CN114279905A - 一种模拟钻孔钻屑产生的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟钻孔钻屑产生的装置，包括液压系统、储岩仓和可视化钻孔；液压系统包括电动液压站、高压输油管、液压千斤顶、支架和活塞杆；液压千斤顶和活塞杆均安装在支架上，液压千斤顶的柱塞前端与活塞杆的一端铰接；储岩仓包括密封盖和岩仓本体；活塞杆的另一端可穿过密封盖并可插入岩仓本体的内孔中；可视化钻孔安装于岩仓本体的另一端，可视化钻孔包括固定法兰、钻杆、有机玻璃管和承压杆，有机玻璃管的一端与岩仓本体的另一端对接且连通；有机玻璃管的另一端部安装模拟长钻孔施工的钻杆。本发明还公开了一种模拟钻孔钻屑产生的方法。本发明的钻屑产生的装置和方法可以更真实的模拟井下不同工况钻孔时煤屑的产出与运移过程。
Description
技术领域
本发明属于钻孔环空钻屑运移规律研究，具体涉及一种模拟钻孔钻屑产生的装置及方法。
背景技术
钻孔抽采瓦斯是井下常用的瓦斯治理技术手段，但煤矿井下长距离钻孔施工过程中长期面临“塌、垮、喷、卡”等问题，极大的降低了钻孔效率。特别是在含瓦斯松软煤层中钻进，由于煤体强度低、粘接性弱，同时受高瓦斯压力和异常地应力影响，易发生煤屑运移不畅，孔壁破坏垮塌，顶钻甚至喷孔等动力现象，且在退钻过程中钻具也难以回撤，成孔率较低，导致在构造影响区内无法进行长距离的顺煤层钻孔施工。同时钻屑在钻孔和孔底堆积会加速钻头与钻杆磨损，增加钻机功率，导致钻进效率下降等问题。所以研究钻孔中多相流特征对提高钻进效率，保持钻孔稳定具有重要意义。
目前针对钻屑运移的研究主要集中在石油和天然气地面钻井抽采井筒施工中。常采用的方法包括现场监测，实验室实验以及数值模拟等方法。但受限于地面钻井井筒特点，实验室实验常采用搭建的实验架模拟钻井中的岩屑运移过程，煤屑的供给采用预先破碎的煤屑，通过控制钻屑量或注入速度模拟不同工况下的岩屑产出。但是，该钻屑供给方式难以模拟真实的钻进过程中钻屑的产出与分布，进而无法真实的反应初始阶段的钻屑运移规律。基于此，从井下钻孔施工的角度出发，提出了一种模拟钻孔钻屑产生的装置。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种模拟钻孔钻屑产生的装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种模拟钻孔钻屑产生的装置，包括液压系统、储岩仓和可视化钻孔；
所述液压系统包括电动液压站、高压输油管、液压千斤顶、支架和活塞杆；所述液压千斤顶和活塞杆均安装在支架上，所述液压千斤顶靠近支架的一端，所述活塞杆靠近支架的另一端；所述液压千斤顶的柱塞前端与活塞杆的一端铰接，所述电动液压站通过高压输油管与液压千斤顶连接；
所述储岩仓包括密封盖和用于装载煤岩颗粒的岩仓本体；所述岩仓本体的一端通过密封盖安装在支架的另一端外侧，所述活塞杆的另一端可穿过密封盖并可插入岩仓本体的内孔中；
所述可视化钻孔安装于岩仓本体的另一端，所述可视化钻孔包括固定法兰、钻杆、有机玻璃管和承压杆，所述有机玻璃管的一端与岩仓本体的另一端对接且连通；所述有机玻璃管的两端外侧分别安装有固定法兰，所述承压杆的两端与有机玻璃管两端的固定法兰固定连接，所述有机玻璃管的另一端部安装模拟长钻孔施工的钻杆，所述钻杆上安装的钻头朝向岩仓本体的另一端。
