一种新型钻孔环空多相流模拟试验方法

申请号 CN202210650474.5 申请日 2022-06-09 公开(公告)号 CN114893169B 公开(公告)日 2024-05-10
申请人 重庆大学; 发明人 唐建新; 孔令锐; 袁芳; 李霜; 李伟; 王潇; 鲁思佳; 林圆;
摘要 本 发明 提供一种新型钻孔环空 多相流 模拟试验方法,包括以下步骤:S1、取预先 破碎 筛分好的 煤 屑颗粒和粘接材料加 水 混合,分多次装入岩仓内 挤压 成型 ;S2、待粘接材料 凝结 后连接岩仓,关闭所有 阀 门 注入氮气检查气密性;S3、将电动液压站上转向杆置于保压模式,调节无级调速旋钮改变 液压千斤顶 行进速度;S4、将调配水化好的钻孔泥浆注入钻孔,向钻孔内注入氮气,液压千斤顶推动岩仓内岩屑向前运移进入钻孔内,岩屑破碎后随泥浆向出口端流动;S5、实时记录各仪表读数和孔内流场规律并 采样 泥浆;S6、待岩仓内煤屑完全进入钻孔后关闭供电 开关 ,排出孔内残余 流体 ,测定过滤罐内固相含量实验结束。本 申请 能对钻孔内 钻屑 运移与环空压降影响进行模拟研究。
权利要求

1.一种新型钻孔环空多相流模拟试验方法,其特征在于,在该方法中采用了一种新型钻孔环空多相流模拟试验装置,所述新型钻孔环空多相流模拟试验装置包括钻进模拟系统、钻屑与瓦斯供给系统、泥浆保压循环控制系统;
所述钻进模拟系统包括第一可视化窗口、第二可视化窗口和第三可视化窗口,所述第一可视化窗口和第二可视化窗口之间通过法兰固定连接有第一段钻孔外壁,所述第二可视化窗口和第三可视化窗口之间通过法兰固定连接有第二段钻孔外壁,所述第三可视化窗口的孔口处通过法兰固定连接有孔口段钻孔外壁,所述第一可视化窗口至第二段钻孔外壁的管路上通过钻孔安设有若干取样口和进气口,所述取样口上设有取样开关,所述进气口采用单向,所述第一段钻孔外壁至孔口段钻孔外壁的管路上通孔钻孔安设有若干泥浆压表;相互连通的第一段、第二段和孔口段钻孔外壁内间隙设有多段固定连接的中空钻杆,位于第一段钻孔外壁内的中空钻杆左端固定连接有一圆锥形钻头,所述圆锥形钻头的圆锥斜面上等分布置有多个泥浆出孔,并且位于第一段钻孔外壁内的中空钻杆左端底部通过支撑固定并保持预定的偏心度,中空钻杆右端由孔口段钻孔外壁内延伸至孔外,所述孔口段钻孔外壁的钻孔外端部通过填料密封装置进行密封,延伸至孔外的中穿钻杆穿过蜗轮蜗杆减速机通过旋转接头与端头连接管相连,所述端头连接管上安装有记录流入钻孔内泥浆流量的泥浆流量计;
所述钻屑与瓦斯供给系统包括屑供应装置和气体供应装置,所述煤屑供应装置用于给钻孔内供应煤岩颗粒并具体包括电动液压站、高压输油管、液压千斤顶支架活塞杆和岩仓,所述电动液压站通过高压输油管与液压千斤顶连接,所述液压千斤顶通过可旋转的固定底座安装在支架的左端,所述液压千斤顶的柱塞前端与活塞杆的左端铰接,所述岩仓的左端通过相连接的密封盖安装在支架右端外侧,所述密封盖通过螺栓与支架右端内侧的密封头连接固定在支架上,所述活塞杆的右端可穿过密封头和密封盖并插入岩仓内;所述气体供应装置用于模拟孔壁向孔内涌入瓦斯并具体包括氮气罐,所述氮气罐的出气口通过管路顺序连接有气瓶开关、减压阀、气体流量计、四通分流器和高压连接管,所述高压连接管的两端分别连接四通分流器的出口以及钻进模拟系统上的进气口;
所述泥浆保压循环控制系统用于向钻孔内提供高压泥浆、调节孔内压力以及回收循环利用泥浆,所述泥浆保压循环控制系统具体包括调压过滤罐、液相储集池和高压泥浆,所述调压过滤罐内从上往下安装有目数依次减小的上中下三层过滤网,所述下层过滤网下方的调压过滤罐体上设置有进液管,所述进液管通过高压连通管与孔口段钻孔外壁内部相连,所述调压过滤罐的下部设置有固相清理口,所述固相清理口旁侧的调压过滤罐上设置有排阀,所述调压过滤罐顶端的法兰盘上连接有固定法兰,所述固定法兰上分别固定连接有调压管路和安全管路,所述调压管路的中段连接有调压阀,所述安全管路的出口端与调压阀后部的调压管路出口端相连接,所述安全管路上连接有一组安全阀和压力传感器,所述安全阀为电磁阀与电磁继电器相连受压力传感器控制,所述调压管路的出口端通过软管与液相储集池相连,所述液相储集池通过高压连通管与高压泥浆泵的进口端相连,所述高压泥浆泵的出口端通过高压连通管与端头连接管进口端相连;
该方法包括以下步骤:
S1、将所述岩仓卸下并在岩仓内壁涂抹黄油,将所述岩仓装载煤屑颗粒配套辅助用的装载托盘固定安装在岩仓的右端,取预先破碎筛分好的煤屑颗粒,将煤屑颗粒和粘接材料加水混合均匀,分多次装入岩仓内,每次装入后采用压杆配合压力机加载挤压成型;
