CN111141482A - 水平定向钻气液两相流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气液两相流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、进气管路、依次连接的供水管路、进水管路、气液混合管路、试验管路和返流管路，供水管路与进水管路通过自吸泵连接，供水管路和返流管路与水箱连接，旋转动力系统驱动试验管路轴向旋转；储气罐与空气压缩机相连；自吸泵和旋转动力系统连接有变频器，以控制进水流量和试验管路的转速；测试系统包括涡街流量计、第一压力检测装置、电磁流量计、第二压力检测装置、霍尔转速传感器、差压变送器和第三压力检测装置。本发明提出的技术方案的有益效果是：可开展水平定向钻气液两相流岩屑运移试验，研究气液两相流在转动钻杆内的流动模式及能量损失。

Description

水平定向钻气液两相流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气液两相流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。

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，且基于液体射流泵原理的反循环扩孔器排屑效率不高，故亟需研究排屑效率更高的反循环扩孔器。传统水平定向钻岩屑运移只聚焦于水力岩屑运移研究，现基于喷射器原理开展空气射流反循环试验，但是缺少气液两相流岩屑运移理论，且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气液两相流岩屑运移试验装置及试验方法，可系统开展水平定向钻气液两相流岩屑运移试验，研究气液两相流在转动钻杆内的流动模式及能量损失，分析钻杆转动速度、气液流量比、岩屑粒径及含量等参数对气液两相流岩屑运移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气液两相流岩屑运移试验装置，包括旋转动力系统、测试系统、进气管路、依次连接的供水管路、进水管路、气液混合管路、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，所述试验管路和所述气液混合管路之间连接有第一引压管，所述试验管路与所述返流管路之间连接有第二引压管，所述试验管路与所述第一引压管、所述第二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试验管路轴向旋转；所述进气管路一端与储气罐相连，另一端与所述进水管路靠近所述气液混合管路的一端相连，所述储气罐与空气压缩机相连，所述进气管路上设有减压阀和第一单向阀；所述自吸泵和旋转动力系统均连接有变频器，以控制进水流量和所述试验管路的转速；

所述测试系统包括涡街流量计、第一压力检测装置、电磁流量计、第二压力检测装置、霍尔转速传感器、差压变送器和第三压力检测装置，所述涡街流量计和第一压力检测装置设于所述进气管路上，所述电磁流量计和所述第二压力检测装置设于所述进水管路上，所述第三压力检测装置设于所述气液混合管路上，所述霍尔转速传感器设于所述试验管路上，所述第一引压管和所述第二引压管分别与所述差压变送器连接。

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，还包括进屑管路，所述进屑管路一端与螺旋输料机连接，另一端与所述气液混合管路靠近所述试验管路的一端连接，所述进屑管路上设有第一球阀，所述返流管路上设有岩屑过滤器，所述螺旋输料机连接有变频器，以控制进屑流量。

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，所述进气管路的管材为铸铁管；和/或，

所述进屑管路的管材为铸铁管；和/或，

所述供水管路的管材为PVC；和/或，

所述返流管路的管材为PVC。

进一步地，所述气液混合管路和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气液混合管路和所述试验管路相对。

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气液两相流岩屑运移试验装置，包括以下步骤：

S1将水箱内装满水，关闭进气管路上的减压阀、进屑管路上的第一球阀；

S2接通电源，启动空气压缩机和自吸泵，通过调节连接自吸泵的变频器来控制进水流量；待储气罐储气满足试验要求时，通过调节进气管路上的减压阀来控制进气流量；

S3通过控制不同的进水流量和进气流量从而实现控制不同的气液流量比，观察不同气液流量比条件下的试验管路气液两相流流型，记录涡街流量计、第一压力检测装置、电磁流量计、第二压力检测装置、第三压力检测装置和差压变送器的示数；

