水平定向鉆技術(shù)(Horizontal Directional Drilling,簡(jiǎn)稱HDD)作為一種非開挖管道鋪設(shè)技術(shù),起源于石油、天然氣鉆井領(lǐng)域,其以對(duì)地表環(huán)境(如公路、地表其它建筑物、江河湖泊等)影響和破壞小等優(yōu)勢(shì),現(xiàn)如今已經(jīng)迅速發(fā)展成為地下管網(wǎng)(如成品油管道、天然氣管道、供水管道、排水管道、電力管道和通信管道等)建設(shè)的主要技術(shù)。隨著生活需求的提高,水平定向鉆所鋪設(shè)的管道直徑也越來越大。大直徑非開挖水平定向鉆鉆孔直徑可達(dá)到鉆桿直徑的10倍以上,這導(dǎo)致鉆孔環(huán)形空間泥漿返速極低。當(dāng)鉆孔直徑超過1000mm時(shí),孔內(nèi)泥漿流速低至0.01m/s-0.02m/s,這將導(dǎo)致各種問題:首先,低流速狀態(tài)下的環(huán)空泥漿不利于巖屑的運(yùn)移,實(shí)際工程通常采取增加泥漿低剪切速率粘度來提高其在低流速條件下對(duì)巖屑的懸浮攜帶能力,然而這將導(dǎo)致泥漿內(nèi)摩擦力增大,泥漿流場(chǎng)衰減迅速;其次,提高泵量可以一定程度上提高巖屑顆粒的運(yùn)移距離,但是排屑效果提升不明顯,且高泵量會(huì)導(dǎo)致環(huán)空泥漿壓力升高,導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)、壓裂冒漿等工程事故;最后,沉降的巖屑會(huì)在孔底匯聚成穩(wěn)定的巖屑床,形成過流斷面,造成孔內(nèi)壓力過高、卡鉆、管道回拖失敗等工程事故。本文針對(duì)大直徑非開挖水平定向鉆環(huán)空巖屑運(yùn)移問題,本文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析了泥漿性能、環(huán)空泥漿流場(chǎng)特征、環(huán)空允許泥漿壓力、鉆桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與巖屑運(yùn)移規(guī)律之間的關(guān)系,建立了高性能泥漿配制依據(jù),揭示了大直徑非開挖水平定向鉆鉆桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并建立了大孔徑比環(huán)空泥漿流場(chǎng)分布模型,提出了大直徑非開挖水平定向鉆巖屑運(yùn)移對(duì)環(huán)空允許最大泥漿壓力需求的計(jì)算方法,揭示了大直徑非開挖水平定向鉆環(huán)空巖屑運(yùn)移規(guī)律,填補(bǔ)了大直徑非開挖水平定向鉆環(huán)空巖屑運(yùn)移規(guī)律研究的空白。論文的主要研究?jī)?nèi)容和研究成果如下所示:(1)通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)揭示了膨潤(rùn)土、碳酸鈉以及水化時(shí)間對(duì)泥漿流變性和孔壁形成的泥餅性質(zhì)的影響,為提高巖屑運(yùn)移效率、降低孔壁坍塌掉塊所需的高效泥漿配方提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ);(2)通過實(shí)驗(yàn)揭示了大直徑非開挖水平定向鉆鉆桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并建立柱坐標(biāo)下環(huán)空泥漿的運(yùn)動(dòng)方程、速度分布方程并給出適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件;結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬揭示了鉆桿偏心距、轉(zhuǎn)速、軸向流速對(duì)環(huán)空泥漿流場(chǎng)分布特征的影響,間接地驗(yàn)證了這些施工參數(shù)對(duì)巖屑運(yùn)移的影響;(3)建立環(huán)空最大泥漿壓力、環(huán)空泥漿速度場(chǎng)、巖屑運(yùn)移之間的影響關(guān)系,提出大直徑非開挖水平定向鉆環(huán)空最大泥漿壓力的計(jì)算公式,通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定了環(huán)空允許最大泥漿壓力的限制條件,并結(jié)合工程案例進(jìn)行驗(yàn)證。(4)通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合,揭示了大直徑非開挖水平定向鉆環(huán)空巖屑顆粒的沉降規(guī)律與環(huán)空泥漿流速、巖屑顆粒粒徑之間的關(guān)系,確定了大粒徑巖屑可以快速形成巖屑床且保持穩(wěn)定,并幾乎不受環(huán)空泥漿流速、鉆孔傾角和泥漿流變性的影響;鉆桿的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)巖屑床的直接破壞和間接影響,在一定程度上可以提高大直徑水平定向鉆巖屑運(yùn)移的效率。
【學(xué)位單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TE21
【部分圖文】：

