一种水力反循环岩心输送过程模拟装置及方法

本发明涉及一种岩心输送过程模拟装置及方法，特别涉及一种水力反循环岩心输送过程模拟装置及方法。

背景技术：

1、目前，在极地研究领域，对冰下地质的研究在基础科学领域和战略意义上都为前沿科学研究提供绝佳机会，获取冰下基岩样品，对开展古气候重建、古生命探寻、冰下地质构造和冰盖底部冰层及复杂的褶皱结构研究等具有重要意义。在极地冰下基岩层的机械取心钻进过程中，钻得一定长度岩心后需先停钻再提拉钻具至地表以收集岩心，劳动强度大，取心效率较低，增加了钻进辅助时间，难以在极地恶劣的气候条件，复杂的冰下环境和有限作业时间内获取所需深度的岩心，因此有必要以最高的钻进效率在南极开展取心钻探。双壁钻杆水力(钻井液)反循环连续取心钻进过程中，岩心由偏心卡断装置等长卡断，然后随着反循环钻进流体经双壁钻杆内管的中心通道输送至地表，省去停钻进行岩心收集等操作，极大地提高了钻进效率；减小钻进循环流体对钻孔孔壁的扰动和漏失问题；有效防止熔钻卡钻。相较于空气反循环更适用于连续取岩样，水力反循环更适用于连续钻取岩心，水力反循环使用低温钻井液作为循环介质相较于压缩空气更易携带岩心上返，故所需的钻井液流量远小于空气反循环所需的空气流量，且岩心采取率高，取心质量好，因此更适用于极地冰下基岩取心钻探。实现极地冰下基岩层水力反循环连续取心钻进的前提是水力反循环形成效果良好，钻井液能量足够携孔底岩心上返至孔口，岩心上返速度与钻井液上返流速接近率趋近于1(在水力反循环连续取心钻进岩心输送过程中，岩心上返速度与钻井液上返流速接近率越趋近于1，岩心在上返过程中越不易发生堵塞)，否则容易导致水力反循环连续取心钻进的失败，因此需要对水力反循环岩心输送的双壁钻杆内管中心通道内流场的压力场和速度场进行全面检测，其中压力场包括水力反循环形成效果(即岩心上下端面的压力差)和流体压力损失,速度场包括岩心上返速度及其与钻井液上返流速接近率。水力反循环岩心输送过程中不同岩心尺寸(直径、长度)，钻头几何结构(钻头唇面轮廓结构，引射孔孔径、倾角和底喷孔孔径)，钻头空间布局(引射孔数量、高度和底喷孔数量)和水力参数(泵量、泵压)对水力反循环岩心输送的水力反循环形成效果、流体压力损失、岩心上返速度及其与钻井液上返流速接近率都可能具有较大影响，因此为进一步改进极地冰下基岩层水力反循环连续取心钻进技术，对其影响机理进行深入研究就显得尤为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了深入研究极地冰下基岩层水力反循环连续取心钻进的岩心输送过程、优化改进水力反循环岩心输送方法以及不同岩心尺寸、钻头几何结构、钻头空间布局及水力参数对水力反循环岩心输送的水力反循环形成效果、流体压力损失、岩心上返速度及其与钻井液上返流速接近率影响规律，而提供的一种水力反循环岩心输送过程模拟装置及方法。

2、本发明提供的水力反循环岩心输送过程模拟装置包括有双壁钻杆、钻头、搅拌桶、进水管、第一回流管和第二回流管，其中钻头装配在双壁钻杆的底部，钻头与双壁钻杆之间相插接，双壁钻杆和钻头均为同心套管结构，进水管的前端口与搅拌桶相连通，进水管的后端口与双壁钻杆的外管内腔相连通，第一回流管的一端与搅拌桶相连通，第一回流管的另一端与双壁钻杆的内管内腔顶部相连通，第二回流管的一端与搅拌桶相连通，第二回流管的另一端与钻头的内管内腔底部相连通。

3、双壁钻杆的外管和内管通过上端盖连接为一体结构，双壁钻杆的外管和内管之间形成有上部环形通道，进水管后端口与上部环形通道相连通，双壁钻杆通过悬臂梁装配在试验台上，钻头装配在双壁钻杆的底部，钻头的内管和外管分别与双壁钻杆的内管和外管相连接，钻头的内管和外管之间形成有下部环形通道，下部环形通道与双壁钻杆的外管和内管之间形成的上部环形通道相贯通，下部环形通道底部钻头的底座周圈开设有数个底喷孔，钻头的内管侧壁周圈开设有数个引射孔，钻头的内管内腔底部的中心部位设置有岩心，岩心的顶部和底部分别装配有第一压力传感器和第二压力传感器。

