用混凝土浇灌拼装间隙;
在混凝土圆柱体设置有配筋,所述配筋包括沿轴向布置的主筋和沿周向布置的箍筋,钻孔轨迹布置在配筋以内的混凝土中。
优选的,上述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试方法,通过调节三通阀选择试验期间所述管汇系统接入固控系统或采用外接水源,孔口返水外排。
优选的,上述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试方法,所述管汇系统中的盘绕长钢管是一组固定在地面的螺旋形钢管,各钢管之间通过选择接口位置和开关对应闸阀,调节接入钻孔冲洗液循环线路的钢管长度。
因此,本发明提供的近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置及方法的有益效果在于:
1、该试验台可将原本需要在煤矿井下完成的部分现场试验,转移到实验室内完成,显著改善了试验环境,使试验不受煤矿实际生产的制约,有充足的时间和空间完成试验。
2、该试验台中的模拟地质体采用人工预制的混凝土块体,可根据试验设计预埋传感器,监测实钻过程中的相关钻进参数,避免了现场试验中因地质条件不清楚对试验结果分析的影响,试验完成后,如有需要,可将混凝土块剖开,观测钻孔内部情况,使观测更直接更便捷。
3、实验室的环境没有防爆要求,且温度、湿度可控,可根据试验要求,采用更加精密的数据采集仪器,提高钻进参数监测水平。
综上所述,本发明中的近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置及方法能为近水平定向钻进工艺开发、仪器测试,定向钻进基础研究提供平台和场所,显著改善试验环境,摆脱现场试验受煤矿实际生产制约的现状,提高钻进参数监测水平和精度。
附图说明
并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例,并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。
图1为本发明的试验台平面布置示意图;
图2为本发明的试验台中模拟地质体侧立面示意图;
图3为本发明的试验台中模拟地质体断面示意图;
图4为本发明的试验台中钻进驱动系统示意图;
图5为本发明的试验台管汇系统中螺旋形钢管示意图。
将参照附图描述本发明的实施例。
具体实施方式
实施例
如图1所示,近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试试验台,包括模拟地质体1、钻进驱动系统3、泥浆泵7、固控系统4、管汇系统5和监测控制系统6六部分。
如图2所示,模拟地质体为固定在地面上的混凝土圆柱体11,采用多节预制混凝土圆柱体拼装而成,拼装长度根据试验需求确定,拼装时保证混凝土圆柱体轴线水平,且各节混凝土圆柱体轴线重合,拼装间隙12采用与混凝土圆柱体同等标号的混凝土浇灌,使之成为一个整体。
如图3所示,为保证混凝土块的强度和整体性,使其在钻进过程中不开裂,对混凝土圆柱体分别配置了主筋111和箍筋112,钻孔轨迹布置在配筋以内的混凝土中。
钻进试验完成后,可在模拟地质体的钻孔内填充混凝土,重复使用,也可根据试验需求更换成不同的混凝土块体。
如图4所示,述钻井驱动系统由轨道31、轨道支架32以及布置在轨道上的动力头33、管线拖链34、扶正器35、夹持器36等装置组成,所述轨道能在轨道支架上整体上下左右平移,保证可在模拟地质体中心上下一定范围内开孔。
所述阻尼器可为钻具提供反扭矩,模拟钻进过程中孔壁对钻具的阻力,且阻尼器提供的反扭矩大小在一定范围内连续可调。
所述泥浆泵7能为钻进驱动系统提供钻进所需的高压钻孔冲洗液,且压力在一定范围内连续可调。
所述固控系统4由振动筛、离心机等组成,可分离处理钻孔冲洗液中岩屑、泥砂等颗粒,净化冲洗液,实现钻孔冲洗液循环利用,为使孔口返水在重力作用下流至固控系统,固控系统和泥浆泵布置在紧邻钻进驱动系统的下沉空间内,可通过调节三通阀选择实验期间接入固控系统或采用外接水源,孔口返水外排。
其中,所述固控系统和泥浆泵安装在下沉式工作坑内,所述工作坑紧邻钻进驱动系统,由水池收集的孔口返水可在重力作用下流至固控系统。
所述管汇系统由盘绕的螺旋形钢管51和连接各系统用于输送钻孔冲洗液的管道、闸阀、配件等组成,通过建立实钻钻井液压力损失实测数据和钻井液沿螺旋形钢管压力损失实测数据的对应关系,模拟长钻孔实钻过程中钻井液在钻具中沿程压力损失。并实现钻孔冲洗液循环流动。管汇系统中的盘绕长钢管可以是一组固定在地面的螺旋形钢管,
如图5所示,螺旋形钢管设置有进口511和出口514,并在钢管中间每隔一段距离设置有接口512和闸阀513,可根据试验需求,选择接口的位置以及对应的闸阀调节接入钻孔冲洗液循环线路的钢管长度。
所述监测控制系统由布置在试验台各个部位的传感器、仪器仪表、信号传递管线等组成,可实现钻进过程中的各项参数监测和各系统控制。
各项实验数据集成显示于控制室,并可通过操作台控制试验台各系统,控制室紧邻钻进驱动系统、泥浆泵和固控系统,并保证操作人员能观察到孔口,动力头等位置以及泥浆泵和固控系统的运转情况。