S4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试验管路的转速，观察不同气液流量比和不同转速条件下的试验管路气液两相流流型，记录涡街流量计、第一压力检测装置、电磁流量计、第二压力检测装置、第三压力检测装置、差压变送器和霍尔转速传感器的示数；

S5结束试验，关闭空气压缩机、自吸泵和旋转动力系统，切断电源。

进一步地，水平定向钻气液两相流岩屑运移试验装置还包括进屑管路，所述进屑管路一端与螺旋输料机连接，另一端与所述气液混合管路靠近所述试验管路的一端连接，所述进屑管路上设有第一球阀，所述返流管路上设有岩屑过滤器，所述螺旋输料机连接有变频器，以控制进屑流量；

步骤S2之后还包括：

S31通过控制不同的进水流量和进气流量从而实现控制不同的气液流量比；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；通过控制不同的气液流量比、不同的岩屑粒径和进屑流量从而实现分析不同气液流量比、岩屑粒径及含量等参数对气液两相流岩屑运移模式及能量损失的影响，观察不同气液流量比、岩屑粒径及含量条件下的试验管路气液固三相流流型，岩屑运移临界流速，记录涡街流量计、第一压力检测装置、电磁流量计、第二压力检测装置、第三压力检测装置和差压变送器的示数；

S41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试验管路的转速，观察不同气液流量比、转速、岩屑粒径及含量条件下的试验管路气液固三相流流型，岩屑运移临界流速，记录涡街流量计、第一压力检测装置、电磁流量计、第二压力检测装置、第三压力检测装置、差压变送器和霍尔转速传感器的示数；

S51结束试验，关闭空气压缩机、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气液两相流岩屑运移试验，研究气液两相流在转动钻杆内的流动模式及能量损失，分析钻杆转动速度、气液流量比、岩屑粒径及含量等参数对气液两相流岩屑运移模式及能量损失的影响。

其中自吸泵连接着变频器，用于更好的调节进水流量；所述空气压缩机连接着储气罐配合使用，以便更好地稳压输出气体；所述螺旋输料机也连接着变频器，用于调节岩屑进料流量；所述电机也连接着变频器且配合减速器使用，更好的方便控制试验管路的转速；而气液混合管路和试验管路的材质为亚克力，便于观察管路内多相流流型及岩屑运移情况，配置高速摄像机等测试装置可实现气液两相流流型、气液固三相流流型、截面含气率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气液两相流岩屑运移试验装置一实施例的结构示意图。

图中：1-空气压缩机、2-储气罐、3-减压阀、4-涡街流量计、5-第一压力检测装置、6-螺旋输料机、7-差压变送器、8-第一单向阀、9-第一球阀、10-进气管路、11-进屑管路、12-自吸泵、13-电磁流量计、14-第二压力检测装置、15-第二单向阀、16-进水管路、17-第三压力检测装置、18-气液混合管路、19-第一旋转接头、20-霍尔转速传感器、21-试验管路、22-第二旋转接头、23-岩屑过滤器、24-第一传动链条、25-第二传动链条、26-电机、27-减速器、28-第一主动链轮、29-传动轴、30-第二主动链轮、31-第二球阀、32-第三球阀、33-供水管路、34-分流管路、35-返流管路、36-水箱、37-第一引压管、38-第二引压管。

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气液两相流岩屑运移试验装置，包括旋转动力系统、测试系统、进气管路10、进屑管路11、分流管路34、依次连接的供水管路33、进水管路16、气液混合管路18、试验管路21和返流管路35，所述供水管路33与所述进水管路16之间通过自吸泵12连接，所述进水管路16上设有第二单向阀15。所述供水管路33和所述返流管路35均与水箱36连接，所述返流管路35上的第三球阀32。所述进气管路10一端与储气罐2相连，另一端与所述进水管路16靠近所述气液混合管路18的一端相连，所述储气罐2与空气压缩机1相连，所述进气管路10上设有减压阀3和第一单向阀8。所述进屑管路11一端与螺旋输料机6连接，另一端与所述气液混合管路18靠近所述试验管路21的一端连接，所述进屑管路11上设有第一球阀9，所述返流管路35上设有岩屑过滤器23，所述岩屑过滤器23的出水口处设置有滤网，从而实现岩屑过滤收集。

