一種粒子衝擊鑽井用注入裝置的製作方法
2023-10-05 04:24:54 3
本發明涉及一種石油工程技術，特別涉及一種粒子衝擊鑽井用注入裝置。
背景技術：
粒子衝擊鑽井技術是提高深井/超深井及硬地層鑽井速度的有效途徑之一，而粒子注入裝置是粒子衝擊鑽井技術實現的前提和關鍵，從根本上講，粒子注入裝置研究的核心是如何將鋼質粒子以一定的速率，連續地注入到高壓鑽井液中。
目前，國內外已有的粒子注入裝置尚不能真正的實現粒子的連續注入，即使採用雙注入管注入裝置，應用中也存在著明顯的弊病。在兩管交替時，低壓管有一個升壓過程，當剛接通低壓管時，因壓力大幅下降而無法正常進行噴射作業，而低壓管壓力升至穩定工作壓力需要一段時間，使噴射作業存在間斷，不能保證粒子衝擊鑽井系統始終連續地工作。
當系統正常工作時，高壓罐中的粒子以一定的速度自下料管進入混合腔，當粒子截止閥突然關閉時，由於慣性的作用，粒子仍然下落，導致粒子在下料管中壓實，之後，系統的壓力降低，由於容積效應，高壓罐和其內部的水恢復彈性變形，即高壓罐體積收縮而水的體積膨脹，使得整個高壓罐的空間減小，導致下料管中粒子持續壓實，最終導致下料管的嚴重堵塞，且固體粒子自身流動性不良，很容易發生粒子出料口堵塞的事故，且解堵困難。所以，在系統停止工作時，應及時將高壓罐中的壓力卸掉，避免產生容積效應，而安裝洩壓閥是不可取的，這樣不僅造成操作的不便，而且使得高壓罐在釋放數十兆帕壓力時產生事故隱患。
在粒子衝擊鑽井過程中，要求粒子必須以固定的體積比例均勻的注入高壓主管匯，且粒子的濃度能夠連續可調，常用的螺杆擠壓式注入方式因螺杆擠壓器的密封性較差，且磨損嚴重，而限制了其推廣應用。上述局面嚴重製約了粒子衝擊鑽井技術的商業化進程，粒子注入裝置存在的問題急需解決。
技術實現要素：
本發明的目的就是針對現有技術存在的上述缺陷，提供一種粒子衝擊鑽井用注入裝置，通過設計粒子舉升灌裝系統、壓力補償系統、雙罐注入系統和防堵混合系統，真正實現粒子連續注入、防堵且粒子濃度連續可調的目的，並通過電路控制系統實現操作的遠程控制，解決現有技術中存在的問題。
本發明提到的一種粒子衝擊鑽井用注入裝置，包括粒子舉升灌裝系統（1）、壓力補償系統（2）、雙罐注入系統（3）、防堵混合系統（4）和電路控制系統（5），粒子舉升灌裝系統（1）與雙罐注入系統（3）的入口連接，且雙罐注入系統（3）的側壁連通壓力補償系統（2），在雙罐注入系統（3）的底部連接防堵混合系統（4），一側安設電路控制系統（5）；所述的粒子舉升灌裝系統（1）將粒子舉升至雙罐注入系統（3）中；所述的壓力補償系統可對雙罐注入系統（3）的粒子注入罐（3-1）預升壓至工作壓力，並完成粒子與鑽井液的初級混合；所述的雙罐注入系統（3）可通過兩個粒子注入罐的交替使用將粒子連續的注入到高壓管匯中；所述的防堵混合系統（4）可防止堵塞事故的發生，實現粒子濃度的可控可調，並完成粒子與鑽井液的兩級混合；所述的電路控制系統（5）可實現操作的遠程控制。
上述的粒子舉升灌裝系統（1）包括儲料箱（1-1）、垂直螺旋輸送機（1-2）、電機（1-3）、料鬥（1-4）和粒子灌裝閥（1-5）；垂直螺旋輸送機（1-2）在頂部電機（1-3）的帶動下，將儲料箱（1-1）中的粒子舉升到設備的最高處，灌入到料鬥（1-4）中；通過啟閉粒子灌裝閥（1-5），將粒子注入左右兩個粒子注入罐（3-1）中。
上述的壓力補償系統（2）包括升壓管線（2-1）、升壓用泥漿閥（2-2）；所述的升壓管線（2-1）為高壓主管線的一個分支，通過打開升壓用泥漿閥（2-2）向粒子注入罐（3-1）內輸入高壓鑽井液，將粒子注入罐（3-1）升壓至工作壓力，完成預升壓過程，並完成粒子與鑽井液的初級混合，形成粒子混漿，避免粒子注入罐（3-1）接通高壓管匯後升壓出現壓力下降和管匯中粒子間斷現象的發生。
