CN103711480A - 水平钻进试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平钻进试验装置，属于钻进试验设备领域，该装置包括：模型箱、空气压缩机和钻进装置；其中，模型箱内为密闭箱体，密闭箱体内设有能沿箱体内竖向运动的活塞，活塞下方为土样舱，活塞上方为加压舱，加压舱与空气压缩机连接；模型箱设有钻进通道，钻进通道横向贯穿模型箱的土样舱；钻进装置设置在模型箱外，其钻头设置在模型箱的钻进通道内。该装置通过在模型箱上设置贯穿模型箱内土样舱的钻进通道，使钻进装置的钻头可以对土样舱内经活塞、加压舱与空气压缩机配合加压后的土样进行水平钻进试验，保证模拟试验结果的准确性。该装置结构简单，体积小，操作方便。

Description

水平钻进试验装置

技术领域

本发明涉及钻进试验设备领域，特别是涉及一种水平钻进试验装置。

背景技术

水平定向钻进技术被广泛的应用于市政工程建设、能源开发等领域，例如，中国石油公司大港—济南—枣庄成品油管道工程，采用非开挖水平定向钻进技术施工，铺设管道总长度1063米，并取得圆满成功。以及始端位于杭州萧山区，末端位于杭州市与海宁市交界处的钱塘江光缆穿越工程，总长度首次达到2454.15米，是国内首次采用对穿工艺的成功实施，在国内水平定向钻进领域具有里程碑意义。但是由于土的工程特性和地层参数的差异，经常会遇见井壁失稳导致的地面沉降、塌陷等事故。这一问题已经引起相关专家学者的关注，并进行了大量的研究工作，如中国石油大学（北京）葛洪魁对理想条件下水平井地层破裂压力的理论分析，建立了应力应变的计算模型，对工程施工起到一定的理论指导。周从明研发设计了水平定向钻进软件，主要包括输入***、轨迹最优化设计、辅助功能和输出***4个模块，该软件具有实用性强、计算速度快、用户界面友好、操作方便简捷和容错能力强等优点。叶根飞采用直径73mm弯外管螺杆钻具开展了现场试验，得出“可通过调整弯外管螺杆钻具工具面向角改变钻孔的倾角和方位角,控制钻孔轨迹的延伸”等结论。

目前，关于水平定向钻进的研究主要集中在理论分析、数值建模以及现场测试等方法，理论分析对水平井钻进技术具有重要的指导意义，但是由于土体的复杂性、影响因素的多样性，理论分析需要做很多理想假设，所以所得的结论与实际相比具有一定的偏差。应用数值模拟软件计算简单快捷，但模拟的结果往往与工程实践有很大的偏差，不能完全描述真实钻进过程中的破坏情况。现场原位试验结果可直接作为类似条件水平钻进施工参考的依据，但是现场原位试验具有试验时间比较长，资金投入多等缺点。

鉴于上述因素，很多学者采用模型试验来研究水平定向钻进问题，如黄建勇设计了水平井井筒流动模拟实验装置，可以进行油、气、水三相流动过程中流动截面上各相分数、各相速度等流动参数的测试和分析。但模型试验有其自身无法克服的缺点，就是缩尺后的模型试验中各个物理参数与实际参数之间的相似问题，对于水平定向钻进过程，一个很重要的因素就是土的重力的影响，因此，本发明专利拟通过给模型试验中的土施加一定的压力，来模拟实际地层中土的参数（包括土压力、孔隙水压力等），进而模拟水平钻进过程可能出现的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种水平钻进试验装置，可在室内模拟实际地层水平定向钻进过程中可能出现的井壁稳定性以及可能引起的地面沉降等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种水平钻进试验装置，包括：

模型箱、空气压缩机和钻进装置；其中，

所述模型箱内为密闭箱体，所述密闭箱体内设有能沿箱体内竖向运动的活塞，所述活塞下方为土样舱，所述活塞上方为加压舱，所述加压舱与所述空气压缩机连接；

所述模型箱设有钻进通道，所述钻进通道横向贯穿所述模型箱的土样舱；

所述钻进装置设置在所述模型箱外，其钻头设置在所述模型箱的钻进通道内。

本发明的有益效果为：通过在模型箱上设置贯穿模型箱内土样舱的钻进通道，使钻进装置的钻头可以对土样舱内经活塞、加压舱与空气压缩机配合加压后的土样进行水平钻进试验，保证模拟试验结果的准确性。该装置结构简单，体积小，操作方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的水平钻进试验装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的水平钻进试验装置的模型箱结构示意图；

图3为本发明实施例提供的模型箱的活塞结构示意图；

图4为本发明实施例提供的模型箱的顶盖结构示意图；

图5为本发明实施例提供的模型箱的底座结构示意图；

图6为本发明实施例提供的模型箱的钻进通道的螺纹密封盖结构示意图；

图7为本发明实施例提供的钻进装置的钻头和钻杆结构示意图；

图8为本发明实施例提供的钻进装置的钻头结构示意图；

图9为本发明实施例提供的钻进装置的钻头正面结构示意图；

图10为本发明实施例提供的模型箱的钻进通道的作为密封件的螺纹密封环示意图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1所示为本发明实施例提供一种水平钻进试验装置，用于施工的水平钻进模拟试验，该装置包括：模型箱1、空气压缩机2和钻进装置3；

