阅读说明：本技术 水平定向钻正向动力扩孔施工模拟试验装置及其实验方法 (Simulation test device and method for forward power reaming construction of horizontal directional drill ) 是由 张启国 李子涵 石贤增 黄显怀 刘宁 常先睿 王钱泱 单庆婷 柳景超 张银松 章 于 2020-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水平定向钻正向动力扩孔施工模拟试验装置,它包括实验模拟土体,实验模拟土体包括实验土箱以及调节实验土箱内土体压力的压力加载系统,压力加载系统设置在实验土箱上方,压力加载系统下方通过竖向加载活塞连接实验土箱,压力加载系统向下压缩活塞改变实验土箱中土的压力以达到不同土体的模拟情况,还包括钻进及回拖动力系统、正向扩孔钻进装置、泥浆循环系统、终端控制及数据处理系统以及设置在实验土箱内的压力传感器和湿度传感器。本发明在扩孔器后端连接泥浆马达最大限度的还原正向扩孔的施工过程,可通过该模拟装置,获取实际工况中泥浆配比参数、钻头选择、钻机扭矩、回拖力等系列施工控制参数,进而指导实际工程施工。(The invention discloses a simulation test device for forward power reaming construction of a horizontal directional drill, which comprises an experimental simulation soil body, wherein the experimental simulation soil body comprises an experimental soil box and a pressure loading system for adjusting the pressure of the soil body in the experimental soil box, the pressure loading system is arranged above the experimental soil box, the lower part of the pressure loading system is connected with the experimental soil box through a vertical loading piston, the pressure loading system downwards compresses the piston to change the pressure of the soil in the experimental soil box so as to achieve the simulation conditions of different soil bodies, and the simulation test device also comprises a drilling and back-dragging power system, a forward reaming drilling device, a slurry circulating system, a terminal control and data processing system, and a pressure sensor and a humidity sensor which are arranged in the experimental soil box. According to the invention, the rear end of the reamer is connected with a mud motor to reduce the construction process of forward reaming to the maximum extent, and series construction control parameters such as mud proportioning parameters, drill bit selection, drilling machine torque, back drag force and the like in actual working conditions can be obtained through the simulation device, so that actual engineering construction is guided.)

水平定向钻正向动力扩孔施工模拟试验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及水平定向钻施工领域，尤其涉及一种水平定向钻正向动力扩孔施工模拟试验装置及其实验方法。

背景技术

现在施工主要采用钻机回拖进行反向扩孔，由钻机提供钻进和回拖动力，扩孔扭矩小、扩孔级差小、钻进效率低，事故发生率高。目前市场上还没有一个完整的正向扩孔试验装置，因此无法在施工前获得相应的施工参数，来为施工前做充分的准备。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种水平定向钻正向动力扩孔施工模拟试验装置及其实验方法。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种水平定向钻正向动力扩孔施工模拟试验装置，它包括实验模拟土体，所述实验模拟土体包括实验土箱以及调节实验土箱内土体压力的压力加载系统，所述压力加载系统设置在实验土箱上方，压力加载系统下方通过竖向加载活塞连接实验土箱，压力加载系统向下压缩活塞改变实验土箱中土的压力以达到不同土体的模拟情况，还包括钻进及回拖动力系统、正向扩孔钻进装置、泥浆循环系统、终端控制及数据处理系统以及设置在实验土箱内的压力传感器和湿度传感器；

所述钻进及回拖动力系统包括动力装置、锚固装置以及前钻杆；所述锚固装置通过螺栓将动力装置固定在实验土箱一侧；所述动力装置的动力头与前钻杆连接，所述前钻杆的轴线与模拟土体的轴线重合在一条直线上；

所述正向扩孔钻进装置包括扩孔钻头、泥浆马达以及后钻杆；所述扩孔钻头与前钻杆相连接，钻进及回拖动力系统拖动前钻杆从而带动扩孔钻头向前运动，扩孔钻头后方连接泥浆马达；所述泥浆马达后侧通过万向节与后钻杆相连接；

