負壓射流式粒子衝擊鑽井注入裝置的製作方法

2023-06-03 18:50:41 3

專利名稱：負壓射流式粒子衝擊鑽井注入裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種負壓射流式粒子衝擊鑽井注入裝置，屬於石油鑽井工程技術領域。
背景技術：
粒子衝擊鑽井技術是為開發深部堅硬及研磨性較高地層中的油氣資源而研發的一項石油鑽井新技術，在我國四川省等西部油氣資源豐富卻埋藏較深、巖石堅硬耐磨的地區具有廣闊的應用前景。粒子衝擊鑽井是指在常規鑽頭旋轉鑽進機械破巖的同時，在鑽井液中加入一定量的鋼粒，並通過鑽頭噴嘴以高頻射流形式衝擊破碎巖石，起到輔助破巖目的，進而大幅度提高機械鑽速，加快油氣井投產。目前為止，粒子衝擊鑽井技術作為近幾年才提出的一項新技術，在國外也僅是進行了少量實驗室和現場研究，國內更是停留在理論研究階段。而國外研究證明該技術對於深井極硬巖層鑽井速度的提高具有顯著效果，這為解決當前我國面臨的深井堅硬地層鑽井速度慢的技術瓶頸提供了新的方法。在粒子衝擊鑽井實施過程中，由於井深較深，若將鋼粒子輸送至井底需要地面泥漿泵和管路等設備承受非常高的管道循環壓力(一般為數十兆帕左右)，並且現有泥漿泵不能直接泵送含有鋼粒子的鑽井液，而需要專門的注入系統將粒子注入到鑽井液中。因此，粒子注入系統與粒子回收系統、粒子鑽頭系統(PDI鑽頭)一道，作為粒子衝擊鑽井新技術的三大核心組成系統之一，直接影響著粒子注入的穩定性、均勻性，以及衝擊破巖的效果。粒子注入系統經歷了兩次較大的發展，較為理想的注入系統是利用高壓密閉注入罐，底部連接粒子注入裝置，在一定壓力下(一般為三十兆帕左右)將鋼粒注入到主管匯的鑽井液中，經混合後隨主管匯鑽井液循環至井底鑽頭，實現粒子衝擊破碎井底巖石，大幅提聞機械鑽速。粒子注入罐屬於較大型壓力容器罐，頂部和底部分別留有進料口、出料口，而且底部為圓(錐)形，且上下存在壓差阻力，很容易發生粒子出料口堵塞。由於粒子注入罐體積較大，且是高壓密閉容器，倘若粒子和泥漿在出料口一旦發生堵塞，常規方法不能有效、及時治理，這不僅會妨礙粒子的正常注入，而且可能會影響整個鑽井進度，更甚至使注入罐內壓力急劇增大而誘發不安全事故。目前，類似的大型高壓密閉容器在其它領域也有廣泛應用，也遇到了同樣的堵塞治理問題。常規儲罐容器的堵塞解決方法有多種，但並不適用於此類壓力容器:例如，中國實用新型專利ZL200820158592.X公開了一種料倉防堵裝置，該裝置在出料口設置疏通撥杆，並與出料口外部的電液動推桿相連。當出料口出現堵塞時，啟動電液動推桿，使疏通撥杆沿出料口來回運動，從而對出料口的堵塞起疏通作用，解除出料口堵塞現象。但由於高壓密閉注入罐底部是密閉且直通高壓管路，該專利中提到的疏通撥杆和電液動推桿不能在罐底部隨意運動，因此不適於粒子注入罐的堵塞治理。中國實用新型專利ZL200520095960.7公開了一種懸掛活振動式散裝物料倉下料防堵裝置，該裝置主要由活振動鬥體、振打電機和彈簧組件掛鈎等組成。其中，活振動鬥體處於懸掛自由狀態，在振打電機等的共同作用下，可以在一定幅度內有效振動，以消除物料在糧倉內堆積造成的堵塞現象。但是粒子注入罐體是壓力容器，工作壓力最大達數十兆帕，所以工作狀態下應儘量避免振動等外部強烈幹擾，以免引起安全事故。因此，該技術也不適用於粒子注入罐的堵塞防治。綜上所述，現有的儲罐容器出料口堵塞治理技術僅僅適用於非密封、無工作壓力或壓力較低的料倉，但對於諸如此類粒子鑽井系統中高壓密閉粒子注入罐的堵塞防治並不適用。

