CN114705834A - 模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统及其试验方法，包括试验台、试验腔、排渣管、泥岩分离箱和数据监测及采集装置，所述试验台上设置有油缸，与所述油缸连接有油泵，所述试验腔设置在所述油缸上，所述试验腔的底部铺设有岩屑，在所述试验腔内并位于所述岩屑上方的空间用于容纳泥浆，所述排渣管的一端位于所述试验腔内，所述排渣管的另一端由所述试验腔的上端延伸至所述试验腔外且置于所述泥岩分离箱的上方；所述数据监测及采集装置能够对试验过程中的压力数据进行监测及采集。该试验系统解决了现有装置排渣过程不可视的问题，利用该试验系统进行试验可直观获取井下岩屑堆积、岩屑悬浮状态和排渣管内岩屑运移规律。

Description

模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统及其试验方法

技术领域

本发明涉及钻井法凿井排渣技术领域，特别涉及一种模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统及其试验方法。

背景技术

近年来，随着浅埋煤炭资源渐趋枯竭，煤炭开采深度越来越大，而深部煤炭资源开采一般需建井先行。土木工程建设全面机械化已成发展趋势，盾构、TBM技术日益成熟，但如今井筒建设机械化程度相对较低，全面机械化凿井仅限于钻井法。钻井法凿井具有施工安全好、机械化程度高、井壁质量可靠，特别是可实现机械化、智能化施工，是今后深立井凿井的发展趋势。

钻井法凿井多采用流体排渣的方式，在流体排渣中，按循环方式分为正循环与反循环。针对大直径钻井，因井底岩屑运移距离长、岩屑粒径大，正循环更难获得较大的上返速度，所以大直径钻井洗井排渣时更适合采用反循环洗井排渣，又因为泥浆悬浮排渣具有泥浆护壁、冷却钻头、携岩效率高等特点，因此洗井介质多采用泥浆。

气举反循环泥浆悬浮排渣是以泥浆为洗井介质，以压缩空气为动力，使其与钻杆内的冲洗液混合并膨胀做功，从而形成低密度的气液混合物，使钻杆内、外液柱产生压差，并在压差作用下实现钻井液从钻杆内腔携带岩屑的反循环钻进技术。目前，该工艺在实施过程中遇到诸多困难，如注气参数、钻杆转速等因素难以确定，导致破碎岩屑在井底堆积，无法及时排出，造成岩屑重复破碎，因而增大钻头的扭矩和摩擦力，严重常造成卡钻、抱钻等井下事故，归根结底是人们对注气参数和岩屑的运移规律不了解，而现场不能随意调整注汽参数，对井下的岩屑堆积和运移也无法直观获取。

目前室内常用的模拟钻井排渣的试验装置通常存在以下不足：

(1)现有排渣试验装置多用于模拟空气排渣，排渣方向多为正循环环空排渣，且多用于模拟水平井、斜井、定向井等小尺寸油气井，对于模拟大尺寸立井井筒钻井法凿井气举反循环泥浆悬浮排渣的试验装置及方法少有；

(2)排渣装置中多采用钢材作为围护结构，无法实现可视化，对试验中井下岩屑的堆积和悬浮状态，以及岩屑在排渣管内部的运移无法直观获取；

(3)现有试验装置可调节的影响排渣的参数较少，无法全面反映各参数对排渣规律的影响。

因此，为全面了解各参数(注气压力、注气速度、注气流量、钻进速度、钻杆转速、钻杆内径、风管沉没高度等)对气举反循环泥浆悬浮排渣的影响规律，并可视化研究井下岩屑堆积、岩屑悬浮状态、排渣管内岩屑运移规律，亟需一种模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统及其试验方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统及其试验方法。利用该试验系统可模拟气举反循环泥浆悬浮排渣工艺过程，该试验系统灵活多变，可操作性强，可实现调节注气压力、注气速度、注气流量、钻进速度、钻杆转速、钻杆内径、风管沉没高度等参数，来研究多因素对排渣规律的影响，并解决了现有反循环泥浆悬浮排渣装置排渣过程不可视的问题，利用该试验系统进行试验可直观获取井下岩屑堆积、岩屑悬浮状态和排渣管内岩屑运移规律。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统，包括试验台、试验腔、排渣管、泥岩分离箱和数据监测及采集装置，其中，所述试验台上设置有油缸，与所述油缸连接有油泵，所述试验腔设置在所述油缸上，所述试验腔的底部铺设有岩屑，在所述试验腔内并位于所述岩屑上方的空间用于容纳泥浆，所述排渣管的一端位于所述试验腔内，所述排渣管的另一端由所述试验腔的上端延伸至所述试验腔外且置于所述泥岩分离箱的上方；所述排渣管能够搅拌所述试验腔内的所述泥浆进而使所述岩屑悬浮，混合有所述岩屑的所述泥浆能够通过所述排渣管排入所述泥岩分离箱；所述数据监测及采集装置能够对试验过程中的压力数据进行监测及采集。

进一步地，在上述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统中，所述试验台包括底座和位于所述底座上方的顶台，所述底座和所述顶台之间通过若干钢柱连接，所述油缸和所述试验腔均位于所述底座和所述顶台之间，所述顶台上设置有第一中心孔，所述排渣管穿过所述顶台的所述第一中心孔；所述顶台上设置有支架，所述支架上设置有动静转换装置，所述动静转换装置包括上段、中段和下段，所述上段和所述中段之间为固定连接，所述中段和所述下段之间为转动连接。

