新型节水钻探技术水力机械特性研究--毕业论文设计.doc

分类号： 密 级： UDC： 中国地质大学硕士学位论文新型节水钻探技术水力机械特性研究硕士生： 学科专业：防灾减灾工程及防护工程指导教师： 教授 所在学院：工程学院二八年五月学校代码：10491 研究生学号：120050262 中国地质大学硕士学位论文新型节水钻探技术水力机械特性研究硕 士 生： 学科专业：防灾减灾工程及防护工程指导教师： 教授二八年五月A Dissertation Submitted to China Universityof Geosciences for the Master Degree of EngineeringNew Water-saving drilling technology Hydraulic Mechanical Properties researchMaster Candidate：Xu WeiMajor：Disaster Prevention and Reduction Engineering and Protective EngineeringSupervisor：Prof. Wu XiangChina University of GeosciencesWuhan 430074 P. R. China研究生学位论文原创性声明我以诚信声明：本人呈交的硕士学位论文是在吴翔导师指导下开展研究工作所取得的研究成果。所引用他人之思路、方法、观点、认识均已在参考文献中明确标注，所引用他人之数据、图件、资料均已征得所有者同意，并且也有明确标注，对论文的完成提供过帮助的有关人员也已在文中说明并致以谢意。 学位论文作者（签字）： 签字日期：年月日 新型节水钻探技术水力机械特性研究 摘 要钻孔冲洗是钻井过程的重要组成环节。钻孔冲洗液在孔内的循环的主要作用是清除岩屑、冷却钻头、润滑碎岩工具和孔内钻具以及维护孔壁。采用传统的钻探工艺，都必须消耗大量水。水一直是困扰干旱缺水地区和漏失地层正常钻探的一个重要因素。在干旱缺水的地区进行钻探，如果采用传统的钻探工艺，就必须从其他地方运送大量的水（在西部干旱地区往往要从几十公里外运水），在西部缺水地区1台钻机配两辆水罐车还经常发生停工待水的现象，这样大大增加了钻探成本。另外，如果按照传统的工艺方法，在漏失地层钻进，必须用套管隔离或封孔堵漏的办法处理漏失段，从而极大地增加了施工成本和时间消耗，堵漏材料还会造成环境污染；如果顶漏钻进，则不仅浪费大量的水，增加钻孔成本，而且可能冲垮地层、诱发滑坡等地质灾害。目前国内外钻进漏水孔最经济的办法是实现钻井液在孔底局部循环钻进，即在基本不消耗地表水的前提下，利用孔内地层中的水作为冲洗液，来完成破碎孔内岩石时钻头冷却、携带岩粉和维护孔壁的任务，实现正常钻进。本文研究的节水钻探技术恰恰可以实现孔底局部循环钻进，使用这套钻具进行钻进，可以使钻进过程中的用水量下降520倍。新型节水钻探技术是以传统的钻机、泥浆泵、动力机“三大件”和人造金刚石钻进为基础，在钻具和工具创新上下功夫，在不降低钻探效率，不增加大设备的前提下，便可取得既大量节水、又不扰动地层的效果。该技术是在地面泥浆泵出水阀体上安装脉动器，借助脉动器产生的水锤来驱动孔底潜水柱塞泵实现孔底地下水的局部循环，保证正常钻进。但是在钻进过程中，由于孔内不返水，在地表不好对孔内的工作情况进行判断，只能通过地表的压力变化量来判断，而通过压力的变化值的判断没有量化，判断的精确度不高。通过本文的研究，最终解决通过地表压力变化值来判断孔内工作情况的量化问题，可以更加准确地判断孔内的工作情况，更好地预报事故，减少事故的发生。可以使这套钻具更具有实用性。更快地应用到实际工程中。本文结合国土资源部中国地质调查局地质调查项目“地质灾害防治节水钻探技术研究”项目，旨在借助项目基金的资助，综合运用钻探专业知识、流体力学、液压传动学、机械学及物理学等知识对孔底局部循环节水钻探系统开展研究。研究的主要内容如下：1、新型节水钻探系统钻具的结构和工作原理的研究；2、新型节水钻探系统的各部分压力损失计算公式的推导；3、建立孔底局部循环新型节水钻探系统的压力损失计算的数学模型，在此基础上计算在不同深度工作地表压力的理论上的变化范围，并通过实验验证其准确性；4、讨论潜水泵深度、孔深和地下水埋深三者对地表最大压力的影响，总结出使用这套设备的一些规律。全文共分七章，各章的主要研究内容概述如下：第一章、阐述了论文选题的来源、研究目的、研究的重大意义及国内外研究现状，同时概括了论文的主要研究内容及研究所采用的技术路线。第二章、介绍新型节水钻探钻具的组成部分及各部分的结构和工作原理，并对整套节水钻探系统的工作原理进行详细的说明。第三章、对新型节水钻探技术水力机械特性研究中涉及到的有关流体的概念和原理进行说明，按照相关概念对流体进行分类，对流体力学的三大原理进行推导说明，并对沿程压力损失和局部压力损失的计算公式进行推导证明。第四章、在深入研究节水钻具结构的基础上，结合第三章的理论基础，对节水钻探系统工作时的各个部分的压力损失进行计算，在对整个系统的压力变化进行分析研究后，得出整个系统工作时压力的变化计算公式。 第五章、通过对室内实验得出的数据与理论计算得出的数据进行对比，分析理论计算结果和实验测得数据差异的原因，提出修改方法，并验证修改后的结果与实际结果的差异。第六章、通过假设计算出各种不同工作条件下，地表压力随潜水泵深度、孔深和地下水埋深的变化关系，得出使用这套设备的一些规律，并从理论上分析产生这些规律的原因。