李信杰，董 順，李志杰，曾 聰，馬保松，閆雪峰*

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074；2.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，珠海 519082)

水平定向鉆進(jìn)是采用安裝于地表的鉆孔設(shè)備，以相對(duì)于地面較小的入射角鉆入地層形成先導(dǎo)孔，然后將先導(dǎo)孔擴(kuò)徑至所需大小并鋪設(shè)管道(線)的一項(xiàng)技術(shù)，在施工中具有跟蹤和導(dǎo)向功能[1-2]。近年來，在西氣東輸二線、川氣東送等國(guó)家重點(diǎn)管道建設(shè)工程中，大口徑管道施工逐漸增多，水平定向鉆技術(shù)被廣泛地用于大口徑管道敷設(shè)工程。隨著鋪設(shè)管道直徑增加，水平定向鉆鉆孔直徑增大，環(huán)空泥漿流速顯著降低：當(dāng)鉆孔直徑超過1 000 mm時(shí)，環(huán)空泥漿平均流速為0.01～0.02 m/s[3]。在低環(huán)空泥漿流速條件下，擴(kuò)孔產(chǎn)生的巖屑容易沉積在鉆孔底部形成巖屑床，嚴(yán)重限制了巖屑運(yùn)移效率?？變?nèi)巖屑堆積可能造成鉆桿因扭矩過大而斷裂、管道因回拖力過大而被破壞等事故，嚴(yán)重影響工期，增加施工成本[4]。

按照鉆進(jìn)系統(tǒng)中泥漿循環(huán)路徑不同，可將水平定向鉆工藝分為正循環(huán)和反循環(huán)兩種。區(qū)別于傳統(tǒng)正循環(huán)方式，水平定向鉆反循環(huán)工藝可令泥漿攜帶巖屑從鉆孔環(huán)空進(jìn)入鉆桿，并經(jīng)鉆桿內(nèi)部運(yùn)移返回地表。由于泥漿巖屑混合物在小直徑鉆桿內(nèi)更容易獲得高流速，因此可以有效降低巖屑沉積成床的風(fēng)險(xiǎn)，從而解決大直徑水平定向鉆進(jìn)擴(kuò)孔時(shí)排屑效率低的問題[5]。反循環(huán)技術(shù)按其形成方式不同可以分為泵吸反循環(huán)、氣舉反循環(huán)和射流反循環(huán)三種，目前已成功應(yīng)用于石油鉆井、水文水井鉆探、巖心鉆探及樁基工程等領(lǐng)域，并產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益[6-8]。但由于水平定向鉆工藝與傳統(tǒng)鉆探、樁基施工工藝存在較大區(qū)別，現(xiàn)有反循環(huán)理論與裝備不能直接應(yīng)用于水平定向鉆擴(kuò)孔施工中。目前，中外學(xué)者對(duì)水平定向鉆擴(kuò)孔反循環(huán)工藝僅有少量研究。