进一步地，在上述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统中，所述试验腔为顶端开口的桶状结构，所述试验腔的顶端设置有封盖，所述封盖上设置有第二中心孔，所述排渣管穿过所述第二中心孔；优选地，所述封盖的下表面嵌有橡胶圈，所述橡胶圈能够对所述封盖和所述试验腔之间进行密封；优选地，还包括固定器，所述固定器设置在所述试验腔内且位于所述试验腔的中部，所述试验腔的内壁上设置有卡扣，所述固定器的四周通过所述卡扣与所述试验腔的内壁连接，所述固定器设置有第三中心孔，所述排渣管穿过所述第三中心孔；优选地，所述试验腔的内径为0.4m-0.5m、壁厚为1.5cm、高度为2m；优选地，所述试验腔的材质为透明的有机玻璃。

进一步地，在上述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统中，所述数据监测及采集装置包括压力传感器、数据采集仪和计算机，若干所述压力传感器分布在所述岩屑的底部以及所述试验腔的侧壁上，所述压力传感器与所述数据采集仪连接，所述数据采集仪与所述计算机连接，所述压力传感器能够采集所述岩屑内部的压力数据，所述数据采集仪能够将所述压力传感器采集的压力数据传输给所述计算机；优选地，所述数据监测及采集装置还包括摄像机，所述摄像机设置在所述试验台的一侧，所述试验腔的外壁贴有标尺，所述摄像机和所述标尺配合用于监测所述试验腔内部岩屑的悬浮状态和所述排渣管内部岩屑的运移状态。

进一步地，在上述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统中，所述排渣管由直管段、鹅颈弯管和软管段组成，所述直管段的一端和所述鹅颈弯管的一端通过所述动静转换装置连通，所述直管段的另一端位于所述试验腔内，所述直管段能够旋转，所述鹅颈弯管的另一端与所述软管段的一端连通，所述软管段的另一端位于所述泥岩分离箱的上方；优选地，所述直管段的底端设置有风叶，所述风叶的直径为28cm-42cm；优选地，所述顶台上设置有发动机，所述直管段的顶部设置有传动端口，所述发动机通过履带与所述排渣管的所述传动端口连接，所述发动机为所述排渣管提供旋转动力，通过调节所述发动机的转速能够调节所述排渣管的转速；优选地，所述发动机的转速为30r/min-50r/min；优选地，所述软管段上设置有第一液体流量计，所述第一液体流量计能够实时显示所述排渣管内液体的瞬时流量、累计流量和流体速度；优选地，所述直管段的材质为透明的有机玻璃；优选地，所述直管段设置有三根，三根所述直管段的内径分别为3.5cm、4cm和4.5cm，所述直管段的壁厚为1cm、长度为2m-2.3m。

进一步地，在上述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统中，还包括空气压缩机、风管和注气管，所述风管的一端由所述鹅颈弯管内延伸至所述直管段内，所述风管的另一端由所述鹅颈弯管的侧壁穿出，所述风管的另一端通过所述注气管与所述空气压缩机连通，所述空气压缩机能够通过所述风管向所述排渣管内注气，进而为所述排渣管提供反循环动力气流；优选地，所述风管的另一端设置有风力阀门；优选地，所述注气管上设置有气体流量计，所述气体流量计能够实时显示气体的瞬时流量、累计流量和流速；优选地，所述空气压缩机设置有气压表，所述注气管上设置有压力调节阀，所述空气压缩机的注气压力为0.15MPa-0.45MPa；优选地，所述风管的内径为6mm、壁厚为1mm，所述风管设置有四根，四根所述风管的长度分别为1.6m、1.8m、2m和2.2m，所述风管的材质为铝合金，所述风管与所述鹅颈弯管连接处密封；优选地，所述风管的下端为斜切型封堵，所述风管的下端的侧壁上设置有若干出风口，所述出风口的出风方向为斜向上。

进一步地，在上述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统中，所述油泵与所述油缸通过若干承压管相连，所述试验腔随所述油缸在油压作用下能够产生向上的位移变化；优选地，所述顶台和所述试验腔之间设置有压杆位移计，所述压杆位移计能够对所述油缸产生的高度变化进行测量；所述油泵上设置有油压表，所述油压表实时显示所述油泵的压力，通过调节所述油泵的油压阀门控制所述油缸对试验腔产生向上的位移变化的速度。

进一步地，在上述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统中，所述泥岩分离箱包括过滤筛网和泥浆沉淀箱，所述泥浆沉淀箱为顶端开口的箱体结构，所述过滤筛网覆盖在所述泥浆沉淀箱上，所述过滤筛网的外缘与所述泥浆沉淀箱固定连接，所述过滤筛网能够过滤岩屑，所述泥浆沉淀箱用于容纳所述排渣管排出的泥浆；优选地，所述泥浆沉淀箱的材质为透明的有机玻璃，所述泥浆沉淀箱为边长为1m的立方体；优选地，所述过滤筛网的材质为纱布，所述过滤筛网的孔径为2mm。

进一步地，在上述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统中，还包括泥浆供给箱，所述泥浆供给箱通过补给管与所述试验腔连通，所述补给管上设置有抽水泵，所述泥浆供给箱用以容纳泥浆，当所述试验腔内部泥浆不足时，通过所述抽水泵能够向所述试验腔补充泥浆；优选地，所述泥浆供给箱的材质为透明的有机玻璃，所述泥浆供给箱为边长为1m的立方体；优选地，所述补给管上设置有液体阀门；优选地，所述补给管上设置有第二液体流量计，所述第二液体流量计能够实时显示所述补给管内液体的瞬时流量、累计流量和流体速度；优选地，所述泥浆由膨润土、水、纯碱和纤维素混合而成，所述泥浆配比为每1000ml水加10g膨润土、3g纯碱和2g纤维素；所述泥浆的密度为1.05g/cm³-1.1g/cm³、pH值为7-9、粘度为0.05-0.08Pa·s、失水量≤15ml/30min；所述试验腔内所述岩屑的厚度为10cm-30cm。