第七章、结论与建议，总结了全文的主要研究成果，同时也指出了课题研究过程中存在的不足之处，对进一步的研究工作提出了一些建议。关键词：节水钻探，水力机械，压力计算New Water-saving drilling technology Hydraulic Mechanical Properties researchMaster Candidate：Xu Wei Supervisor：Wu XiangABSTRACTHole flushing is a very important component in the course of drilling. The main functions of drilling fluid are discharging cuttings, cooling and lubricating rock broken tools and drilling instruments, additionally, which can protect hole wall in some conditions. A lot of water will be consumed adopting conventional drilling technology. Water is one of important factors that puzzling normal drilling in droughty area and leak stratum all the time. When drilling in droughty, water scarce area, we must transport plenty of water from other place if take traditional drilling technology. It often happens that stopping drilling waiting for water at the condition a set of drilling machine equipped with two water tank cars when drilling in west water scarce area, in this way drilling cost will increase greatly. Besides, if take traditional drilling technology and methods in leak stratum, we must deal with leak sect by ways of using casing isolate or blocking up with special stuff, consequently, construction cost and consumed time will be increased greatly, furthermore, the stuff used for blocking up will cause environmental pollution. If drilling at the same time of leaking not only wastes plenty of water but also increases drilling cost, even it is possible to burst stratum and induce geological disasters such as coast etc. At present, the most economical method of drilling leakers is implementing drilling fluid downhole local circulation, that is, on the condition that not consume surface water, using water contained in stratum in the hole as drilling fluid accomplish the roles of cooling bit, discharging cuttings and protecting hole wall, achieving the aim of normally drilling.The water -saving drilling technology that the article studies may exactly implement circulation drilling locally in the hole. The use of the equipment for drilling can make the process of drilling water consumption drop 5 to 20 times. Water -saving drilling New Technology uses traditional drilling rigs ,slurry pump ,power rigs and artificial diamond as its base ,making efforts in drilling rigs and tools innovation ,on