CN111141481A - 水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置及试验方法，试验装置包括旋转动力系统、测试系统、进屑管路、依次连接的供水管路、进水管路、第一试验管路、第二试验管路和返流管路，进水管路和返流管路均与水箱连接，水箱内设有滤网，旋转动力系统驱动第二试验管路轴向旋转；测试系统包括电磁流量计、压力检测装置、霍尔转速传感器、第一差压变送器和第二差压变送器。本发明提出的技术方案的有益效果是：可系统开展水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验，研究固液两相流在转动钻杆内的流动模式及能量损失，分析进水流量、钻杆转动速度、岩屑粒径及含量等参数对固液两相流在转动钻杆内的流动模式及能量损失的影响。

Description

水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及非开挖工程技术领域，尤其涉及一种水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置及试验方法。

背景技术

水平定向钻是采用锚固于地表的钻孔设备，以相对于地面较小的入射角钻入地层形成先导孔，然后将先导孔扩径至所需大小，并通过钻机回拖牵引将管道装入钻孔的一项非开挖管线敷设技术。

随着铺设管道直径增加，钻孔直径增大，水平定向钻扩孔施工时环空泥浆流速显著降低。在低环空泥浆流速下，扩孔岩屑易于沉积在钻孔底部形成岩屑床，急剧降低岩屑运移效率。岩屑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等事故，严重影响工期，增加施工成本。相较于传统的泥浆正循环方式，反循环技术改变泥浆循环方向，携带岩屑的泥浆从环空进入钻杆，从而返回地表。由于钻杆内径远小于钻孔直径，携带岩屑的泥浆在钻杆内可以轻松获得高流速，使得大颗粒岩屑容易排出，减少环空岩屑堆积，大幅度提高岩屑运移效率。但是现有的反循环技术在应用于水平定向钻领域以解决大直径水平定向钻岩屑运移过程中具有实用性的问题，故亟需开展相关的理论与试验研究，但目前针对水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移没有系统的试验装置及试验方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置及试验方法，可系统开展水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验，研究固液两相流在转动钻杆内的流动模式及能量损失，分析进水流量、钻杆转动速度、岩屑粒径及含量等参数对固液两相流在转动钻杆内的流动模式及能量损失的影响。

本发明的实施例提供一种水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置，包括旋转动力系统、测试系统、进屑管路、依次连接的供水管路、进水管路、第一试验管路、第二试验管路和返流管路，所述供水管路与所述进水管路之间通过自吸泵连接，所述供水管路和所述返流管路均与水箱连接，所述水箱内设有滤网，所述第二试验管路和所述第一试验管路之间连接有第三引压管，所述第二试验管路与所述返流管路之间连接有第四引压管，所述第二试验管路与所述第三引压管、所述第四引压管之间分别通过第一旋转接头和第二旋转接头连接，所述旋转动力系统驱动所述第二试验管路轴向旋转；所述进屑管路一端与螺旋输料机连接，另一端连接于所述第一试验管路靠近所述第二试验管路的一端，所述进屑管路上设有第一球阀，所述螺旋输料机、自吸泵和旋转动力系统均连接有变频器，以控制进屑流量、进水流量、所述第二试验管路的转速；

所述测试系统包括电磁流量计、压力检测装置、霍尔转速传感器、第一差压变送器和第二差压变送器，所述电磁流量计和所述压力检测装置设于所述进水管路上，所述霍尔转速传感器设于所述第二试验管路上，所述第一试验管路的两个取压处接出的第一引压管和第二引压管分别与所述第一差压变送器连接，所述第三引压管和所述第四引压管分别与所述第二差压变送器连接。

进一步地，所述旋转动力系统包括电机、第一主动链轮、第一传动链条、第二主动链轮以及第二传动链条；所述电机的传动轴与所述第二试验管路延伸方向相同，所述第一主动链轮和所述第二主动链轮安装于所述电机的传动轴上、且在所述传动轴延伸方向上间隔设置；