S2、将装载完毕后的岩仓养护3 5天,待粘接材料完全凝结后拆下装载托盘,将岩仓左~
端与密封盖连接且右端与第一可视化窗口左端连接,关闭所有阀,向整个试验装置的管路内注入氮气,检查试验装置的气密性;
S3、打开调压阀,调节安全压力至大于实验压力0.2MPa,将煤屑供应装置中电动液压站上转向杆置于保压模式,调节无级调速旋钮改变液压千斤顶行进速度至实验所需钻进速度;
S4、打开泥浆流量计和泥浆压力表供电开关,打开电动液压站供电开关,打开蜗轮蜗杆减速机供电开关带动中空钻杆转动,打开高压泥浆泵将液相储集池内调配水化好的钻孔泥浆通过中空钻杆及圆锥形钻头上的泥浆出孔注入钻孔内,待泥浆充满整个管路后调节调压阀,使管路内泥浆压力达到设定值,待管路压力和流量稳定后再次打开气瓶开关,调节减压阀至设定压力向钻孔内注入氮气,推动电动液压站上转向杆置于前进模式,使液压千斤顶按设定速度推动岩仓内岩屑向前运移进入钻孔内,受圆锥形钻头旋转切削作用再次破碎成颗粒,并随着泥浆通过钻孔环形空间向出口端流动;
S5、实验中,实时记录各泥浆流量计及泥浆压力表读数,采用高速摄像机通过可视化窗口记录孔内流场规律,并通过取样口对孔内各处泥浆进行采样
S6、待岩仓内的岩屑完全进入钻孔后,关闭高压泥浆泵和蜗轮蜗杆减速机供电开关,打开调压过滤罐上的排水阀排出孔内残余流体,测定调压过滤罐内固相含量,实验结束。
2.根据权利要求1所述的新型钻孔环空多相流模拟试验方法,其特征在于,所述第一可视化窗口、第二可视化窗口和第三可视化窗口均包括化玻璃管,所述钢化玻璃管的两端外侧分别安装有连接法兰,所述钢化玻璃管两端的连接法兰上固定连接有承压杆。
3.根据权利要求1所述的新型钻孔环空多相流模拟试验方法,其特征在于,所述第一段钻孔外壁和第二段钻孔外壁均包括相互连接的前后两节钻孔外壁,前后两节钻孔外壁的两端分别焊接有用于组合连接不同管路的法兰盘。
4.根据权利要求3所述的新型钻孔环空多相流模拟试验方法,其特征在于,所述第一段钻孔外壁和第二段钻孔外壁的两节钻孔外壁管路上通过钻孔安设有取样口。
5.根据权利要求3所述的新型钻孔环空多相流模拟试验方法,其特征在于,所述第一可视化窗口以及第一段钻孔外壁和第二段钻孔外壁的后节钻孔外壁管路上通过钻孔安设有进气口。
6.根据权利要求3所述的新型钻孔环空多相流模拟试验方法,其特征在于,所述第一段钻孔外壁的前后两节钻孔外壁、第二段钻孔外壁的后节钻孔外壁以及孔口段钻孔外壁的管路上通孔钻孔安设有泥浆压力表。
7.根据权利要求1所述的新型钻孔环空多相流模拟试验方法,其特征在于,所述中空钻杆共分为三段,每段中空钻杆的左端设有内螺纹,每段中空钻杆的右端设有与内螺纹配合连接的外螺纹
8.根据权利要求1所述的新型钻孔环空多相流模拟试验方法,其特征在于,所述圆锥形钻头的圆锥斜面上等分布置有三个直径为5mm的泥浆出孔。
9.根据权利要求1所述的新型钻孔环空多相流模拟试验方法,其特征在于,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左端铰接。
10.根据权利要求1所述的新型钻孔环空多相流模拟试验方法,其特征在于,所述步骤S1中使用的粘接材料为石膏,所述煤屑颗粒和石膏的重量配比为10:1。

说明书全文

一种新型钻孔环空多相流模拟试验方法

技术领域

[0001] 本发明涉及层钻孔钻屑运移模拟研究技术领域,具体涉及一种新型钻孔环空多相流模拟试验方法。

背景技术

[0002] 钻孔抽采是现有煤矿瓦斯治理的主要技术手段,在煤与瓦斯突出和瓦斯超限防治过程中具有重要地位,常用的钻孔抽采技术可分为穿层钻孔和顺层钻孔抽采两种方式。与
穿层钻孔相比,顺层钻孔具有速度快,抽采效果好,成本低等优势,是目前高瓦斯矿井及煤
与瓦斯突出矿井优先选用的技术措施。然而,在构造影响区或松软煤层内进行顺层钻孔作
业时,打破了孔周煤体的应平衡状态,孔周煤体向钻孔内部移动,导致钻孔不稳定,与此
同时,在施钻过程中煤屑颗粒在重力作用下沉降、堆积形成颗粒床,煤屑运移不畅将导致钻
进困难、卡钻、孔壁失稳坍塌、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难以进行顺煤层钻孔施工。因此,研究煤屑颗粒运移规律
是保证钻孔稳定以及后续煤层气顺利开采的基础
[0003] 在油气钻井领域,采用理论分析、数值模拟、实验室试验以及现场观测等技术手段对井段井眼清洁的问题开展了一系列的研究并取得了相应的成果。其中室内模拟试验是一
