粒子射流與鑽頭聯合鑽穿套管和巖石的綜合實驗裝置的製作方法

2023-12-09 19:32:56

本發明涉及一種粒子射流與鑽頭聯合鑽穿套管和巖石的綜合實驗裝置，屬於石油鑽井及採油領域。

背景技術：

隨著油氣資源的不斷被開發，油氣開採過程中面臨的問題越來越多，油井產量下降、水淹問題嚴重、套管損壞、井下事故頻發等問題越來越多，而且高含水井、工程報廢井等「老井」、「死井」的數量越來越多，極大影響了油氣資源的高效開採，許多問題井、報廢井仍具有很高的開採價值，如果對其進行有效的二次開發將會有效提高油田產量，很大程度上緩解我國資源緊張問題，而且在當今低油價形勢下，充分挖掘已有的油氣資源，將會成為油田降本增產的有效途徑。

套管側鑽開窗技術可有效解決油井開採的中後期面臨的諸多難題，不僅可用在後期修井、完井上，同時可使許多停產的報廢井進行再次開發利用，套管開窗側鑽技術將成為油井開採中後期挖掘剩餘油氣藏的主要措施之一。目前，我國套管側鑽井數量正不斷增加，但開窗側鑽的效率低、可靠性差，難以實現快速側鑽開窗，開窗側鑽的成本也較高，因此亟需開發一種快速套管開窗側鑽新技術，充分挖掘深層剩餘油氣資源。粒子衝擊鑽井技術將濃度1％～3％粒徑為1～3mm的鋼質粒子，通過注入系統注入到高壓鑽井液中，再通過鑽杆輸送到井底pid鑽頭，粒子從鑽頭噴嘴高速噴出衝擊破碎井底巖石，實現高效破巖，提高鑽井速度，經過大量的現場試驗表明，該技術可以提高鑽井速度2～4倍，同時測試表明粒子衝擊可以快速侵徹金屬及金屬材質的材料。結合粒子射流快速侵徹金屬和巖石的優勢，提出了粒子射流與鑽頭聯合套管開窗側鑽技術，該技術可一次快速完成套管開窗側鑽作業，有效節約作業時間和成本，提高成功率。其中粒子射流與鑽頭聯合鑽穿套管和巖石的優化參數是該技術的關鍵，通過優化粒子射流與鑽頭聯合鑽穿套管和巖石參數，可充分利用粒子射流衝擊和鑽頭能量，實現快速鑽穿套管和巖石。本發明針對如何實驗獲得粒子射流與鑽頭聯合鑽穿套管和巖石優化參數這一關鍵難題，設計出粒子射流與鑽頭聯合鑽穿套管和巖石綜合實驗裝置，該裝置可實現粒子射流與鑽頭聯合鑽穿套管和巖石綜合實驗，完成粒子射流衝擊和鑽頭機械的聯合鑽穿套管和巖石，能夠模擬鑽頭旋轉並調節轉速，施加鑽壓並調節鑽壓大小，調節鑽頭鑽進的角度，並且能夠實時測量、存儲、顯示鑽頭轉速、鑽壓、扭矩、進尺參數，較好的模擬現場條件，採用液動控制和電動控制相結合，自動化、集成化程度高，通過實驗可獲得粒子射流衝擊和鑽頭機械的聯合鑽穿套管和巖石優化參數。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：提供一種可實現粒子射流與鑽頭聯合鑽穿套管和巖石綜合實驗，能夠模擬鑽頭旋轉並調節轉速，施加鑽壓並調節鑽壓大小，調節鑽頭鑽進的角度，並且能夠實時測量、存儲、顯示鑽頭轉速、鑽壓、扭矩、進尺參數，較好的模擬現場條件，採用液動控制和電動控制相結合，自動化、集成化程度高，可獲得粒子射流衝擊和鑽頭機械的聯合鑽穿套管和巖石優化參數的粒子射流與鑽頭聯合鑽穿套管和巖石綜合實驗裝置。