所述试验管路21和所述气液混合管路18之间连接有第一引压管37，所述试验管路21与所述返流管路35之间连接有第二引压管38，所述试验管路21与所述第一引压管37、所述第二引压管38之间分别通过第一旋转接头19和第二旋转接头22连接，所述旋转动力系统驱动所述试验管路21轴向旋转。所述螺旋输料机6、所述自吸泵12和旋转动力系统均连接有变频器，以控制进屑流量、进水流量和所述试验管路21的转速。

本实施例中，所述旋转动力系统包括电机26、第一主动链轮28、第一传动链条24、第二主动链轮30以及第二传动链条25；所述电机26的传动轴29与所述试验管路21延伸方向相同，所述第一主动链轮28和所述第二主动链轮30安装于所述电机26的传动轴29上、且在所述传动轴29延伸方向上间隔设置。所述第一传动链条24套设于所述第一旋转接头19和所述第一主动链轮28外围，所述第一传动链条24与所述第一旋转接头19上的齿轮和所述第一主动链轮28相啮合；所述第二传动链条25套设于所述第二旋转接头22和所述第二主动链轮30外围，所述第二传动链条25与所述第二旋转接头22上的齿轮和所述第二主动链轮30相啮合；所述电机26驱动所述第一主动链轮28和所述第二主动链轮30轴向旋转，从而带动所述试验管路21旋转，所述电机26与所述变频器和减速器27连接，通过变频器和减速器27可以对试验管路21的转速进行调节。

所述分流管路34一端与所述水箱36连通，另一端与所述进水管路16靠近所述自吸泵12的一端连通，所述分流管路34上设有第二球阀31，由于自吸泵12需要一定的启动频率，为了扩大第一试验管路21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34上的第二球阀31进行调节。

所述进气管路10和进屑管路11的管材为铸铁管，所述供水管路33和返流管路35的管材为PVC，所述气液混合管路18和试验管路21的管材为亚克力。

所述测试系统包括涡街流量计4、第一压力检测装置5、电磁流量计13、第二压力检测装置14、霍尔转速传感器20、差压变送器7、第三压力检测装置17和高速摄像机，所述涡街流量计4和第一压力检测装置5设于所述进气管路10上，所述电磁流量计13和所述第二压力检测装置14设于所述进水管路16上，所述第三压力检测装置17设于所述气液混合管路18上，所述第一压力检测装置5、第二压力检测装置14和第三压力检测装置17可以为数字压力表或压力传感器等。所述霍尔转速传感器20设于所述试验管路21上，所述第一引压管37和所述第二引压管38分别与所述差压变送器7连接。所述高速摄像机与所述气液混合管路18和所述试验管路21相对，便于对岩屑运移试验现象进行观察与记录。

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气液两相流岩屑运移试验装置可进行气液两相流在转动钻杆内的流动模式及能量损失试验，包括以下步骤：

S1将水箱36内装满水，关闭进气管路10上的减压阀3、进屑管路11上的第一球阀9和分流管路34上的第二球阀31，打开返流管路35上的第三球阀32。

S2接通电源，启动空气压缩机1和自吸泵12，通过调节连接自吸泵12的变频器和分流管路34上的第二球阀31来控制进水流量；待储气罐2储气满足试验要求时，通过调节进气管路10上的减压阀3来控制进气流量。

S3通过控制不同的进水流量和进气流量从而实现控制不同的气液流量比，观察不同气液流量比条件下的试验管路21气液两相流流型，记录涡街流量计4、第一压力检测装置5、电磁流量计13、第二压力检测装置14、第三压力检测装置17和差压变送器7的示数。