种直观、可控、可重复性强的研究手段,得到诸多研究工作者的青睐,但是目前孔内钻屑运
移试验模拟研究主要基于地表油气钻井施工作业进行展开,极少关注煤矿井下平或缓斜
煤层长距离钻孔施工钻屑的运移特征。而本申请发明人经过研究发现,目前采用的钻屑
模拟试验多采用将钻井液与钻屑混合后,注入钻孔模拟段,难以真实的反应井下破岩钻进
的过程;多数模拟试验无法模拟钻孔内钻杆自转以及钻杆偏心对环空煤屑运移的影响规
律;针对井下保压钻孔施工,未考虑井下钻孔中煤层保压钻进的影响,以及高瓦斯煤层钻孔
过程中瓦斯涌出对流场的扰动。模拟试验条件较为单一,难以应对井下煤层保压钻进的复
杂条件。
[0004] 基于以上原因,如何创新地结合井下顺煤层保压钻孔技术方法特征,设计一种能广泛应用的,能综合考虑环空压力、泥浆性能、钻进速度、钻屑尺寸与级配比、钻杆转速、瓦
斯涌出等对钻孔内钻屑运移与环空压降的钻进模拟方法,以期为井下保压钻孔工艺提供参
考,成为目前亟需解决的问题。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的技术问题,本发明提供一种新型钻孔环空多相流模拟试验方法。
[0006] 为了解决上述技术问题,本发明采用了如下的技术方案:
[0007] 一种新型钻孔环空多相流模拟试验方法,在该方法中采用了一种新型钻孔环空多相流模拟试验装置,所述新型钻孔环空多相流模拟试验装置包括钻进模拟系统、钻屑与瓦
斯供给系统、泥浆保压循环控制系统;
[0008] 所述钻进模拟系统包括第一可视化窗口、第二可视化窗口和第三可视化窗口,所述第一可视化窗口和第二可视化窗口之间通过法兰固定连接有第一段钻孔外壁,所述第二
可视化窗口和第三可视化窗口之间通过法兰固定连接有第二段钻孔外壁,所述第三可视化
窗口的孔口处通过法兰固定连接有孔口段钻孔外壁,所述第一可视化窗口至第二段钻孔外
壁的管路上通过钻孔安设有若干取样口和进气口,所述取样口上设有取样开关,所述进气
口采用单向,所述第一段钻孔外壁至孔口段钻孔外壁的管路上通孔钻孔安设有若干泥浆
压力表;相互连通的第一段、第二段和孔口段钻孔外壁内间隙设有多段固定连接的中空钻
杆,位于第一段钻孔外壁内的中空钻杆左端固定连接有一圆锥形钻头,所述圆锥形钻头的
圆锥斜面上等分布置有多个泥浆出孔,并且位于第一段钻孔外壁内的中空钻杆左端底部通
支撑固定并保持预定的偏心度,中空钻杆右端由孔口段钻孔外壁内延伸至孔外,所述孔
口段钻孔外壁的钻孔外端部通过填料密封装置进行密封,延伸至孔外的中穿钻杆穿过蜗轮
蜗杆减速机通过旋转接头与端头连接管相连,所述端头连接管上安装有记录流入钻孔内泥
浆流量的泥浆流量计;
[0009] 所述钻屑与瓦斯供给系统包括煤屑供应装置和气体供应装置,所述煤屑供应装置用于给钻孔内供应煤岩颗粒并具体包括电动液压站、高压输油管、液压千斤顶支架活塞
杆和岩仓,所述电动液压站通过高压输油管与液压千斤顶连接,所述液压千斤顶通过可旋
转的固定底座安装在支架的左端,所述液压千斤顶的柱塞前端与活塞杆的左端铰接,所述
岩仓的左端通过相连接的密封盖安装在支架右端外侧,所述密封盖通过螺栓与支架右端内
侧的密封头连接固定在支架上,所述活塞杆的右端可穿过密封头和密封盖并插入岩仓内;
所述气体供应装置用于模拟孔壁向孔内涌入瓦斯并具体包括氮气罐,所述氮气罐的出气口
通过管路顺序连接有气瓶开关、减压阀、气体流量计、四通分流器和高压连接管,所述高压
连接管的两端分别连接四通分流器的出口以及钻进模拟系统上的进气口;
[0010] 所述泥浆保压循环控制系统用于向钻孔内提供高压泥浆、调节孔内压力以及回收循环利用泥浆,所述泥浆保压循环控制系统具体包括调压过滤罐、液相储集池和高压泥浆
,所述调压过滤罐内从上往下安装有目数依次减小的上中下三层过滤网,所述下层过滤
网下方的调压过滤罐体上设置有进液管,所述进液管通过高压连通管与孔口段钻孔外壁内
部相连,所述调压过滤罐的下部设置有固相清理口,所述固相清理口旁侧的调压过滤罐上
设置有排水阀,所述调压过滤罐顶端的法兰盘上连接有固定法兰,所述固定法兰上分别固
定连接有调压管路和安全管路,所述调压管路的中段连接有调压阀,所述安全管路的出口
端与调压阀后部的调压管路出口端相连接,所述安全管路上连接有一组安全阀和压力传感
器,所述安全阀为电磁阀与电磁继电器相连受压力传感器控制,所述调压管路的出口端通
过软管与液相储集池相连,所述液相储集池通过高压连通管与高压泥浆泵的进口端相连,
