一種孔內(nèi)灌漿壓力的動態(tài)測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種灌漿壓力的測量方法，尤其涉及一種在線測量灌漿壓力的動態(tài)測 量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 灌漿壓力是影響灌漿質(zhì)量的重要參數(shù)之一，是現(xiàn)行灌漿監(jiān)測系統(tǒng)的一個主要監(jiān)控 參數(shù)。灌漿過程中，當(dāng)作用在灌漿段內(nèi)巖體上的漿液壓力超出了地層的極限破壞值，就會引 起地層抬動，出現(xiàn)施工事故?！端そㄖ锼喙酀{施工技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5148- 2012)中 6. 3. 8中明確要求灌漿段在設(shè)計灌漿壓力下的操作規(guī)則，實質(zhì)是指灌漿部位的孔內(nèi)灌漿壓 力要符合設(shè)計壓力要求。因此，在灌漿施工中動態(tài)獲取孔內(nèi)灌漿壓力是準(zhǔn)確控制灌漿壓力 和準(zhǔn)確了解施工狀態(tài)的前提。
[0003] 在深海采油和深海鉆探領(lǐng)域，孔內(nèi)壓力的直接測量已取得初步成果。現(xiàn)在市 場上出現(xiàn)了新型的無線智能傳感器用于孔內(nèi)油壓的測量和高靈敏的光纖光柵傳感器 用于水下壓力的感測。但由于灌漿工藝的特殊性，孔深有時深達(dá)70多米且鉆孔的孔 徑?。▋H為56mm-91mm左右），且漿液粘性、流動性等物理性質(zhì)與水、油也有很大差異， 在灌漿部位安裝傳感器直接檢測孔內(nèi)灌漿壓力，這種方法實施起來非常困難，且對施工 效率有很大影響。由于孔內(nèi)灌漿壓力測量的瓶頸技術(shù)未解決，現(xiàn)行灌漿監(jiān)控系統(tǒng)一般 直接用孔口壓力代替孔內(nèi)灌漿壓力。Calgada等的研宄（參見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：粘性漿液在小直徑長管道中傳輸時，壓力損失是不可以 忽視的，直接采用孔口壓力值代替孔內(nèi)灌漿壓力值存在較大的誤差。
[0004] 由于獲取真實灌漿壓力的重要性，部分工程中采用經(jīng)驗修正流體伯努利方程或簡 單的實驗結(jié)果來修正灌漿壓力，由于灌漿壓力受其它因素的影響是復(fù)雜的，修正參數(shù)需要 很多的經(jīng)驗。為了提高孔內(nèi)灌漿壓力模型的非線性預(yù)測能力，李鳳玲在灌漿壓力控制系統(tǒng) 的關(guān)鍵技術(shù)研宄論文中提出了一種智能建模方法[李鳳玲.灌漿壓力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 研宄[D]，中南大學(xué)博士論文，2009, 55-73·]，獲取孔內(nèi)灌漿壓力，利用孔口壓力、流量和密 度等可測參數(shù)建立灌漿壓力的自適應(yīng)T-S(Takagi-Sugeno)模糊軟測量模型。這種方法在 理論上是可行的，但實際實施起來也存在一定困難。因為它屬于一種"黑箱"建模法，前提 是需要獲取各種地層以及各種灌漿工況下的模型的輸入輸出數(shù)據(jù)樣本，才能準(zhǔn)確建立軟測 量模型來估計孔內(nèi)灌漿壓力。由于現(xiàn)行灌漿工程中未能獲取孔內(nèi)灌漿壓力數(shù)據(jù)，需開展灌 漿試驗來獲取各種灌漿工藝、漿液材料及地層下灌漿壓力建模樣本，實驗工作量非常大，該 方法的可行性較差。另外，該文獻(xiàn)中采用Ansys商用軟件的流體計算模塊（CFD)對灌漿管 道摩擦損失開展了數(shù)值仿真分析，這種方法只是分析了管道損失壓力與管長、管道直徑、流 體流動速度、漿液密度及粘度的關(guān)系，這個模塊的理論基礎(chǔ)是宏觀流體力學(xué)模型，需要很多 的假設(shè)條件，且只針對孔內(nèi)灌漿壓力的影響因素開展離線分析，并沒有建立孔內(nèi)灌漿壓力 與其它參數(shù)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，不能應(yīng)用于灌漿施工中監(jiān)控孔內(nèi)灌漿壓力的動態(tài)變化，更不 能反映復(fù)雜漿液對灌漿壓力的局部影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可行性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高、 操作方便的在線測量孔內(nèi)灌漿壓力的動態(tài)測量方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種孔內(nèi)灌漿壓力的動態(tài)測量方 法，包括以下步驟，