S4启动旋转动力系统，通过控制连接旋转动力系统的变频器(本实施例中为与电机连接的变频器)来控制试验管路21的转速，观察不同气液流量比和不同转速条件下的试验管路21气液两相流流型，记录涡街流量计4、第一压力检测装置5、电磁流量计13、第二压力检测装置14、第三压力检测装置17、差压变送器7和霍尔转速传感器20的示数；每组气液流量比和转速条件下的试验重复三次，计算取各测试仪表三次试验的示数平均值。

S5结束试验，关闭空气压缩机1、自吸泵12和旋转动力系统，切断电源。

进一步地，利用上述水平定向钻气液两相流岩屑运移试验装置可进行钻杆转动速度、气液流量比、岩屑粒径及含量等参数对气液两相流岩屑运移模式及能量损失的影响试验，步骤S2之后还包括：

S31通过控制不同的进水流量和进气流量从而实现控制不同的气液流量比；打开进屑管路11上的第一球阀9，启动螺旋输料机6，通过调节连接螺旋输料机6的变频器来控制进屑流量；通过控制不同的气液流量比、不同的岩屑粒径和进屑流量从而实现分析不同气液流量比、岩屑粒径及含量等参数对气液两相流岩屑运移模式及能量损失的影响，观察不同气液流量比、岩屑粒径及含量条件下的试验管路21气液固三相流流型，岩屑运移临界流速，记录涡街流量计4、第一压力检测装置5、电磁流量计13、第二压力检测装置14、第三压力检测装置17和差压变送器7的示数。

S41启动旋转动力系统，通过控制连接旋转动力系统的变频器(本实施例中为与电机连接的变频器)来控制试验管路21的转速，观察不同气液流量比、转速、岩屑粒径及含量条件下的试验管路21气液固三相流流型，岩屑运移临界流速，记录涡街流量计4、第一压力检测装置5、电磁流量计13、第二压力检测装置14、第三压力检测装置17、差压变送器7和霍尔转速传感器20的示数；每组气液流量比、转速、岩屑粒径及含量条件下的试验重复三次，计算取各测试仪表三次试验的示数平均值。

S51结束试验，关闭空气压缩机1、螺旋输料机6、自吸泵12和旋转动力系统，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气液两相流岩屑运移试验，研究气液两相流在转动钻杆内的流动模式及能量损失，分析钻杆转动速度、气液流量比、岩屑粒径及含量等参数对气液两相流岩屑运移模式及能量损失的影响。

其中自吸泵12连接着变频器，用于更好的调节进水流量；所述空气压缩机1连接着储气罐2配合使用，以便更好地稳压输出气体；所述螺旋输料机6也连接着变频器，用于调节岩屑进料流量；所述电机26也连接着变频器且配合减速器27使用，更好的方便控制试验管路21的转速；而气液混合管路18和试验管路21的材质为亚克力，便于观察管路内多相流流型及岩屑运移情况，配置高速摄像机等测试装置可实现气液两相流流型、气液固三相流流型、截面含气率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)

1.一种水平定向钻气液两相流岩屑运移试验装置及试验方法，其特征在于，包括旋转动力系统、测试系统、进气管路、依次连接的供水管路、进水管路、气液混合管路、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，所述试验管路和所述气液混合管路之间连接有第一引压管，所述试验管路与所述返流管路之间连接有第二引压管，所述试验管路与所述第一引压管、所述第二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试验管路轴向旋转；所述进气管路一端与储气罐相连，另一端与所述进水管路靠近所述气液混合管路的一端相连，所述储气罐与空气压缩机相连，所述进气管路上设有减压阀和第一单向阀；所述自吸泵和旋转动力系统均连接有变频器，以控制进水流量和所述试验管路的转速；

所述测试系统包括涡街流量计、第一压力检测装置、电磁流量计、第二压力检测装置、霍尔转速传感器、差压变送器和第三压力检测装置，所述涡街流量计和第一压力检测装置设于所述进气管路上，所述电磁流量计和所述第二压力检测装置设于所述进水管路上，所述第三压力检测装置设于所述气液混合管路上，所述霍尔转速传感器设于所述试验管路上，所述第一引压管和所述第二引压管分别与所述差压变送器连接。