作为本发明的一种优选方案，所述液压千斤顶通过可旋转的固定底座与支架的一端连接。
作为本发明的一种优选方案，所述液压千斤顶的柱塞前端采用可旋转的连接装置与活塞杆的一端铰接。
作为本发明的一种优选方案，所述高压输油管的一端与液压千斤顶连接，所述高压输油管的另一端与液压控制阀连接，所述液压控制阀通过高压油管与电动液压站的高压油泵连通。
一种模拟钻孔钻屑产生的方法，该方法采用了上述的一种模拟钻孔钻屑产生的装置；该方法包括如下步骤：
1)卸下岩仓本体两端的螺栓和螺帽，取下岩仓本体，采用螺栓将装载托盘固定安装在岩仓本体的另一端上；在岩仓本体的内壁上涂抹黄油，取预先破碎筛分的岩屑颗粒，将岩屑颗粒与粘接材料混合，分多次装入岩仓本体中，每次装入后使用压杆配合液压泵加载至预设压力，维持8min-12min，然后泄压取出压杆；再次装入岩屑颗粒与粘接材料的混合物，直到最后一次装入岩屑颗粒与粘接材料的混合物，加载后保持压力1h-2h直至完全成型；
2)将装载完毕的岩仓养护5-7天，待岩屑颗粒混合物完全凝固成型，拆卸装载托盘，将岩仓本体装回实验装置；拧紧岩仓本体两端的螺栓后，启动钻机带动钻杆转动，将液压控制阀上的转向杆拨至保压挡位，启动电动液压站，调节液压控制阀上的调速旋钮至实验模拟工况下的钻进速度，拨动转向杆至前进挡位，液压千斤顶向前移动推动活塞杆，活塞杆将岩仓本体中的岩屑推入有机玻璃管中，在钻头的挤压、旋转削切的作用下粘接的岩屑块体再次破碎，碎屑进入钻孔，钻孔介质冲洗孔底将钻屑携带至钻孔外；
3)待岩仓本体中的岩屑完全进入钻孔后，停止钻机，将转向杆拨至回退挡位，回撤活塞杆，待活塞杆完全回撤后，将转向杆拨回保压挡位，关闭电动液压站，实验结束；
4)之后可拆岩仓本体，再次进行装载和实验；实验过程中通过可视化窗口可定点观察记录钻孔过程中钻屑运移规律，钻头对煤壁的切削作用效果。
作为本发明的一种优选方案，所述岩屑颗粒与粘接材料按重量配比为1:0.4进行混合。
作为本发明的一种优选方案，所述粘接材料为石膏。
与现有技术相比，本发明具有如下技术优点：
1、本发明可应用于钻孔动态过程研究，钻头研发等领域。装置具有简单，操作便捷，效果显著，适用性广等特点。装置可以有效的模拟钻孔钻进过程，观察记录钻头对煤壁的切削作用。同时，装置可应用于钻孔内多相流流动实验研究中，作为煤屑供应设备，通过改变煤屑级配，成型压力以及推进速度，可以更真实的模拟井下不同工况钻孔时煤屑的产出与运移过程。
2、作为钻屑供给设备，该装置主要用于钻孔钻屑运移实验研究。目前在实验室中进行钻孔钻屑运移研究时，钻屑通常采用预先破碎的岩屑颗粒，一次或多次装入钻孔底部，再通过钻孔介质携带出钻孔。该方法难以实现均匀持续的钻屑供给，也不能体现钻屑的初始运动状态。使用本发明的模拟钻孔钻屑产生的装置，可以较好的模拟钻孔时钻头对钻孔底部岩块的切削过程，实现钻屑的均匀供给。并且通过改变推进速度，调整钻屑颗粒级配，可以模拟不同钻孔工况下的钻进过程。同时可视化窗口可较好的观察记录孔底钻屑的运移规律，可以更清晰完善的记录研究钻屑在钻孔中的移动规律和发展过程。
附图说明
图1为一种模拟钻孔钻屑产生的装置的结构示意图；
图2为储岩仓和可视化钻孔配合的结构示意图；
图3为活塞杆的结构示意图；
图4为装载托盘的主视图；
图5为装载托盘的剖面视图；
图6为压杆的结构示意图。