另一方面，提供了一种利用上述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统进行试验的方法，包括如下步骤：

步骤S1：检查气密性

首先将风管、注气管和空气压缩机依次连接，将风管的出风口暂时封堵，打开风力阀门和压力调节阀，以恒定注气压力向风管内注气，对风管的密封性进行检查；

步骤S2：组装试验系统

完成步骤S1后，将油缸放置在底座上，将油缸通过承压管与油泵连接，然后将试验腔放置在油缸上，在试验腔底部铺设压力传感器和岩屑；再将风叶固定在排渣管的直管段的底端，直管段的上端依次穿过固定器的第三中心孔、封盖的第二中心孔、顶台的第一中心孔和履带，将直管段放入试验腔，然后对固定器、封盖和顶台进行安装，接着将底座和顶台通过钢柱固定连接，再将直管段与动静转换装置连接，并将支架固定于顶台上；将直管段上的传动端口通过履带与发动机连接，将带有鹅颈弯管的风管固定于动静转换装置上端，再将软管段与鹅颈弯管连接；最后将压力传感器与数据采集仪连接，将数据采集仪与计算机连接，并将高清摄像机放置在合理位置；

步骤S3：配置泥浆

完成步骤S2后，采用膨润土、水、纯碱、和纤维素以预先计算好的配比充分搅拌融合配置泥浆，对泥浆的密度、pH值、粘度、失水量的参数进行测定，待泥浆满足各项要求时，将所配泥浆通过导管缓慢送入试验腔内部至预设高度，并将所配泥浆充满泥浆供给箱，为反循环泥浆悬浮排渣过程提供足够的循环介质；

步骤S4：试验及数据采集

完成步骤S3后，打开风力阀门、油泵的油压阀门和液体阀门，打开空气压缩机，将压力调节阀调至预定压力，将发动机调至预定转速，进行试验，在试验过程中通过抽水泵向试验腔补充泥浆，采用数据采集仪和计算机采集压力数据，并采用高清摄像机全程记录；

步骤S5：数据处理及再实验

完成步骤S4后，通过处理压力传感器数据可获取钻进过程中岩屑内部压力变化情况，通过高清摄像机拍摄可获取试验腔内部岩屑的悬浮规律和排渣管内部岩屑的运移规律，通过泥岩分离箱中一定时间内排出岩屑的质量与泥浆质量的比值，可获取该试验的排渣效率；

通过改变空气压缩机的气体压力、发动机的转速、油泵的压力、风管的长度、直管段的内径后，重复步骤S4，进而可获取各因素对排渣效率的影响规律。

分析可知，本发明公开一种模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统及其试验方法，该试验系统可有效模拟气举反循环泥浆悬浮排渣工艺过程，本发明试验系统灵活多变，可操作性强，可根据自己所需自由拆卸、组装、改装。该试验系统设置了压力调节阀、发动机、抽水泵、油压表、液体流量计、风力阀门、压杆位移计、液体阀门、气压表等组成元件，可根据研究所需调节对应的元件，进而可研究多因素(注气压力、注气速度、注气流量、钻进速度、钻杆转速、钻杆内径、沉没比等参数)对排渣规律的影响，解决了现有室内反循环泥浆悬浮排渣装置影响排渣的参数单一的问题。该试验系统中试验腔、排渣管、泥岩分离箱和泥浆供给箱均用透明的有机玻璃制成，可直观获取井下岩屑堆积、岩屑悬浮状态和排渣管内岩屑运移规律，解决了现有反循环泥浆悬浮排渣装置排渣过程不可视化的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为本发明一实施例的试验台的结构示意图。

图3为本发明一实施例的试验腔的结构示意图。

图4为图3的A处的局部放大的结构示意图。

图5为图3的B处的局部放大的结构示意图。

图6为本发明一实施例的泥岩分离箱的结构示意图。

图7为本发明一实施例的排渣管、风管装配的结构示意图。

图8为图7的C处的局部放大的结构示意图。

附图标记说明：1试验台；101底座；102顶台；103动静转换装置；104螺栓；105钢柱；106支架；2试验腔；201封盖；202固定器；203泥浆；204岩屑；205卡扣；206橡胶圈；207压力传感器；208标尺；3发动机；301履带；302传动端口；4油泵；401油压表；402承压管；403油缸；404油压阀门；5空气压缩机；501气压表；502注气管；6排渣管；601鹅颈弯管；602软管段；603第一液体流量计；604直管段；605风叶；7泥岩分离箱；701泥浆沉淀箱；702过滤筛网；8第二液体流量计；9泥浆供给箱；901补给管；10抽水泵；11摄像机；12数据采集仪；13计算机；14压力调节阀；15气体流量计；16风力阀门；17风管；18出风口；19压杆位移计；20液体阀门。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”和“第三”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。