本發明所述的粒子射流與鑽頭聯合鑽穿套管和巖石綜合實驗裝置，包括高壓管線、連接短節、壓力表、固定短節、裝置頂板、固定內套、固定外套、液壓控制杆、電動絲槓、鑽杆、扭矩傳感器、巖石外筒、扶正器、巖石、轉換短節、液壓管線、巖石外筒支架、套管、鑽頭、計算機、液壓控制閥門組、導向座、轉盤軸承、粒子射流噴嘴、數據採集器、液壓工作站、巖石支撐板、載荷傳感器、液壓頂、調速電機、動力傳遞總成、轉速傳感器、調速電機支架、直線傳感器、裝置底座組成。粒子和高壓流體固液兩相流由高壓管線輸入，連接短節通過螺紋與高壓管線和固定短節連接，壓力表安裝在連接短節一側，壓力表可測量固液兩相流的壓力。固定短節焊接到裝置頂板上，裝置頂板下部連接固定外套，固定外套通過螺紋與固定內套連接，固定內套通過內部螺紋與鑽杆連接，通過調節固定內套內孔中心軸線與鉛垂線的角度，可實現鑽杆和鑽頭不同的鑽穿套管和巖石角度的調節。扶正器安裝在鑽杆下部，扶正器可保證鑽頭居中和穩定旋轉，轉換短節將扶正器和鑽頭連接起來，粒子射流噴嘴安裝在鑽頭下部。巖石安裝在套管和巖石外筒之間，巖石外筒套在巖石外部，起固定巖石和連接轉盤軸承作用，電動絲杆安裝在裝置頂板和巖石頂面之間，電動絲杆可調節巖石在鉛垂線方向的位置。導向座安裝在套管內部，導向座可實現鑽頭傾斜保證鑽頭受到側向力，進而通過鑽頭和粒子射流衝擊聯合作用，完成套管和巖石的鑽穿。動力傳遞總成安裝在導向座下部，動力傳遞總成下部連接調速電機，動力傳遞總成將調速電機動力傳遞至導向座和巖石，調速電機可調節導向座和巖石的轉速，調速電機安裝在調速電機支架上。液壓控制杆與裝置底座和裝置頂板連接，液壓控制杆設置2個，通過液壓控制杆的起升下降可控制實驗裝置高度，巖石外筒支架與轉盤軸承和液壓控制杆的下部連接，液壓頂安裝在裝置底座與巖石支撐板之間，液壓頂設置2個，通過液壓頂的液壓作用可給鑽頭施加鑽壓，並調節鑽壓的大小。液壓工作站安裝在液壓控制杆一側，液壓工作站輸出壓力液後通過液壓管線輸送至液壓控制閥門組，液壓控制閥門組經過液壓管線分別於液壓控制杆和液壓頂連接，液壓控制閥門組可控制液壓控制杆和液壓頂的工作狀態。粒子和高壓流體固液兩相流的流動方向為，首先從高壓管線，依次經過連接短節、固定短節、裝置頂板、固定內套後，進入鑽杆的內部，流經扶正器和轉換短節內部流道，最後進入鑽頭內部流道，從粒子射流噴嘴噴出，高速粒子射流衝擊套管壁和巖石，配合鑽頭的旋轉和壓入切削作用，實現了粒子射流衝擊和鑽頭聯合鑽穿套管和巖石。

扭矩傳感器安裝在鑽杆壁面上，測量得到鑽杆所受的扭矩信號後輸送到數據採集器，載荷傳感器安裝在巖石和動力傳遞總成的止推軸承之間，載荷傳感器可測量得出鑽頭所受鑽壓的大小，並將鑽壓信號輸送至數據採集器，轉速傳感器安裝在動力傳遞總成和調速電機之間，通過測量調速電機軸的轉速，得到導向座和巖石的轉速，並將轉速信號輸送至數據採集器，直線傳感器安裝在巖石支撐板和裝置底座之間，直線傳感器測量得到巖石的移動距離，進而得出鑽頭的進尺，並將進尺信號輸送至數據採集器。數據採集器將接受到的扭矩、鑽壓、轉速和進尺模擬信號轉換成數位訊號並輸送至計算機，計算機可進行扭矩、鑽壓、轉速和進尺信號的實時顯示、存儲和處理。