所述第一传动链条套设于所述第一旋转接头和所述第一主动链轮外围，所述第一传动链条与所述第一旋转接头上的齿轮和所述第一主动链轮相啮合；所述第二传动链条套设于所述第二旋转接头和所述第二主动链轮外围，所述第二传动链条与所述第二旋转接头上的齿轮和所述第二主动链轮相啮合；所述电机驱动所述第一主动链轮和所述第二主动链轮轴向旋转，从而带动所述第二试验管路旋转，所述电机与所述变频器连接。

进一步地，所述电机还连接有减速器。

进一步地，还包括分流管路，所述分流管路一端与所述水箱连通，另一端与所述进水管路靠近所述自吸泵的一端连通，所述分流管路上设有第二球阀。

进一步地，所述进水管路上在所述电磁流量计、压力检测装置两侧分别设有第一软接和第二软接。

进一步地，所述第一引压管、第二引压管、第三引压管和第四引压管上设有排气阀。

进一步地，所述进水管路与所述自吸泵连接的初始段管材为钢丝软管，后段管材为PVC；和/或，

所述供水管路的管材为PVC；和/或，

所述分流管路的管材为PVC；和/或，

所述返流管路的管材为PVC；和/或，

所述进屑管路的管材为不锈钢钢管。

进一步地，所述第一试验管路和第二试验管路的管材为亚克力，便于岩屑运移试验现象的观察与记录。

进一步地，所述测试系统还包括高速摄像机，所述高速摄像机与所述第一试验管路和第二试验管路相对。

本发明的实施例还提供一种一种试验方法，利用上述水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置，包括以下步骤：

S1将水箱内装满水，关闭进屑管路上的第一球阀；

S2接通电源，启动自吸泵，通过调节连接自吸泵的变频器来控制进水流量；

S3启动旋转动力系统，通过控制连接旋转动力系统的变频器来控制第二试验管路的转速，通过控制不同的进水流量和转速，记录不同进水流量和不同转速条件下纯流体管路中电磁流量计、压力检测装置和霍尔转速传感器的示数，以及进行第一差压变送器和第二差压变送器的数据采集；

S4打开进屑管路上的第一球阀，启动螺旋输料机，通过调节连接螺旋输料机的变频器来控制进屑流量，通过控制不同的进水流量、转速、岩屑粒径和进屑流量，记录不同的进水流量、转速、岩屑粒径和进屑流量条件下管路中电磁流量计、压力检测装置和霍尔转速传感器的示数，以及进行第一差压变送器和第二差压变送器的数据采集，同时可确定不同转速、岩屑粒径和进屑流量的情况下所对应的岩屑在管路中的临界不淤流量；

S5结束试验，关闭螺旋输料机、自吸泵和旋转动力系统，切断电源。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：可系统开展水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验，研究固液两相流在转动钻杆内的流动模式及能量损失，分析进水流量、钻杆转动速度、岩屑粒径及含量等参数对固液两相流在转动钻杆内的流动模式及能量损失的影响。

其中自吸泵连接着变频器，可更好的调节进水流量；所述螺旋输料机连接着变频器，可调节岩屑进料流量；所述电机连接着变频器且配合减速器使用，可更好的方便控制第二试验管路的转速；而第一试验管路和第二试验管路的材质为亚克力，便于观察管路内岩屑的运移情况，配置高速摄像机等测试装置可实现气液固三相流流型和截面含固率等参数的测量。

附图说明

图1是本发明提供的水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置一实施例的结构示意图。

图中：1-螺旋输料机；2-第一差压变送器；3-第一球阀；4-第二差压变送器；5-进屑管路；6-第一排气阀；7-第一引压管；8-第二引压管；9-第二排气阀；10-第三排气阀；11-第三引压管；12-第四引压管；13-第四排气阀；14-自吸泵；15-进水管路；16-第一软接；17-电磁流量计；18-压力检测装置；19-第二软接；20-第一试验管路；21-第一旋转接头；22-霍尔转速传感器；23-第二试验管路；24-第二旋转接头；25-第一传动链条；26-第二传动链条；27-电机；28-减速器；29-第一主动链轮；30-传动轴；31-第二主动链轮；32-第二球阀；33-第三球阀；34-供水管路；35-分流管路；36-返流管路；37-滤网；38-水箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

