一种孔内灌浆压力的动态测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种灌浆压力的测量方法，尤其涉及一种在线测量灌浆压力的动态测 量方法。
【背景技术】
[0002] 灌浆压力是影响灌浆质量的重要参数之一，是现行灌浆监测系统的一个主要监控 参数。灌浆过程中，当作用在灌浆段内岩体上的浆液压力超出了地层的极限破坏值，就会引 起地层抬动，出现施工事故。《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（DL/T 5148- 2012)中 6. 3. 8中明确要求灌浆段在设计灌浆压力下的操作规则，实质是指灌浆部位的孔内灌浆压 力要符合设计压力要求。因此，在灌浆施工中动态获取孔内灌浆压力是准确控制灌浆压力 和准确了解施工状态的前提。
[0003] 在深海采油和深海钻探领域，孔内压力的直接测量已取得初步成果。现在市 场上出现了新型的无线智能传感器用于孔内油压的测量和高灵敏的光纤光栅传感器 用于水下压力的感测。但由于灌浆工艺的特殊性，孔深有时深达70多米且钻孔的孔 径小（仅为56mm-91mm左右），且浆液粘性、流动性等物理性质与水、油也有很大差异， 在灌浆部位安装传感器直接检测孔内灌浆压力，这种方法实施起来非常困难，且对施工 效率有很大影响。由于孔内灌浆压力测量的瓶颈技术未解决，现行灌浆监控系统一般 直接用孔口压力代替孔内灌浆压力。Calgada等的研宄（参见Calgada L A, Scheid C Mj Paraiso E C Hj et al.Pressure Drop in Cement Slurries Flow in Circular and Annular Regions in Primary Completion[J]. Brazilian Journal of Petroleum and Gas, 2014, 7(4) :129-139.)表明：粘性浆液在小直径长管道中传输时，压力损失是不可以 忽视的，直接采用孔口压力值代替孔内灌浆压力值存在较大的误差。
[0004] 由于获取真实灌浆压力的重要性，部分工程中采用经验修正流体伯努利方程或简 单的实验结果来修正灌浆压力，由于灌浆压力受其它因素的影响是复杂的，修正参数需要 很多的经验。为了提高孔内灌浆压力模型的非线性预测能力，李凤玲在灌浆压力控制系统 的关键技术研宄论文中提出了一种智能建模方法[李凤玲.灌浆压力控制系统的关键技术 研宄[D]，中南大学博士论文，2009, 55-73·]，获取孔内灌浆压力，利用孔口压力、流量和密 度等可测参数建立灌浆压力的自适应T-S(Takagi-Sugeno)模糊软测量模型。这种方法在 理论上是可行的，但实际实施起来也存在一定困难。因为它属于一种"黑箱"建模法，前提 是需要获取各种地层以及各种灌浆工况下的模型的输入输出数据样本，才能准确建立软测 量模型来估计孔内灌浆压力。由于现行灌浆工程中未能获取孔内灌浆压力数据，需开展灌 浆试验来获取各种灌浆工艺、浆液材料及地层下灌浆压力建模样本，实验工作量非常大，该 方法的可行性较差。另外，该文献中采用Ansys商用软件的流体计算模块（CFD)对灌浆管 道摩擦损失开展了数值仿真分析，这种方法只是分析了管道损失压力与管长、管道直径、流 体流动速度、浆液密度及粘度的关系，这个模块的理论基础是宏观流体力学模型，需要很多 的假设条件，且只针对孔内灌浆压力的影响因素开展离线分析，并没有建立孔内灌浆压力 与其它参数的动态数学模型，不能应用于灌浆施工中监控孔内灌浆压力的动态变化，更不 能反映复杂浆液对灌浆压力的局部影响。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可行性强、准确性高、 操作方便的在线测量孔内灌浆压力的动态测量方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种孔内灌浆压力的动态测量方 法，包括以下步骤，
[0007] 第一步：根据灌浆工艺，分别通过流量计和密度计获取灌浆过程中实时的流量值 Q和密度值P 并由流量值Q计算得到浆液在注浆管道入口处的速度Uytl;
[0008] 第二步：确定灌浆压力测量的模型结构：基于格子玻尔兹曼方法建立注浆管道内 浆液的流体微团的压力分布函数模型；
[0009] 第三步：再根据不可压缩流体微团的压力分布函数模型构建灌浆工艺中浆液宏观 压力Pm与浆液速度u、浆液密度P的泛函关系模型，即
【主权项】
1. 一种孔内灌浆压力的动态测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 第一步：根据灌浆工艺，分别通过流量计和密度计获取灌浆过程中的流量值Q和密度 值p 并由流量值Q计算得到浆液在注浆管道入口处的速度Uytl; 第二步：确定灌浆压力测量的模型结构：基于格子玻尔兹曼方法建立注浆管道内浆液 的流体微团的压力分布函数模型； 第三步：再根据不可压缩流体微团的压力分布函数模型构建灌浆工艺中浆液宏观压力 Pm与浆液速度u、浆液密度P的泛函关系模型，即Pm=J]人(u,/?)，其中，fk(u，P )为压力 k 二1 分布函数；同样根据流体微团的压力分布函数构建灌浆工艺中浆液宏观速度Um与浆液速 度11、浆液密度0的关系模型，8卩11111=^-^>/,./?，其中，01至0 9分别为{(〇,〇)，（1，〇)， Po k-1 (0，1)，（-1,0)，（0，-1)，（1,1)，（-1,1)，（_1，_1)，（1，-1)};基于上述第二步中确定的灌衆 管道内特定孔深位置的浆液压力分布函数进行求和，得到特定灌浆部位的浆液宏观压力和 浆液宏观速度； 第四步，以注浆管道最下端的浆液宏观压力代表灌浆工艺中的灌浆压力，根据动态测 量的灌浆压力控制灌浆过程中浆液注入流量大小，使得灌浆压力小于灌浆压力设计值； 第五步：当注浆过程中流量的变化量达到10%或者浆液密度发生变化时，则重复上述 第一步至第四步，重新获取注浆管道的孔内灌浆压力。