如图1至图8所示，根据本发明的实施例，提供了一种模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统，如图1所示，该试验系统包括试验台1、试验腔2、排渣管6、泥岩分离箱7和数据监测及采集装置，其中，试验台1上设置有油缸403，与油缸403连接有油泵4，试验腔2设置在油缸403上，试验腔2的底部铺设有岩屑204，在试验腔2内并位于岩屑204上方的空间用于容纳泥浆203，排渣管6的一端位于试验腔2内，排渣管6的另一端由试验腔2的上端延伸至试验腔2外且置于泥岩分离箱7的上方；排渣管6能够搅拌试验腔2内的泥浆203，进而使岩屑204悬浮，混合有岩屑204的泥浆203能够通过排渣管6排入泥岩分离箱7；数据监测及采集装置能够对试验过程中的压力数据进行监测及采集。试验台1用于搭载油缸403和试验腔2，并为排渣管6提供转动着力点，使排渣管6稳定转动。排渣管6对试验腔2内泥浆203进行搅拌，并将携有岩屑204的泥浆203由排渣管6排出，使试验系统能够有效模拟气举反循环泥浆反循环排渣工艺，对研究液气固多相耦合作用下排渣机理提供了一个良好的试验平台。

进一步地，如图2所示，试验台1包括底座101和位于底座101上方的顶台102，底座101和顶台102之间通过若干钢柱105连接，钢柱105上端设置有螺纹孔，螺栓104穿过顶台102后与钢柱105顶部的螺纹孔连接，进而使底座101与顶台102之间固定连接，油缸403和试验腔2均位于底座101和顶台102之间，顶台102上设置有第一中心孔，排渣管6穿过顶台102的第一中心孔；顶台102上设置有支架106，支架106上设置有动静转换装置103，动静转换装置103包括上段、中段和下段，上段和中段之间为固定连接，中段和下段之间为转动连接。动静转换装置103的中段与支架106通过焊接的方式连为一体，支架106下端设置有螺纹孔，螺栓104穿过顶台102后与支架106下端的螺纹孔连接，进而使支架106固定在顶台102上。如此设置能够使试验台1具有灵活多变，可操作性强的特点，可根据需要实现自由拆卸、改装和组装。

进一步地，如图3所示，试验腔2为顶端开口的桶状结构，试验腔2的顶端设置有封盖201，封盖201能够防止液体飞溅。封盖201上设置有第二中心孔，排渣管6穿过第二中心孔；优选地，如图4所示，封盖201的下表面嵌有橡胶圈206，橡胶圈206能够对封盖201和试验腔2之间进行密封，用以防止试验腔2内部液体从封盖201的边缘流出；优选地，该试验系统还包括固定器202，固定器202设置在试验腔2内且位于试验腔2的中部，如图5所示，试验腔2的内壁上设置有卡扣205，固定器202的四周通过卡扣205与试验腔2的内壁固定连接，固定器202设置有第三中心孔，排渣管6穿过第三中心孔，固定器202用于对排渣管6的直管段604的位置进行限制，防止排渣管6在转动过程中向两侧抖动；优选地，试验腔2的内径为0.4m-0.5m、壁厚为1.5cm、高度为2m；优选地，试验腔2的材质为透明的有机玻璃，试验腔2采用透明的有机玻璃能够直观获取试验腔2内岩屑204堆积和悬浮状态。

进一步地，数据监测及采集装置包括压力传感器207、数据采集仪12和计算机13，若干压力传感器207均匀分布在岩屑204的底部以及试验腔2的侧壁上，压力传感器207为防水压力传感器，压力传感器207与数据采集仪12连接，数据采集仪12与计算机13连接，压力传感器207能够采集岩屑204内部的压力数据，数据采集仪12能够将压力传感器207采集的压力数据传输给计算机13，压力传感器207用于试验系统在模拟钻进与排渣过程中，监测岩屑204内部压力分布情况，数据采集仪12用于采集数据，计算机13用于收集并处理数据采集仪12所采集的压力数据；优选地，数据监测及采集装置还包括摄像机11，摄像机11为高清高频摄像机，摄像机11设置在试验台1的一侧，试验腔的外壁贴有标尺208，摄像机11和标尺208配合用于监测试验腔2内部岩屑204的悬浮状态和排渣管6内部岩屑204的运移状态。在本发明的一实施例中，采用直径为3mm-5mm的黑色玻璃小球，还有少量直径为3mm-5mm彩色标记的玻璃小球模拟岩屑204，通过摄像机11能够对彩色标记的玻璃小球的运移路径进行记录，从而计算岩屑204的运动速度。选取每5cm作为一个计算单元，由于高频摄像机记录的图片具有拍照时间，通过对图片时间的对比，能够得到彩色标记的玻璃小球在一个计算单元内的运动时间，进而获得该计算单元内彩色标记的玻璃小球的平均运动速度，从而能获得排渣管中岩屑204的运动速度规律。