所述泥浆循环系统包括泥浆池、泥浆泵、泥浆过滤器；所述泥浆池中泥浆通过泥浆泵抽出后经过泥浆管流入前钻杆，泥浆由前钻杆流经泥浆马达为泥浆马达提供动力，泥浆马达工作带动扩孔钻头旋转工作，之后流入后钻杆；经过法兰泥浆出口管流入泥浆管道，通过泥浆过滤器流回到泥浆池，实现泥浆的循环使用；

实验土箱与后钻杆连接处还固定设置泥浆法兰罗盘，泥浆法兰罗盘通过法兰螺栓与实验土箱固定连接，泥浆法兰罗盘上设置泥浆出管口；所述后钻杆一侧通过万向节连接泥浆马达，另一侧穿过泥浆法兰罗盘固定在泥浆法兰罗盘上；

所述终端控制及数据处理系统通过数据接收器与钻进及回拖动力系统、压力传感器、湿度传感器连接，与钻进及回拖动力系统连接控制回拖力大小与扭矩并且把数据传输到终端起到记录与监测；与压力传感器、湿度传感器相连接获取土体的实时情况以达到模拟所需的土体标准，并且记录实验时的土体压力。

进一步的，所述泥浆循环系统还包括注浆系统；所述注浆系统包括泥浆流量计、泥浆阀，在泥浆的循环过程中通过泥浆阀与泥浆流量计来控制泥浆的流速；所述泥浆流量计、泥浆阀通过数据接收器与终端控制及数据处理系统连接。

另外本发明还公开一种水平定向钻正向动力扩孔施工模拟试验装置的实验方法包括以下步骤：

S100，在实验土箱内模拟导向孔，将钻进及回拖动力系统动力初始化，将压力传感器、湿度传感器、泥浆流量计、泥浆阀以及钻进及回拖动力系统分别通过数据接收器接入终端控制及数据处理系统；

S200，设置泥浆的配置和优化，泥浆马达的参数，通过泥浆流量计、泥浆阀初始化注浆系统；

S300，启动动力装置进行导向孔钻进，进行正向动力扩孔模拟；

S400，记录泥浆流量、泥浆马达工作参数、回拖力、土体压力、湿度、扭矩的参数；

S500，改变泥浆流量，压力、泥浆马达工作参数、土体压力，湿度中的一个参数重新进行步骤S200至S400，最后对比获得施工参数。

综上所述本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的实验装置中在扩孔器后端连接泥浆马达最大限度的还原正向扩孔的施工过程；

（2）实验土箱通过液压加载系统达到实验不同的土体压力与湿度，更加接近现场的土质情况；

（3）实验模拟装置可以测得正向扩孔的各项参数，为现场施工提供参考；

（4）在实验模拟过程中可以观察正向扩孔可能遇到施工状况。

附图说明

图1为本发明的模拟试验装置示意图；

图2为本发明试验装置的实验方法逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

下面结合附图尺寸和具体仿真数据对本发明做更详细的阐述说明；

结合图1作进一步地说明：一种水平定向钻正向动力扩孔施工模拟试验装置，它包括实验模拟土体，实验模拟土体包括实验土箱22以及调节实验土箱内土体23压力的压力加载系统20，压力加载系统20设置在实验土箱上方，压力加载系统20下方通过竖向加载活塞21连接实验土箱，压力加载系统20向下压缩活塞21改变实验土箱22中土的压力以达到不同土体23的模拟情况，还包括钻进及回拖动力系统、正向扩孔钻进装置、泥浆循环系统、终端控制及数据处理系统18以及设置在实验土箱内的压力传感器16和湿度传感器17；