所述高压泥浆泵的出口端通过高压连通管与端头连接管进口端相连;
[0011] 该方法包括以下步骤:
[0012] S1、将所述岩仓卸下并在岩仓内壁涂抹黄油,将所述岩仓装载煤屑颗粒配套辅助用的装载托盘固定安装在岩仓的右端,取预先破碎筛分好的煤屑颗粒,将煤屑颗粒和粘接
材料加水混合均匀,分多次装入岩仓内,每次装入后采用压杆配合压力机加载挤压成型;
[0013] S2、将装载完毕后的岩仓养护3 5天,待粘接材料完全凝结后拆下装载托盘,将岩~
仓左端与密封盖连接且右端与第一可视化窗口左端连接,关闭所有阀,向整个试验装置
的管路内注入氮气,检查试验装置的气密性;
[0014] S3、打开调压阀,调节安全压力至大于实验压力0.2MPa,将煤屑供应装置中电动液压站上转向杆置于保压模式,调节无级调速旋钮改变液压千斤顶行进速度至实验所需钻进
速度;
[0015] S4、打开泥浆流量计和泥浆压力表供电开关,打开电动液压站供电开关,打开蜗轮蜗杆减速机供电开关带动中空钻杆转动,打开高压泥浆泵将液相储集池内调配水化好的钻
孔泥浆通过中空钻杆及圆锥形钻头上的泥浆出孔注入钻孔内,待泥浆充满整个管路后调节
调压阀,使管路内泥浆压力达到设定值,待管路压力和流量稳定后再次打开气瓶开关,调节
减压阀至设定压力向钻孔内注入氮气,推动电动液压站上转向杆置于前进模式,使液压千
斤顶按设定速度推动岩仓内岩屑向前运移进入钻孔内,受圆锥形钻头旋转切削作用再次破
碎成颗粒,并随着泥浆通过钻孔环形空间向出口端流动;
[0016] S5、实验中,实时记录各泥浆流量计及泥浆压力表读数,采用高速摄像机通过可视化窗口记录孔内流场规律,并通过取样口对孔内各处泥浆进行采样
[0017] S6、待岩仓内的岩屑完全进入钻孔后,关闭高压泥浆泵和蜗轮蜗杆减速机供电开关,打开调压过滤罐上的排水阀排出孔内残余流体,测定调压过滤罐内固相含量,实验结
束。
[0018] 进一步地,所述第一可视化窗口、第二可视化窗口和第三可视化窗口均包括化玻璃管,所述钢化玻璃管的两端外侧分别安装有连接法兰,所述钢化玻璃管两端的连接法
兰上固定连接有承压杆。
[0019] 进一步地,所述第一段钻孔外壁和第二段钻孔外壁均包括相互连接的前后两节钻孔外壁,前后两节钻孔外壁的两端分别焊接有用于组合连接不同管路的法兰盘。
[0020] 进一步地,所述第一段钻孔外壁和第二段钻孔外壁的两节钻孔外壁管路上通过钻孔安设有取样口。
[0021] 进一步地,所述第一可视化窗口以及第一段钻孔外壁和第二段钻孔外壁的后节钻孔外壁管路上通过钻孔安设有进气口。
[0022] 进一步地,所述第一段钻孔外壁的前后两节钻孔外壁、第二段钻孔外壁的后节钻孔外壁以及孔口段钻孔外壁的管路上通孔钻孔安设有泥浆压力表。
[0023] 进一步地,所述中空钻杆共分为三段,每段中空钻杆的左端设有内螺纹,每段中空钻杆的右端设有与内螺纹配合连接的外螺纹
[0024] 进一步地,所述圆锥形钻头的圆锥斜面上等分布置有三个直径为5mm的泥浆出孔。
[0025] 进一步地,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左端铰接。
[0026] 进一步地,所述步骤S1中使用的粘接材料为石膏,所述煤屑颗粒和石膏的重量配比为10:1。
[0027] 与现有技术相比,本发明提供的新型钻孔环空多相流模拟试验方法具有以下优点:
[0028] 1、本申请提供的新型钻孔环空多相流模拟试验装置由钻进模拟系统、钻屑与瓦斯供给系统及泥浆保压循环控制系统组成,试验装置具有组成简单、操作便捷、效果显著、适
用范围广等特点,创新地结合了井下顺煤层保压钻孔技术方法特征,可用于研究环空压力、
泥浆性能、钻进速度、钻屑尺寸与级配比、钻杆转速、瓦斯涌出等多因素对钻孔内钻屑运移
与环空压降的影响,装置可以真实的模拟不同的钻进工况,可广泛用于煤层井下钻孔、地面
油气钻井水平或近水平段钻屑运移及影响因素模拟试验研究。
[0029] 2、该试验方法主要用于水平孔内钻屑运移规律研究,可广泛用于石油天然气钻井和煤层钻孔水平段多相流流动模拟实验研究,具体可以实现以下研究内容:
[0030] ① 煤岩对钻孔环空多相流流场影响规律研究:通过改变煤岩颗粒级配比,调节电动液压站上的无级调速旋钮,可以研究不同煤屑粒径以及煤屑量变化对钻孔环空多相流流
场和煤屑在孔内运移规律影响;
[0031] ② 钻孔泥浆性能、流速、压力对钻孔环空多相流流场影响规律研究:改变泥浆配比得到不同流变性能的泥浆,调节高压泥浆泵以及调压阀门改变泥浆流量和压力,可以研