[0007] 第一步：根據(jù)灌漿工藝，分別通過流量計和密度計獲取灌漿過程中實時的流量值 Q和密度值P 并由流量值Q計算得到漿液在注漿管道入口處的速度Uytl;
[0008] 第二步：確定灌漿壓力測量的模型結(jié)構(gòu)：基于格子玻爾茲曼方法建立注漿管道內(nèi) 漿液的流體微團(tuán)的壓力分布函數(shù)模型；
[0009] 第三步：再根據(jù)不可壓縮流體微團(tuán)的壓力分布函數(shù)模型構(gòu)建灌漿工藝中漿液宏觀 壓力Pm與漿液速度u、漿液密度P的泛函關(guān)系模型，即
【主權(quán)項】
1. 一種孔內(nèi)灌漿壓力的動態(tài)測量方法，其特征在于，包括以下步驟： 第一步：根據(jù)灌漿工藝，分別通過流量計和密度計獲取灌漿過程中的流量值Q和密度 值p 并由流量值Q計算得到漿液在注漿管道入口處的速度Uytl; 第二步：確定灌漿壓力測量的模型結(jié)構(gòu)：基于格子玻爾茲曼方法建立注漿管道內(nèi)漿液 的流體微團(tuán)的壓力分布函數(shù)模型； 第三步：再根據(jù)不可壓縮流體微團(tuán)的壓力分布函數(shù)模型構(gòu)建灌漿工藝中漿液宏觀壓力 Pm與漿液速度u、漿液密度P的泛函關(guān)系模型，即Pm=J]人(u,/?)，其中，fk(u，P )為壓力 k 二1 分布函數(shù)；同樣根據(jù)流體微團(tuán)的壓力分布函數(shù)構(gòu)建灌漿工藝中漿液宏觀速度Um與漿液速 度11、漿液密度0的關(guān)系模型，8卩11111=^-^>/,./?，其中，01至0 9分別為{(〇,〇)，（1，〇)， Po k-1 (0，1)，（-1,0)，（0，-1)，（1,1)，（-1,1)，（_1，_1)，（1，-1)};基于上述第二步中確定的灌衆(zhòng) 管道內(nèi)特定孔深位置的漿液壓力分布函數(shù)進(jìn)行求和，得到特定灌漿部位的漿液宏觀壓力和 漿液宏觀速度； 第四步，以注漿管道最下端的漿液宏觀壓力代表灌漿工藝中的灌漿壓力，根據(jù)動態(tài)測 量的灌漿壓力控制灌漿過程中漿液注入流量大小，使得灌漿壓力小于灌漿壓力設(shè)計值； 第五步：當(dāng)注漿過程中流量的變化量達(dá)到10%或者漿液密度發(fā)生變化時，則重復(fù)上述 第一步至第四步，重新獲取注漿管道的孔內(nèi)灌漿壓力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的孔內(nèi)灌漿壓力的動態(tài)測量方法，其特征在于，上述第二步的 具體操作包括以下步驟： 1) 構(gòu)建坐標(biāo)系：測定注漿管道的直徑為d，注漿管道伸入注漿孔內(nèi)的長度為H，并以注 漿管道的左下角為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，X方向為水平方向，y方向為重力反方向；離線確 定X方向的步長Δχ和y方向的步長Ay,并將坐標(biāo)系構(gòu)成的二維平面進(jìn)行格子劃分，X方 向最大格子數(shù)記為N x= d/ Δ X，y方向最大格子數(shù)記為Ny = H/ Δ y ; 2) 初始化：將整個網(wǎng)格NxXNy格子作為計算域，所有格子橫豎相交的點設(shè)為節(jié)點，在 整個格子場內(nèi)將漿液速度、漿液密度和壓力分布函數(shù)進(jìn)行初始化； 2.1)漿液速度初始化，漿液在整個格子場內(nèi)部x，y兩個方向的初始速度場都是零，漿 液流體流向為y的反方向；在注漿管道的最上端格子上漿液的初始速度設(shè)為-Uytl; 2. 2)漿液密度的初始化，在整個格子場內(nèi)漿液密度P = Ptl; 2.3)壓力分布函數(shù)的初始化，設(shè)定各格子內(nèi)的壓力分布函數(shù)fk初始值等于各自 的壓力均勻分布函數(shù)/Γ ;所述壓力均勻分布函數(shù)通過引入不可壓縮流體模型來確立， ./Γ = /心 c:丨[P + A(丨 + 3.0 * 4 * U + 4.5( I 丨）2 - 1.5u)]，其中 IIik為權(quán)重系數(shù)、m 連 m 9分別為 [4/9,1/9,1/9,1/9,1/9,1/36,1/36,1/36,1/36]，u 為格子內(nèi)漿液速度； 3) 注漿管道內(nèi)邊界格子的處理： 3. 