钻进及回拖动力系统包括动力装置1、锚固装置2以及前钻杆3；锚固装置2通过螺栓将动力装置1固定在实验土箱22一侧；动力装置1的动力头与前钻杆3连接，前钻杆3的轴线与模拟土体的轴线重合在一条直线上；锚固装置2可包括支架、轨道（图上未画出），动力装置1包括驱动电机、固定螺栓以及安装在轨道上的动力头，首先将支架通过固定螺栓固定在相应的位置，使得整个系统保持稳定；动力头与前钻杆3相连接，并且保证钻杆轴线与模拟土体的轴线重合在一条直线上，开启驱动电机，在驱动电机的工作下驱使轨道上的动力头沿轨道方向向前运动为正向扩孔过程提供了一个回拖力，同时动力头带动前钻杆旋转提供了正向扩孔过程中的扭矩；

正向扩孔钻进装置包括扩孔钻头4、泥浆马达5以及后钻杆7；扩孔钻头4与前钻杆3相连接，钻进及回拖动力系统拖动前钻杆3从而带动扩孔钻头4向前运动，扩孔钻头4后方连接泥浆马达5；泥浆马达5后侧通过万向节6与后钻杆7相连接；

泥浆循环系统包括泥浆池12、泥浆泵15、泥浆过滤器11；泥浆池12中泥浆通过泥浆泵15抽出后经过泥浆管流入前钻杆，泥浆由前钻杆3流经泥浆马达5为泥浆马达5提供动力，泥浆马达5工作带动扩孔钻头4旋转工作，之后流入后钻杆7；经过法兰泥浆出口管10流入泥浆管道，通过泥浆过滤器11流回到泥浆池，实现泥浆的循环使用；

实验土箱22与后钻杆7连接处还固定设置泥浆法兰罗盘8，泥浆法兰罗盘8通过法兰螺栓9与实验土箱22固定连接，泥浆法兰罗盘8上设置泥浆出管口10；后钻杆7一侧通过万向节6连接泥浆马达5，另一侧穿过泥浆法兰罗盘8固定在泥浆法兰罗盘8上；泥浆循环系统还包括注浆系统；注浆系统包括泥浆流量计13、泥浆阀14，在泥浆的循环过程中通过泥浆阀14与泥浆流量计13来控制泥浆的流速；泥浆流量计13、泥浆阀14通过数据接收器19与终端控制及数据处理系统18连接；

终端控制及数据处理系统18通过数据接收器19与钻进及回拖动力系统、压力传感器16、湿度传感器17连接，与钻进及回拖动力系统连接控制回拖力大小与扭矩并且把数据传输到终端起到记录与监测；与压力传感器16、湿度传感器17相连接获取土体的实时情况以达到模拟所需的土体标准，并且记录实验时的土体压力。

结合图2作进一步地说明：一种水平定向钻正向动力扩孔施工模拟试验装置的实验方法包括以下步骤：

S100，在实验土箱内模拟导向孔，将钻进及回拖动力系统动力初始化，将压力传感器、湿度传感器、泥浆流量计、泥浆阀以及钻进及回拖动力系统分别通过数据接收器接入终端控制及数据处理系统；

S200，设置泥浆的配置和优化，泥浆马达的参数，通过泥浆流量计、泥浆阀初始化注浆系统；

S300，启动动力装置进行导向孔钻进，进行正向动力扩孔模拟；

S400，记录泥浆流量、泥浆马达工作参数、回拖力、土体压力、湿度、扭矩的参数；

S500，改变泥浆流量，压力、泥浆马达工作参数、土体压力，湿度中的一个参数重新进行步骤S200至S400，最后对比获得施工参数。

本发明的实验装置中在扩孔器后端连接泥浆马达最大限度的还原正向扩孔的施工过程；实验土箱通过液压加载系统达到实验不同的土体压力与湿度，更加接近现场的土质情况；实验模拟装置可以测得正向扩孔的各项参数，为现场施工提供参考；在实验模拟过程中可以观察正向扩孔可能遇到施工状况。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。