1.1 大直徑非開挖水平定向鉆與石油鉆井和地質(zhì)鉆探的圖 1.2 水平定向鉆環(huán)空巖屑運(yùn)移情況大直徑非開挖水平定向鉆工程失敗案例進(jìn)行分析是導(dǎo)致大直徑非開挖水平定向鉆工程中各種孔內(nèi)。在大直徑非開挖水平定向鉆擴(kuò)孔過程中，鉆井內(nèi)的流場(chǎng)衰減明顯，巖屑在孔內(nèi)分層分布并以推

圖 1.2 水平定向鉆環(huán)空巖屑運(yùn)移情況的大直徑非開挖水平定向鉆工程失敗案例進(jìn)行分析，低是導(dǎo)致大直徑非開挖水平定向鉆工程中各種孔內(nèi)事[9]。在大直徑非開挖水平定向鉆擴(kuò)孔過程中，鉆井液，孔內(nèi)的流場(chǎng)衰減明顯，巖屑在孔內(nèi)分層分布并以推移不足 30%，無法排出孔外的巖屑小部分被擠入到土內(nèi)。實(shí)際工程中，提高泥漿流變性、提高泵量的該方孔清除擴(kuò)孔后殘留在孔內(nèi)的巖屑，以保證下一級(jí)擴(kuò)孔而，如果穿越距離過長(zhǎng)則擴(kuò)孔完成之前巖屑就會(huì)堆積。此外，洗孔是通過鉆井液循環(huán)將孔內(nèi)巖屑排出，巖孔效率，多次洗孔不僅增加了工程的成本而且延長(zhǎng)了徑非開挖水平定向鉆的排屑效率成為了目前該技術(shù)急

巖屑運(yùn)移問題隨之產(chǎn)生。巖屑運(yùn)移問題與泥漿流流變性和環(huán)場(chǎng)分布直接相關(guān)：高性能泥漿可以為巖屑運(yùn)移提供足夠的懸浮力；環(huán)空動(dòng)可以為巖屑運(yùn)移提供動(dòng)力。另外，高性能泥漿形成泥餅，保護(hù)泥漿對(duì)的侵蝕，對(duì)防止孔壁坍塌掉塊兒有積極作用；且隨著擴(kuò)孔時(shí)間的增加，也隨之增加，可以為環(huán)空巖屑運(yùn)移提供一個(gè)高速、穩(wěn)定的環(huán)境。環(huán)空泥布和速度場(chǎng)分布規(guī)律受到環(huán)空泥漿壓力的影響：沿程損失相當(dāng)?shù)臈l件下送壓力越高，環(huán)空泥漿壓力越高，環(huán)空泥漿平均流速越大，更有利于巖但是環(huán)空泥漿的壓力又受到大直徑非開挖水平定向鉆孔壁穩(wěn)定性的限制穩(wěn)一方面會(huì)造成環(huán)空泥漿大量漏失、孔內(nèi)壓力急劇下降，環(huán)空泥漿流場(chǎng)，不利于巖屑的運(yùn)移，另一方面會(huì)導(dǎo)致鉆孔坍塌掉塊兒，增加環(huán)空巖屑總堵塞鉆孔，造成更嚴(yán)重的巖屑運(yùn)移問題。鉆桿對(duì)巖屑運(yùn)移的作用主要表面：鉆桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響著環(huán)空泥漿流場(chǎng)分布特征，間接影響了環(huán)空巖屑；另外，當(dāng)鉆桿與孔壁（巖屑床）接觸后，鉆桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接影響巖成和破壞。目前對(duì)于大直徑非開挖水平定向鉆巖屑問題及各個(gè)影響因素制約關(guān)系的研究不夠，進(jìn)而導(dǎo)致了實(shí)際工程中的巖屑運(yùn)移瓶頸。
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本文編號(hào)：2850474