大直径HDD低流速层流状态下岩屑运移规律研究

摘要

石油天然气管道在河流、湖泊、城区等不利于开挖的区域的铺设工程一般首选水平定向钻(HDD)穿越技术,然而随着中国油气管道直径的增加,该技术在岩屑运移方面出现了急需解决的技术瓶颈.大直径水平定向钻钻孔直径可达到钻杆直径的10倍以上,钻孔环形空间泥浆不仅处于不利于岩屑运移的层流状态,而且返速低至0.01-0.02m/s.岩屑在环空中运移效率很低,并在孔底形成稳定的岩屑床,进而造成孔内事故.针对该问题,本研究首先基于大直径水平孔内低速层流状态下流场的动力学特征推导出柱坐标系下环空泥浆的运动微分方程组,然后根据相似理论模型试验的关键参数,并通过计算机数值模拟揭示了环空泥浆流场分布及岩屑运移规律,研究最后使用环空岩屑运移综合模拟实验装置进行了多次模拟实验,通过控制钻孔角度、环空泥浆平均流速等参数,观察岩屑的运动状态和岩屑床的变化规律,对计算机模拟结果进行验证.研究结果表明,增加泥浆浓度对提高大粒径岩屑运移效率效果不明显;提高环空泥浆流速,在一定程度上能够提高单颗岩屑运移效率,同时也会带来增加岩屑床末端回流区、增加岩屑床内部压差等负面影响.