图中，1—电动液压站；2—液压表；3—转向杆；4—调速旋钮；5—高压输油管；6—固定底座；7—液压千斤顶；8—支架；9—连接装置；10—活塞杆；11—密封头；12—密封盖；13—岩仓本体；14—固定法兰；15—钻杆；16—有机玻璃管；17—承压杆；18—密封圈；19—法兰；20—螺纹孔；21—装载托盘；22—压杆。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，一种模拟钻孔钻屑产生的装置，包括液压系统、储岩仓和可视化钻孔。
其中，液压系统包括电动液压站1、高压输油管5、液压千斤顶7、支架8和活塞杆10。液压千斤顶7和活塞杆10均安装在支架8上，液压千斤顶7靠近支架8的一端，在本实施例中，液压千斤顶7最大行程600mm，液压千斤顶7通过可旋转的固定底座6与支架8的一端连接。活塞杆10靠近支架8的另一端，可实现垂直面上液压千斤顶7在一定范围内的转动，方便安装和调节。液压千斤顶7的柱塞前端与活塞杆10的一端铰接，在本实施例中，液压千斤顶7的柱塞前端采用可旋转的连接装置9与活塞杆10的一端铰接，活塞杆10全长750mm，活塞杆10的端部采用内置螺钉连接密封头11以贴合岩仓本体13的内径大小，活塞杆10的结构如图3所示。电动液压站1通过高压输油管5与液压千斤顶7连接，高压输油管5的一端与液压千斤顶7连接，高压输油管5的另一端与液压控制阀连接，液压控制阀通过高压油管与电动液压站1的高压油泵连通。电动液压站1工作时，通过调节调速旋钮4改变液压千斤顶7的行进速度，调速范围0.5mm/s～5mm/s；通过转向杆3改变进油和回油管路，可切换液压千斤顶7的运动状态，包括前进，后退以及保压三种模式。通过液压表2可读取此时的压力大小，该系统可提供0～30MPa的压力。
储岩仓包括密封头11、密封盖12和用于装载煤岩颗粒的岩仓本体13，如图2所示。岩仓本体13长为620mm，内径为80mm。支架8的另一端部设置通孔，密封盖12的中部设置通孔，密封头11的中部也设置通孔。密封盖12的左端通过其上预留的螺纹孔20使用螺栓固定在支架8上，通过密封盖12与支架8之间设置的密封圈18进行密封，密封盖12上的通孔与支架8上的通孔对应。将密封头11套上活塞杆10的另一端上并将其安装至密封盖12的通孔中，使用螺栓进行固定，通过密封头11通孔上设置的密封圈18对活塞杆10与密封头11进行密封。岩仓本体13的左右两端分别设置法兰19，岩仓本体13的左端上的法兰19与密封盖12的右端连接，并通过法兰19上设置的密封圈18与密封盖12的右端密封，岩仓本体13通过密封盖12安装在支架8的另一端外侧。活塞杆10的另一端可穿过密封头11的通孔和密封盖12的通孔，活塞杆10的另一端并可插入岩仓本体13的内孔中。
可视化钻孔安装于岩仓本体13的右端，如图2所示，可视化钻孔包括固定法兰14、钻杆15、有机玻璃管16和承压杆17。有机玻璃管16的两端外侧分别安装有固定法兰14，有机玻璃管16左端的固定法兰14与岩仓本体13右端的法兰19固定连接并通过其上的密封圈18密封，有机玻璃管16与岩仓本体13连通。有机玻璃管16的两端的固定法兰14之间均布设置多根承压杆17，承压杆17的两端与有机玻璃管16两端的固定法兰14固定连接，有机玻璃管16的右端部安装模拟长钻孔施工的钻杆15，钻杆15上安装的钻头朝向岩仓本体13的右端。在本实施例中，有机玻璃管16采用粘接的方式固定于两个固定法兰14内，再将承压杆17的两端焊接于两个固定法兰14上，起到承压受力保护有机玻璃管16的目的。
