大直径HDD孔内流场动力学特征及其对岩屑运移的影响研究

Horizontal Directional Drilling(HDD) is main minimally-intrusive construction method for utilities and pipelines installation which have to cross streets, lakes and rivers. However, the pipe diameter increment leads to the low effeciency of cutting transmission due to the changes of flow field characteristic and cutting transmission mechanism comparing with the situation in oil and exploration drilling. The objective of this reaserach is to determine flow dynamics characteristics and cuttings transmission discipline for large diameter HDD. Trenchless techonolgy Laboratory in China University of Geosciences will be emploied to carry out model testing with respect to HDD parameter by similarity principle, and this testing will focus on flow velocity, shear rate, share stress, and attenuation characteristic and then analyze the relationship among flow type, viscosity, cutting size, pumping press and pumping volum, and then to identify the cutting transmission charactices according to this coupled relation. What's more, compute simulation also used to vertify the testing results and to estabilish mathematical model of cuttings transmission. This research could provide the theoretical foundation for large-diameter HDD design including of drilling mud, cuttings size, pumping volum and pressure, and also for new technology and equipment design, which can used in pipe installation project such as East-west natural gas transmission project.

大直径水平定向钻进（HDD）是穿越江河、湖泊等区域铺设油气和市政管道的主要方法之一。随着孔径增加，孔内的流场和岩屑运移特征较传统钻进工艺发生了很大变化，导致实际工程中岩屑运移效率降低,成为大直径HDD工艺的技术瓶颈。本项目旨在研究大直径HDD孔内流场动力学、岩屑的分布和运移特征。项目将依托中国地质大学非开挖工程实验室，根据相似理论和正交实验原理设计模型实验，对HDD孔内流场的轴向、切向流速、剪切应力、剪切速率等动力学参数进行研究，然后分析不同流场与钻井液性能、钻屑特征和钻进参数之间的耦合关系，掌握大直径HDD孔内岩屑在上述耦合关系下的分布和运移规律，并结合计算机模进行对比分析和验证，建立岩屑运移的数学模型，为增加大直径HDD排屑效率合理选择钻井液、控制钻屑尺寸、泵量、钻压等参数提供理论依据，并为研发新工艺和设备提供理论指导和实验基础，保障我国西气东输工程等大型管道铺设工程的顺利完成。

大直径水平定向钻钻孔直径可达到钻杆直径的10倍以上，钻孔环形空间内泥浆返速极低（0.01-0.02m/s），导致岩屑运移困难。岩屑沉降于孔底形成稳定的岩屑床，进而造成孔内事故。针对上述问题，本项目对大直径水平定向钻在不同钻进参数及多因素耦合条件下泥浆流场分布、岩屑运移、岩屑床变化规律进行了研究，取得重要结论如下：.（1）水平定向钻环空泥浆始终保持层流状态，以轴向流动为主，流速方向与岩屑沉降方向垂直，同时在钻杆影响下存在周向流动，流速很小，径向流速为零，不利于岩屑水平运移；.（2）岩屑在泥浆中的悬浮只与岩屑属性和泥浆性质相关。同一密度的岩屑，小粒径颗粒由于其比表面积大，自身重力不超过其受到的粘滞阻力，能够稳定悬浮在于泥浆中；大粒径岩屑岩屑自生成后会迅速沉降至孔低，形成稳定的岩屑床；.（3）岩屑床稳定存在于水平定向钻孔底，改变环空泥浆轴向流速或者环空倾角难以使得岩屑再启动；岩屑床形成的过流断面造成环空水力半径变化，产生泥浆回流，抑制岩屑床的运移；稳定的岩屑床是一种多孔介质，由于孔隙内与岩屑床表面泥浆流速差造成孔隙负压，岩屑床被压实，难以被分散运移；.（4）扩孔器尾部钻杆分为悬空段和平铺孔底段。悬空段钻杆对环空泥浆流场分布有较大影响，对岩屑运移影响非常有限；平铺段钻杆对环空泥浆流场分布影响非常有限但对岩屑床的运移有决定性影响。.（5）环空泥浆流场分布对钻杆的径向振动影响并不大，但会严重制约的岩屑运移和岩屑床的变化；悬浮的岩屑对环空泥浆流场分布的影响非常有限，在孔底聚集的岩屑床因在一定程度上改变了过流断面而对环空泥浆流场稍有影响。. 研究通过岩屑运移的模拟实验和数值模拟确定了大直径水平定向钻环空岩屑和岩屑床的运移规律。观察模拟钻孔内泥浆和钻孔角度变化，证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；通过钻杆振动模拟实验和数值模拟掌握了大直径水平钻孔扩孔器尾部钻杆的振动规律。研究还通过水平定向钻耦合模拟实验和数值模拟验证了悬空部分钻杆对环空流场有影响，而对岩屑运动没有影响；平铺部分钻杆对环空泥浆流场分布几乎没有影响，但会扰动搅起孔底岩屑床形成二次运移。