专利名称：模拟水平定向钻孔施工中能预测泥浆性能的一种方法和它的实验装置的制作方法
技术领域：
属建筑工程领域，确切地说是一种涉及非开挖水平定向钻孔施工技术领域。
背景技术：
水平定向钻技术最早出现在70年代，是传统的公路打孔和油田定向钻井技术的结合的一种施工方法，目前，在天然气、自来水、电力和电信等行业得到了广泛的应用，尤其在环保和市政管网改扩建项目及大型管道穿越江河工程项目上更显出了其独特的优势，其工作过程是通过计算机控制进行导向和探测，先钻出一个与设计曲线相同的导向孔，然后再将导向孔扩大，把产品管线回拖到扩大了的导向孔中，完成管线穿越的施工过程。
在水平定向钻进非开挖施工过程中泥浆的配制和使用是一个十分重要的关键技术，要求泥浆具有携带和悬浮钻屑、稳定孔壁和保护地层的作用。泥浆的失水、稠度指数直接决定了成孔的稳定性，摩阻力直接决定了回拖拉力。泥浆的配制和使用不合理将产生‘液压锁’现象，直接影响工程穿越的成败。泥浆参数的选择主要根据穿越地点的地质条件而决定，不同的地质条件选择的泥浆参数也不同，并要求在施工前和施工中对泥浆性能参数进行测定。以往在测试泥浆性能的试验中常见的方法是，用粘度计分析泥浆粘度、凝胶力；用泥浆滤失仪分析泥浆滤失量等方法。但是这些试验方法只能对泥浆单一的性能指标进行了测试，不能直接地反映现场的实际情况、造成试验与现场相差较大，不能很好地用来指导施工。
发明内容
本发明提供对施工能提出指导意见的实验数据，从而可减小施工风险，降低施工成本的模拟水平定向钻孔施工中能预测泥浆性能的一种方法和它的实验装置。
本发明采取的技术方案
模拟水平定向钻孔施工中能预测泥浆性能的一种方法，按以下步骤操作1)分析施工现场的地层状况；2)构造施工现场的地质模型；3)模拟施工过程；4)记录相关参数；5)重复试验与数据对比；6)分析与修正；7)总结实验结果提出施工意见；模拟水平定向钻孔施工中能预测泥浆性能的装置方案是一个顶部开口的空芯长方体试验箱，其外侧有一与长方体试验箱相近高的U形固定支架，试验箱两侧板上各有一孔；有一个一段带传动螺纹的管节，其上装有缩小为二十分之一的钻头，水平状地搁置在固定支架和试验箱横向两端的孔上；搁置在U形支架上的传动螺杆，由传动链条与空芯传动螺管咬合；传动螺杆紧固在摇动手柄的横轴中心；空芯传动螺管与注浆管道相连，注浆管道上依次装有压力表，调速仪，压力泵，并与储浆桶相连；搁置在U形固定支架内的传动螺杆上，依次装有位移计，压力传感器，扭矩传感器；在装有土体的长方体试验箱顶部边框，搁置一扁条式十字架，架上纵、横两方向下方各自等间距设有磁性固定架，固定架上设置随土层移动的位移计；这些数据检测装置，均通过50通道静态应变仪与计算机相连。其所述的装有土体，是土经过筛分、边加土边压实，注水并静置48h固结而构成土层为4层，每一土层厚度取为20cm。其所述的磁性固定架，为纵、横两方向各有5个，中间一个重合。
实施本发明后的积极效果是通过室内试验掌握了泥浆稳定孔壁和保护地层的性能，可以为施工方法提出指导性意见，减少了现场施工摸索，缩短了施工周期，降低了施工成本。
图1，为本发明装置结构图，图2，模拟试验的操作步骤图3，为同一种泥浆在粘土中实施的实验结果，图4，为同一种泥浆在砂土中实施的实验结果；具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步说明模拟水平定向钻孔施工中能预测泥浆性能的一种方法，是按以下步骤操作1)分析施工现场的地层状况；2)构造施工现场的模型；3)模拟施工过程；4)记录相关参数；5)重复试验与数据对比；6)分析与修正；7)总结实验结果提出施工意见；其装置的组成结构是一个顶部开口的空芯长方体试验箱12其外侧有一与长方体试验箱相近高的U形固定支架14，试验箱两侧板上各有一孔；有一个一段带传动螺纹的管节18，其上装有缩小为二十分之一的钻头20，水平状地搁置在固定支架和试验箱横向两端的孔上；搁置在U形支架上的传动螺杆15，由传动链条17与空芯传动螺管16咬合；传动螺杆15紧固在摇动手柄13的横轴中心；空芯传动螺管16与注浆管道11相连，注浆管道上依次装有压力表10，调速仪9，压力泵8，并与储浆桶7相连；搁置在U形固定支架14内的传动螺杆15上依次装有位移计1，压力传感器2，扭矩传感器3；在装有土体19的长方体试验箱12顶部边框，搁置一扁条式十字架，架上纵、横两方向下方各自等间距设有磁性固定架，固定架上设置随土层移动的位移计4；这些数据检测装置，均通过50通道静态应变仪5与计算机6相连。其所述的装有土体19，是土经过筛分、边加土边压实，注水并静置48h固结而构成土层为4层，每一土层厚度取为20cm。其所述的磁性固定架，为纵、横两方向各有5个，中间一个重合。