劉強(qiáng)等[9-10]通過理論分析將正、反循環(huán)所需泥漿泵量進(jìn)行了對(duì)比，并首次采用泵吸反循環(huán)技術(shù)清理巖石地層水平定向鉆擴(kuò)孔巖屑。楊國(guó)發(fā)[11]用清水進(jìn)行了射流反循環(huán)洗孔作業(yè)。Wei等[12]對(duì)水平定向鉆進(jìn)(horizontal directional drilling,HDD)泵吸反循環(huán)原理進(jìn)行了探討，并對(duì)反循環(huán)工藝流程及鉆具結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了描述。作者所在課題組團(tuán)隊(duì)將水平定向鉆擴(kuò)孔技術(shù)與反循環(huán)結(jié)合，提出了水平定向鉆反循環(huán)擴(kuò)孔工藝，孔耀祖[13]、馬保松等[14]設(shè)計(jì)了多種反循環(huán)擴(kuò)孔器。尹虎等[15]開展了氣井溢流反循環(huán)壓井理論與應(yīng)用研究，推導(dǎo)出了防止氣竄的最初壓井排量以及反循環(huán)壓井過程中循環(huán)壓力和立管壓力變化的數(shù)學(xué)模型，并編制計(jì)算程序。彭彬等[16]以配套設(shè)備、工藝流程為切入點(diǎn)，分析了氣舉反循環(huán)技術(shù)與石油鉆井技術(shù)的差異性，優(yōu)化了配套設(shè)備，設(shè)計(jì)了正反循環(huán)切換系統(tǒng)，為該技術(shù)成功應(yīng)用于石油鉆井領(lǐng)域提供技術(shù)支撐。陳云望[17]創(chuàng)新性提出將螺旋流引入反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)中，結(jié)合反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了新型的螺旋流引射式反循環(huán)鉆頭(螺旋鉆頭)，利用螺旋流的強(qiáng)大抽吸力提高鉆頭反循環(huán)效果。孫偉亮[18]對(duì)射流泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，開展了水下開挖中反循環(huán)排渣用射流泵的性能研究。陳宗濤等[19]運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)分析技術(shù)，對(duì)泵吸式局部反循環(huán)取心鉆具關(guān)鍵部件進(jìn)行研究。尚寶兵等[20]針對(duì)渤海Q油田低產(chǎn)井，開展反循環(huán)射流泵舉升技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了低產(chǎn)液量下的正常生產(chǎn)。楊虎偉[21]針對(duì)煤礦井下大直徑鉆孔擴(kuò)孔施工問題，研制了空氣反循環(huán)鉆進(jìn)用雙壁鉆具。范大友[22]和趙齊[23]開展了冰層空氣反循環(huán)鉆進(jìn)旋流式鉆頭、鉆具設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究。唐勝利等[24]采用數(shù)值模擬軟件對(duì)PDC反循環(huán)取心鉆頭局部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了PDC取心鉆頭不同數(shù)量底噴孔和內(nèi)噴孔組合對(duì)流量分配的影響規(guī)律，由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。張輝等[25]開展了雙壁鉆桿反循環(huán)系統(tǒng)新型井下封阻導(dǎo)流器沖蝕與強(qiáng)度研究，針對(duì)高流速、大循環(huán)壓差的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種同一本體不同井眼的井下封阻器。

Huerstel等[26]對(duì)反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在地下水監(jiān)測(cè)井施工中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了反循環(huán)大直徑螺紋鉆桿，改進(jìn)了JED-A鉆頭等配套設(shè)備，并將其成功應(yīng)用于Tucson Basin的地下水監(jiān)測(cè)井施工。Wang 等[27]將中心取樣反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于冰川取芯鉆進(jìn)，并在氣體流速不低于22.5 m/s、壓力為2.3～2.6 MPa時(shí)取得直徑60 mm、長(zhǎng)200 mm的冰芯。Cao等[28]基于流體力學(xué)理論對(duì)反循環(huán)中心取樣冰川鉆進(jìn)的鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了研究，建立了最小注氣壓力及流速與鉆進(jìn)速度、冰芯直徑及長(zhǎng)度等參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并通過模型試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。Kumar等[29]為了提高水平井巖屑運(yùn)移效率，解決水平井巖屑堆積問題首次提出了連續(xù)油管反循環(huán)清渣技術(shù)。Li等[30]等設(shè)計(jì)了連續(xù)油管反循環(huán)清渣裝置，探究了連續(xù)油管的最優(yōu)回拖速度與鉆井液泵量、巖屑床高度及連續(xù)油管偏心程度間的關(guān)系，從而給出了不同工況下連續(xù)油管的最優(yōu)回拖速度。Bo等[31]使用反循環(huán)潛孔錘鉆進(jìn)行復(fù)雜地層的地質(zhì)巖心勘探，平均鉆探效率提高了64%。Gan等[32]創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了用于石油和天然氣的大直徑反循環(huán)鉆頭，在野外勘探進(jìn)行鉆探測(cè)試平均鉆進(jìn)速度達(dá)到4.5 m/h。德國(guó)Herrenknecht公司設(shè)計(jì)了鉆孔射流泵，其可與全斷面回?cái)U(kuò)器配合適用以提高巖屑運(yùn)移效率或單獨(dú)用于鉆孔清洗[33]。Cao等[28,34-35]開展了一系列空氣反循環(huán)冰芯鉆進(jìn)理論與試驗(yàn)研究，包括鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)、注氣參數(shù)理論計(jì)算與試驗(yàn)以及冰芯的氣動(dòng)輸送研究等。Hu等[36]同樣開展了冰芯鉆孔中孔底的空氣反向循環(huán)相關(guān)研究。Li等[37]開展了反循環(huán)定向鉆井中鉆桿的沖蝕規(guī)律研究。Zhang等[38]開展了反向循環(huán)潛孔氣錘鉆進(jìn)大直徑空氣反向循環(huán)鉆頭的設(shè)計(jì)與數(shù)值分析研究。Wang等[39]開展了基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的氣體反循環(huán)井沖洗設(shè)備中的流體模擬研究。Kong等[40]開展了雙鉆桿反循環(huán)水平定向鉆攜屑模擬與實(shí)驗(yàn)研究。Han等[41-42]開展了煤層鉆進(jìn)過程中氣體反循環(huán)壓降特性以及巖屑清除的CFD-DEM模擬研究。