上述的雙罐注入系統（3）包括粒子注入罐（3-1）和粒子截止閥（3-2）；所述的粒子注入罐為左右並聯的雙罐，將罐中粒子通過壓差引射的方式注入到連接高壓主管匯的混合腔（4-1-4）中；所述的粒子截止閥（3-2）通過粒子截止閥本體（3-2-2）在90°內旋轉，使得圓柱孔（3-2-1）與下料管（4-1-3）正對或正交啟閉粒子注入混合腔（4-1-4）的過程。
上述的防堵混合系統（4）包括引射器（4-1）和防堵噴頭（4-2）；引射器（4-1）位於粒子注入罐（3-1）的底部，包括兩向閥（4-1-1）、粒子濃度調節機構（4-1-2）、下料管（4-1-3）和混合腔（4-1-4），粒子混漿通過下料管（4-1-3）和粒子截止閥的圓柱孔（3-2-1）注入混合腔（4-1-4）中；兩向閥（4-1-1）包括閥門體（4-1-1-1）、單向開關（4-1-1-2）和拉伸彈簧（4-1-1-3），當粒子注入罐（3-1）中的壓力低於高壓主管匯的壓力時，兩向閥（4-1-1）在壓差的作用下向上運動，平衡兩者的壓力，在粒子連續注入裝置停止工作後，粒子注入罐（3-1）中的壓力高於高壓主管匯的壓力，單向開關（4-1-1-2）向下運動，對粒子注入罐自動洩壓，設置階梯孔防止拉伸彈簧（4-1-1-3）被過渡拉伸，洩壓後，在拉伸彈簧的作用下，單向開關回位。
上述的粒子濃度調節機構（4-1-2）包括外部大齒輪（4-1-2-1）、第一外部小齒輪（4-1-2-2）和第二外部小齒輪（4-1-2-3）、第一內部小齒輪（4-1-2-4）和第二內部小齒輪（4-1-2-5）、第一齒條（4-1-2-6）和第二齒條（4-1-2-7）以及第一半圓球形閥（4-1-2-8）和第二半圓球形閥（4-1-2-9），外部大齒輪（4-1-2-1）與第一外部小齒輪（4-1-2-2）和第二外部小齒輪（4-1-2-3）嚙合，旋轉外部大齒輪（4-1-2-1），同時帶動第一外部小齒輪（4-1-2-2）和第二外部小齒輪（4-1-2-3）轉動，第一內部小齒輪（4-1-2-4）和第二內部小齒輪（4-1-2-5）分別與第一外部小齒輪（4-1-2-2）和第二外部小齒輪（4-1-2-3）同軸轉動，第一內部小齒輪（4-1-2-4）和第二內部小齒輪（4-1-2-5）分別與第一齒條（4-1-2-6）和第二齒條（4-1-2-7）嚙合，從而帶動第一齒條（4-1-2-6）和第二齒條（4-1-2-7）在豎直方向異向運動；第一齒條（4-1-2-6）和第二齒條（4-1-2-7）下端為第一半圓球形閥（4-1-2-8）和第二半圓球形閥（4-1-2-9），通過第一齒條（4-1-2-6）和第二齒條（4-1-2-7）的異向運動，第一半圓球形閥（4-1-2-8）和第二半圓球形閥（4-1-2-9）的間距增大或者縮小，從而調節了孔口的開啟度。
上述的防堵噴頭（4-2）包括頂部尖帽（4-2-1）、防堵噴嘴（4-2-2）和濾砂網（4-2-3），底部車有螺紋，可方便的旋擰在粒子注入罐（3-1）底部；頂部尖帽（4-2-1）可減少粒子的堆積對防堵噴頭產生的壓實作用；所述的防堵噴嘴（4-2-2）前後、左右對稱布置在防堵噴頭本體上，噴嘴向下傾斜20°，每列4個；濾砂網（4-2-3）是不鏽鋼絲編織平紋編織網或斜紋編織網，基本孔徑0.5mm。
本發明提到的一種粒子衝擊鑽井用注入裝置的注入方法，具體的操作步驟如下：
第一步：打開垂直螺旋輸送機（1-2）頂部的電機（1-3），將粒子從儲料箱（1-1）垂直舉升至料鬥（1-4），備用；