进一步地，如图7所示，排渣管6由直管段604、鹅颈弯管601和软管段602组成，直管段604用于模拟实际工程中的钻杆，直管段604的一端和鹅颈弯管601的一端通过动静转换装置103连通，直管段604的一端与动静转换装置103的下段之间利用强力胶固定连接。鹅颈弯管601的一端与动静转换装置103的上段连接，鹅颈弯管601的一端利用橡胶垫进行包裹缠绕，鹅颈弯管601与动静转换装置103的上段之间的连接方式为插接，可实现自由拆卸。直管段604的另一端位于试验腔2内，直管段604能够旋转，鹅颈弯管601的另一端与软管段602的一端连通，鹅颈弯管601的另一端利用橡胶垫进行包裹缠绕，鹅颈弯管601的另一端可插入软管段602的一端内，且可实现自由拆卸，软管段602的另一端位于泥岩分离箱7的上方，方便排渣管6将泥浆203与岩屑204排入泥岩分离箱7。优选地，直管段604的底端设置有风叶605，风叶605旋转用以搅拌试验腔2内的泥浆203，并使岩屑204悬浮，使泥浆203携岩屑204能够通过排渣管6排出，风叶605的直径为28cm-42cm；优选地，顶台102上设置有发动机3，直管段604的顶部设置有传动端口302，发动机3通过履带301与排渣管6的传动端口302连接，发动机3为排渣管6提供旋转动力，发动机3通电后可调节转速，通过调节发动机3的转速能够调节排渣管6的直管段604的转速；优选地，发动机3的转速为30r/min-50r/min；优选地，如图1所示，软管段602上设置有第一液体流量计603，第一液体流量计603能够实时显示排渣管6内液体的瞬时流量、累计流量和流体速度。优选地，直管段604的材质为透明的有机玻璃，直管段604采用透明的有机玻璃能够直观获取排渣管6内岩屑204运移规律。优选地，在本发明的一实施例中，直管段604设置有三根，三根直管段604的内径分别为3.5cm、4cm和4.5cm，直管段604的壁厚为1cm、长度为2m-2.3m。利用不同内径的直管段604分别进行多次试验可以研究排渣管6的内径对排渣效果的影响规律。在本发明的其他实施例中，也可以选用其他内径的直管段604进行试验。

进一步地，如图7所示，该试验系统还包括空气压缩机5、风管17和注气管502，风管17置于排渣管6的直管段604内，风管17的一端由鹅颈弯管601内延伸至直管段604内，风管17的另一端由鹅颈弯管601的侧壁的预留孔穿出，风管17的另一端通过注气管502与空气压缩机5连通，空气压缩机5能够通过风管17向排渣管6内注气，进而为排渣管6提供反循环动力气流；优选地，风管17的另一端设置有风力阀门16，风力阀门16能够控制空气压缩机5产生的高压气体流入风管17，气体在排渣管6内与泥浆203混合，形成低密度的混合流体，气体膨胀做功，使试验腔2内携有岩屑204的泥浆203在压力的作用下通过排渣管6排出；优选地，注气管502上设置有气体流量计15，气体流量计15能够实时显示注气管502内气体的瞬时流量、累计流量和流速；气体流量计15用以量测气体流量，进而可获得注气速度。优选地，空气压缩机5设置有气压表501，气压表501可实时显示空气压缩机5的注气压力。注气管502上设置有压力调节阀14，压力调节阀14可用于调节注气压力。空气压缩机5的注气压力为0.15MPa-0.45MPa；优选地，风管17的内径为6mm、壁厚为1mm。在本发明的一实施例中，风管17设置有四根，四根风管17的长度分别为1.6m、1.8m、2m和2.2m，利用不同长度的风管17分别进行多次试验，用以研究风管17沉没比对排渣效果的影响(沉没比：风管17沉入液面以下的长度和液面以上的长度，一般情况下液面高度是不变的，多根风管在液面以上的长度保持不变，通过改变液面以下长度，来研究沉没比对排渣的影响)。在本发明的其他实施例中，也可以选用其他长度的风管17进行试验。风管17的材质为铝合金，风管17采用钢管既可承受高压，也可防止排渣管6内在气流和旋转流体作用下的抖动。风管17与鹅颈弯管601连接处密封，风管17顶端从鹅颈弯管601上的预留孔穿出后用强力胶进行封堵，保证气密性；优选地，如图8所示，风管17设置在靠近直管段604的一侧壁的位置，风管17的下端为斜切型封堵，风管17靠近直管段604侧壁的一侧壁的长度大于另一侧壁的长度，如此设置能够减少风管17与直管段604内旋转的流体及岩屑204的碰撞。风管17的下端的侧壁上设置有若干出风口18，出风口18的出风方向为斜向上，方便将空气压缩机5产生的气流沿斜向上方向输送至直管段604的内部。

进一步地，如图1所示，油泵4为高压油泵，油泵4与油缸403通过若干承压管402相连，试验腔2随油缸403在油压作用下能够产生向上的位移变化，用以模拟钻进推进的过程。优选地，顶台102和试验腔2之间设置有压杆位移计19，压杆位移计19的上端与顶台102连接，压杆位移计19的下端与试验腔2的封盖201连接，压杆位移计19能够对油缸403产生的高度变化进行测量；油泵4上设置有油压表401，油压表401实时显示油泵4的压力，通过调节油泵4的油压阀门404可获得不同油压作用下试验腔2的位移变化，通过记录产生相对位移量所需的时间，可计算出不同油压作用下钻进推进的速度。通过调节油泵4的油压阀门404控制油缸403的压力对试验腔2产生向上的位移变化的速度，进而控制钻进推进的速度；油泵4为市售产品，油泵的量程为30MPa。

进一步地，如图1所示，泥岩分离箱7包括过滤筛网702和泥岩分离箱701，泥岩分离箱701为顶端开口的箱体结构，过滤筛网702覆盖在泥岩分离箱701上，过滤筛网702的外缘与泥岩分离箱701通过若干螺栓固定连接，过滤筛网702能够过滤大颗粒的岩屑204，漏失小颗粒的泥浆203，泥岩分离箱701用于容纳排渣管6排出的泥浆203，实现岩屑204与泥浆203的分离；优选地，泥岩分离箱701的材质为透明的有机玻璃，泥岩分离箱701采用透明的有机玻璃能够直观获取泥岩分离箱701内岩屑204与泥浆203的分离情况。泥岩分离箱701为边长为1m的立方体；优选地，过滤筛网702的材质为纱布，过滤筛网702的孔径为2mm。如此设置能够对泥浆203进行有效的过滤，实现分离岩屑204与泥浆203的目的。