4、双壁钻杆的内管底部与钻头的内管顶部通过楔形相插接，插接处的上下分别装配有密封圈，双壁钻杆的外管底部与钻头的外管顶部通过卡槽和凸起相卡接，卡接处的内外装配有两道密封圈，双壁钻杆的外管底部外沿与钻头的外管顶部外沿还通过紧固螺钉相紧固。

5、双壁钻杆的内管底部和顶部分别装配有第三压力传感器和第四压力传感器。

6、进水管上依次装配有恒压水泵、进水球阀和流量计，第二回流管上装配有回流球阀。

7、双壁钻杆和钻头均为透明材质制成，双壁钻杆和钻头上设置有刻度，双壁钻杆和钻头的一侧设置有高速相机进行拍摄双壁钻杆和钻头内部水力反循环岩心输送过程。

8、搅拌桶内腔底部装配有搅拌机，搅拌桶的内腔中填充有钻井液，钻井液中混和有与钻井液密度相同的带颜色小球，搅拌机不断搅拌钻井液从而使钻井液的颜色保持均匀。

9、上述的第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、恒压水泵、进水球阀、流量计和回流球阀均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

10、本发明提供的水力反循环岩心输送过程模拟方法，其方法包括的步骤如下：

11、步骤一、按照水力反循环岩心输送工作原理将模拟装置组装完毕后，按照设计的实验方案，选定确定几何结构和空间布局的钻头，将钻头的内管和外管分别与双壁钻杆的内管和外管相插接，钻头的内管顶端与双壁钻杆的内管底部插接处采用楔形设计，插接处的上下分别装配有密封圈进行密封，双壁钻杆的外管底部与钻头的外管顶部通过卡槽和凸起相卡接，卡接处的内外装配有两道密封圈，双壁钻杆的外管底部外沿与钻头的外管顶部外沿还通过紧固螺钉相紧固；

12、步骤二、根据设计的实验方案，选定确定直径和长度的岩心并将第一压力传感器和第二压力传感器分别用封堵盖封装到岩心的上下端面里，盖上封堵盖后将岩心置于钻头的内管内腔底部的中心处，将环形圈放置在底板上，扣紧底板让环形圈上端面紧贴岩心；

13、步骤三、持续搅拌搅拌桶中的钻井液，保证有色小球均匀分布在钻井液中，根据设计的实验方案，调节恒压水泵为水力反循环岩心输送实验提供恒定泵压，控制进水球阀的开度以调节进水流量，通过流量计监测进水流量值，水力反循环岩心输送实验过程中回流球阀保持关闭；

14、步骤四、水力反循环岩心输送实验过程中，钻井液首先经进水管流入双壁钻杆的外管和内管之间的上部环形通道中，而后钻井液向下流动到钻头的内管和外管之间的下部环形通道中，钻井液流经钻头的内管侧壁周圈上的数个引射孔时，一部分钻井液经数个引射孔斜向上射入钻头的内管中心通道形成高速射流，剩余钻井液继续向下流动，经钻头底部的数个底喷孔流出后经钻头唇面转向流入钻头的内管中心通道，高速射流对钻头的内管中心通道内低于引射孔的钻井液起卷吸作用促使其向上流动，形成反循环的钻井液携岩心向上运动，经钻头的内管中心通道和双壁钻杆的内管中心通道直至双壁钻杆的内管顶端，钻井液到达双壁钻杆的内管中心通道顶端后经第一回流管流回搅拌桶；

15、步骤五、为判断冰下基岩水力反循环连续取心的岩心输送效果，在实验过程中对水力反循环岩心输送的钻头的内管和双壁钻杆的内管中心通道内流场的压力场进行全面检测，通过封堵盖封装到岩心上下端面里的第一压力传感器和第二压力传感器分别监测岩心下端面和上端面所受的压力，通过岩心上下端面的压力差分析水力反循环形成效果，通过安装在双壁钻杆的内管底部和顶部的第三压力传感器和第四压力传感器，监测流体压力损失并分析水力反循环岩心运输过程中流体压力变化规律；

16、步骤六、为判断冰下基岩水力反循环连续取心的岩心输送效果，在实验过程中还对水力反循环岩心输送的钻头的内管和双壁钻杆的内管中心通道内流场的速度场进行全面检测，双壁钻杆和钻头均为透明材质制成并带有刻度，水力反循环岩心输送过程中，均匀混有与钻井液密度相同的有色小球的钻井液裹挟岩心在钻头的内管和双壁钻杆的内管中心通道内向上运动，使用高速相机拍摄岩心和小球的上返轨迹能够分别计算出岩心上返速度和钻井液上返流速，并从而计算得出岩心上返速度与钻井液上返流速接近率；

17、步骤七、水力反循环岩心被输送到双壁钻杆的内管顶端后，水力反循环岩心输送实验结束，关闭恒压水泵，打开第二回流管上的回流球阀，待钻井液全部沿第二回流管流回搅拌桶，关闭回流球阀，能够根据实验需要打开底板更换不同尺寸的岩心或更换不同几何结构和空间布局的钻头。