第二步：此時粒子注入罐（3-1）中裝滿粒子，打開第一泥漿閥（9）和第一泥漿閥（10），鑽井泵（7）通過管線（8）從泥漿池（6）中向外輸送鑽井液，鑽井液進入引射器（4-1）中，一股噴射入粒子注入罐（3-1）底部，另一股通過粒子濃度調節機構（4-1-2）的孔口，在混合腔（4-1-4）中產生壓降，打開粒子截止閥（3-2），粒子進入混合腔（4-1-4），與鑽井液充分混合後，由通道口（16）進入第一高壓主管匯（13）、第二高壓主管匯（14），注入井筒；
第三步：當粒子注入罐（3-1）中的粒子行將用盡時，調節粒子濃度調節機構（4-1-2），使粒子注入罐（3-1）的粒子注入量減少，同時打開第三泥漿閥（11）、第四泥漿閥（12）和粒子截止閥（3-2），使得料子注入罐（3-1）連入第一高壓主管匯（13）、第二高壓主管匯（14）中，調節引射器（4-1）中的粒子濃度調節機構（4-1-2），使整個高壓主管匯中粒子的濃度保持不變；
第四步：關閉第一泥漿閥（9）和第一泥漿閥（10）和粒子截止閥（3-2），調節粒子濃度調節機構（4-1-2），使粒子濃度保持不變，繼續鑽進；
第五步：打開粒子注入閥（1-5），向粒子注入罐（3-1）中注滿粒子後，關閉粒子注入閥（1-5）；
第六步：打開加壓用泥漿閥（2-2），通過加壓管線（2-1）向粒子注入罐（3-1）中輸入高壓鑽井液，使升壓速度略大於粒子注入罐（3-1）的粒子注入速度，當粒子注入罐（3-1）內壓力升至工作壓力，關閉加壓用泥漿閥（2-2），完成預升壓過程，備用；
之後，又可重複上述六個流程，便可實現連續、均勻地將粒子注入到高壓主管匯中，注入井筒。
本發明的有益效果是：通過設計粒子舉升灌裝系統、壓力補償系統、雙罐注入系統和防堵混合系統，真正實現粒子連續注入、防堵且粒子濃度連續可調的目的，並通過電路控制系統實現操作的遠程控制；在不改變高壓主管匯壓力的條件下，管匯中始終保持有固定濃度的粒子，真正的實現粒子連續注入，可長時間連續工作，提高工作效率；具有良好的防堵效果；粒子濃度可連續的調節；粒子與鑽井液兩級混合，更加均勻；可實現操作的遠程控制；其結構合理緊湊，使用安全可靠，可大幅縮短鑽井周期。
附圖說明
圖1為本發明的整體裝置工作示意圖；
圖2為本發明的整體裝置右側視圖；
圖3為圖1中A處局部放大圖；
圖4為圖2中B處局部放大圖；
圖5為本發明的防堵混合系統外部視圖；
圖6為本發明的防堵混合系統俯視圖；
圖7為本發明的防堵混合系統局部剖視圖；
圖8為圖6中C-C剖視圖；
圖9為本發明的兩向閥的俯視圖；
圖10為圖9中D-D剖視圖；
圖11為圖7中E處放大圖；
圖12為本發明的防堵噴頭的示意圖；
圖13為本發明的粒子截止閥示意圖；
上圖中：粒子舉升灌裝系統1、壓力補償系統2、雙罐注入系統3、防堵混合系統4和電路控制系統5、泥漿池6、鑽井泵7、管線8、第一泥漿閥9、第二泥漿閥10、第三泥漿閥11、第四泥漿閥12、第一高壓主管匯13、第二高壓主管匯14，
儲料箱1-1、垂直螺旋輸送機1-2、電機1-3、料鬥1-4和粒子灌裝閥1-5，升壓管線2-1、升壓用泥漿閥2-2，粒子注入罐3-1、粒子截止閥3-2，圓柱孔3-2-1，粒子截止閥本體3-2-2，引射器4-1和防堵噴頭4-2，兩向閥4-1-1、粒子濃度調節機構4-1-2、下料管4-1-3和混合腔4-1-4，閥門體4-1-1-1、單向開關4-1-1-2和拉伸彈簧4-1-1-3，外部大齒輪4-1-2-1、第一外部小齒輪4-1-2-2和第二外部小齒輪4-1-2-3、第一內部小齒輪4-1-2-4和第二內部小齒輪4-1-2-5、第一齒條4-1-2-6、第二齒條4-1-2-7、第一半圓球形閥4-1-2-8、第二半圓球形閥4-1-2-9，頂部尖帽4-2-1、防堵噴嘴4-2-2、濾砂網4-2-3。