鑒于以上分析可知，中外在反循環(huán)鉆進(jìn)等方面開展了一些研究，并取得了一定的成果。然而，關(guān)于反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在水平定向鉆領(lǐng)域的理論與應(yīng)用研究非常少，水平定向鉆反循環(huán)擴(kuò)孔工藝的形成仍存在許多關(guān)鍵問題尚未解決，現(xiàn)有反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)與理論主要針對(duì)于石油鉆井、水文水井鉆探、巖心鉆探及樁基工程等領(lǐng)域，而這些應(yīng)用領(lǐng)域與水平定向鉆擴(kuò)孔施工在鉆具組合及施工工藝上存在本質(zhì)差異。為將反循環(huán)技術(shù)應(yīng)用于水平定向鉆擴(kuò)孔施工，解決傳統(tǒng)正循環(huán)排渣難題，現(xiàn)基于射流泵原理設(shè)計(jì)一種水平定向鉆用反循環(huán)擴(kuò)孔器，并對(duì)其排屑性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 噴射式反循環(huán)擴(kuò)孔器

水平定向鉆反循環(huán)擴(kuò)孔器主體由射流泵的基本結(jié)構(gòu)演變而來。射流泵的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由噴嘴、吸入室、喉管、擴(kuò)散管組成。其工作原理是利用高壓噴射流體從噴嘴高速噴出后在吸入室內(nèi)形成低壓區(qū)域[43]，從而將周圍流體吸入并在喉管內(nèi)進(jìn)行動(dòng)量和能量交換后，在擴(kuò)散管內(nèi)逐漸形成均勻的混合液體[44-45]。

1為噴嘴；2為吸入室；3為喉管；4為擴(kuò)散管；A為工作流體；B為被吸流體；C為混合流體

考慮到水平定向鉆擴(kuò)孔施工過程中擴(kuò)孔器前后均連接有鉆桿，可以成為射流泵工作流體A和混合流體C的流動(dòng)通道，因此，重點(diǎn)針對(duì)擴(kuò)孔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終形成如圖2所示的噴射式反循環(huán)擴(kuò)孔器。該反循環(huán)擴(kuò)孔器主要由牙輪1、吸渣孔2、吸入室3、噴嘴4、喉管5及擴(kuò)散管6組成。牙輪1沿圓周均勻布置，牙輪數(shù)量可依據(jù)擴(kuò)孔直徑及地層軟硬程度適當(dāng)選取；吸渣孔2位于牙輪下方，沿圓周均勻布置，其直徑小于喉管直徑，以避免巖屑在喉管內(nèi)架橋堵塞，其目的在于為攜帶巖屑的吸入流體進(jìn)入擴(kuò)孔器內(nèi)提供流動(dòng)通道；吸入室3及噴嘴4沿?cái)U(kuò)孔器軸線布置，其目的在于使高壓工作流體在噴嘴處高速射流，從而對(duì)吸入流體形成卷吸作用。喉管5及擴(kuò)散管6沿?cái)U(kuò)孔器軸線布置，其目的在于使工作流體和攜帶巖屑的吸入流體在喉管5內(nèi)充分混合并形成巖屑-泥漿混合介質(zhì)，并在擴(kuò)散管6內(nèi)將巖屑-泥漿混合介質(zhì)的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗堋?/p>

1為牙輪；2為吸渣孔；3為吸入室；4為噴嘴；5為喉管；6為擴(kuò)散管

1.1 反循環(huán)擴(kuò)孔器工作參數(shù)