2. 根据权利要求1所述的孔内灌浆压力的动态测量方法，其特征在于，上述第二步的 具体操作包括以下步骤： 1) 构建坐标系：测定注浆管道的直径为d，注浆管道伸入注浆孔内的长度为H，并以注 浆管道的左下角为坐标原点建立坐标系，X方向为水平方向，y方向为重力反方向；离线确 定X方向的步长Δχ和y方向的步长Ay,并将坐标系构成的二维平面进行格子划分，X方 向最大格子数记为N x= d/ Δ X，y方向最大格子数记为Ny = H/ Δ y ; 2) 初始化：将整个网格NxXNy格子作为计算域，所有格子横竖相交的点设为节点，在 整个格子场内将浆液速度、浆液密度和压力分布函数进行初始化； 2.1)浆液速度初始化，浆液在整个格子场内部x，y两个方向的初始速度场都是零，浆 液流体流向为y的反方向；在注浆管道的最上端格子上浆液的初始速度设为-Uytl; 2. 2)浆液密度的初始化，在整个格子场内浆液密度P = Ptl; 2.3)压力分布函数的初始化，设定各格子内的压力分布函数fk初始值等于各自 的压力均匀分布函数/Γ ;所述压力均匀分布函数通过引入不可压缩流体模型来确立， ./Γ = /心 c:丨[P + A(丨 + 3.0 * 4 * U + 4.5( I 丨）2 - 1.5u)]，其中 IIik为权重系数、m 連 m 9分别为 [4/9,1/9,1/9,1/9,1/9,1/36,1/36,1/36,1/36]，u 为格子内浆液速度； 3) 注浆管道内边界格子的处理： 3. 1)左边界处理：左边界格子的压力分布函数值=本格子的压力均匀分布函数值+右 边相邻格子的压力分布函数值-右边相邻格子的压力均匀分布函数值； 3. 2)右边界处理：右边界格子的压力分布函数值=本格子的压力均匀分布函数值+左 边相邻格子的压力分布函数值-左边相邻格子的压力均匀分布函数值； 3. 3)上边界处理：上边界格子的速度=-Uy(l;l边界格子的压力分布函数值=本格子 的压力均匀分布函数值+下边相邻格子的压力分布函数值-下边相邻格子的压力均匀分 布函数值； 3. 4)下边界处理：下边界格子的速度值=上边相邻格子的速度值；下边界格子的压力 分布函数值=本格子的压力均匀分布函数值+上边相邻格子的压力分布函数值-上边相 邻格子的压力均匀分布函数值； 4)确定压力分布函数演化过程：计算域内不同空间位置处每个格子内的压 力分布函数fk通过压力分布函数的演化方程来确定，压力分布函数的演化方程为 /k 〇 + Δχ,? + Δ?) =/； (X, 〇 + (/A~(X, 〇 -厶(X,i)) / ，其中tau为压力分布函数的松弛因子， Ax为空间上的1?散量，Δ?为时间上的尚散量，且Δχ = ek At ;在整个格子场开展压力分 布函数演化方程的迭代运算，迭代次数为NxXNyX9,最终获取每个格子内的压力分布函数 fk。
3. 根据权利要求2所述的孔内灌浆压力的动态测量方法，其特征在于，所述压 力分布函数的演化方程主要通过引入不可压缩流体模型并基于以下步骤确立：将 流体粒子的运动划分为碰撞和迀移两个过程；碰撞过程只发生在X本节点上，遵循 公式#(χ,?) = Λ(·Μ) +(/Γ(·Μ)-Λ(.Μ))/伽，其重新分布了不同离散速度上的 分布函数；不同离散速度方向上的粒子做迀移运动，运动到相邻节点上，遵循公式 /k(x + Δχ,? + Δ〇 = /k+(x.i)·然后在该新的节点又发生碰撞，然后又迀移，进而确立得到压力 分布函数的演化方程为 Λ (X + Δχ,? + Δ?) = Α(χ, 〇 + (/f (X, O - Λ (·Μ))/。
4. 根据权利要求1、2或3所述的孔内灌浆压力的动态测量方法，其特征在于，上述第三 步的具体操作包括以下步骤：基于上述最终获取的每个格子内的压力分布函数f k，再根据 流体微团模型求出每个格子内浆液宏观压力值和浆液宏观速度值。
【专利摘要】一种孔内灌浆压力的动态测量方法，包括以下步骤，先是收集灌浆工艺的相关技术参数，然后确定灌浆压力测量的模型结构，基于格子玻尔兹曼方法建立注浆管道内浆液的流体微团的压力分布函数模型，再基于灌浆管道内特定孔深位置的浆液压力分布函数进行求和，得到特定灌浆部位的浆液宏观压力和浆液宏观速度；以注浆管道最下端的浆液宏观压力代表灌浆工艺中的灌浆压力，最后当注浆过程中流量的变化量达到10％或者浆液密度发生变化，则实时更新数据以指导灌浆作业。本发明的孔内灌浆压力的动态测量方法只要知道孔口的速度和浆液的密度值就能获取管道内的任意处压力，操作简单，且数据更加准确可靠。
【IPC分类】G01L11-00
【公开号】CN104729786
【申请号】CN201510130863
【发明人】李凤玲, 荣见华, 李方义, 何建军
【申请人】长沙理工大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月24日