一种模拟钻孔钻屑产生的方法，该方法采用了上述的一种模拟钻孔钻屑产生的装置；该方法包括如下步骤：
1)卸下岩仓本体13两端的螺栓和螺帽，取下岩仓本体13，采用螺栓将装载托盘21固定安装在岩仓本体13的右端上。在岩仓本体13的内壁上涂抹黄油，取预先破碎筛分的岩屑颗粒，将岩屑颗粒与粘接材料混合，分多次装入岩仓本体13中，每次装入后使用压杆22配合液压泵加载至预设压力，维持8min-12min，然后泄压取出压杆22；再次装入岩屑颗粒与粘接材料的混合物，直到最后一次装入岩屑颗粒与粘接材料的混合物，加载后保持压力1h-2h直至完全成型。配套辅助装载托盘21和压杆22，装载托盘13可固定在岩仓端部用于装载煤岩颗粒，并通过压杆22采用压力机加载挤压成型，装载托盘21的结构如图4和图5所示，压杆22的结构如图6所示。
岩屑颗粒与粘接材料按重量配比为1:0.4进行混合，粘接材料为石膏。在实验中受钻孔介质的浸泡，石膏吸水后软化导致粘接力减弱材料强度降低，与旋转钻头接触时更易被钻头再次破碎，同时破碎块体上的石膏在钻孔介质中将进一步软化，最终分散成岩屑颗粒，进而可较好的模拟钻孔内的钻屑分布。
2)将装载完毕的岩仓养护5-7天，待岩屑颗粒混合物完全凝固成型，拆卸装载托盘21，将岩仓本体13装回实验装置。拧紧岩仓本体13两端的螺栓后，启动钻机带动钻杆15转动，将液压控制阀上的转向杆3拨至保压挡位，启动电动液压站1，调节液压控制阀上的调速旋钮4至实验模拟工况下的钻进速度，拨动转向杆3至前进挡位，液压千斤顶7向前移动推动活塞杆10，活塞杆10将岩仓本体13中的岩屑推入有机玻璃管16中，在钻头的挤压、旋转削切的作用下粘接的岩屑块体再次破碎，碎屑进入钻孔，钻孔介质冲洗孔底将钻屑携带至钻孔外。
3)待岩仓本体13中的岩屑完全进入钻孔后，停止钻机，将转向杆3拨至回退挡位，回撤活塞杆10，待活塞杆10完全回撤后，将转向杆3拨回保压挡位，关闭电动液压站1，实验结束。
4)之后可拆岩仓本体13，再次进行装载和实验；实验过程中通过可视化窗口可定点观察记录钻孔过程中钻屑运移规律，钻头对煤壁的切削作用效果。
本发明提供的模拟钻孔钻屑产生的装置及方法，主要用于钻孔钻屑运移实验研究，可以较好的模拟钻孔时钻头对钻孔底部岩块的切削过程，实现钻屑的均匀供给，并且通过改变推进速度，调整钻屑颗粒级配，可以模拟不同钻孔工况下的钻进过程；同时可视化窗口可较好的观察记录孔底钻屑的运移规律，可以更清晰完善的记录研究钻屑在钻孔中的移动规律和发展过程。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种模拟钻孔钻屑产生的装置，其特征在于，包括液压系统、储岩仓和可视化钻孔；
所述液压系统包括电动液压站(1)、高压输油管(5)、液压千斤顶(7)、支架(8)和活塞杆(10)；所述液压千斤顶(7)和活塞杆(10)均安装在支架(8)上，所述液压千斤顶(7)靠近支架(8)的一端，所述活塞杆(10)靠近支架(8)的另一端；所述液压千斤顶(7)的柱塞前端与活塞杆(10)的一端铰接，所述电动液压站(1)通过高压输油管(5)与液压千斤顶(7)连接；
所述储岩仓包括密封盖(12)和用于装载煤岩颗粒的岩仓本体(13)；所述岩仓本体(13)的一端通过密封盖(12)安装在支架(8)的另一端外侧，所述活塞杆(10)的另一端可穿过密封盖(12)并可插入岩仓本体(13)的内孔中；