具體實施方式
結合附圖1-13，對本發明作進一步的描述：
本發明提到的一種粒子衝擊鑽井用注入裝置，包括粒子舉升灌裝系統（1）、壓力補償系統（2）、雙罐注入系統（3）、防堵混合系統（4）和電路控制系統（5），粒子舉升灌裝系統（1）與雙罐注入系統（3）的入口連接，且雙罐注入系統（3）的側壁連通壓力補償系統（2），在雙罐注入系統（3）的底部連接防堵混合系統（4），一側安設電路控制系統（5）；所述的粒子舉升灌裝系統（1）將粒子舉升至雙罐注入系統（3）中；所述的壓力補償系統可對雙罐注入系統（3）的粒子注入罐（3-1）預升壓至工作壓力，並完成粒子與鑽井液的初級混合；所述的雙罐注入系統（3）可通過兩個粒子注入罐的交替使用將粒子連續的注入到高壓管匯中；所述的防堵混合系統（4）可防止堵塞事故的發生，實現粒子濃度的可控可調，並完成粒子與鑽井液的兩級混合；所述的電路控制系統（5）可實現操作的遠程控制。
上述的粒子舉升灌裝系統（1）包括儲料箱（1-1）、垂直螺旋輸送機（1-2）、電機（1-3）、料鬥（1-4）和粒子灌裝閥（1-5）；垂直螺旋輸送機（1-2）在頂部電機（1-3）的帶動下，將儲料箱（1-1）中的粒子舉升到設備的最高處，灌入到料鬥（1-4）中；通過啟閉粒子灌裝閥（1-5），將粒子注入左右兩個粒子注入罐（3-1）中。
上述的壓力補償系統（2）包括升壓管線（2-1）、升壓用泥漿閥（2-2）；所述的升壓管線（2-1）為高壓主管線的一個分支，通過打開升壓用泥漿閥（2-2）向粒子注入罐（3-1）內輸入高壓鑽井液，將粒子注入罐（3-1）升壓至工作壓力，完成預升壓過程，並完成粒子與鑽井液的初級混合，形成粒子混漿，避免粒子注入罐（3-1）接通高壓管匯後升壓出現壓力下降和管匯中粒子間斷現象的發生。
上述的雙罐注入系統（3）包括粒子注入罐（3-1）和粒子截止閥（3-2）；所述的粒子注入罐為左右並聯的雙罐，將罐中粒子通過壓差引射的方式注入到連接高壓主管匯的混合腔（4-1-4）中；所述的粒子截止閥（3-2）通過粒子截止閥本體（3-2-2）在90°內旋轉，使得圓柱孔（3-2-1）與下料管（4-1-3）正對或正交啟閉粒子注入混合腔（4-1-4）的過程。
上述的防堵混合系統（4）包括引射器（4-1）和防堵噴頭（4-2）；引射器（4-1）位於粒子注入罐（3-1）的底部，包括兩向閥（4-1-1）、粒子濃度調節機構（4-1-2）、下料管（4-1-3）和混合腔（4-1-4），粒子混漿通過下料管（4-1-3）和粒子截止閥的圓柱孔（3-2-1）注入混合腔（4-1-4）中；兩向閥（4-1-1）包括閥門體（4-1-1-1）、單向開關（4-1-1-2）和拉伸彈簧（4-1-1-3），當粒子注入罐（3-1）中的壓力低於高壓主管匯的壓力時，兩向閥（4-1-1）在壓差的作用下向上運動，平衡兩者的壓力，在粒子連續注入裝置停止工作後，粒子注入罐（3-1）中的壓力高於高壓主管匯的壓力，單向開關（4-1-1-2）向下運動，對粒子注入罐自動洩壓，設置階梯孔防止拉伸彈簧（4-1-1-3）被過渡拉伸，洩壓後，在拉伸彈簧的作用下，單向開關回位。