究泥浆性能、流速以及压力等的变化对钻孔环空多相流流动规律的影响;
[0032] ③ 中空钻杆转速对钻孔环空多相流流场影响规律研究:试验装置可以通过调节蜗轮蜗杆减速机改变中空钻杆转速,以研究中空钻杆转速对环空多相流流场流动规律的影
响;
[0033] ④ 气体流量以及压力对钻孔环空多相流流场影响规律研究:调节气体减压阀以及气体阀门,可以控制注入钻孔内气体的压力以及流量大小,进而分析涌入钻孔内的气体
流量以及压力对钻孔环空多相流流动规律的影响。
附图说明
[0034] 图1是本发明提供的新型钻孔环空多相流模拟试验装置结构示意图。
[0035] 图2是本发明提供的可视化窗口剖面结构示意图。
[0036] 图3是本发明提供的钻孔外壁剖面结构示意图。
[0037] 图4是本发明提供的圆锥形钻头和一段中空钻杆配合的结构示意图。
[0038] 图5是本发明提供的一段中空钻杆的剖面结构示意图。
[0039] 图6是本发明提供的煤屑供应装置结构示意图。
[0040] 图7是本发明提供的岩仓和密封盖配合的结构示意图。
[0041] 图8是本发明提供的煤屑供应装置中活塞杆的结构示意图。
[0042] 图9是本发明提供的调压过滤罐和液相储集池连接的结构示意图。
[0043] 图中,1、钻进模拟系统;100、第一可视化窗口;101、第二可视化窗口;102、第三可视化窗口;103、第一段钻孔外壁;104、第二段钻孔外壁;105、孔口段钻孔外壁;106、取样口;
107、进气口;108、泥浆压力表;109、中空钻杆;110、圆锥形钻头;111、填料密封装置;112、蜗轮蜗杆减速机;113、旋转接头;114、端头连接管;115、泥浆流量计;116、钢化玻璃管;117、连接法兰;118、承压杆;119、钻孔外壁;120、法兰盘;121、内螺纹;122、外螺纹;2、钻屑与瓦斯供给系统;21、煤屑供应装置;210、电动液压站;2101、无极调速旋钮;2102、转向杆;2103、液压表;211、高压输油管;212、液压千斤顶;213、支架;214、活塞杆;215、岩仓;216、固定底座;
217、密封盖;218、密封头;219、连接装置;22、气体供应装置;220、氮气罐;221、气瓶开关;
222、减压阀;223、气体流量计;224、四通分流器;225、高压连接管;3、泥浆保压循环控制系
统;31、调压过滤罐;310、进液管;311、固相清理口;312、排水阀;313、固定法兰;314、调压管路;315、安全管路;316、调压阀;317、安全阀;318、压力传感器;319、软管;32、液相储集池;
33、高压泥浆泵;34、高压连通管。

具体实施方式

[0044] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体图示,进一步阐述本发明。
[0045] 在本发明的描述中,需要理解的是,术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个
以上。
[0046] 在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可
以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。
[0047] 请参考图1至图9所示,本发明提供一种新型钻孔环空多相流模拟试验方法,在该方法中采用了一种新型钻孔环空多相流模拟试验装置,所述新型钻孔环空多相流模拟试验
装置包括钻进模拟系统1、钻屑与瓦斯供给系统2、泥浆保压循环控制系统3;
[0048] 所述钻进模拟系统1通过固定支架支撑安装设置,所述钻进模拟系统1包括第一可视化窗口100、第二可视化窗口101和第三可视化窗口102,即有三组可视化窗口,所述第一
可视化窗口100和第二可视化窗口101之间通过法兰固定连接有第一段钻孔外壁103,所述
第二可视化窗口101和第三可视化窗口102之间通过法兰固定连接有第二段钻孔外壁104,
所述第三可视化窗口102的孔口处通过法兰固定连接有孔口段钻孔外壁105,即从左往右
看,所述第一可视化窗口100、第二可视化窗口101和第三可视化窗口102分别位于孔底、孔
中和孔口处,所述第一可视化窗口100至第二段钻孔外壁104的管路上通过钻孔安设有若干
取样口106和进气口107,所述取样口106上设有取样开关,取样口106上的取样开关处于关