the premise of no reducing drilling efficiency and no increasing big rigs ,obtaining effect of saving a lot of water ,without disturbing stratum This technology that is about installing pulsator on the mud pump water valve on the ground, with the help of the water hammer made by the pulsator ,to drive submersible pump piston to achieve groundwater at the end of the hole partial-cycle, ensure the drilling normal. However , in the drilling process，because of water in the hole that does not return to the ground, it is hard to judge the working condition in the hole on the ground . Judging by the change of surface pressure gauge, it is not quantified, so the judgment precision is not high. This study that ultimately solve the problem that judging the value of the operation in the hole by the changes of the surface pressure gauge can judge the value of the operation in the hole more accurately , forecast accidents and reduce accidents better. The study can make the drilling set more practical, thus, it can apply to the actual project more quickly.The paper combines geological investigation project of water -saving drilling technology research for geological disaster prevention and cure, the project belong to China geological investigation bureau of ministry of land and resources, the goal is studying water-saving drilling instrument with downhole local circulation in virtue of assist of project fund, synthesize utilizing knowledge, such as drilling expertise, hydrodynamics, hydraulic transmission science mechanical and physical knowledge and so on. The mainly researched contents as follow:Firstly, the study on the structure and the working principle of the new water-Saving hole drilling system ;Secondly, the development of the calculation formula about the pressure loss of every part of the new water drilling system ; Thirdly, establish the pressure loss mathematical model of a new circulation of water-saving hole drilling system in a local hole. Based on the work , calculate the range of the theory pressure of the surface gauge pressure of different depths, and do experiments to verify its accuracy; Fourthly, discuss the influence of the biggest pressure of the surface that made by the submersible pumps depth, the hole depth and the groundwater depth. Sum up some laws of the usage of the