本发明的实施例提供一种水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置，包括旋转动力系统、测试系统、进屑管路5、分流管路35、依次连接的供水管路34、进水管路15、第一试验管路20、第二试验管路23和返流管路36，所述进屑管路5一端与螺旋输料机1连接，另一端连接于所述第一试验管路20靠近所述第二试验管路23的一端，所述进屑管路5上设有第一球阀3。所述供水管路34与所述进水管路15之间通过自吸泵14连接，所述供水管路34和所述返流管路36均与水箱38连接，所述返流管路36上设有包括第三球阀33，所述水箱38内设有滤网37，可使返流管路36排出的岩屑过滤沉降。所述第二试验管路23和所述第一试验管路20之间连接有第三引压管11，所述第二试验管路23与所述返流管路36之间连接有第四引压管12，所述第二试验管路23与所述第三引压管11、所述第四引压管12之间分别通过第一旋转接头21和第二旋转接头24连接，所述旋转动力系统驱动所述第二试验管路23轴向旋转。所述螺旋输料机1、自吸泵14和旋转动力系统均连接有变频器，以控制进屑流量、进水流量、所述第二试验管路23的转速。

本实施例中，所述旋转动力系统包括电机27、第一主动链轮29、第一传动链条25、第二主动链轮31以及第二传动链条26；所述电机27的传动轴30与所述第二试验管路23延伸方向相同，所述第一主动链轮29和所述第二主动链轮31安装于所述电机27的传动轴30上、且在所述传动轴30延伸方向上间隔设置。所述第一传动链条25套设于所述第一旋转接头21和所述第一主动链轮29外围，所述第一传动链条25与所述第一旋转接头21上的齿轮和所述第一主动链轮29相啮合；所述第二传动链条26套设于所述第二旋转接头24和所述第二主动链轮31外围，所述第二传动链条26与所述第二旋转接头24上的齿轮和所述第二主动链轮31相啮合。所述电机27驱动所述第一主动链轮29和所述第二主动链轮31轴向旋转，从而带动所述第二试验管路23旋转，所述电机27与所述变频器和减速器28连接，通过变频器和减速器28可以对第二试验管路23的转速进行调节。

所述分流管路35一端与所述水箱38连通，另一端与所述进水管路15靠近所述自吸泵14的一端连通，所述分流管路35上设有第二球阀32，由于自吸泵14需要一定的启动频率，为了扩大第一试验管路20中进水流量的范围(减小进水流量的最小值)，可以通过分流管路35上的第二球阀32进行调节。

所述第一引压管7、第二引压管8、第三引压管11和第四引压管12上设有排气阀。具体的，所述第一引压管7设置有第一排气阀6，第二引压管8设置有第二排气阀9，第三引压管11设置有第三排气阀10，第四引压管12设置有第四排气阀13，方便排出第一试验管路20和第二试验管路23中的气体，以免因为管路中含有气体影响第一差压变送器2和第二差压变送器4的测量。

所述进水管路15与所述自吸泵14连接的初始段管材为钢丝软管，后段管材为PVC，所述供水管路34、所述分流管路35、所述返流管路36的管材均为PVC，所述进屑管路5的管材为不锈钢钢管，避免岩屑对进屑管路5造成损坏。所述第一试验管路20和第二试验管路23的管材为亚克力。