闭状态,在试验时根据需要打开对应位置处的开关,可对不同位置处的混合溶液采样,所述
进气口107采用单向阀以防止泥浆倒灌,所述进气口107用于连接气瓶向管路内供气,所述
第一段钻孔外壁103至孔口段钻孔外壁105的管路上通孔钻孔安设有若干泥浆压力表108;
相互连通的第一段钻孔外壁103、第二段钻孔外壁104和孔口段钻孔外壁105内间隙设有多
段固定连接的中空钻杆109,所述中空钻杆109可采用现有中空钢管来制成,位于第一段钻
孔外壁103内的中空钻杆109左端固定连接有一圆锥形钻头110,所述圆锥形钻头110的圆锥
斜面上等分布置有多个泥浆出孔,并且位于第一段钻孔外壁103内的中空钻杆109左端底部
通过支撑固定并保持预定的偏心度,中空钻杆109右端由孔口段钻孔外壁105内延伸至孔
外,所述孔口段钻孔外壁105的钻孔外端部通过填料密封装置111进行密封,以确保中空钻
杆109在孔内可自由转动的同时,达到防止泥浆漏失的目的,延伸至孔外的中空钻杆109穿
过蜗轮蜗杆减速机112通过旋转接头113与端头连接管114相连,所述蜗轮蜗杆减速机112用
于带动中空钻杆109转动,转速范围为30 120rpm,所述旋转接头113用于连接可转动的中空
~
钻杆109与固定的端头连接管114,以保证中空钻杆109转动的同时向孔内注入高压泥浆,所
述端头连接管114上安装有记录流入钻孔内泥浆流量的泥浆流量计115;
[0049] 所述钻屑与瓦斯供给系统2包括煤屑供应装置21和气体供应装置22,所述煤屑供应装置21用于给钻孔内供应煤岩颗粒并具体包括电动液压站210、高压输油管211、液压千
斤顶212、支架213、活塞杆214和岩仓215,所述电动液压站210通过高压输油管211与液压千
斤顶212连接,所述液压千斤顶212的最大行程为600mm,所述液压千斤顶212通过可旋转的
固定底座216安装在支架213的左端,所述液压千斤顶212的柱塞前端与活塞杆214的左端铰
接,所述电动液压站210工作时,通过调节站上无极调速旋钮2101可改变液压千斤顶212行
进速度,调速范围为0.5mm/s 10mm/s,通过站上转向杆2102改变油路可切换液压千斤顶212
~
运动状态,运动状态包括前进、后退以及保压三种模式,通过站上液压表2103可读取此时的
压力大小,该系统可提供0 30MPa的压力,所述活塞杆214全长750mm,前端部连接圆盘压头
~
以贴合岩仓215的内径大小,所述岩仓215长620mm,内径80mm,所述岩仓215的左端通过相连
接的密封盖217安装在支架213右端外侧,所述密封盖217通过螺栓与支架213右端内侧的密
封头218连接固定在支架213上,所述活塞杆214的右端可穿过密封头218和密封盖217并插
入岩仓215内,本煤屑供应装置21通过现有的配套辅助装载托盘和压杆来完成煤屑颗粒装
载,具体将装载托盘固定安装在岩仓215的右端,并通过压杆采用压力机加载挤压装入岩仓
215内的煤样成型即可;所述气体供应装置22用于模拟孔壁向孔内涌入瓦斯并具体包括氮
气罐220,所述氮气罐220的出气口通过管路顺序连接有气瓶开关221、减压阀222、气体流量
计223、四通分流器224和高压连接管225,所述高压连接管225的两端分别连接四通分流器
224的出口以及钻进模拟系统1上的进气口107,实验中打开高压氮气罐220,调节减压阀222
使表后达到设定压力,打开四通分流器224上对应的阀门,可以模拟钻孔不同位置处瓦斯向
钻孔涌入(喷孔)的情况;
[0050] 所述泥浆保压循环控制系统3用于向钻孔内提供高压泥浆、调节孔内压力以及回收循环利用泥浆,所述泥浆保压循环控制系统3具体包括调压过滤罐31、液相储集池32和高
压泥浆泵33,所述调压过滤罐31整体为圆柱形瓶状罐体,直径最大600mm高约1200mm,最大
可承受压力5MPa,主要用于分离钻屑、泥浆和气相,同时调控管路内浆液压力和流量,所述
调压过滤罐31内从上往下安装有目数依次减小的上中下三层过滤网(图中未示),经过多级
过滤可控制流出罐体的固相颗粒大小,所述下层过滤网下方的调压过滤罐体上设置有进液
管310,所述进液管310通过高压连通管34与孔口段钻孔外壁105内部相连,所述调压过滤罐
31的下部设置有固相清理口311,其主要作用为清理调压过滤罐31底部沉积得到的煤岩屑
固相,防止高目数滤网受大直径固相堵塞损坏,所述固相清理口311由罐体下部延伸出的直
径300mm圆管和密封法兰共同组成,所述固相清理口311旁侧的调压过滤罐31上设置有排水