上述的粒子濃度調節機構（4-1-2）包括外部大齒輪（4-1-2-1）、第一外部小齒輪（4-1-2-2）和第二外部小齒輪（4-1-2-3）、第一內部小齒輪（4-1-2-4）和第二內部小齒輪（4-1-2-5）、第一齒條（4-1-2-6）和第二齒條（4-1-2-7）以及第一半圓球形閥（4-1-2-8）和第二半圓球形閥（4-1-2-9），外部大齒輪（4-1-2-1）與第一外部小齒輪（4-1-2-2）和第二外部小齒輪（4-1-2-3）嚙合，旋轉外部大齒輪（4-1-2-1），同時帶動第一外部小齒輪（4-1-2-2）和第二外部小齒輪（4-1-2-3）轉動，第一內部小齒輪（4-1-2-4）和第二內部小齒輪（4-1-2-5）分別與第一外部小齒輪（4-1-2-2）和第二外部小齒輪（4-1-2-3）同軸轉動，第一內部小齒輪（4-1-2-4）和第二內部小齒輪（4-1-2-5）分別與第一齒條（4-1-2-6）和第二齒條（4-1-2-7）嚙合，從而帶動第一齒條（4-1-2-6）和第二齒條（4-1-2-7）在豎直方向異向運動；第一齒條（4-1-2-6）和第二齒條（4-1-2-7）下端為第一半圓球形閥（4-1-2-8）和第二半圓球形閥（4-1-2-9），通過第一齒條（4-1-2-6）和第二齒條（4-1-2-7）的異向運動，第一半圓球形閥（4-1-2-8）和第二半圓球形閥（4-1-2-9）的間距增大或者縮小，從而調節了孔口的開啟度。
上述的防堵噴頭（4-2）包括頂部尖帽（4-2-1）、防堵噴嘴（4-2-2）和濾砂網（4-2-3），底部車有螺紋，可方便的旋擰在粒子注入罐（3-1）底部；頂部尖帽（4-2-1）可減少粒子的堆積對防堵噴頭產生的壓實作用；所述的防堵噴嘴（4-2-2）前後、左右對稱布置在防堵噴頭本體上，噴嘴向下傾斜20°，每列4個；濾砂網（4-2-3）是不鏽鋼絲編織平紋編織網或斜紋編織網，基本孔徑0.5mm。
本發明提到的一種粒子衝擊鑽井用注入裝置的注入方法，具體的操作步驟如下：
第一步：打開垂直螺旋輸送機（1-2）頂部的電機（1-3），將粒子從儲料箱（1-1）垂直舉升至料鬥（1-4），備用；
第二步：此時粒子注入罐（3-1）中裝滿粒子，打開第一泥漿閥（9）和第一泥漿閥（10），鑽井泵（7）通過管線（8）從泥漿池（6）中向外輸送鑽井液，鑽井液進入引射器（4-1）中，一股噴射入粒子注入罐（3-1）底部，另一股通過粒子濃度調節機構（4-1-2）的孔口，在混合腔（4-1-4）中產生壓降，打開粒子截止閥（3-2），粒子進入混合腔（4-1-4），與鑽井液充分混合後，由通道口（16）進入第一高壓主管匯（13）、第二高壓主管匯（14），注入井筒；
第三步：當粒子注入罐（3-1）中的粒子行將用盡時，調節粒子濃度調節機構（4-1-2），使粒子注入罐（3-1）的粒子注入量減少，同時打開第三泥漿閥（11）、第四泥漿閥（12）和粒子截止閥（3-2），使得料子注入罐（3-1）連入第一高壓主管匯（13）、第二高壓主管匯（14）中，調節引射器（4-1）中的粒子濃度調節機構（4-1-2），使整個高壓主管匯中粒子的濃度保持不變；
第四步：關閉第一泥漿閥（9）和第一泥漿閥（10）和粒子截止閥（3-2），調節粒子濃度調節機構（4-1-2），使粒子濃度保持不變，繼續鑽進；
第五步：打開粒子注入閥（1-5），向粒子注入罐（3-1）中注滿粒子後，關閉粒子注入閥（1-5）；
第六步：打開加壓用泥漿閥（2-2），通過加壓管線（2-1）向粒子注入罐（3-1）中輸入高壓鑽井液，使升壓速度略大於粒子注入罐（3-1）的粒子注入速度，當粒子注入罐（3-1）內壓力升至工作壓力，關閉加壓用泥漿閥（2-2），完成預升壓過程，備用；
之後，又可重複上述六個流程，便可實現連續、均勻地將粒子注入到高壓主管匯中，注入井筒。
以上所述僅為本發明最具代表性的實施方式，凡依據本發明申請專利範圍內所做的均等變化與修飾，均應屬於本發明的涵蓋範圍。