大直径非开挖水平定向钻岩屑运移规律研究

发布时间：2020-10-21 18:52

　　 水平定向钻技术(Horizontal Directional Drilling,简称HDD)作为一种非开挖管道铺设技术,起源于石油、天然气钻井领域,其以对地表环境(如公路、地表其它建筑物、江河湖泊等)影响和破坏小等优势,现如今已经迅速发展成为地下管网(如成品油管道、天然气管道、供水管道、排水管道、电力管道和通信管道等)建设的主要技术。随着生活需求的提高,水平定向钻所铺设的管道直径也越来越大。大直径非开挖水平定向钻钻孔直径可达到钻杆直径的10倍以上,这导致钻孔环形空间泥浆返速极低。当钻孔直径超过1000mm时,孔内泥浆流速低至0.01m/s-0.02m/s,这将导致各种问题:首先,低流速状态下的环空泥浆不利于岩屑的运移,实际工程通常采取增加泥浆低剪切速率粘度来提高其在低流速条件下对岩屑的悬浮携带能力,然而这将导致泥浆内摩擦力增大,泥浆流场衰减迅速;其次,提高泵量可以一定程度上提高岩屑颗粒的运移距离,但是排屑效果提升不明显,且高泵量会导致环空泥浆压力升高,导致孔壁失稳、压裂冒浆等工程事故;最后,沉降的岩屑会在孔底汇聚成稳定的岩屑床,形成过流断面,造成孔内压力过高、卡钻、管道回拖失败等工程事故。本文针对大直径非开挖水平定向钻环空岩屑运移问题,本文采用理论分析、实验和数值模拟相结合的方法,分析了泥浆性能、环空泥浆流场特征、环空允许泥浆压力、钻杆运动状态与岩屑运移规律之间的关系,建立了高性能泥浆配制依据,揭示了大直径非开挖水平定向钻钻杆运动规律,并建立了大孔径比环空泥浆流场分布模型,提出了大直径非开挖水平定向钻岩屑运移对环空允许最大泥浆压力需求的计算方法,揭示了大直径非开挖水平定向钻环空岩屑运移规律,填补了大直径非开挖水平定向钻环空岩屑运移规律研究的空白。论文的主要研究内容和研究成果如下所示:(1)通过室内实验揭示了膨润土、碳酸钠以及水化时间对泥浆流变性和孔壁形成的泥饼性质的影响,为提高岩屑运移效率、降低孔壁坍塌掉块所需的高效泥浆配方提供数据基础;(2)通过实验揭示了大直径非开挖水平定向钻钻杆运动规律,并建立柱坐标下环空泥浆的运动方程、速度分布方程并给出适当的边界条件;结合计算机数值模拟揭示了钻杆偏心距、转速、轴向流速对环空泥浆流场分布特征的影响,间接地验证了这些施工参数对岩屑运移的影响;(3)建立环空最大泥浆压力、环空泥浆速度场、岩屑运移之间的影响关系,提出大直径非开挖水平定向钻环空最大泥浆压力的计算公式,通过室内实验确定了环空允许最大泥浆压力的限制条件,并结合工程案例进行验证。(4)通过室内试验和数值模拟相结合,揭示了大直径非开挖水平定向钻环空岩屑颗粒的沉降规律与环空泥浆流速、岩屑颗粒粒径之间的关系,确定了大粒径岩屑可以快速形成岩屑床且保持稳定,并几乎不受环空泥浆流速、钻孔倾角和泥浆流变性的影响;钻杆的转动对岩屑床的直接破坏和间接影响,在一定程度上可以提高大直径水平定向钻岩屑运移的效率。
【学位单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE21
【部分图文】：

1.1 大直径非开挖水平定向钻与石油钻井和地质钻探的图 1.2 水平定向钻环空岩屑运移情况大直径非开挖水平定向钻工程失败案例进行分析是导致大直径非开挖水平定向钻工程中各种孔内。在大直径非开挖水平定向钻扩孔过程中，钻井内的流场衰减明显，岩屑在孔内分层分布并以推

图 1.2 水平定向钻环空岩屑运移情况的大直径非开挖水平定向钻工程失败案例进行分析，低是导致大直径非开挖水平定向钻工程中各种孔内事[9]。在大直径非开挖水平定向钻扩孔过程中，钻井液，孔内的流场衰减明显，岩屑在孔内分层分布并以推移不足 30%，无法排出孔外的岩屑小部分被挤入到土内。实际工程中，提高泥浆流变性、提高泵量的该方孔清除扩孔后残留在孔内的岩屑，以保证下一级扩孔而，如果穿越距离过长则扩孔完成之前岩屑就会堆积。此外，洗孔是通过钻井液循环将孔内岩屑排出，岩孔效率，多次洗孔不仅增加了工程的成本而且延长了径非开挖水平定向钻的排屑效率成为了目前该技术急

岩屑运移问题随之产生。岩屑运移问题与泥浆流流变性和环场分布直接相关：高性能泥浆可以为岩屑运移提供足够的悬浮力；环空动可以为岩屑运移提供动力。另外，高性能泥浆形成泥饼，保护泥浆对的侵蚀，对防止孔壁坍塌掉块儿有积极作用；且随着扩孔时间的增加，也随之增加，可以为环空岩屑运移提供一个高速、稳定的环境。环空泥布和速度场分布规律受到环空泥浆压力的影响：沿程损失相当的条件下送压力越高，环空泥浆压力越高，环空泥浆平均流速越大，更有利于岩但是环空泥浆的压力又受到大直径非开挖水平定向钻孔壁稳定性的限制稳一方面会造成环空泥浆大量漏失、孔内压力急剧下降，环空泥浆流场，不利于岩屑的运移，另一方面会导致钻孔坍塌掉块儿，增加环空岩屑总堵塞钻孔，造成更严重的岩屑运移问题。钻杆对岩屑运移的作用主要表面：钻杆运动状态影响着环空泥浆流场分布特征，间接影响了环空岩屑；另外，当钻杆与孔壁（岩屑床）接触后，钻杆的运动状态直接影响岩成和破坏。目前对于大直径非开挖水平定向钻岩屑问题及各个影响因素制约关系的研究不够，进而导致了实际工程中的岩屑运移瓶颈。
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本文编号：2850474