液體射流泵的基本方程是研究射流泵壓力、流量和幾何尺寸之間的關(guān)系，其反映了泵內(nèi)能量變化及主要部件對(duì)射流泵性能的影響，是射流泵設(shè)計(jì)的主要理論依據(jù)。中外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究，采用陸宏圻[43]所提出的基本性能方程作為反循環(huán)擴(kuò)孔器射流元件工作參數(shù)計(jì)算的主要依據(jù)，該方程為

(1)

式(1)中：q為流量比；h為壓頭比；m為斷面比；n=m/(m-1)；φ1、φ2、φ3、φ4分別為流速修正系數(shù)。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：H1為噴嘴前工作液體具有的比能，mH2O；H2為射流元件出口處液體具有的比能，mH2O；H3為吸入液體所具有的比能，mH2O；Q1為工作液體的流量，m3/h；Q2為吸入液體流量，m3/h；F1為噴嘴的斷面積，m2；F2為混合室的斷面積，m2；η為射流泵效率。

射流元件工作參數(shù)的計(jì)算通常是按照已知的工作流量和揚(yáng)程，以及實(shí)際需要抽吸的流量和揚(yáng)程來確定各元件的尺寸。陸宏圻[43]指出，射流元件所提供的壓力比h、流量比q和面積比m應(yīng)分別接近0.261、0.97、3.4。由于某項(xiàng)目需要，所設(shè)計(jì)射流泵H2 min=80 mH2O，出口流量需達(dá)127 m3/h，Q2 min=60 m3/h，則依據(jù)取流量比為q=0.97可計(jì)算吸入流量Q2為

(6)

得Q2>Q2 min，故流量比0.97滿足要求；同理，取壓力比h=0.261，則可計(jì)算工作水頭H1(設(shè)計(jì)吸入口水頭H3為0)為

(7)

現(xiàn)有鉆機(jī)或配置泥漿泵所能提供的最大泥漿泵送壓力需要大于該工作水頭。

1.2 反循環(huán)擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)噴嘴及混合室斷面積。

由于

(8)

式(8)中：φ為噴嘴流量系數(shù)，取0.95；F1為噴嘴的斷面積，m2；g為重力加速度，9.8 m/s2。

故可得

(9)

F2=mF1

(10)

(11)

(12)

式中：d1為噴嘴直徑；d2為混合管直徑。

假設(shè)鉆頭切削產(chǎn)生的最大巖屑粒徑為dmax，為避免巖屑在吸渣口處架橋堵塞，吸渣口直徑設(shè)dh應(yīng)該滿足：dh≥3dmax。而混合管直徑d2還需滿足d2>dh。

(2)噴嘴與混合管間距。

噴嘴與混合管最優(yōu)間距為

L1=(1～2)d1

(13)

(3)混合管形式及其長(zhǎng)度。

混合管取圓柱形，其最優(yōu)混合管長(zhǎng)度為

L2=(5～7)d2

(14)

(4)擴(kuò)散管長(zhǎng)度以及擴(kuò)散角。

擴(kuò)散管長(zhǎng)度計(jì)算公式為

(15)

式(15)中：d3為擴(kuò)散管出口直徑；θ為擴(kuò)散角，一般取值為8°～10°。

(5)噴嘴長(zhǎng)度。

噴嘴收縮角θ1一般取值20°～40°。噴嘴的另一端與壓力水管相連接，已知壓力水管管徑為d4，則噴嘴長(zhǎng)度計(jì)算公式為

(16)

(6)噴嘴出口長(zhǎng)度。

依據(jù)文獻(xiàn)[44]，噴嘴出口長(zhǎng)度計(jì)算公式為

L5=0.25d1

(17)

2 排屑性能試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)背景

前期利用搭建完成的噴射式反循環(huán)擴(kuò)孔器試驗(yàn)系統(tǒng)，通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了水平定向鉆擴(kuò)孔反循環(huán)流場(chǎng)試驗(yàn)，研究了噴射式反循環(huán)擴(kuò)孔器的工作特性及汽蝕性能，并探究工作流體流量、環(huán)空流體壓力及反循環(huán)擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)其基本性能及汽蝕性能的影響。

2.2 試驗(yàn)條件及地點(diǎn)