動力傳遞總成由巖石下部止推軸承、深溝球軸承、中心軸外套、支撐塊、支撐塊止推軸承、唇形密封圈、中心軸、o型密封圈、聯軸器組成。巖石下部止推軸承安裝在載荷傳感器器下部，可實現上部載荷傳感器和巖石的旋轉，深溝球軸承套在聯軸器軸上，與中心軸外套連接，支撐塊安裝在中心軸外套上部，支撐上部支撐塊止推軸承，支撐塊止推軸承安裝在導向座與支撐塊中間，實現上部導向座的旋轉，中心軸下部連接聯軸器，中心軸上部具有十字形凹槽，導向座的下部具有突出的十字形凸起，通過將十字形凸起插入十字形凹槽，實現了中心軸對導向座的驅動旋轉，並且中心軸和導向座可以很容易的連接與分開。唇形密封圈安裝在中心軸外套與中心軸之間，唇形密封圈設置3個，唇形密封圈的凹陷部位朝上，當上部流體壓力施加後，唇形密封圈凹陷部分在壓力作用下，唇形密封圈邊緣緊貼在中心軸和中心軸外套上，可實現良好的密封。o型密封圈設置在中心軸和中心軸外套之間，同樣起密封作用，o型密封圈設置2個，由上往下依次為唇形密封圈、唇形密封圈、o形密封圈、唇形密封圈、o形密封圈，通過不同密封圈之間的相互配合，實現了中心軸良好的旋轉密封。聯軸器安裝在調速電機軸與中心軸之間，將調速電機和中心軸連接起來。

本發明提到的一種粒子射流與鑽頭聯合鑽穿套管和巖石的綜合實驗裝置，具體的操作步驟如下：

第一步：開啟數據採集器，打開計算機，打開信號顯示界面，關閉液壓控制閥門組各個閥門，開啟液壓工作站；

第二步：調節電動絲槓和液壓支撐杆高度，使鑽頭貼到導向座和套管壁面；

第三步：開啟液壓頂，為鑽頭施加鑽壓，通過觀測計算機顯示的鑽壓大小，將鑽頭鑽壓施加至設計大小；

第四步：開啟調速電機，通過觀測計算機顯示的轉速大小，將電機轉速調節至設計轉速；

第五步：粒子和高壓流體由高壓管線進入，依次經過連接短節、固定短節、裝置頂板、固定內套、鑽杆、扶正器、轉換短節、鑽頭內部流道，從粒子射流噴嘴噴出，高速粒子射流衝擊套管壁面和巖石，配合鑽頭的旋轉和壓入切削作用，實現了粒子衝擊和鑽頭聯合鑽穿套管和巖石，計算機同時記錄扭矩傳感器和直線位移傳感器測量得到的扭矩和進尺數據；

第六步：實驗結束後，停止粒子和高壓流體進入高壓管線，關閉調速電機，關閉液壓控制閥門組各個閥門和液壓工作站，整理計算機實驗數據，清洗實驗裝置各部件。

本發明的有益效果是：能夠實現粒子射流與鑽頭聯合鑽穿套管和巖石綜合實驗，能夠模擬鑽頭旋轉並調節轉速，施加鑽壓並調節鑽壓大小，調節鑽頭鑽進的角度，並且能夠實時測量、存儲、顯示鑽頭轉速、鑽壓、扭矩、進尺參數，較好的模擬現場條件，採用液動控制和電動控制相結合，自動化、集成化程度高，結構合理，使用安全可靠，通過實驗可為現場實際施工提供粒子射流衝擊和鑽頭機械聯合鑽穿套管和巖石優化參數。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖中：1、壓管線2、連接短節3、壓力表4、固定短節5、裝置頂板6、固定內套7、固定外套8、液壓控制杆9、電動絲槓10、鑽杆11、扭矩傳感器12、巖石外筒13、扶正器14、巖石15、轉換短節16、液壓管線17、巖石外筒支出架18、套管19、鑽頭20、計算機21、液壓控制閥門組22、導向座23、轉盤軸承24、粒子射流噴嘴25、數據採集器26、液壓工作站27、巖石支撐板28、載荷傳感器29、液壓頂30、調速電機31、動力傳遞總成32、轉速傳感器33、調速電機支架34、直線傳感器35、裝置底座。