所述测试系统包括电磁流量计17、压力检测装置18、霍尔转速传感器22、第一差压变送器2、第二差压变送器4和高速摄像机，所述电磁流量计17和所述压力检测装置18设于所述进水管路15上，所述进水管路15上在所述电磁流量计17、压力检测装置18两侧分别设有第一软接16和第二软接19，可减小管流冲击振动对电磁流量计17和压力检测装置18示数的影响，压力检测装置18可以为数字压力表或压力传感器等。所述霍尔转速传感器22设于所述第二试验管路23上，所述第一试验管路20的两个取压处接出的第一引压管7和第二引压管8分别与所述第一差压变送器2连接，所述第三引压管11和所述第四引压管12分别与所述第二差压变送器4连接。所述第一差压变送器2和第二差压变送器4与计算机连接，用以实现实时数据的采集。所述高速摄像机与所述第一试验管路20和第二试验管路23相对，便于对岩屑运移试验现象进行观察与记录，可实现气液固三相流流型和截面含固率等参数的测量。

本发明的实施例还提供一种试验方法，利用上述水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置，包括以下步骤：

S1将水箱38内装满水，关闭进屑管路5上的第一球阀3和分流管路35上的第二球阀32，打开返流管路36上的第三球阀33；

S2接通电源，启动自吸泵14，通过调节连接自吸泵14的变频器和分流管路35的第二球阀32来控制进水流量；

S3启动旋转动力系统，通过控制连接旋转动力系统的变频器来控制第二试验管路23的转速，调节第一排气阀6、第二排气阀9、第三排气阀10和第四排气阀13排去管路中的气体，通过控制不同的进水流量和转速，记录不同进水流量和不同转速条件下纯流体管路中电磁流量计17、压力检测装置18和霍尔转速传感器22的示数，以及进行第一差压变送器2和第二差压变送器4的数据采集；

S4打开进屑管路5上的第一球阀3，启动螺旋输料机1，通过调节连接螺旋输料机1的变频器来控制进屑流量，通过控制不同的进水流量、转速、岩屑粒径和进屑流量，记录不同的进水流量、转速、岩屑粒径和进屑流量条件下管路中电磁流量计17、压力检测装置18和霍尔转速传感器22的示数，以及进行第一差压变送器2和第二差压变送器4的数据采集，同时可确定不同转速、岩屑粒径和进屑流量的情况下所对应的岩屑在管路中的临界不淤流量；

S5每组进水流量、转速、岩屑粒径和进屑流量条件下的试验重复多次，计算取各测试仪表多次试验的示数平均值；

S6结束试验，关闭螺旋输料机1、自吸泵14和电机27，切断电源。

本发明提供的试验装置和试验方法，可系统开展水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验，研究固液两相流在转动钻杆内的流动模式及能量损失，分析进水流量、钻杆转动速度、岩屑粒径及含量等参数对固液两相流在转动钻杆内的流动模式及能量损失的影响。其中自吸泵14连接着变频器，可更好的调节进水流量；所述螺旋输料机1连接着变频器，可调节岩屑进料流量；所述电机27连接着变频器且配合减速器28使用，可更好的方便控制第二试验管路23的转速；而第一试验管路20和第二试验管路23的材质为亚克力，便于观察管路内岩屑的运移情况，配置高速摄像机等测试装置可实现气液固三相流流型和截面含固率等参数的测量。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置，其特征在于，包括旋转动力系统、测试系统、进屑管路、依次连接的供水管路、进水管路、第一试验管路、第二试验管路和返流管路，所述供水管路与所述进水管路之间通过自吸泵连接，所述供水管路和所述返流管路均与水箱连接，所述水箱内设有滤网，所述第二试验管路和所述第一试验管路之间连接有第三引压管，所述第二试验管路与所述返流管路之间连接有第四引压管，所述第二试验管路与所述第三引压管、所述第四引压管之间分别通过第一旋转接头和第二旋转接头连接，所述旋转动力系统驱动所述第二试验管路轴向旋转；所述进屑管路一端与螺旋输料机连接，另一端连接于所述第一试验管路靠近所述第二试验管路的一端，所述进屑管路上设有第一球阀，所述螺旋输料机、自吸泵和旋转动力系统均连接有变频器，以控制进屑流量、进水流量、所述第二试验管路的转速；