进一步地，如图1所示，该试验系统还包括泥浆供给箱9，泥浆供给箱9通过补给管901与试验腔2连通，补给管901上设置有抽水泵10，泥浆供给箱9用以容纳泥浆203，当试验腔2内部泥浆203不足时，通过抽水泵10能够向试验腔2补充泥浆203；优选地，泥浆供给箱9的材质为透明的有机玻璃，泥浆供给箱9采用透明的有机玻璃能够直观获取泥浆203的补给情况。泥浆供给箱9为边长为1m的立方体。优选地，补给管901上设置有液体阀门20，通过液体阀门20控制补给泥浆203的输送。优选地，补给管901上设置有第二液体流量计8，第二液体流量计8能够实时显示补给管901内液体的瞬时流量、累计流量和流体速度。优选地，泥浆203由膨润土、水、纯碱和纤维素混合而成，泥浆配比可选用每1000ml水加10g膨润土、3g纯碱和2g纤维素。泥浆203整体呈浅灰色透明液体，具有一定可视性，可实现透过泥浆203观察到实验腔2及排渣管6内岩屑204的悬浮及运移状态；泥浆203的密度为1.05g/cm³-1.1g/cm³、pH值为7-9、粘度为0.05Pa.s-0.08Pa·s、失水量≤15ml/30min。优选地，试验腔2内岩屑204的厚度为10cm-30cm。

本发明还公开了一种利用上述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统进行试验的方法，包括如下步骤：

步骤S1：检查气密性

首先将风管17、注气管502和空气压缩机5依次连接，并安装风力阀门16、压力调节阀14、气体流量计15，将风管17的出风口18暂时封堵，打开风力阀门16和压力调节阀14，以恒定注气压力向风管17内注气，对风管17的密封性进行检查，在注气过程中如果未听到漏气声，且气体流量计15的数值恒定不变、压力调节阀14的示数逐渐增大，则证明相关风管17的密封性良好，经多次尝试后对风管17的密封性进行确认。

步骤S2：组装试验系统

完成步骤S1后，将油缸403放置在底座101上，将油缸403通过承压管402与油泵4连接，然后将试验腔2放置在油缸403上，在试验腔2底部依次铺设压力传感器207和岩屑204；再将风叶605固定在排渣管6的直管段604的底端，直管段604的上端依次穿过固定器202的第三中心孔、封盖201的第二中心孔、顶台102的第一中心孔和履带301，然后对固定器202、封盖201和顶台102进行安装，接着将底座101和顶台102通过钢柱105和螺栓104固定连接，再将直管段604与动静转换装置103连接，并将支架106固定于顶台102上；将直管段604上的传动端口302通过履带301与发动机3连接，将带有鹅颈弯管601的风管17固定于动静转换装置103上端，再将软管段602与鹅颈弯管601连接；最后将压力传感器207与数据采集仪12连接，将数据采集仪12与计算机13连接，并将摄像机11放置在合理位置。

步骤S3：配置泥浆203

完成步骤S2后，采用膨润土、水、纯碱和纤维素以预先计算好的配比充分搅拌融合配置泥浆203，对泥浆203的密度、pH值、粘度、失水量的参数进行测定，待泥浆203满足各项要求时，将所配泥浆203通过导管缓慢送入试验腔2内部至预设高度，并将所配泥浆203充满泥浆供给箱9，为反循环泥浆203悬浮排渣过程提供足够的循环介质；

步骤S4：试验及数据采集

完成步骤S3后，打开风管17上的风力阀门16、油泵4的油压阀门404和补给管901上的液体阀门20，打开空气压缩机5，将压力调节阀14调至预定压力，将发动机3调至预定转速，进行试验，在试验过程中通过抽水泵10向试验腔2补充泥浆203，采用数据采集仪12和计算机13采集压力数据，并采用摄像机11全程记录。

步骤S5：数据处理及再实验

完成步骤S4后，通过处理压力传感器207数据可获取钻进过程中岩屑204内部压力变化情况，通过摄像机11拍摄可获取试验腔2内部岩屑204的悬浮规律和排渣管6内部岩屑204的运移规律，通过泥岩岩屑204分离箱中一定时间内排出岩屑204的质量与泥浆203质量的比值，可获取该试验的排渣效率；

通过改变空气压缩机5的气体压力、发动机3的转速、油泵4的压力、风管17的长度、直管段604的内径后，重复步骤S4，进而可获取各因素对排渣效率的影响规律。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1)该试验系统通过空气压缩机5向风管17中注入压缩气体，通过出风口18将气体输送至排渣管6内，气体混合排渣管6内的泥浆203，形成低密度的混合流体，气体膨胀做功，使试验腔2内的携有岩屑204的泥浆203在压力的作用下通过排渣管6排出，抽水泵10及时向试验腔2内补充泥浆203，从而形成泥浆反循环，使试验系统可有效模拟气举反循环泥浆反循环排渣工艺，对研究液气固多相耦合作用下排渣机理提供了一个良好的试验平台。