阀312,其主要用于实验结束后排出罐体内残留的液体,所述调压过滤罐31顶端的法兰盘上
连接有固定法兰313,所述固定法兰313上分别固定连接(焊接)有调压管路314和安全管路
315,所述调压管路314为泥浆出口,所述调压管路314的中段连接有调压阀316作为系统压
力调节装置,所述调压阀316采用闸阀,阀门初始保持全开状态,实验中通过调节阀门改变
出口通道开度达到控制罐体内液体压力的目的,所述安全管路315的出口端与调压阀316后
部的调压管路314出口端相连接,所述安全管路315上连接有一组安全阀317和压力传感器
318,所述安全阀317为电磁阀与电磁继电器相连受压力传感器318控制,具体当罐体内的压
力超过设定的极限压力时,安全阀317打开释放罐体内的流体,以降低罐体内流体压力,调
节调压阀316增大调压管路314开度,当压力降低至设定最小压力时,电磁继电器工作电路
断开,安全阀317关闭,再次调节调压阀316使罐体内的压力达到设定值,所述调压管路314
的出口端通过软管319与液相储集池32相连,所述液相储集池32直径1.2m深0.8m,其主要用
于沉积残余固相,排放混合流体中的气相并回收液相再次利用,所述液相储集池32通过高
压连通管34与高压泥浆泵33的进口端相连,所述高压泥浆泵33的出口端通过高压连通管34
与端头连接管114进口端相连,所述高压泥浆泵33是整个管路中泥浆的动力来源,能提供最
大2MPa的液压,最大流量为6L/s;
[0051] 该方法包括以下步骤:
[0052] S1、将所述岩仓215卸下并在岩仓内壁涂抹黄油,将所述岩仓215装载煤屑颗粒配套辅助用的现有装载托盘固定安装在岩仓215的右端,取预先破碎筛分(选出合适粒径大小
的煤颗粒)好的煤屑颗粒,将煤屑颗粒和粘接材料加水混合均匀,分多次装入岩仓215内,每
次装入后采用现有的压杆配合压力机加载挤压成型,以保证煤颗粒间紧密接触便于粘接材
料凝结的同时,尽量减少由于挤压造成颗粒破碎;
[0053] S2、将装载完毕后的岩仓215养护3 5天,待粘接材料完全凝结后拆下装载托盘,将~
岩仓215左端与密封盖217连接且右端与第一可视化窗口100左端连接,关闭所有阀门,向整
个试验装置的管路内注入氮气,检查试验装置的气密性;
[0054] S3、打开调压阀316,调节安全压力至大于实验压力0.2MPa(即超过设定压力0.2MPa后安全阀317打开泄压),将煤屑供应装置21中电动液压站210上转向杆2102置于保
压模式,调节无级调速旋钮2101改变液压千斤顶212行进速度至实验所需钻进速度;
[0055] S4、打开泥浆流量计115和泥浆压力表108供电开关,打开电动液压站210供电开关,打开蜗轮蜗杆减速机112供电开关带动中空钻杆109转动,打开高压泥浆泵33将液相储
集池32内调配水化好的钻孔泥浆通过中空钻杆109及圆锥形钻头110上的泥浆出孔注入钻
孔内,待泥浆充满整个管路后调节调压阀316,使管路内泥浆压力达到设定值,待管路压力
和流量稳定后再次打开气瓶开关221,调节减压阀222至设定压力向钻孔内注入氮气,推动
电动液压站210上转向杆2102置于前进模式,使液压千斤顶212按设定速度推动岩仓215内
岩屑向前运移进入钻孔内,受圆锥形钻头110旋转切削作用再次破碎成颗粒,并随着泥浆通
过钻孔环形空间(即钻孔外壁和中空钻杆之间的间隙)向出口端流动,最后通过与孔口段钻
孔外壁105连接的高压连通管34经进液管310将泥浆回收到调压过滤罐31内;
[0056] S5、实验中,实时记录各泥浆流量计及泥浆压力表读数,采用高速摄像机通过可视化窗口(包括第一可视化窗口100、第二可视化窗口101和第三可视化窗口102)记录孔内流
场规律,并通过取样口106对孔内各处泥浆进行采样;
[0057] S6、待岩仓215内的岩屑完全进入钻孔后,关闭高压泥浆泵33和蜗轮蜗杆减速机112供电开关,打开调压过滤罐31上的排水阀312排出孔内残余流体,测定调压过滤罐31内
固相含量,实验结束。
[0058] 作为具体实施例,请参考图2所示,所述第一可视化窗口100、第二可视化窗口101和第三可视化窗口102均包括高强度的钢化玻璃管116,通过该钢化玻璃管116可实时观察
记录孔内流场状态,所述钢化玻璃管116的两端外侧分别安装有连接法兰117,所述钢化玻
璃管116两端的连接法兰117上固定连接有承压杆118,通过该承压杆118可承载泥浆压力防