所述测试系统包括电磁流量计、压力检测装置、霍尔转速传感器、第一差压变送器和第二差压变送器，所述电磁流量计和所述压力检测装置设于所述进水管路上，所述霍尔转速传感器设于所述第二试验管路上，所述第一试验管路的两个取压处接出的第一引压管和第二引压管分别与所述第一差压变送器连接，所述第三引压管和所述第四引压管分别与所述第二差压变送器连接。

2.如权利要求1所述的水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置，其特征在于，所述旋转动力系统包括电机、第一主动链轮、第一传动链条、第二主动链轮以及第二传动链条；所述电机的传动轴与所述第二试验管路延伸方向相同，所述第一主动链轮和所述第二主动链轮安装于所述电机的传动轴上、且在所述传动轴延伸方向上间隔设置；

所述第一传动链条套设于所述第一旋转接头和所述第一主动链轮外围，所述第一传动链条与所述第一旋转接头上的齿轮和所述第一主动链轮相啮合；所述第二传动链条套设于所述第二旋转接头和所述第二主动链轮外围，所述第二传动链条与所述第二旋转接头上的齿轮和所述第二主动链轮相啮合；所述电机驱动所述第一主动链轮和所述第二主动链轮轴向旋转，从而带动所述第二试验管路旋转，所述电机与所述变频器连接。

3.如权利要求2所述的水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置，其特征在于，所述电机还连接有减速器。

4.如权利要求1所述的水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置，其特征在于，还包括分流管路，所述分流管路一端与所述水箱连通，另一端与所述进水管路靠近所述自吸泵的一端连通，所述分流管路上设有第二球阀。

5.如权利要求1所述的水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置，其特征在于，所述进水管路上在所述电磁流量计、压力检测装置两侧分别设有第一软接和第二软接。

6.如权利要求1所述的水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置，其特征在于，所述第一引压管、第二引压管、第三引压管和第四引压管上设有排气阀。

7.如权利要求1所述的水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置，其特征在于，所述进水管路与所述自吸泵连接的初始段管材为钢丝软管，后段管材为PVC；和/或，

所述供水管路的管材为PVC；和/或，

所述分流管路的管材为PVC；和/或，

所述返流管路的管材为PVC；和/或，

所述进屑管路的管材为不锈钢钢管。

8.如权利要求1所述的水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置，其特征在于，所述第一试验管路和第二试验管路的管材为亚克力，便于岩屑运移试验现象的观察与记录。

9.如权利要求8所述的水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置，其特征在于，所述测试系统还包括高速摄像机，所述高速摄像机与所述第一试验管路和第二试验管路相对。

10.一种试验方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的水平定向钻扩孔反循环水力岩屑运移试验装置，包括以下步骤：

S1将水箱内装满水，关闭进屑管路上的第一球阀；

S2接通电源，启动自吸泵，通过调节连接自吸泵的变频器来控制进水流量；

S3启动旋转动力系统，通过控制连接旋转动力系统的变频器来控制第二试验管路的转速，通过控制不同的进水流量和转速，记录不同进水流量和不同转速条件下纯流体管路中电磁流量计、压力检测装置和霍尔转速传感器的示数，以及进行第一差压变送器和第二差压变送器的数据采集；

S4打开进屑管路上的第一球阀，启动螺旋输料机，通过调节连接螺旋输料机的变频器来控制进屑流量，通过控制不同的进水流量、转速、岩屑粒径和进屑流量，记录不同的进水流量、转速、岩屑粒径和进屑流量条件下管路中电磁流量计、压力检测装置和霍尔转速传感器的示数，以及进行第一差压变送器和第二差压变送器的数据采集，同时可确定不同转速、岩屑粒径和进屑流量的情况下所对应的岩屑在管路中的临界不淤流量；

S5结束试验，关闭螺旋输料机、自吸泵和旋转动力系统，切断电源。

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