圖2為本發明的動力傳遞總成結構示意圖。

圖中：31-1、巖石下部止推軸承31-2、深溝球軸承31-3、中心軸外套31-4、支撐塊31-5、支撐塊止推軸承31-6、唇形密封圈31-7、中心軸31-8、o型密封圈31-9、聯軸器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步描述：

如圖1所示，本發明所述的粒子射流與鑽頭聯合鑽穿套管和巖石的綜合實驗裝置，包括高壓管線1、連接短節2、壓力表3、固定短節4、裝置頂板5、固定內套6、固定外套7、液壓控制杆8、電動絲槓9、鑽杆10、扭矩傳感器11、巖石外筒12、扶正器13、巖石14、轉換短節15、液壓管線16、巖石外筒支架17、套管18、鑽頭19、計算機20、液壓控制閥門組21、導向座22、轉盤軸承23、粒子射流噴嘴24、數據採集器25、液壓工作站26、巖石支撐板27、載荷傳感器28、液壓頂29、調速電機30、動力傳遞總成31、轉速傳感器32、調速電機支架33、進尺傳感器34、裝置底座35。粒子和高壓流體固液兩相流由高壓管線1輸入，連接短節2通過螺紋與高壓管線1和固定短節4連接，壓力表3安裝在連接短節2一側，壓力表3可測量固液兩相流的壓力。固定短節4焊接到裝置頂板5上，裝置頂板5下部連接固定外套7，固定外套7通過螺紋與固定內套6連接，固定內套6通過內部螺紋與鑽杆10連接，通過調節固定內套6內孔中心軸線與鉛垂線的角度，可以實現鑽頭19不同的鑽穿套管18和巖石14角度的調節。扶正器13安裝在鑽杆12下部，扶正器13可以保證鑽頭19居中和穩定旋轉，轉換短節15將扶正器13和鑽頭19連接起來，粒子射流噴嘴24安裝在鑽頭19下部。巖石14安裝在套管18和巖石外筒12之間，巖石外筒12套在巖石14外部，起固定巖石14和連接轉盤軸承23作用，電動絲杆9安裝在裝置頂板5和巖石14頂面之間，電動絲杆9可調節巖石14在鉛垂線方向的位置。導向座22安裝在套管18內部，導向座22可實現鑽頭19傾斜保證鑽頭19受到側向力，進而通過鑽頭19和粒子射流衝擊聯合作用，完成套管18和巖石14的鑽穿。動力傳遞總成31安裝在導向座22下部，動力傳遞總成31下部連接調速電機30，動力傳遞總成31將調速電機30動力傳遞至導向座22和巖石14，調速電機30可調節導向座22和巖石14的轉速，調速電機30安裝在調速電機支架33上。液壓控制杆8與裝置底座35和裝置頂板5連接，液壓控制杆8設計2個，通過液壓控制杆8的起升和下降可調節實驗裝置的高度，巖石外筒支架17與轉盤軸承23和液壓控制杆8下部連接。液壓頂29安裝在裝置底座35與巖石支撐板27之間，液壓頂29設計2個，2個液壓頂29分別位於巖石支撐板27的兩側，對稱分布，可提供穩定壓力輸出，通過液壓頂29液壓作用可施加給鑽頭19鑽壓，並調節鑽壓的大小。液壓工作站26安裝在液壓控制杆8一側，液壓工作站26輸出壓力液後通過液壓管線16輸送至液壓控制閥門組21，液壓控制閥門組21通過液壓管線16分別連接液壓控制杆8和液壓頂29連接，液壓控制閥門組21可控制液壓控制杆8和液壓頂29的工作狀態。粒子和高壓流體固液兩相流的流動方向為首先從高壓管線1，依次連接短節2、固定短節4、裝置頂板5、固定內套6後，進入鑽杆10的內部，流經扶正器13和轉換短節15內部流道，最後進入鑽頭19內部流道，從粒子射流噴嘴24噴出，高速粒子射流衝擊套管18和巖石14壁面，配合鑽頭19的旋轉和壓入切削作用，實現了粒子射流衝擊和鑽頭聯合鑽穿套管和巖石。