equipment.There are six chapters in the paper, main contents of each chapter as follow:1. Introduce the resource, the purpose and significance，the background, the feasibility, computer simulation technology and main contents of research have been introduced in this part.2. Introduce the components of the new water-saving hole drilling system, the structure and the work principle of the components, and explain the principle. 3. Explain the concept and principle related to the fluid of the study on the Hydraulic mechanical properties of the new water-saving technology, classify the fluid in accordance with the related concepts, improve the three major principles of fluid dynamics ,and derive the calculation formulae of the pressure loss along the way and of the local pressure loss.4. Based on the in-depth study of water-saving hole drilling system and the theoretical foundation of the third chapter, calculate the pressure loss of all the parts, as the water drilling system at work. After it, analyze the pressure changes of the whole system and obtain the formulas .5. By the comparison between the data from the lab experiments and the data from calculating, analyze the reasons on the difference between the outcome and actual situation. Improve the detailed measures. Then, authenticate the differences of the outcomes between the calculating and the lab experiments.6. By assuming it, calculate surface pressure changes in different work situations, with changes on the submersible pumps depth, the hole depth and the groundwater depth , obtain some laws of the usage of this equipment and analyze the reasons theoretically. 7. Conclusions and recommendations, sum up the main research results of the full text, point out that the deficiencies in the course of the study subjects, and put forward a number of recommendations for further research.Key Words: Water-saving drilling, Hydraulic Mechanical, Pressure calculation目 录第一章 绪论1§1.1 论文选题的来源1§1.2 论文研究目的及意义1§1.3 国内外研究现状2§1.4 研究的主要内容4§1.5 研究的方法及可行性分析5§1.6 本论文的创新点5第二章 新型节水钻具的结构与工作原理7§2.1 新型节水钻探系统的组成7§2.2 新型节水钻具脉动器的结构及工作原理8§2.3 新型节水钻具潜水泵的结构及工作原理8§2.4新型节水钻探系统的工作原理11第三章 新型节水钻探技术水力机械特性研究中流体力学基础13§3.1流体的基本概念133.1.1 流体的密度133.1.2 流体的流量与流速133.1.3 流体的压力143.1.4 流体的压缩性和膨胀性153.1.5 流体的粘性和粘性力16§3.2流体流动的类型分类173.2.1 可压缩流动与不可压缩流动183.2.2 理想液体和恒定流动183.2.3 牛顿流体和非牛顿流体18§3.3 