2)试验台1具有灵活多变，可操作性强的特点，可根据自己所需自由拆卸、组装、改装。

3)过滤筛网702可以阻隔大颗粒的岩屑204，漏失小颗粒的泥浆203，实现岩屑204与泥浆203的分离。

4)该试验系统设置了压力调节阀14、发动机3、抽水泵10、油压表401、液体流量计603、风力阀门16、压杆位移计19、液体阀门20、气压表501等组成元件，可根据研究所需调节对应的元件，进而可研究多因素(注气压力、注气速度、注气流量、钻进速度、钻杆转速、钻杆内径、风管17沉没高度等)对排渣规律的影响，解决了现有室内反循环泥浆悬浮排渣装置影响排渣的参数单一的问题。

5)该试验系统中试验腔2、排渣管6、泥岩分离箱7和泥浆供给箱9均用透明的有机玻璃制成，可直观获取井下岩屑204堆积、岩屑204悬浮状态和排渣管6内岩屑204运移规律，解决了现有反循环泥浆悬浮排渣装置排渣过程不可视化的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统，其特征在于，包括试验台、试验腔、排渣管、泥岩分离箱和数据监测及采集装置，其中，

所述试验台上设置有油缸，与所述油缸连接有油泵，所述试验腔设置在所述油缸上，所述试验腔的底部铺设有岩屑，在所述试验腔内并位于所述岩屑上方的空间用于容纳泥浆，所述排渣管的一端位于所述试验腔内，所述排渣管的另一端由所述试验腔的上端延伸至所述试验腔外且置于所述泥岩分离箱的上方；

所述排渣管能够搅拌所述试验腔内的所述泥浆进而使所述岩屑悬浮，混合有所述岩屑的所述泥浆能够通过所述排渣管排入所述泥岩分离箱；

所述数据监测及采集装置能够对试验过程中的压力数据进行监测及采集。

2.根据权利要求1所述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统，其特征在于，

所述试验台包括底座和位于所述底座上方的顶台，所述底座和所述顶台之间通过若干钢柱连接，所述油缸和所述试验腔均位于所述底座和所述顶台之间，所述顶台上设置有第一中心孔，所述排渣管穿过所述顶台的所述第一中心孔；

所述顶台上设置有支架，所述支架上设置有动静转换装置，所述动静转换装置包括上段、中段和下段，所述上段和所述中段之间为固定连接，所述中段和所述下段之间为转动连接。

3.根据权利要求1所述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统，其特征在于，

所述试验腔为顶端开口的桶状结构，所述试验腔的顶端设置有封盖，所述封盖上设置有第二中心孔，所述排渣管穿过所述第二中心孔；

优选地，所述封盖的下表面嵌有橡胶圈，所述橡胶圈能够对所述封盖和所述试验腔之间进行密封；

优选地，还包括固定器，所述固定器设置在所述试验腔内且位于所述试验腔的中部，所述试验腔的内壁上设置有卡扣，所述固定器的四周通过所述卡扣与所述试验腔的内壁连接，所述固定器设置有第三中心孔，所述排渣管穿过所述第三中心孔；

优选地，所述试验腔的内径为0.4m-0.5m、壁厚为1.5cm、高度为2m；

优选地，所述试验腔的材质为透明的有机玻璃。

4.根据权利要求2所述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统，其特征在于，

所述数据监测及采集装置包括压力传感器、数据采集仪和计算机，若干所述压力传感器分布在所述岩屑的底部以及所述试验腔的侧壁上，所述压力传感器与所述数据采集仪连接，所述数据采集仪与所述计算机连接，所述压力传感器能够采集所述岩屑内部的压力数据，所述数据采集仪能够将所述压力传感器采集的压力数据传输给所述计算机；

优选地，所述数据监测及采集装置还包括摄像机，所述摄像机设置在所述试验台的一侧，所述试验腔的外壁贴有标尺，所述摄像机和所述标尺配合用于监测所述试验腔内部岩屑的悬浮状态和所述排渣管内部岩屑的运移状态。

5.根据权利要求2所述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统，其特征在于，

所述排渣管由直管段、鹅颈弯管和软管段组成，所述直管段的一端和所述鹅颈弯管的一端通过所述动静转换装置连通，所述直管段的另一端位于所述试验腔内，所述直管段能够旋转，所述鹅颈弯管的另一端与所述软管段的一端连通，所述软管段的另一端位于所述泥岩分离箱的上方；

优选地，所述直管段的底端设置有风叶，所述风叶的直径为28cm-42cm；

优选地，所述顶台上设置有发动机，所述直管段的顶部设置有传动端口，所述发动机通过履带与所述排渣管的所述传动端口连接，所述发动机为所述排渣管提供旋转动力，通过调节所述发动机的转速能够调节所述排渣管的转速；

优选地，所述发动机的转速为30r/min-50r/min；

优选地，所述软管段上设置有第一液体流量计，所述第一液体流量计能够实时显示所述排渣管内液体的瞬时流量、累计流量和流体速度；

优选地，所述直管段的材质为透明的有机玻璃；

优选地，所述直管段设置有三根，三根所述直管段的内径分别为3.5cm、4cm和4.5cm，所述直管段的壁厚为1cm、长度为2m-2.3m。

6.根据权利要求5所述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统，其特征在于，

还包括空气压缩机、风管和注气管，所述风管的一端由所述鹅颈弯管内延伸至所述直管段内，所述风管的另一端由所述鹅颈弯管的侧壁穿出，所述风管的另一端通过所述注气管与所述空气压缩机连通，所述空气压缩机能够通过所述风管向所述排渣管内注气，进而为所述排渣管提供反循环动力气流；