為進(jìn)一步探究所設(shè)計(jì)的反循環(huán)擴(kuò)孔器的排屑性能，對(duì)自研制作的噴射式反循環(huán)擴(kuò)孔器試驗(yàn)系統(tǒng)稍加改進(jìn)后，形成水平定向鉆反循環(huán)擴(kuò)孔器排屑性能試驗(yàn)系統(tǒng)，在校非開挖工程實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)試驗(yàn)。

2.3 巖屑選型

為探究巖屑粒徑對(duì)噴射式反循環(huán)擴(kuò)孔器排屑性能的影響，選取了3種粒徑的石英砂顆粒，其分別為0.5～1、1～2及2～4 mm，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)所用石英砂顆粒

2.4 泥漿

反循環(huán)擴(kuò)孔施工過程中，除采用清水外，還可采用膨潤(rùn)土泥漿作為攜巖介質(zhì)。為探究泥漿黏度對(duì)反循環(huán)擴(kuò)孔器排屑性能的影響，通過調(diào)節(jié)膨潤(rùn)土加量配制了兩種不同馬氏漏斗黏度的泥漿，其配方及基本性能參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用泥漿配方及主要性能參數(shù)

2.5 試驗(yàn)系統(tǒng)

水平定向鉆反循環(huán)擴(kuò)孔器排屑性能試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4、圖5所示，主要由泥漿泵1和30、泥漿罐32、反循環(huán)擴(kuò)孔器16、環(huán)空套筒17、進(jìn)漿管路2、出漿管路28、環(huán)空補(bǔ)漿管路21、清屑管路25、驅(qū)動(dòng)設(shè)備及測(cè)試元件等組成。環(huán)空套筒與進(jìn)、出漿管路間采用機(jī)械密封件12和18實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，并通過旋轉(zhuǎn)接頭6和19實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)分離。

1、30為泥漿泵；2為進(jìn)漿管路；3為電磁流量計(jì)；4為電機(jī)；5、13、20為數(shù)字壓力表；6、19為旋轉(zhuǎn)接頭；7為減速器；8為霍爾傳感器；9為從動(dòng)鏈輪；10為傳動(dòng)鏈條；11為主動(dòng)鏈輪；12、18為機(jī)械密封；14為巖屑添加漏斗；15、22、23、24、27、31為球閥；16為擴(kuò)孔器；17為環(huán)空套筒；21為環(huán)空補(bǔ)漿管路；25為清屑管路；26、29為巖屑過濾器；28為出漿管路；32為泥漿罐

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

其具體工作原理為：泥漿罐內(nèi)的工作流體由泥漿泵1泵送至反循環(huán)擴(kuò)孔器，并在反循環(huán)擴(kuò)孔器的噴嘴處高速噴射從而卷吸試驗(yàn)管道內(nèi)的流體與巖屑；工作流量由與泥漿泵1相連接的變頻器及球閥24所控制，并由電磁流量計(jì)3所顯示，其壓力由數(shù)字壓力表5所顯示；泥漿泵30將泥漿罐內(nèi)的流體通過環(huán)空補(bǔ)漿管路泵送至環(huán)空套筒內(nèi)以維持環(huán)空套筒內(nèi)的壓力穩(wěn)定；環(huán)空套筒內(nèi)的壓力由與泥漿泵30相連接的變頻器以及球閥31所控制，并由安裝于試驗(yàn)管道管頂?shù)臄?shù)字壓力表13所顯示；出漿管路的出口壓力由球閥23所控制，其壓力由數(shù)字壓力表20所顯示；出漿管路和清屑管路上有巖屑過濾器26和29通過快速接頭與試驗(yàn)管路連接，用于收集過濾管路中的巖屑；電機(jī)4與變頻器連接，經(jīng)減速器7后通過傳動(dòng)鏈條10帶動(dòng)反循環(huán)擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度通過霍爾傳感器8顯示；試驗(yàn)結(jié)束后通過泥漿泵30將泥漿罐內(nèi)的流體通過環(huán)空補(bǔ)漿管路泵送至環(huán)空套筒內(nèi)通過清屑管路排空環(huán)空套筒內(nèi)殘余巖屑。