所述可视化钻孔安装于岩仓本体(13)的另一端，所述可视化钻孔包括固定法兰(14)、钻杆(15)、有机玻璃管(16)和承压杆(17)，所述有机玻璃管(16)的一端与岩仓本体(13)的另一端对接且连通；所述有机玻璃管(16)的两端外侧分别安装有固定法兰(14)，所述承压杆(17)的两端与有机玻璃管(16)两端的固定法兰(14)固定连接，所述有机玻璃管(16)的另一端部安装模拟长钻孔施工的钻杆(15)，所述钻杆(15)上安装的钻头朝向岩仓本体(13)的另一端。
2.根据权利要求1所述的一种模拟钻孔钻屑产生的装置，其特征在于，所述液压千斤顶(7)通过可旋转的固定底座(6)与支架(8)的一端连接。
3.根据权利要求1所述的一种模拟钻孔钻屑产生的装置，其特征在于，所述液压千斤顶(7)的柱塞前端采用可旋转的连接装置(9)与活塞杆(10)的一端铰接。
4.根据权利要求1所述的一种模拟钻孔钻屑产生的装置，其特征在于，所述高压输油管(5)的一端与液压千斤顶(7)连接，所述高压输油管(5)的另一端与液压控制阀连接，所述液压控制阀通过高压油管与电动液压站(1)的高压油泵连通。
5.一种模拟钻孔钻屑产生的方法，其特征在于，该方法采用权利要求1至4中所述的一种模拟钻孔钻屑产生的装置；该方法包括如下步骤：
1)卸下岩仓本体(13)两端的螺栓和螺帽，取下岩仓本体(13)，采用螺栓将装载托盘(21)固定安装在岩仓本体(13)的另一端上；在岩仓本体(13)的内壁上涂抹黄油，取预先破碎筛分的岩屑颗粒，将岩屑颗粒与粘接材料混合，分多次装入岩仓本体(13)中，每次装入后使用压杆(22)配合液压泵加载至预设压力，维持8min-12min，然后泄压取出压杆(22)；再次装入岩屑颗粒与粘接材料的混合物，直到最后一次装入岩屑颗粒与粘接材料的混合物，加载后保持压力1h-2h直至完全成型；
2)将装载完毕的岩仓养护5-7天，待岩屑颗粒混合物完全凝固成型，拆卸装载托盘(21)，将岩仓本体(13)装回实验装置；拧紧岩仓本体(13)两端的螺栓后，启动钻机带动钻杆(15)转动，将液压控制阀上的转向杆(3)拨至保压挡位，启动电动液压站(1)，调节液压控制阀上的调速旋钮(4)至实验模拟工况下的钻进速度，拨动转向杆(3)至前进挡位，液压千斤顶(7)向前移动推动活塞杆(10)，活塞杆(10)将岩仓本体(13)中的岩屑推入有机玻璃管(16)中，在钻头的挤压、旋转削切的作用下粘接的岩屑块体再次破碎，碎屑进入钻孔，钻孔介质冲洗孔底将钻屑携带至钻孔外；
3)待岩仓本体(13)中的岩屑完全进入钻孔后，停止钻机，将转向杆(3)拨至回退挡位，回撤活塞杆(10)，待活塞杆(10)完全回撤后，将转向杆(3)拨回保压挡位，关闭电动液压站(1)，实验结束；
4)之后可拆岩仓本体(13)，再次进行装载和实验；实验过程中通过可视化窗口可定点观察记录钻孔过程中钻屑运移规律，钻头对煤壁的切削作用效果。
6.根据权利要求5所述的一种模拟钻孔钻屑产生的方法，其特征在于，所述岩屑颗粒与粘接材料按重量配比为1:0.4进行混合。
7.根据权利要求5所述的一种模拟钻孔钻屑产生的方法，其特征在于，所述粘接材料为石膏。
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