注意到,说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性,但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且,这样的短语不必指代同一实施例。此外,当结合实施例描述特定特征、结构或特性时,无论是否明确描述,结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的,且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此,本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计,而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
Claims (10)
1.一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置,其特征在于,包括:
模拟地质体,包括若干节混凝土圆柱体;
钻进驱动系统,包括支架、轨道、驱动电机以及布置在导轨上的动力头,所述动力头在安装钻具后,所述钻具轴线和模拟地质体轴线重合;
泥浆泵,用于为钻进驱动系统提供钻进所需的高压钻孔冲洗液,且压力和/或流量在一定范围内连续可调;
管汇系统,包括若干个用于模拟长钻孔实钻过程中钻井液在钻具中沿程压力损失的盘绕的长钢管组成,所述长钢管连接各系统用于输送钻孔冲洗液的管道以实现钻孔冲洗液循环流动。
2.根据权利要求1所述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置,其特征在于,还包括:
固控系统,包括振动筛和离心机,可分离处理钻孔冲洗液中岩屑和/或泥砂颗粒并净化冲洗液从而实现钻孔冲洗液循环利用;
其中,所述固控系统和泥浆泵安装在下沉式工作坑内,所述工作坑紧邻钻进驱动系统,由水池收集的孔口返水可在重力作用下流至固控系统。
3.根据权利要求1所述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置,其特征在于,所述模拟地质体采用多节预制混凝土圆柱体拼装而成,拼装间隙采用混凝土浇灌;
并且混凝土圆柱体设置有配筋,所述配筋包括沿轴向布置的主筋和沿周向布置的箍筋,钻孔轨迹布置在配筋以内的混凝土中。
4.根据权利要求1所述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置,其特征在于,所述管汇系统通过调节三通阀选择试验期间接入固控系统或采用外接水源,孔口返水外排。
5.根据权利要求1所述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置,其特征在于,所述管汇系统中的盘绕长钢管是一组固定在地面的螺旋形钢管,各钢管之间通过选择接口位置和开关对应闸阀,调节接入钻孔冲洗液循环线路的钢管长度。
6.一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试方法,其特征在于,包括:
采用若干节混凝土圆柱体模拟模拟地质体;
将钻具装入一钻进驱动系统,钻进驱动系统包括轨道、驱动电机以及布置在导轨上的动力头,所述动力头在安装钻具后,所述钻具轴线和模拟地质体轴线重合;
用泥浆泵向钻进驱动系统提供钻进所需的高压钻孔冲洗液,且压力和/或流量在一定范围内连续可调;
用包括若干个盘绕的长钢管组成的管汇系统模拟长钻孔实钻过程中钻井液在钻具中沿程压力损失,所述长钢管连接各系统用于输送钻孔冲洗液的管道以实现钻孔冲洗液循环流动。
7.根据权利要求6所述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试方法,其特征在于,还包括:
利用一包括振动筛和离心机的固控系统分离处理钻孔冲洗液中岩屑和/或泥砂颗粒并净化冲洗液从而实现钻孔冲洗液循环利用;
其中,所述固控系统和泥浆泵安装在下沉式工作坑内,所述工作坑紧邻钻进驱动系统,由水池收集的孔口返水可在重力作用下流至固控系统。
8.根据权利要求6所述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试方法,其特征在于,采用多节预制混凝土圆柱体拼装成所述模拟地质体,采用混凝土浇灌拼装间隙;
在混凝土圆柱体设置有配筋,所述配筋包括沿轴向布置的主筋和沿周向布置的箍筋,钻孔轨迹布置在配筋以内的混凝土中。
9.根据权利要求6所述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试方法,其特征在于,通过调节三通阀选择试验期间所述管汇系统接入固控系统或采用外接水源,孔口返水外排。
10.根据权利要求6所述的一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试方法,其特征在于,所述管汇系统中的盘绕长钢管是一组固定在地面的螺旋形钢管,各钢管之间通过选择接口位置和开关对应闸阀,调节接入钻孔冲洗液循环线路的钢管长度。
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