扭矩傳感器11安裝在鑽杆10壁面上，將鑽杆10所受的扭矩信號測量得到後輸送到數據採集器25，載荷傳感器28安裝在巖石14和動力傳遞總成31的巖石下部止推軸承之間，載荷傳感器28可測量得出鑽頭19所受鑽壓的大小，並將鑽壓信號輸送至數據採集器25，轉速傳感器32安裝在動力傳遞總成31和調速電機30之間，通過測量調速電機軸30的轉速，可測量得到導向座22和巖石14的轉速，並將轉速信號輸送至數據採集器25，直線傳感器34安裝在巖石支撐板27和裝置底座35之間，直線傳感器34可測得巖石14的移動距離，進而測量得出鑽頭19的進尺，並將進尺信號輸送至數據採集器25。數據採集器25將接受到的扭矩、鑽壓、轉速和進尺模擬信號轉換成數位訊號並輸送至計算機20，計算機20可進行扭矩、鑽壓、轉速和進尺信號的實時顯示、存儲和處理。

如圖2所示，動力傳遞總成結構，包括巖石下部止推軸承31-1、深溝球軸承31-2、中心軸外套31-3、支撐塊31-4、支撐塊止推軸承31-5、唇形密封圈31-6、中心軸31-7、o型密封圈31-8、聯軸器31-9。巖石下部止推軸承31-1安裝在載荷傳感器28下部，可以實現上部載荷傳感器28和巖石14旋轉，深溝球軸承套31-2套在聯軸器31-9軸上，與中心軸外套31-3連接，支撐塊31-4安裝在中心軸外套上部，支撐上部的支撐塊止推軸承31-5，支撐塊止推軸承31-5安裝在導向座22與支撐塊31-4中間，可實現上部導向座22旋轉，中心軸31-7下部連接聯軸器31-9，中心軸31-7上部具有十字形凹槽，導向座22的下部具有突出的十字形凸起，通過將十字形凸起插入十字形凹槽，實現中心軸31-7對導向座22的驅動旋轉，並且中心軸31-7和導向座22可以很容易的連接與分開。唇形密封圈31-6安裝在中心軸外套31-3與中心軸31-7之間，唇形密封圈31-6設置3個，唇形密封圈31-6的凹陷部位朝上，當上部流體壓力施加後，唇形密封圈31-6凹陷部分在壓力作用下，可緊貼在中心軸31-7和中心軸外套31-3的壁面，實現良好的密封。o型密封圈31-8設置在中心軸31-7和中心軸外套31-3之間，同樣起密封作用，o型密封圈設置2個。由上往下依次為唇形密封圈31-6、唇形密封圈31-6、o形密封圈31-8、唇形密封圈31-6、o形密封圈31-8，通過不同密封圈之間的相互配合，實現了中心軸31-7良好的旋轉密封。聯軸器31-9安裝在調速電機30軸與中心軸31-7之間，將調速電機30和中心軸31-7連接。

本發明提到的一種粒子射流與鑽頭聯合鑽穿套管和巖石的綜合實驗裝置，具體的操作步驟如下：

第一步：開啟數據採集器25，打開計算機20，打開信號顯示界面，關閉液壓控制閥門組21各個閥門，開啟液壓工作站26；

第二步：調節電動絲槓9和液壓支撐杆8高度，使鑽頭19貼到導向座22和套管18壁面；

第三步：開啟液壓頂29，為鑽頭19施加鑽壓，通過觀測計算機20顯示的鑽壓大小，將鑽頭19鑽壓施加至設計大小；

第四步：開啟調速電機30，通過觀測計算機20顯示轉速大小，將調速電機30轉速調節至設計轉速；

第五步：粒子和高壓流體固液兩相流由高壓管線1進入，依次經過連接短節2、固定短節4、裝置頂板5、固定內套6、鑽杆10、扶正器13、轉換短節15、鑽頭19內部流道，從粒子射流噴嘴24噴出，高速粒子射流衝擊套管18壁面和巖石14，配合鑽頭19的旋轉和壓入切削作用，實現了粒子衝擊和鑽頭聯合鑽穿套管和巖石，計算機20同時記錄扭矩傳感器11和直線位移傳感器34測量得到的扭矩和進尺數據；

第六步：實驗結束後，停止粒子和高壓流體進入高壓管線1，關閉調速電機30，關閉液壓控制閥門組21各個閥門和液壓工作站26，整理計算機20實驗數據，清洗實驗裝置各部件。