泥漿泵1為SG40-15-80型管道離心泵，為高揚(yáng)程離心泵，其額定流量為15 m3/h，額定揚(yáng)程為80 m，電機(jī)功率7.5 kW。泥漿泵30為ISG50-160型管道離心泵，為低揚(yáng)程離心泵，其額定流量為12.5 m3/h，額定揚(yáng)程為32 m，電機(jī)功率3 kW。變頻器分別選用7.5 kW及3.5 kW的HBX型變頻器，以對(duì)離心泵及電機(jī)功率進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。

本文試驗(yàn)所用反循環(huán)擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)尺寸如下：噴嘴直徑d1為6 mm，喉管直徑為d2為11 mm，喉嘴距L1為9 mm, 喉管長(zhǎng)度L2為66 mm，擴(kuò)散管長(zhǎng)度L3為89 mm。反循環(huán)擴(kuò)孔器采用金屬3D打印技術(shù)加工制造(如圖6所示)，材質(zhì)為不銹鋼，加工尺寸偏差為±0.15 mm，其兩端通過螺紋與流體循環(huán)管路連接。

圖6 3D打印加工的反循環(huán)擴(kuò)孔器

前期通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了工作流量、吸入流體壓力及擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速對(duì)該反循環(huán)擴(kuò)孔器工作性能及汽蝕性能的影響，驗(yàn)證了該噴射式反循環(huán)擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行，工作流體在噴嘴處射流后在吸入室內(nèi)形成低壓區(qū)，并對(duì)吸入流體產(chǎn)生顯著抽吸作用，反循環(huán)形成效果良好。試驗(yàn)表明工作流量和吸入流體壓力對(duì)反循環(huán)擴(kuò)孔器的基本性能無明顯影響，但增加工作流量或減小吸入流體壓力將減小反循環(huán)擴(kuò)孔器的汽蝕流量比，增加汽蝕壓力比，降低反循環(huán)擴(kuò)孔器的抗汽蝕性能。

2.6 測(cè)試儀器

試驗(yàn)過程中流量的測(cè)量采用DN15-LDG型電磁流量計(jì)(如圖7所示)，其最大測(cè)量流速為15 m/s，最小測(cè)量流速為0.3 m/s。

圖7 試驗(yàn)用電磁流量計(jì)

試驗(yàn)采用MD-S260型數(shù)字壓力表測(cè)量流體壓力(如圖8所示)。數(shù)字壓力表通過螺紋連接分別安裝于工作流體入口、試驗(yàn)管道管頂及混合流體出口處，其量程分別為0～1.6、0～0.4及0～0.4 MPa，測(cè)量精度均為1%，測(cè)量頻率為2次/s。

圖8 試驗(yàn)用數(shù)字壓力表

2.7 試驗(yàn)流程

研究水平定向鉆噴射式反循環(huán)擴(kuò)孔器的排屑性能設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

開展水平定向鉆噴射式反循環(huán)擴(kuò)孔器的排屑性能試驗(yàn)具體步驟如下。

(1)打開進(jìn)漿管路、出漿管路和環(huán)空補(bǔ)漿管路的球閥，關(guān)閉清屑管路球閥，將試驗(yàn)?zāi)酀{加入到泥漿罐。

(2)接通電源，啟動(dòng)泥漿泵1，觀察管路系統(tǒng)中進(jìn)漿管路電磁流量計(jì)和數(shù)字壓力表示數(shù)，調(diào)節(jié)連接泥漿泵1的變頻器以及進(jìn)漿管路球閥以調(diào)節(jié)工作流體壓力與流量，待各表示數(shù)穩(wěn)定，做好示數(shù)記錄。

(3)啟動(dòng)泥漿泵30，調(diào)節(jié)變頻器控制泥漿泵30泵量使泥漿充滿環(huán)空套筒。

(4)啟動(dòng)電機(jī)，調(diào)節(jié)連接電機(jī)的變頻器以控制擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速至轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

(5)通過巖屑添加漏斗向環(huán)空套筒內(nèi)添加巖屑，記錄巖屑添加時(shí)間，巖屑添加完成后同時(shí)關(guān)閉泥漿泵1、巖屑添加漏斗下球閥和出漿管路球閥。