發明內容
本發明要解決的技術問題是:提供一種結構合理，使用安全，可提高粒子注入速度，及解決高壓粒子注入罐底部容易堵塞問題的負壓射流式粒子衝擊鑽井注入裝置。本發明所述的負壓射流式粒子衝擊鑽井注入裝置，包括高壓粒子注入罐，高壓粒子注入罐頂部設置進料口，底部設置出料口，進料口 一側安裝平衡壓力射流管，平衡壓力射流管一端設置射流防堵噴頭，另一端置於主管匯頂部，射流防堵噴頭位於高壓粒子注入罐底部，出料口底部設置負壓粒子注入管，負壓粒子注入管一端設置噴嘴，噴嘴連通主管匯，主管匯底部設置調節管，調節管末端連通負壓粒子注入管出口，調節管內設置調節閥。平衡壓力射流管的作用是使高壓粒子注入罐與地面高壓管路壓力連通，避免由於管路壓力高於高壓粒子注入罐內的壓力而產生壓差，使粒子不能順利從出料口流出，還可以防止高壓粒子注入罐因壓力過高造成安全隱患；射流防堵噴頭位於高壓粒子注入罐底部，可對高壓粒子注入罐出料口易發生堵塞部位實現全方位、多角度衝擊攪動，防止粒子在出料口處堵塞；負壓粒子注入管的作用是當鑽井液從主管匯中流經噴嘴噴出後在負壓粒子注入管內形成負壓，將上部粒子吸入，使粒子與鑽井液液體充分混合，然後注入到負壓粒子注入管出口連接的主管匯中；通過調節管中的調節閥調節鑽井液流量而控制負壓粒子注入管負壓值的大小，進而控制粒子吸入量，實現針對不同硬度的巖層吸入不同數量粒子的目的。所述的射流防堵噴頭包括射流旋轉套，射流旋轉套通過軸承套裝在中心射流管外周，中心射流管外壁上安裝有滑套，滑套位於射流旋轉套和中心射流管之間，射流旋轉套外設置外筒，外筒頂部通過螺栓連接中心射流管，外筒固結在平衡壓力射流管內，中心射流管管壁上設有開口，中心射流管與射流旋轉套底部對應設置直噴嘴，射流旋轉套側壁上對應開口設有側面斜噴嘴。鑽井液通過中心射流管並且穿過射流旋轉套的側面斜噴嘴，對射流旋轉套產生不對稱力，從而帶動射流旋轉套轉動，鑽井液可攪動出料口周圍粒子，使粒子自下而上流態化，防止出料口被堵塞，且為粒子順利進入負壓粒子注入管提供流動性條件。所述的射流旋轉套包括上部的安裝套和安裝套下部的旋轉套，安裝套內徑小於旋轉套內徑。安裝套用於固定射流旋轉套，旋轉套起到旋轉作用，以使鑽井液旋轉射流，使粒子成流化狀態。所述的開口與側面斜噴嘴均設置為四個。四個側面斜噴嘴分布在射流旋轉套上，可使從其中出來的鑽井液呈順時針噴射，使射流旋轉套順時針轉動，實現攪動粒子的作用。所述的負壓粒子注入管橫截面為圓環形，內徑為120 140mm,長度為300 500mm,高壓粒子注入罐的橫截面為圓環形，內徑為1000mm,高度為4000mm,厚度為110mm。負壓粒子注入管可形成負壓將粒子吸入，實現粒子與鑽井液充分混合；高壓粒子注入罐的大小適應粒子數量，可提高粒子與鑽井液混合均勻度。本發明的有益效果是:採用自旋轉式射流防堵噴頭，對高壓密閉粒子注入罐出料口易發生堵塞部位實現全方位、多角度衝擊攪動，防治堵塞效果好；依據水力射流原理解決高壓密閉粒子注入罐易堵塞的難題，有效避免諸如振打罐體或機械疏通等其它常規堵塞治理措施引發的安全問題，操作簡單、方便、安全；該裝置加工製作工藝簡單、拆卸方便、結構可靠，性價比優越，物理力學性能穩定，適用於石油鑽井現場複雜工作條件；本裝置作為粒子衝擊鑽井新技術的核心組成部分之一，大幅縮短建井周期，提高鑽井速度，為我國中西部深部耐磨硬地層油氣資源開發提供了技術和設備支持。