流体的三大原理方程183.3.1 流量连续性方程183.3.2 伯努利方程193.3.3 动量方程20§3.4 流体流动阻力系数与能量损失的计算22§3.5 层流和紊流的流动阻力系数计算23第四章 新型节水钻探技术中系统的压力损失计算26§4.1计算模型的建立26§4.2地表专用单缸柱塞泵的工作原理26§4.3潜水泵柱塞的运动规律的研究29§4.4新型节水钻探系统中的压力损失计算324.4.1动力传送系统中的压力损失计算324.4.2孔底局部循环系统的压力损失计算33§4.5节水钻进时地表压力的极值计算公式36第五章 室内实验数据与理论计算数据的比较和误差分析39§5.1 室内实验的现场条件39§5.2 室内实验得出的数据40§5.3 室内实验数据与理论计算数据的对比40§5.4 室内实验数据与理论计算数据的误差分析41§5.5 钻头对地表压力影响的分析43第六章 潜水泵深度、孔深和地下水位埋深对地表压力最大值的影响关系的讨论45§6.1 潜水泵深度和孔深对地表压力最大值的影响关系45§6.2潜水泵深度和地下水埋深对地表压力最大值影响关系48§6.3地下水位埋深对地表压力最大值影响关系50§6.4使用新型节水钻具钻进过程中一般规律的总结52§6.5对影响地表工作压力变化因素的理论分析53第七章 结论与建议56§7.1 结论56§7.2 建议56致 谢58参考文献59 59第一章 绪论§1.1 论文选题的来源论文选题来源于国土资源部地质调查局地质调查项目“地质灾害防治节水钻探技术研究”，项目编号（1212010561304）。§1.2 论文研究目的及意义水是人类赖以生存和发展的重要资源之一，是不可缺少、不可代替的特殊资源之一。中国属于严重缺水国家，已经被联合国列为13个贫水国家之一，很多干旱缺水地区连人畜饮水问题都很难解决。这些地区滴水如油，对于要消耗大量地表水的传统钻进方法只能望而兴叹，所以国土资源部地质调查局开展了关于“地质灾害防治节水钻探技术研究”的项目，来开展节水钻探钻进方法的研究。西部多半是地表干旱无水、地下浅部漏水、深部有水的地区，虽然在这种条件下空气钻进、泡沫钻进等技术有许多优越性，但需要配备大空压机、泡沫泵、地表采样分离系统等设备，一次性资金投入大，运输的工作量大，对操作人员素质的要求也较高。所以，目前上述技术在西部仍未大量推广。在西部1台钻机配两辆水罐车还经常出现停工待水的现象。在这种情况下，如果进行堵漏，不仅耗费资金，而且大多数堵漏材料都会造成环境污染，对今后的注浆效果也不利。如果顶漏钻进，则不仅浪费大量的水，增加钻孔成本，而且可能冲垮地层诱发滑坡等地质灾害。而节水钻探新技术以地表水作为动力的媒介，利用地层水作为冲洗液形成孔底局部循环进行钻进，地表水和地下水相互隔开，钻进过程中基本不消耗地表水或消耗很少量的地表水,从而达到节水钻进的目的。节水钻探系统是通过地表脉动器孔内潜水泵来实现的，其原理是通过水力脉冲驱动潜水泵的活塞，形成孔底局部循环，达到冷却钻头、排除岩粉，实现正常钻进。1-8 现在节水钻探技术已经开始在野外和室内分别进行了实验，实验过程中存在的一个关键的问题是，从地表无法准确的了解钻孔中潜水泵的工作情况。而潜水泵出水流量的大小是决定孔底局部循环成败的关键，若潜水泵不能正常工作或出水流量太小就不能很好的实现冷却钻头、携带岩粉的功能，容易造成卡钻、埋钻事故，使钻进无法进行。这个问题的忽略，将带来十分严重的后果，造成严重的经济损失。 本论文通过对节水钻探水力机械特性的计算推导出钻进过程中脉冲压力的变化规律，从而分析出在当潜水泵不能正常工作时，如何根据地表压力表显示值的微小变化，及时判断潜水泵的工作情况，预测孔内潜水泵的工作情况，从而预防事故发生；并总结出这套设备工作时的一些规律，用来指导现场的工作。这套节水钻探设备不仅经济实用，而且推广起来很容易。只要能解决上述的问题，节水钻探技术更快的应用到钻探施工之中，以解决我国西部缺水地区的钻进问题。 论文选题是在国家大力倡导“节约型”社会以及国家地质大调查战略实施的背景下提出的，具有前沿性和急需性，同时又是一种创新技术，该技术的推广应用能够在很大程度上缓解干旱缺水地区的“工程型”水资源短缺问题，是我国建设“节约型”社会的重要内容之一，具有极高的经济价值和广阔的推广应用前景。§1.3 国内外研究现状 我国是世界上最早应用钻探工程的国家。钻凿技术是我国古代许多科学技术发明之一。它起源于我国钻凿盐井和饮用水井。而在西方直到19世纪20年代才开始应用。90年代，人们把金刚石钻探和金刚石绳索取心钻探，液动冲击回转钻探、反循环钻探、受控定向钻探、优化钻探称为当时地质钻探的五大技术(方法)。首先是因为这五大地质钻探技术不仅在历史上推动过钻探工程向更高水平、更新高度演化与发展；更重要的是，这五大技术的自身至今仍在日新月异的向高、精、尖程度攀登，对地质钻探工程的未来也起着先锋引导作用。 进入21世纪以来，钻探技术有了长足进步，由于应用领域的扩大和地质勘查新要求的不断出现,加上相关技术的进步,钻探技术工艺与装备亦不断变革与创新,出现了许多钻探新技术、新方法、新工艺和新设备、仪器： 1、钻探钻进工艺从硬质合金、铁砂、钢粒为主要研磨材料进入了以金刚石钻探为主的“王国”，技术水平进入世界先进行列。 2、小口径金刚石受控定向钻探（以羽状、全方位、多层集束、丛式及大、中曲率方式）、绳索取心钻探等勘探深部矿体与坚硬致密打滑岩层的钻探技术居世界领先水平。 3、金刚石钻头制造工艺学已经形成，工艺与产品的类别和品种齐全，而且质优价廉，完全满足国内需要，并还有少量出口。 