(6)打開清屑管路球閥，調(diào)節(jié)變頻器增大泥漿泵30泵量以沖洗清除環(huán)空套筒內(nèi)殘余巖屑。

(7)關(guān)閉泥漿泵30，拆下管路中巖屑過濾器，取出巖屑烘干后稱重記錄。

(8)裝上巖屑過濾器，重復(fù)上述步驟進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，最終計(jì)算各次排出巖屑質(zhì)量平均值。

(9)依次調(diào)節(jié)控制變量(巖屑粒徑、泥漿類型、巖屑添加速度和擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速)并完成試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束，切斷電源。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，由表3可得出結(jié)論如下。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

(1)當(dāng)泥漿類型、擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速、巖屑添加速度和巖屑添加質(zhì)量一定的情況下，巖屑排出效率隨巖屑粒徑的增大而降低。

(2)當(dāng)擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速、巖屑添加速度、巖屑添加質(zhì)量和巖屑粒徑一定的情況下，分別使用清水、1號(hào)泥漿和2號(hào)泥漿時(shí)，巖屑排出效率逐漸升高。

(3)當(dāng)泥漿類型、巖屑添加速度、巖屑添加質(zhì)量和巖屑粒徑一定的情況下，巖屑排出效率隨擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速增大無明顯變化規(guī)律。

(4)當(dāng)泥漿類型、擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速和巖屑粒徑一定的情況下，巖屑排出效率隨巖屑添加速度和巖屑添加質(zhì)量的增加而升高。

(5)在不考慮擴(kuò)孔器凸起的牙輪結(jié)構(gòu)的攪拌作用及擴(kuò)孔器與孔壁貼合程度的條件下，擴(kuò)孔器排屑效率較低。在清水條件下，巖屑添加速度50 g/s，巖屑添加質(zhì)量1 000 g，保持轉(zhuǎn)速40 r/min，2～4 mm粒徑巖屑排出質(zhì)量159 g，巖屑排出效率僅為7.95%；在2號(hào)泥漿條件下，巖屑添加速度150 g/s，巖屑添加質(zhì)量3 000 g，保持轉(zhuǎn)速40 r/min，1～2 mm粒徑巖屑排出質(zhì)量159 g，巖屑排出效率最大也僅為58.70%。

4 二次試驗(yàn)

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)用水平定向鉆噴射式反循環(huán)擴(kuò)孔器的排屑效率較低，分析其原因是該實(shí)驗(yàn)中未考慮擴(kuò)孔器凸起的牙輪結(jié)構(gòu)的攪拌作用及擴(kuò)孔器與孔壁貼合程度。

因此在二次試驗(yàn)中重新設(shè)計(jì)擴(kuò)孔器外部結(jié)構(gòu)，包括增加了模擬牙輪結(jié)構(gòu)和與孔壁貼合兩方面。沿?cái)U(kuò)孔器牙輪位置圓周均勻布置6個(gè)方鋼短接用以模擬牙輪，尺寸為20 mm×20 mm×35 mm(長(zhǎng)×寬×高)，并且在每個(gè)方鋼短接的兩側(cè)粘貼毛刷用以盡可能實(shí)現(xiàn)牙輪結(jié)構(gòu)與孔壁貼合，毛刷的均毛長(zhǎng)度約為15 mm，如圖9所示。

圖9 擴(kuò)孔器外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

重復(fù)初次實(shí)驗(yàn)的操作流程，二次試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果分別如圖10和圖11所示。

圖10 巖屑排出效率-巖屑添加速度(固定轉(zhuǎn)速40 r/min)

圖11 巖屑排出效率-轉(zhuǎn)速(固定巖屑添加速度100 g/s)

對(duì)比前后兩次試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)在相同試驗(yàn)條件下，當(dāng)泥漿類型、巖屑添加速度、巖屑添加質(zhì)量和巖屑粒徑一定的情況下，巖屑排出效率隨擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速增大無明顯變化規(guī)律，而當(dāng)使用清水作為工作流體時(shí)，擴(kuò)孔器不旋轉(zhuǎn)時(shí)獲得最大的巖屑排出效率，說明單純考慮反循環(huán)形成抽吸作用設(shè)計(jì)的擴(kuò)孔器，實(shí)際排屑效率較低。