圖1是本發明的結構示意圖。圖2是圖1中射流防堵噴頭的結構示意圖。圖3是圖2中A-A的剖面視圖。圖4是圖2中射流旋轉套的結構示意圖。圖中:1、平衡壓力射流管2、射流防堵噴頭3、負壓粒子注入管4、噴嘴5、主管匯6、調節管7、調節閥8、高壓粒子注入罐9、進料口 10、出料口 11、軸承12、滑套13、射流旋轉套14、側面斜噴嘴15、開口 16、直噴嘴17、外筒18、螺栓19、中心射流管20、安裝套21、旋轉套。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步描述:如圖1 圖4所示，本發明所述的負壓射流式粒子衝擊鑽井注入裝置，包括高壓粒子注入罐8，高壓粒子注入罐8頂部設置進料口 9，底部設置出料口 10，進料口 9 一側安裝平衡壓力射流管1，平衡壓力射流管I 一端設置射流防堵噴頭2，另一端置於主管匯5頂部，射流防堵噴頭2位於高壓粒子注入罐8底部，出料口 10底部設置負壓粒子注入管3，負壓粒子注入管3 —端設置噴嘴4，噴嘴4連通主管匯5，主管匯5底部設置調節管6，調節管6末端連通負壓粒子注入管3出口，調節管6內設置調節閥7。射流防堵噴頭2包括射流旋轉套13，射流旋轉套13通過軸承11套裝在中心射流管19外周，中心射流管19外壁上安裝有滑套12，滑套12位於射流旋轉套13和中心射流管19之間，射流旋轉套13外設置外筒17，外筒17頂部通過螺栓18連接中心射流管19，外筒17固結在平衡壓力射流管I內，中心射流管19管壁上設有開口 15，中心射流管19與射流旋轉套13底部對應設置直噴嘴16，射流旋轉套13側壁上對應開口 15設有側面斜噴嘴14。射流旋轉套13包括上部的安裝套20和安裝套20下部的旋轉套21，安裝套20內徑小於旋轉套21內徑，開口 15與側面斜噴嘴14均設置為四個。負壓粒子注入管3包括橫截面為圓環形的罐體，罐體內徑為120mm，長度為300mm，高壓粒子注入罐8的橫截面為圓環形，內徑為1000mm,高度為4000mm,厚度為110mm。
工作原理:粒子在高壓粒子注入罐8內堵塞的主要原因是由於固體粒子自身流動性不良，以及從井底返回地面的粒子在鑽井液的作用下容易結塊、固結，所以提高粒子自身流態化狀態可有效避免堵塞。因此，當地面主管匯5中的高壓鑽井液經平衡壓力射流管I支流到達射流防堵噴頭2後會產生射流，對出料口 10周圍粒子產生漫流橫推、衝擊翻轉、攪動作用，依據固液兩相流中的流態化理論，並通過控制射流速度和粒子下沉速度，使粒子自下而上實現流態化，防止粒子堆積或堵塞在出料口 10。同時，另一支流的高壓鑽井液經噴嘴4噴射進入負壓粒子注入管3後，瞬間形生負壓，將高壓粒子注入罐8中已流態化的粒子吸入負壓粒子注入管3中，並與鑽井液充分混合，再注入主管匯5的高壓鑽井液中，流向井底，實現粒子衝擊鑽井。工作過程:地面主管匯5中的高壓鑽井液經平衡壓力射流管I支流到達射流防堵噴頭2，經直噴嘴16產生射流，對出料口 10周圍粒子產生漫流橫推、衝擊翻轉作用，防止粒子堆積在出料口 10。同時，通過射流旋轉套13的側面斜噴嘴14產生的射流不對稱力，帶動旋轉套21旋轉，攪動出料口 10周圍粒子，防止堵塞，使粒子自下而上流態化，為粒子順利吸入負壓粒子注入管3提供流動性條件。另一支流的高壓鑽井液進入負壓粒子注入管3前端的噴嘴4產生射流，並瞬間在負壓粒子注入管3內形生負壓，將上面高壓粒子注入罐8中已流態化的粒子吸入罐中與鑽井液充分混合，再注入主管匯5高壓鑽井液中，流向井底，實現粒子衝擊鑽井，在上述過程中可通過操作調節管6支流中的調節閥7控制粒子注入量。