4、钻探冲洗液体系发展极快，从自然造浆劣质土造浆高固相低固相无固相聚合物制浆发展到低密度冲洗介质（空气、泡沫、充气泥浆、雾化泥浆），并开发了260余种钻井液材料及处理剂，以满足各类地层需要。 5、近年来，随着地质灾害调查和环境地质调查工作的展开，地质灾害防治和环境保护工程已提上日程。对钻探技术提出了更高的要求，例如节水钻探技术就是其中的一个新的创新技术。目前实施节水钻进工艺的思路主要有两种：一是采用节水型冲洗介质来达到冷却钻头排除岩粉的目的，例如：空气钻进、泡沫钻进；二是利用孔内本身存在的地层水形成孔底局部循环来达到冷却钻头，排粉钻进的目的，也就是本文所要研究的。国内外现有的孔底局部循环钻进方法及其工具情况见表1-1。表1-1. 国内外实现孔底局部循环的钻进方法及其工具分类表序号潜水泵 类型建立钻井液局部循环的方法能量传递 方式传动机构由传动机构到执行机构的环节1无泵强制性上下提动钻具，形成孔底局部反循环机械钻机升降机或立轴钻杆+岩心管接头中的钢球+沉淀管2脉动周期性地改变钻杆中的水位，孔底局部反循环气动压风机把压缩空气送往钻杆内腔，用于不返水钻孔真空泵使钻杆内腔形成负压，孔内反循环3空气升液器通过送入压缩空气改变管内外液体密度气动压风机往升液管送入压缩空气，用于反向冲孔4离心式潜水离心泵形成孔底局部反循环电动潜水电机转子，形成孔内反循环5螺杆(叶片)式螺杆回转时压入或抽吸冲洗液机械钻机回转器组合钻具，用于反向冲孔6螺旋式用螺旋泵压入或抽吸冲洗液机械钻机回转器螺旋泵叶片及专用钻杆，形成孔内反循环7活塞式强制潜水泵中活塞往返运动机械钻机升降机或立轴互动式钻杆使活塞或柱塞位移，形成孔底局部循环带卡接头的绳索，形成孔内局部循环强制潜水泵中活塞往返运动水力钻探泵+脉动器脉动泵在钻杆内腔形成孔内局部循环8空气升液器+活塞的混合式空气升液器，当循环破坏时，靠钻杆上下提动强制带动泵体的柱塞气动+机械压风机+钻机升降机或立轴钻杆，由空气升液器和泵组成的组合钻具9喷嘴（射流）式靠喷嘴周围的负压形成孔底局部反循环钻进水力钻探泵+喷嘴岩芯管上部安装喷嘴接头10柱塞式强制潜水泵的柱塞往返运动，实现孔底局部循环钻进机械钻机回转器在活塞、转子和定子中安装磁铁水力钻探泵+脉动器用带增压阀和反向阀的脉动器驱动潜水泵孔底局部循环钻井方法按工作原理可分为：无泵式、喷嘴式、孔内密封式、分水接头式、压风机升液式、活塞式等。1、无泵式孔内局部循环钻进技术该钻进方式在钻进漏水地层时不开泵，在取心钻具的上方或岩心管内放有一个钢球。在回转钻进的同时反复升降钻具，靠钢球被水顶起和下落的动作来形成岩心管内的负压，从而实现钻井液在孔底局部循环钻进，并采取岩心。这种钻进方法比较原始，由于频繁地升降钻具（每分钟510次），容易造成钻具碰撞敲打孔壁而产生的孔内事故，而且钻进效率很低。2、喷嘴式孔内局部循环钻进技术该钻进方式在岩心管内装有喷嘴及扩散管等结构。在回转钻进的同时必须开大泵量，靠喷嘴处形成的负压来实现钻井液在孔底局部循环钻进，并采取岩心。这种钻进方法曾在国内外广泛应用，但是为了保证形成孔内的负压场，必须开大泵量。同时，在不同的孔径与地层条件下，还必须反复调整喷嘴的尺寸和它与扩散管之间的距离，因此消耗了许多时间。另外，由喷嘴接头处喷出的高速流体还可能破坏孔壁而造成孔内事故或诱发地质灾害，故不适用于西部地质灾害频发地区。3、孔内密封式局部循环钻进技术该钻进方式是在取心钻具的上方安装封隔器，强制让从分水接头处流出的水流沿岩心管外环空间、钻头水口进入岩心管内，形成孔内局部局部循环钻进，并采取岩心。这种钻进方法也必须消耗大量的地表水来冲洗钻孔，而且安装封隔器的位置要求孔壁致密完整，否则将失去密封效果。但在西部地质灾害频发地区，尤其是打监测孔和危岩体加固孔时，地层本身就很不稳定，所以该方法在西部地区使用有很大的局限性。4、分水接头式孔内局部循环钻进技术该钻进方式采用的是双管取心钻具，在钻具的上方安装专用分水接头。同时，所用的钻头没有大水口，靠钻头唇面形成密封，强制让从分水接头处流出的水流沿岩心外管与内管之间的环状空间进入岩心内管，形成孔内局部反循环钻进，并采取岩心。这种钻进方法也必须消耗大量的地表水来冲洗钻孔，而且靠钻头唇面形成的密封往往不可靠。该方法在缺水的西部地区不适用。5、压风机升液式钻进技术该钻进方式是在整个钻杆柱内下入压风管，送入压缩空气，通过空气升液器的工作原理形成全孔或局部反循环钻进，并采取岩心或岩屑。这种钻进方法不必消耗地表水，但是必须在地表安装压风机及其动力机，必须使用大通孔直径的钻杆柱，设备庞大。对于需要打大量监测孔和危岩体加固孔的西部地质灾害频发地区有很大的局限性。国内多年来基本上是沿用国外成熟的无泵式孔底局部循环、喷嘴式孔底局部循环、分水接头式孔底局部循环技术。通过对比可以看出：（1）无泵式最简单，不消耗地表水，但钻进时必须频繁提动钻具实现孔底局部反循环，可能造成孔内事故，钻进效率低。（2）有些方法虽然不耗地表水，但需往孔内下离心泵、轴流泵等设备，机构过于复杂。（3）喷嘴(射流)式曾得到广泛应用，但必须开大泵量钻进，这在缺水地区显然不可取。（4）若孔内一定深度有水，可用地表泵提供的水力脉冲驱动潜水泵柱塞，形成孔底局循环，达到排粉、冷却钻头的目的，而且钻探效率明显提高。同时，未采用堵漏材料，避免了生态环境的污染。9-14§1.4 研究的主要内容论文以国土资源部中国地质调查局地质调查项目“地质灾害防治节水钻探技术研究”为依托，结合目前国内的实际情况及该领域的国内外研究现状，综合运用钻探专业知