18、本发明的工作原理：

19、本发明提供的水力反循环岩心输送过程模拟装置及方法：在水力反循环岩心输送实验开始前，将模拟装置组装完毕，将已确定几何结构和空间布局的钻头与双壁钻杆的内外管插接，其中钻头与双壁钻杆之间采用快拆式设计，使用上下两道密封圈密封钻头的内管与双壁钻杆的内管插接处的结合部位，使用法兰连接钻头的外管与双壁钻杆的外管，连接处采用楔形设计，内外使用两道密封圈密封法兰处，锁死各紧固螺钉后，将第一压力传感器和第二压力传感器分别用封堵盖封装到已确定直径和长度的岩心的上下端面里，盖上封堵盖后将岩心置于钻头的内管内腔底部的中心处，将环形圈放置在底板上，扣紧底板让环形圈上端面紧贴岩心后，持续搅拌搅拌桶中钻井液使有色小球均匀分布在钻井液中，调节恒压水泵为水力反循环岩心输送实验提供恒定泵压，控制进水球阀的开度以调节进水流量，通过流量计监测进水流量值。

20、水力反循环岩心输送实验过程中保持第二回流管上的回流球阀关闭，钻井液首先经进水管流入双壁钻杆的外管和内管之间的上部环形通道中，而后钻井液向下流动到钻头的内管和外管之间的下部环形通道中，钻井液流经钻头的内管侧壁周圈上的数个引射孔时，一部分钻井液经数个引射孔斜向上射入钻头的内管中心通道形成高速射流，剩余钻井液继续向下流动，经钻头底部的数个底喷孔流出后经钻头唇面转向流入钻头的内管中心通道，高速射流对钻头的内管中心通道内低于引射孔的钻井液起卷吸作用促使其向上流动，形成反循环的钻井液携岩心向上运动，经钻头的内管中心通道和双壁钻杆的内管中心通道直至双壁钻杆的内管顶端，钻井液到达双壁钻杆的内管中心通道顶端后经第一回流管流回搅拌桶。

21、为判断冰下基岩水力反循环连续取心的岩心输送效果，在实验过程中对水力反循环岩心输送的钻头的内管和双壁钻杆的内管中心通道内流场的压力场和速度场进行全面检测，通过封堵盖封装到岩心上下端面里的第一压力传感器和第二压力传感器分别监测岩心下端面和上端面所受的压力，通过岩心上下端面的压力差分析水力反循环形成效果，通过安装在双壁钻杆的内管底部和顶部的第三压力传感器和第四压力传感器，监测流体压力损失并分析水力反循环岩心运输过程中流体压力变化规律，双壁钻杆和钻头均为透明材质制成并带有刻度，在水力反循环岩心输送实验过程中，均匀混有与钻井液密度相同的有色小球的钻井液裹挟岩心在钻头的内管和双壁钻杆的内管中心通道内向上运动，使用高速相机拍摄岩心和小球的上返轨迹能够分别计算出岩心上返速度和钻井液上返流速，从而计算得出岩心上返速度与钻井液上返流速接近率，通过对测得的数据进行分析处理得出不同岩心尺寸、钻头几何结构、钻头空间布局和水力参数对水力反循环岩心输送的水力反循环形成效果，流体压力损失，岩心上返速度及其与钻井液上返流速接近率的影响规律，再通过对比多种不同工况下的实验数据，分析水力反循环岩心输送的物理场分布特征并得出其流体动力学特性。

22、水力反循环岩心被输送到双壁钻杆的内管顶端后，水力反循环岩心输送实验结束，关闭恒压水泵，打开回流球阀，待钻井液全部沿第二回流管流回搅拌桶，关闭回流球阀，后可根据实验需要打开底板更换不同尺寸的岩心或更换不同几何结构和空间布局的钻头。

23、本发明的有益效果：

24、本发明提供的水力反循环岩心输送过程模拟装置及方法能够完全模拟极地冰下基岩层水力反循环连续取心钻进的岩心输送过程，并实现水力输岩过程中单一或多个变量可调，能够有效评估水力反循环岩心输送过程水力参数，钻头几何结构，钻头空间布局以及岩心尺寸对水力反循环形成效果、流体压力损失、岩心上返速度及其与钻井液上返流速接近率的影响规律，得出不同工况下水力反循环岩心输送的流体动力学特性及物理场分布特征，并获得冰下基岩水力反循环连续取心钻进过程中钻井液输送岩心机理以及得到不同工况下水力输送不同尺寸岩心的最优钻头几何结构，钻头空间布局和水力参数，能够为极地冰下基岩水力反循环连续取心钻具设计以及极地冰下基岩水力反循环连续取心钻探实现全孔水力反循环和高效水力输岩提供理论支持和技术支撑。