(2)重新設(shè)計(jì)的擴(kuò)孔器可令其排屑效率提高一倍，且當(dāng)泥漿類型、巖屑添加速度、巖屑添加質(zhì)量和巖屑粒徑一定的情況下，巖屑排出效率在擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速為40 r/min左右達(dá)到最大值，說明在凸起的牙輪結(jié)構(gòu)攪拌作用和擴(kuò)孔器與孔壁緊密貼合兩方面因素對(duì)提高巖屑排除效率有積極影響，同時(shí)在特定范圍內(nèi)擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速與排屑效率呈正相關(guān)。

(3)重新設(shè)計(jì)的擴(kuò)孔器排屑效率高，排屑性能好。在2號(hào)泥漿條件下，巖屑添加速度150 g/s，巖屑添加質(zhì)量3 000 g，保持轉(zhuǎn)速40 r/min，1～2 mm粒徑巖屑排出效率最大可達(dá)73.15%。

5 結(jié)論

針對(duì)大直徑水平定向鉆擴(kuò)孔施工中巖屑清理困難的問題，提出了水平定向鉆反循環(huán)擴(kuò)孔施工工藝，并依據(jù)射流泵原理設(shè)計(jì)了一種噴射式反循環(huán)擴(kuò)孔器。通過對(duì)該反循環(huán)擴(kuò)孔器進(jìn)行排屑性能試驗(yàn)研究，主要得出以下結(jié)論。

(1)設(shè)計(jì)的噴射式反循環(huán)擴(kuò)孔器，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)最大排屑效率可達(dá)73.15%，排屑效率高，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

(2)試驗(yàn)表明，單純考慮反循環(huán)形成抽吸作用設(shè)計(jì)的擴(kuò)孔器，實(shí)際排屑效率較低；凸起的牙輪結(jié)構(gòu)攪拌作用和擴(kuò)孔器與孔壁緊密貼合兩方面因素對(duì)提高巖屑排除效率有積極影響，同時(shí)在特定范圍內(nèi)擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速與排屑效率呈正相關(guān)；重新設(shè)計(jì)的擴(kuò)孔器可令其排屑效率提高一倍，且當(dāng)泥漿類型、巖屑添加速度、巖屑添加質(zhì)量和巖屑粒徑一定的情況下，巖屑排出效率在擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速為40 r/min左右達(dá)到最大值。

(3)當(dāng)泥漿類型、擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速、巖屑添加速度和巖屑添加質(zhì)量一定的情況下，巖屑粒徑越大，排屑越困難，巖屑排出效率隨巖屑粒徑的增大而降低。

(4)當(dāng)擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速、巖屑添加速度、巖屑添加質(zhì)量和巖屑粒徑一定的情況下，分別使用清水、1號(hào)泥漿(6%膨潤(rùn)土+0.2%Na2CO3+0.1%CMC)和2號(hào)泥漿(9%膨潤(rùn)土+0.2%Na2CO3+0.1%CMC)，巖屑排出效率逐漸升高，泥漿黏度和動(dòng)切力越大，其攜巖能力越強(qiáng)。

(5)因試驗(yàn)條件有限，巖屑添加速度和巖屑添加質(zhì)量有限，巖屑排出效率并沒有試驗(yàn)得出最大值。試驗(yàn)表明，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)泥漿類型、擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速和巖屑粒徑一定的情況下，巖屑排出效率隨巖屑添加速度和巖屑添加質(zhì)量的增加而升高。

基于前期噴射式反循環(huán)擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性室內(nèi)驗(yàn)證試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，通過排屑性能試驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)反循環(huán)擴(kuò)孔器進(jìn)行了排屑性能試驗(yàn)研究，獲得了一些結(jié)論，但該研究尚存在改善之處：①試驗(yàn)所用擴(kuò)孔器外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍存在不足之處，其外部結(jié)構(gòu)可考慮更加合理的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；②當(dāng)泥漿類型、擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)速和巖屑粒徑一定的情況下，因試驗(yàn)條件有限，巖屑添加速度和巖屑添加質(zhì)量有限，巖屑排出效率并沒有試驗(yàn)得出最大值。

在接下來的研究中，可對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案，通過改進(jìn)系統(tǒng)或者擴(kuò)孔器設(shè)計(jì)，使得結(jié)果更加真實(shí)可靠，從而完善整個(gè)擴(kuò)孔器設(shè)計(jì)、工作參數(shù)優(yōu)選等。