止玻璃管破裂,采用本实施例提供的可视化窗口结构,可以很好满足孔内流场规律观察记
录需求。作为一种实施方式,所述钢化玻璃管116的长度为300mm,内径为80mm。
[0059] 作为具体实施例,请参考图1和图3所示,所述第一段钻孔外壁103和第二段钻孔外壁104均包括相互连接的前后两节钻孔外壁119,前后两节钻孔外壁119的两端分别焊接有
用于组合连接不同管路的法兰盘120,即前后两节钻孔外壁119之间以及钻孔外壁119与可
视化窗口之间,均通过钻孔外壁119两端的法兰盘120进行固定连接。
[0060] 作为具体实施例,请参考图1所示,所述第一段钻孔外壁103和第二段钻孔外壁104的两节钻孔外壁119管路上通过钻孔安设有取样口106,由此便于对每节钻孔外壁119内的
混合溶液进行采样。
[0061] 作为具体实施例,请参考图1所示,所述第一可视化窗口100以及第一段钻孔外壁103和第二段钻孔外壁104的后节钻孔外壁管路上通过钻孔安设有进气口107,由此便于向
管路内供气。
[0062] 作为具体实施例,请参考图1所示,所述第一段钻孔外壁103的前后两节钻孔外壁、第二段钻孔外壁104的后节钻孔外壁以及孔口段钻孔外壁105的管路上通孔钻孔安设有泥
浆压力表108,由此便于实明记录管内压力变化。
[0063] 作为具体实施例,请参考图5所示,所述中空钻杆109共分为三段,每段中空钻杆109的左端设有内螺纹121,每段中空钻杆109的右端设有与内螺纹121配合连接的外螺纹
122,由此每段中空钻杆109均采用螺纹进行连接。
[0064] 作为具体实施例,请参考图4所示,所述圆锥形钻头110的圆锥斜面上等分布置有三个直径为5mm的泥浆出孔,由此可以保证中空钻杆109内的高压泥浆顺利排出到钻孔外壁
和中空钻杆109之间的间隙内。
[0065] 作为具体实施例,请参考图6所示,所述液压千斤顶212的柱塞前端采用可旋转的连接装置219与活塞杆214的左端铰接,由此便于液压千斤顶212推动岩仓215内煤屑向前运
移进入钻孔内。
[0066] 作为具体实施例,所述步骤S1中使用的粘接材料为石膏,所述煤屑颗粒和石膏的重量配比为10:1,例如称取的煤屑颗粒重量为3kg,则需要混合的石膏重量为300g。采用本
实施例中的粘接材料及重量配比,由此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,进而可较好地模拟钻孔内的钻屑分
布。
[0067] 与现有技术相比,本发明提供的新型钻孔环空多相流模拟试验方法具有以下优点:
[0068] 1、本申请提供的新型钻孔环空多相流模拟试验装置由钻进模拟系统、钻屑与瓦斯供给系统及泥浆保压循环控制系统组成,试验装置具有组成简单、操作便捷、效果显著、适
用范围广等特点,创新地结合了井下顺煤层保压钻孔技术方法特征,可用于研究环空压力、
泥浆性能、钻进速度、钻屑尺寸与级配比、钻杆转速、瓦斯涌出等多因素对钻孔内钻屑运移
与环空压降的影响,装置可以真实的模拟不同的钻进工况,可广泛用于煤层井下钻孔、地面
油气钻井水平或近水平段钻屑运移及影响因素模拟试验研究。
[0069] 2、该试验方法主要用于水平孔内钻屑运移规律研究,可广泛用于石油天然气钻井和煤层钻孔水平段多相流流动模拟实验研究,具体可以实现以下研究内容:
[0070] ① 煤岩对钻孔环空多相流流场影响规律研究:通过改变煤岩颗粒级配比,调节电动液压站上的无级调速旋钮,可以研究不同煤屑粒径以及煤屑量变化对钻孔环空多相流流
场和煤屑在孔内运移规律影响;
[0071] ② 钻孔泥浆性能、流速、压力对钻孔环空多相流流场影响规律研究:改变泥浆配比得到不同流变性能的泥浆,调节高压泥浆泵以及调压阀门改变泥浆流量和压力,可以研
究泥浆性能、流速以及压力等的变化对钻孔环空多相流流动规律的影响;
[0072] ③ 中空钻杆转速对钻孔环空多相流流场影响规律研究:试验装置可以通过调节蜗轮蜗杆减速机改变中空钻杆转速,以研究中空钻杆转速对环空多相流流场流动规律的影
响;
[0073] ④ 气体流量以及压力对钻孔环空多相流流场影响规律研究:调节气体减压阀以及气体阀门,可以控制注入钻孔内气体的压力以及流量大小,进而分析涌入钻孔内的气体
流量以及压力对钻孔环空多相流流动规律的影响。
[0074] 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。
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