1)左邊界處理：左邊界格子的壓力分布函數(shù)值=本格子的壓力均勻分布函數(shù)值+右 邊相鄰格子的壓力分布函數(shù)值-右邊相鄰格子的壓力均勻分布函數(shù)值； 3. 2)右邊界處理：右邊界格子的壓力分布函數(shù)值=本格子的壓力均勻分布函數(shù)值+左 邊相鄰格子的壓力分布函數(shù)值-左邊相鄰格子的壓力均勻分布函數(shù)值； 3. 3)上邊界處理：上邊界格子的速度=-Uy(l;l邊界格子的壓力分布函數(shù)值=本格子 的壓力均勻分布函數(shù)值+下邊相鄰格子的壓力分布函數(shù)值-下邊相鄰格子的壓力均勻分 布函數(shù)值； 3. 4)下邊界處理：下邊界格子的速度值=上邊相鄰格子的速度值；下邊界格子的壓力 分布函數(shù)值=本格子的壓力均勻分布函數(shù)值+上邊相鄰格子的壓力分布函數(shù)值-上邊相 鄰格子的壓力均勻分布函數(shù)值； 4)確定壓力分布函數(shù)演化過程：計算域內(nèi)不同空間位置處每個格子內(nèi)的壓 力分布函數(shù)fk通過壓力分布函數(shù)的演化方程來確定，壓力分布函數(shù)的演化方程為 /k 〇 + Δχ,? + Δ?) =/； (X, 〇 + (/A~(X, 〇 -厶(X,i)) / ，其中tau為壓力分布函數(shù)的松弛因子， Ax為空間上的1?散量，Δ?為時間上的尚散量，且Δχ = ek At ;在整個格子場開展壓力分 布函數(shù)演化方程的迭代運(yùn)算，迭代次數(shù)為NxXNyX9,最終獲取每個格子內(nèi)的壓力分布函數(shù) fk。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的孔內(nèi)灌漿壓力的動態(tài)測量方法，其特征在于，所述壓 力分布函數(shù)的演化方程主要通過引入不可壓縮流體模型并基于以下步驟確立：將 流體粒子的運(yùn)動劃分為碰撞和迀移兩個過程；碰撞過程只發(fā)生在X本節(jié)點上，遵循 公式#(χ,?) = Λ(·Μ) +(/Γ(·Μ)-Λ(.Μ))/伽，其重新分布了不同離散速度上的 分布函數(shù)；不同離散速度方向上的粒子做迀移運(yùn)動，運(yùn)動到相鄰節(jié)點上，遵循公式 /k(x + Δχ,? + Δ〇 = /k+(x.i)·然后在該新的節(jié)點又發(fā)生碰撞，然后又迀移，進(jìn)而確立得到壓力 分布函數(shù)的演化方程為 Λ (X + Δχ,? + Δ?) = Α(χ, 〇 + (/f (X, O - Λ (·Μ))/。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的孔內(nèi)灌漿壓力的動態(tài)測量方法，其特征在于，上述第三 步的具體操作包括以下步驟：基于上述最終獲取的每個格子內(nèi)的壓力分布函數(shù)f k，再根據(jù) 流體微團(tuán)模型求出每個格子內(nèi)漿液宏觀壓力值和漿液宏觀速度值。
【專利摘要】一種孔內(nèi)灌漿壓力的動態(tài)測量方法，包括以下步驟，先是收集灌漿工藝的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，然后確定灌漿壓力測量的模型結(jié)構(gòu)，基于格子玻爾茲曼方法建立注漿管道內(nèi)漿液的流體微團(tuán)的壓力分布函數(shù)模型，再基于灌漿管道內(nèi)特定孔深位置的漿液壓力分布函數(shù)進(jìn)行求和，得到特定灌漿部位的漿液宏觀壓力和漿液宏觀速度；以注漿管道最下端的漿液宏觀壓力代表灌漿工藝中的灌漿壓力，最后當(dāng)注漿過程中流量的變化量達(dá)到10％或者漿液密度發(fā)生變化，則實時更新數(shù)據(jù)以指導(dǎo)灌漿作業(yè)。本發(fā)明的孔內(nèi)灌漿壓力的動態(tài)測量方法只要知道孔口的速度和漿液的密度值就能獲取管道內(nèi)的任意處壓力，操作簡單，且數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。
【IPC分類】G01L11-00
【公開號】CN104729786
【申請?zhí)枴緾N201510130863
【發(fā)明人】李鳳玲, 榮見華, 李方義, 何建軍
【申請人】長沙理工大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月24日