模拟试验的一般操作步骤试验按照流程图(附图2)进行。
(1)安置试验箱并向实验箱中加土，为了保证土样分布均匀一致，要经过筛分后才加入到箱体内。本实验往箱体中添加的土共分4层，每层厚度为20cm，每添加完一层后都要经过压密以利其固结。其中当添加到钻孔轴线高度时将接好的管节预埋在土中，以模拟施工中的导向管，然后继续加土至所需高度。在加土过程中要边加土边压实，压实程度要视施工现场地质状况而定，注水并静置48h使水在土中充分渗透达到均匀，经过较长时间的自然固结达到稳定。模型试验中覆土层的厚度根据现场管道直径和上覆土层厚度的相对关系确定，取为20cm。
(2)在土体表面布置位移计，沿轴线5个，垂直轴线5个(有一个重合)。其目的是为了测得钻进过程中，沿钻进方向和垂直于钻进方向土体表面的沉降规律，一般两个位移计之间的距离以20-30厘米为宜。在手动转动系统上布置一个用于测量钻进距离的位移计、压力传感器以及扭矩传感器，用于测量钻进过程中管节所产生的扭矩和钻进力，然后将所有位移计和传感器接入相应的信号接受系统，将信号接收系统连接到计算机进行实时监测和记录。
(3)布置注浆系统。注浆系统由储浆桶、浆液流通管道、压力泵、调速器、压力表等几部分组成，将各部分连接，制备好泥浆、开动压力泵、调好压力即可工作。
(4)一切准备工作就绪后，便可接入管节进行钻进，同时注浆并对所测数据进行采样。
(5)当一个管节钻进结束后，要将钻进方向一端的塑料箱内顶出的一节管及时卸下，而后在传动管一端加入一节新管，随后钻进。依次进行，直到将钻头钻出土体。
实施例附图3，图4为在同一种泥浆在粘土和砂土中所实施的实验结果。
从附图3，图4中可以看出在钻进过程中，粘土所产生的地面沉降明显比砂土所产生的地面沉降小。在粘土中，Φ60mm钻头钻进过程中地面沉降最大为0.6mm，而在砂土土质中最大地面沉降为1.7mm，大约为粘土中的3倍。
权利要求
1，模拟水平定向钻孔施工中能预测泥浆性能的一种方法，其特征是按以下步骤操作1)分析施工现场的地层状况；2)构造施工现场的模型；3)模拟施工过程；4)记录相关参数；5)重复试验与数据对比；6)分析与修正；7)总结实验结果提出施工意见；
2，模拟水平定向钻孔施工中能预测泥浆性能的装置，其特征是一个顶部开口的空芯长方体试验箱(12)其外侧有一与长方体试验箱相近高的U形固定支架(14)，试验箱两侧板上各有一孔；有一个一段带传动螺纹的管节(18)，其上装有缩小为二十分之一的钻头(20)，水平状地搁置在固定支架和试验箱横向两端的孔上；搁置在U形支架上的传动螺杆(15)，由传动链条(17)与空芯传动螺管(16)咬合；传动螺杆(15)紧固在摇动手柄(13)的横轴中心；空芯传动螺管(16)与注浆管道(11)相连，注浆管道上依次装有压力表(10)，调速仪(9)，压力泵(8)，并与储浆桶(7)相连；搁置在U形固定支架(14)内的传动螺杆(15)上依次装有位移计(1)，压力传感器(2)，扭矩传感器(3)；在装有土体(19)的长方体试验箱(12)顶部边框，搁置一扁条式十字架，架上纵、横两方向下方各自等间距设有磁性固定架，固定架上设置随土层移动的位移计(4)；这些数据检测装置，均通过50通道静态应变仪(5)与计算机(6)相连。
3，根据权利要求2所述的模拟水平定向钻孔施工中能预测泥浆性能的装置，其特征是所述的装有土体(19)，是土经过筛分、边加土边压实，注水并静置48h固结而构成土层为4层，每一土层厚度取为20cm。
4，根据权利要求2所述的模拟水平定向钻孔施工中能预测泥浆性能的装置，其特征是所述的磁性固定架，为纵、横两方向各有5个，中间一个重合。
全文摘要
模拟水平定向钻孔施工中能预测泥浆性能的一种方法和它的实验装置，属建筑工程技术领域。其特点是通过构造施工现场模型；获取施工参数。其装置是一个试验箱上，水平搁置缩小的钻头；由紧固在手柄的传动链条与空芯传动螺管咬合；螺管与注浆管道、储浆桶相连；并装有位移计，压力、扭矩传感器；在箱顶部，搁置一扁条式十字架，架上纵、横两方向下方各自等间距设有磁性固定架，固定架上设置随土层移动的位移计；这些检测装置，均通过静态应变仪与计算机相连。实施本发明后，通过室内试验掌握了泥浆稳定孔壁和保护地层的性能，可以为施工方法提出指导性意见，减少了现场施工摸索，缩短了施工周期，降低施工成本，是一个实用的发明。
文档编号E21B47/00GK101059075SQ20061011944
公开日2007年10月24日 申请日期2006年12月12日 优先权日2006年12月12日
发明者顾利军, 范明星, 陈志超, 赵国强, 杨继范 申请人:上海市第二市政工程有限公司