优选地，所述风管的另一端设置有风力阀门；

优选地，所述注气管上设置有气体流量计，所述气体流量计能够实时显示气体的瞬时流量、累计流量和流速；

优选地，所述空气压缩机设置有气压表，所述注气管上设置有压力调节阀，所述空气压缩机的注气压力为0.15MPa-0.45MPa；

优选地，所述风管的内径为6mm、壁厚为1mm，所述风管设置有四根，四根所述风管的长度分别为1.6m、1.8m、2m和2.2m，所述风管的材质为铝合金，所述风管与所述鹅颈弯管连接处密封；

优选地，所述风管的下端为斜切型封堵，所述风管的下端的侧壁上设置有若干出风口，所述出风口的出风方向为斜向上。

7.根据权利要求2所述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统，其特征在于，

所述油泵与所述油缸通过若干承压管相连，所述试验腔随所述油缸在油压作用下能够产生向上的位移变化；

优选地，所述顶台和所述试验腔之间设置有压杆位移计，所述压杆位移计能够对所述油缸产生的高度变化进行测量；

所述油泵上设置有油压表，所述油压表实时显示所述油泵的压力，通过调节所述油泵的油压阀门控制所述油缸对试验腔产生向上的位移变化的速度。

8.根据权利要求1所述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统，其特征在于，

所述泥岩分离箱包括过滤筛网和泥浆沉淀箱，所述泥浆沉淀箱为顶端开口的箱体结构，所述过滤筛网覆盖在所述泥浆沉淀箱上，所述过滤筛网的外缘与所述泥浆沉淀箱固定连接，所述过滤筛网能够过滤岩屑，所述泥浆沉淀箱用于容纳所述排渣管排出的泥浆；

优选地，所述泥浆沉淀箱的材质为透明的有机玻璃，所述泥浆沉淀箱为边长为1m的立方体；

优选地，所述过滤筛网的材质为纱布，所述过滤筛网的孔径为2mm。

9.根据权利要求1所述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统，其特征在于，

还包括泥浆供给箱，所述泥浆供给箱通过补给管与所述试验腔连通，所述补给管上设置有抽水泵，所述泥浆供给箱用以容纳泥浆，当所述试验腔内部泥浆不足时，通过所述抽水泵能够向所述试验腔补充泥浆；

优选地，所述泥浆供给箱的材质为透明的有机玻璃，所述泥浆供给箱为边长为1m的立方体；

优选地，所述补给管上设置有液体阀门；

优选地，所述补给管上设置有第二液体流量计，所述第二液体流量计能够实时显示所述补给管内液体的瞬时流量、累计流量和流体速度；

优选地，所述泥浆由膨润土、水、纯碱和纤维素混合而成；所述泥浆的密度为1.05g/cm³-1.1g/cm³、pH值为7-9、粘度为0.05-0.08Pa·s、失水量≤15ml/30min；所述试验腔内所述岩屑的厚度为10cm-30cm。

10.一种利用权利要求1～9任一项所述的模拟气举反循环泥浆悬浮排渣的室内试验系统进行试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：检查气密性

首先将风管、注气管和空气压缩机依次连接，将风管的出风口暂时封堵，打开风力阀门和压力调节阀，以恒定注气压力向风管内注气，对风管的密封性进行检查；

步骤S2：组装试验系统

完成步骤S1后，将油缸放置在底座上，将油缸通过承压管与油泵连接，然后将试验腔放置在油缸上，在试验腔底部铺设压力传感器和岩屑；再将风叶固定在排渣管的直管段的底端，直管段的上端依次穿过固定器的第三中心孔、封盖的第二中心孔、顶台的第一中心孔和履带，将直管段放入试验腔，然后对固定器、封盖和顶台进行安装，接着将底座和顶台通过钢柱固定连接，再将直管段与动静转换装置连接，并将支架固定于顶台上；将直管段上的传动端口通过履带与发动机连接，将带有鹅颈弯管的风管固定于动静转换装置上端，再将软管段与鹅颈弯管连接；最后将压力传感器与数据采集仪连接，将数据采集仪与计算机连接，并将高清摄像机放置在合理位置；

步骤S3：配置泥浆

完成步骤S2后，采用膨润土、水、纯碱、和纤维素以预先计算好的配比充分搅拌融合配置泥浆，对泥浆的密度、pH值、粘度、失水量的参数进行测定，待泥浆满足各项要求时，将所配泥浆通过导管缓慢送入试验腔内部至预设高度，并将所配泥浆充满泥浆供给箱，为反循环泥浆悬浮排渣过程提供足够的循环介质；

步骤S4：试验及数据采集

完成步骤S3后，打开风力阀门、油泵的油压阀门和液体阀门，打开空气压缩机，将压力调节阀调至预定压力，将发动机调至预定转速，进行试验，在试验过程中通过抽水泵向试验腔补充泥浆，采用数据采集仪和计算机采集压力数据，并采用高清摄像机全程记录；

步骤S5：数据处理及再实验

完成步骤S4后，通过处理压力传感器数据可获取钻进过程中岩屑内部压力变化情况，通过高清摄像机拍摄可获取试验腔内部岩屑的悬浮规律和排渣管内部岩屑的运移规律，通过泥岩分离箱中一定时间内排出岩屑的质量与泥浆质量的比值，可获取该试验的排渣效率；

通过改变空气压缩机的气体压力、发动机的转速、油泵的压力、风管的长度、直管段的内径后，重复步骤S4，进而可获取各因素对排渣效率的影响规律。

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