2.如权利要求1所述的水平定向钻气液两相流岩屑运移试验装置，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所述的水平定向钻气液两相流岩屑运移试验装置，其特征在于，所述电机还连接有减速器。

4.如权利要求1所述的水平定向钻气液两相流岩屑运移试验装置，其特征在于，还包括进屑管路，所述进屑管路一端与螺旋输料机连接，另一端与所述气液混合管路靠近所述试验管路的一端连接，所述进屑管路上设有第一球阀，所述返流管路上设有岩屑过滤器，所述螺旋输料机连接有变频器，以控制进屑流量。

5.如权利要求1所述的水平定向钻气液两相流岩屑运移试验装置，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。

6.如权利要求1所述的水平定向钻气液两相流岩屑运移试验装置，其特征在于，所述进气管路的管材为铸铁管；和/或，

所述进屑管路的管材为铸铁管；和/或，

所述供水管路的管材为PVC；和/或，

所述返流管路的管材为PVC。

7.如权利要求1所述的水平定向钻气液两相流岩屑运移试验装置，其特征在于，所述气液混合管路和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。

8.如权利要求7所述的水平定向钻气液两相流岩屑运移试验装置，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气液混合管路和所述试验管路相对。

9.一种试验方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的水平定向钻气液两相流岩屑运移试验装置，包括以下步骤：

S1将水箱内装满水，关闭进气管路上的减压阀、进屑管路上的第一球阀；

S2接通电源，启动空气压缩机和自吸泵，通过调节连接自吸泵的变频器来控制进水流量；待储气罐储气满足试验要求时，通过调节进气管路上的减压阀来控制进气流量；

S3通过控制不同的进水流量和进气流量从而实现控制不同的气液流量比，观察不同气液流量比条件下的试验管路气液两相流流型，记录涡街流量计、第一压力检测装置、电磁流量计、第二压力检测装置、第三压力检测装置和差压变送器的示数；

S4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试验管路的转速，观察不同气液流量比和不同转速条件下的试验管路气液两相流流型，记录涡街流量计、第一压力检测装置、电磁流量计、第二压力检测装置、第三压力检测装置、差压变送器和霍尔转速传感器的示数；

S5结束试验，关闭空气压缩机、自吸泵和旋转动力系统，切断电源。

10.如权利要求9所述的试验方法，其特征在于，水平定向钻气液两相流岩屑运移试验装置还包括进屑管路，所述进屑管路一端与螺旋输料机连接，另一端与所述气液混合管路靠近所述试验管路的一端连接，所述进屑管路上设有第一球阀，所述返流管路上设有岩屑过滤器，所述螺旋输料机连接有变频器，以控制进屑流量；

步骤S2之后还包括：

S31通过控制不同的进水流量和进气流量从而实现控制不同的气液流量比；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；通过控制不同的气液流量比、不同的岩屑粒径和进屑流量从而实现分析不同气液流量比、岩屑粒径及含量等参数对气液两相流岩屑运移模式及能量损失的影响，观察不同气液流量比、岩屑粒径及含量条件下的试验管路气液固三相流流型，岩屑运移临界流速，记录涡街流量计、第一压力检测装置、电磁流量计、第二压力检测装置、第三压力检测装置和差压变送器的示数；

S41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试验管路的转速，观察不同气液流量比、转速、岩屑粒径及含量条件下的试验管路气液固三相流流型，岩屑运移临界流速，记录涡街流量计、第一压力检测装置、电磁流量计、第二压力检测装置、第三压力检测装置、差压变送器和霍尔转速传感器的示数；

S51结束试验，关闭空气压缩机、螺旋输料机、自吸泵和旋转动力系统，切断电源。

Images