其中，模型箱1内为密闭箱体，密闭箱体内设有能沿箱体内竖向运动的活塞11，活塞11下方为土样舱12，活塞11上方为加压舱13，加压舱12与空气压缩机2连接；

模型箱1设有钻进通道14，钻进通道14横向贯穿模型箱1的土样舱12；

钻进装置3设置在模型箱1外，其钻头31设置在模型箱1的钻进通道14内。

如图1、2所示，上述试验装置中，模型箱1包括：顶盖17、中桶15、底座16和多根拉杆18；其中，

中桶15固定设置在底座16上，经优选，中桶15与底座16可以为一体结构；

顶盖17扣装在中桶15顶部的开口上，顶盖17与中桶15接触处设有密封用的密封圈；

中桶15外周的顶盖17与底座16之间通过多根拉杆18连接；拉杆可采用不锈钢拉杆，可均匀分布在顶盖17与底座16之间，固定顶盖17、中桶15和底座16；

顶盖17设有为活塞11的后端导向的导向槽171，导向槽171与活塞11的后端接触处设有密封用的密封圈174（见图4）；

活塞11与中桶15内壁接触处设置密封圈111（见图3），活塞11将中桶12内分为土样舱12和加压舱13。

上述模型箱1中，顶盖17、中桶15和底座16均为圆形，底座16如图5所示，其沿边沿均匀设有安装拉杆18的通孔161。顶盖17沿边沿也均匀设有多个安装拉杆18的通孔173。上述试验装置中，加压舱12与空气压缩机3连接为：空气压缩机3的输气管路21和设置在输气管路上的调压阀、气动接头经顶盖17上的加压通孔172与中桶15内的加压舱13连通。

上述模型箱中，钻进通道14设置在模型箱1的中间部位；钻进通道14为圆筒形，钻进通道14一端设有供钻进装置的钻头31进入的钻头开口，另一端设有螺纹密封盖141。

上述试验装置中，钻进装置3的钻头与钻进通道14的钻头开口接触处设置密封用的密封件141，密封件141可采用图10所示的螺纹密封环，确保钻进通道14的钻头开口的密封性。经优选，钻进装置3采用水平取芯钻进装置。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明

本发明实施例提供一种可模拟实际地层水平定向钻进试验装置，可用于开展室内模拟实验研究，可以模拟在水平井钻进过程中，井壁的破坏情况，从而对理论研究起到验证和引导作用。

如图1所示，该水平钻进试验装置由模型箱、空气压缩机和钻进装置构成；其中模型箱采用有机玻璃材料制作而成，模型箱结构如图2-图5所示，包括底座、中桶和顶盖构成，底座和中桶为一体构造，顶盖扣装在中桶的上开口上，中桶内设有活动构件活塞，活塞下方的中桶内为试验时的土样舱，活塞上方与顶盖之间的中桶内为加压舱，顶盖设有对活塞的后端进行导向的导向槽，活塞在导向槽的约束下在中桶内只能做竖向运动。顶盖（上部法兰）通过8根直径为20mm的不锈钢拉杆与底座连接成一体。为保证模型箱内部的密闭性，对各接口处采取了严格的密封措施，活塞与中桶之间采用O形密封圈密封、厚度为3mm的橡胶密封膜密封，活塞与顶盖导向槽之间采用条形密封圈密封；顶盖、活塞、密封膜之间的密闭空间作为堆载加压的土样舱，土样舱堆载加压时将推动活塞向下运动压密土样，以模拟试验地层的土压力。采用空气压缩机产生的压缩气体作为动力，通过安装在活塞及顶盖上的气动接头将压缩气体传至加压舱，输气管路上设有调压阀，通过调压阀可调节进气流量以满足试验所需的荷载条件。用于水平井钻进的钻进装置采用取芯钻进，这样可以在保证模型箱密封性的前提下，将破碎的土体排出。通过控制钻进装置的转速以及钻进装置前进的速度，可以模拟在不同钻速和钻压下水平井井壁的破坏情况。

下面对上述试验装置的各部件进行具体说明：

模型箱采用有机玻璃材料制作而成，通过空气压缩机加压模拟钻进时的土压力，采用空气压缩机加压可以减小试验装置的尺寸，试验更容易操作。但是在空气压缩机加压的过程中，要保证模型箱的密封性，才能使试验土体充分固结，达到模拟实际地层的效果。

（1）模型箱结构如图2～图5所示，主要由五部分构成：底座（圆形）、中筒、活塞（圆形）、密封膜、顶盖（上部法兰，圆形），仪器主要采用有机玻璃材料制作而成。底座和中桶为一体构造，形成试验时的土样舱，活塞为活动构件，通过空气压缩机加压，在顶盖的导向槽的约束下只能做竖向运动，给土样加压。模型箱尺寸，底座为直径700mm的圆盘，在底座圆盘四周有八个20mm的圆孔，供加压杆使用。中筒为内径460mm，外径500mm，壁厚20mm，高度1000mm的圆筒。在距离底部300mm的位置开两个内径100mm，外径140mm水平贯穿圆孔，作为水平井钻进的通道。