權利要求
1.一種負壓射流式粒子衝擊鑽井注入裝置，包括高壓粒子注入罐(8)，高壓粒子注入罐(8)頂部設置進料口(9)，底部設置出料口(10)，其特徵在於:進料口(9) 一側安裝平衡壓力射流管(1)，平衡壓力射流管(I) 一端設置射流防堵噴頭(2)，另一端置於主管匯(5)頂部，射流防堵噴頭(2)位於高壓粒子注入罐(8)底部，出料口(10)底部設置負壓粒子注入管(3)，負壓粒子注入管(3)—端設置噴嘴(4)，噴嘴(4)連通主管匯(5)，主管匯(5)底部設置調節管(6 )，調節管(6 )末端連通負壓粒子注入管(3 )出口，調節管(6 )內設置調節閥(7 )。
2.根據權利要求1所述的負壓射流式粒子衝擊鑽井注入裝置，其特徵在於:射流防堵噴頭(2)包括射流旋轉套(13)，射流旋轉套(13)通過軸承(11)套裝在中心射流管(19)外周，中心射流管(19)外壁上安裝有滑套(12)，滑套(12)位於射流旋轉套(13)和中心射流管(19)之間，射流旋轉套(13)外設置外筒(17)，外筒(17)頂部通過螺栓(18)連接中心射流管(19)，外筒(17)固結在平衡壓力射流管(I)內，中心射流管(19)管壁上設有開口(15)，中心射流管(19)與射流旋轉套(13)底部對應設置直噴嘴(16)，射流旋轉套(13)側壁上對應開口( 15)設有側面斜噴嘴(14)。
3.根據權利要求2所述的負壓射流式粒子衝擊鑽井注入裝置，其特徵在於:射流旋轉套(13)包括上部的安裝套(20)和安裝套(20)下部的旋轉套(21 )，安裝套(20)內徑小於旋轉套(21)內徑。
4.根據權利要求2或3所述的負壓射流式粒子衝擊鑽井注入裝置，其特徵在於:開口(15)與側面斜噴嘴(14)均設置為四個。
5.根據權利要求1、2或3所述的負壓射流式粒子衝擊鑽井注入裝置，其特徵在於:負壓粒子注入管(3)的橫截面為圓環形，內徑為120 140mm,長度為300 500mm,高壓粒子注入罐(8)的橫截面為圓環形，內徑為1000mm,高度為4000mm,厚度為110mm。
全文摘要
本發明屬於石油鑽井工程技術領域，特別涉及一種負壓射流式粒子衝擊鑽井注入裝置，高壓粒子注入罐頂部進料口一側安裝平衡壓力射流管，平衡壓力射流管一端設置射流防堵噴頭，另一端置於主管匯頂部，射流防堵噴頭位於高壓粒子注入罐底部，出料口底部設置負壓粒子注入管，負壓粒子注入管一端設置噴嘴，噴嘴連通主管匯，主管匯底部設置調節管，調節管末端連通負壓粒子注入管出口，調節管內設置調節閥。本發明採用自旋轉式射流防堵噴頭，對高壓粒子注入罐出料口實現全方位、多角度攪動，操作簡單、方便、安全；本發明作為粒子衝擊鑽井新技術的三大核心系統之一，加工製作工藝簡單、拆卸方便、性能穩定，能夠大幅提高深井極硬耐磨地層的鑽井速度。
文檔編號B05B1/00GK103195363SQ20131011685
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月3日 優先權日2013年4月3日
發明者邢雪陽, 徐義, 王眉山, 韓烈祥, 李鵬, 周毅 申請人:中國石油大學(華東)