上述模型箱的密封结构包括：顶盖（上部法兰）通过8根直径为20mm的不锈钢拉杆与底座连接成一体。为保证仪器内部的密闭性，对各接口处采取了严格的密封措施，活塞与中筒之间采用O形密封圈密封、厚度为3mm的橡胶密封膜密封，活塞与顶盖导向槽之间采用条形密封圈密封。

在钻进通道左端用直径100mm的螺纹密封盖密封，在钻进通道右端用螺纹环密封（作为钻进装置3的钻头与钻进通道14的钻头开口接触处设置密封用的密封件141），其中，外径100mm，内径70mm，螺纹环和钻杆之间用密封圈密封。

（2）钻进装置：

由于本试验装置需要加压，必须保证实验过程中储土箱的密封性，所以采用取芯钻进设备作为钻进装置，为了保证在试验过程中的密封性，钻头、钻杆、钻机设计成一体结构。钻头用钢材料制作而成，钻头结构如图7、8、9所示，钻头长30mm，外径80mm，内径60mm，钻头前面均匀设置8个旋刀。钻杆结构如图6所示，钻杆由钢材料制作而成，钻杆外径70mm，内径60mm，钻杆一端与钻头焊接，另一端与钻机通过螺纹连接，形成一个完整的整体。

钻机的设计，采用电机改装而成，钻机参数设计：钻机的转速在60r/min-200r/min可调节，可以模拟转速对水平井稳定性的影响。钻压的设计，用电机带动推车，通过改变电机的动力来改变钻压，从而可以模拟钻压、钻速对水平井稳定性的影响。

上述试验装置的安装顺序及试验操作流程如下：

（1）组装好试验所用的模型箱，包括活塞处的密封，钻进通道的密封以及不锈钢拉杆与底座连接到一起。先将钻头预置在钻进通道中，盖上圆环密封环以及密封圈。

（2）将试验所用土体加入试验模型箱中，启动空气压缩机进行预压，根据所模拟地层的深度控制空气压缩机的压力，（根据不同试验土体选用不同的加压时间，建议采用循环加压，可以减短加压时间）使土体充分固结。

（3）启动钻进装置（可以是加压钻机和钻进钻机），可根据研究对水平井稳定性影响因素选用不同的钻压和转速。

（4）监测在钻进过程中水平井的稳定性，以及其破坏情况。

（5）本装置所能模拟的影响因素包括：水平井开挖深度、水平井的直径、井壁土体的性质、地下水的埋深、转速、钻压和钻速的影响。

本发明实施例提供的试验装置，可以准确模拟出实际的地层压力，保证试验模拟水平钻进的准确性，且装置体积较小，操作简单。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种水平钻进试验装置，其特征在于，包括：

模型箱、空气压缩机和钻进装置；其中，

所述模型箱内为密闭箱体，所述密闭箱体内设有能沿箱体内竖向运动的活塞，所述活塞下方为土样舱，所述活塞上方为加压舱，所述加压舱与所述空气压缩机连接；

所述模型箱设有钻进通道，所述钻进通道横向贯穿所述模型箱的土样舱；

所述钻进装置设置在所述模型箱外，其钻头设置在所述模型箱的钻进通道内。

2.如权利要求1所述的水平钻进试验装置，其特征在于，所述模型箱包括：顶盖、中桶、底座和多根拉杆；其中，

所述中桶固定设置在所述底座上；

所述顶盖扣装在所述中桶顶部的开口上，所述顶盖与所述中桶接触处设有密封用的密封圈；

所述中桶外周的所述顶盖与所述底座之间通过所述多根拉杆连接；

所述顶盖设有为所述活塞的后端导向的导向槽，所述导向槽与所述活塞的后端接触处设有密封用的密封圈；

所述活塞与所述中桶内壁接触处设置密封圈，所述活塞将所述中桶分为所述土样舱和所述加压舱。

3.如权利要求2所述的水平钻进试验装置，其特征在于，所述顶盖、中桶和底座均为圆形。

4.如权利要求2所述的水平钻进试验装置，其特征在于，所述加压舱与所述空气压缩机连接为：所述空气压缩机的输气管路和设置在所述管路上的调压阀、气动接头经所述顶盖上的加压通孔与所述中桶内的加压舱内连通。

5.如权利要求1所述的水平钻进试验装置，其特征在于，所述钻进通道设置在所述模型箱的中间部位；

所述钻进通道为圆筒形，钻进通道一端设有供所述钻进装置的钻头进入的钻头开口，另一端设有螺纹密封盖。

6.如权利要求5所述的水平钻进试验装置，其特征在于，还包括：设置在所述钻头开口上的螺纹密封环。

7.如权利要求5所述的水平钻进试验装置，其特征在于，所述钻进装置的钻头与所述钻进通道的钻头开口接触处设置密封用的密封件。

8.如权利要求5所述的水平钻进试验装置，其特征在于，所述钻进装置采用水平取芯钻进装置。

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