双柱塞式粒子冲击钻井注入系统设计.pdf
2 0 1 3年第4 1卷第3期 石 油机械 C HI NA PE TROL EUM MACHI NERY ●钻井技术与装备 双柱塞式粒 子冲击钻 井注入 系统设计 徐依吉 廖坤龙 靳纪军 刘其虎 孙永兴 1 .中国石油大学 华东石油工程学院2 .川庆钻探钻采工程技术研究院 摘要i粒子注入系统是粒子冲击钻井的核心组成部分 ,其设计的好坏关系着粒子注入 的稳定 性与均匀性,直接影响冲击破岩效果。粒子注入 系统经过 2代发展 ,其注入效果得到 了很大提高, 注入系统的使用寿命得到 了延长。 目前该系统的主要问题是成本过高,难以在钻井行业广泛应用。 鉴于此 ,提 出了双柱塞式粒子冲击钻井注入系统 的概念 ,分析 了注入系统 的原理 、特 点、组成及 工作流程,对注入管的强度 、尺寸及可靠性进行 了设计和分析校核;提 出了粒子注入 系统顺序 阀 的概念 ,并对其结构和工作流程进行 了分析,对其密封结构进行 了初步设计。 关键词 双柱塞;粒子 ;冲击钻井;注入系统;顺序 阀;混合浆体;高压钻井液 中图分类号 T E 9 2 1 文献标识码A d o i 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 4 5 7 8 . 2 0 1 3 . 0 3 . 0 0 2 De s i g n o f t h e I n j e c t i o n S y s t e m f o r Do u b l e P l u n g e r P a r t i c l e I mp a c t Dr i l l i n g X u Y i j i L i a o K u n l o n g J i n J i j u n L i u Q i h u S u n Y o n g x i n g 1 . C o l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ,C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m, D o n g y i n C i t y 2 . R e s e a r c h I n s t i t u t e of D r i l l i n g a n d P r o d u c t i o n E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y ,C C D C A b s t r a c t T h e p a r t i c l e i n j e c t i o n s y s t e m i s t h e k e y c o m p o n e n t p a r t o f p a r t i c l e i mp a c t d ri l l i n g . I t s d e s i g n r e l a t e s t o t h e s t a b i l i t y a n d e v e n n e s s o f p a r t i c l e i n j e c t i o n ,d i r e c t l y i n fl u e n c i n g t h e e f f e c t o f i m p a c t r o c k b r e a k i n g . T h e i n j e c t i o n e f f e c t h a s b e e n i mp r o v e d r e m a r k a b l y t h r o u g h t w o g e n e r a t i o n s o f d e v e l o p m e n t o f p a rt i c l e i n j e c t i o n s y s t e m a n d t h e s e r v i c e l i f e o f t h e s y s t e m ha s b e e n l e n g t h e n e d . Cu r r e n t l y t h e ma i n p r o b l e ms wi t h t h e s y s t e m i n c l u d e h i g h c o s t a n d d i ffic u l t y o f i t s e x t e n s i v e s p r e a d i n d ri l l i n g i n d u s t r y . T h e r e f o r e ,t h e c o n c e p t o f t h e d o u b l e p l u n g e r p a r t i c l e i n j e c t i o n s y s t e m w a s f o r mu l a t e d . T h e p ri n c i p l e,f e a t u r e ,c o mp o s i t i o n a n d o p e r a t i n g p r o c e d u r e o f t h e s y s t e m w e r e a n a - l y z e d . T h e s t r e n g t h , d i m e n s i o n s a n d r e l i a b i l i t y o f i n j e c t i o n t u b e w e r e d e s i g n e d , a n a l y z e d a n d v e ri fi e d .T h e c o n c e p t o f t h e s e q u e n c e v a l v e o f t h e p a rt i c l e i n j e c t i o n s y s t e m w a s f o r mu l a t e d ,a n a l y z i n g i t s s t r u c t u r e a n d o p e r a t i n g p r o c e d u r e .Th e i n i t i a l d e s i g n o f i t s s e a l i n g s t ru c t u r e wa s c o n d u c t e d. Ke y w o r d s d o u b l e p l u n g e r ;p a rt i c l e ;i m p a c t d r i l l i n g ;i n j e c t i o n s y s t e m;s e q u e n c e v a l v e ;mi x e d s l u r r y ; h i g h pr e s s ur e d r i l l i n g flu i d 0 引 言 如何提高深井硬地层及超硬地层的钻井速度是 当前石油钻井工艺亟待解决 的问题之一。影响硬地 层钻井速度 的因素较多 ,岩石 硬度大 、研磨性强 、 可钻性差及井斜等都会导致在硬地层钻井过程中钻 速低 、钻井周期长 、成本高等问题 ,制约着深井和 超深井 的钻井速度。为此 ,应建立一套适应于高研 磨性 、高硬地层 的新型钻井技术 ,以提高油田勘探 开发的整体效益 ,其中利用水力能量与机械能量联 合破岩来提高深井钻速是一个有效途径。 目前 ,国内外为提高深井 、超深井硬地层钻速 提出了许多新 的钻井技术 ,粒子冲击钻井技术经过 基金项 目中国石油天然气集 团公司 “ 十一 五”科技攻关项 目 “ 粒 子 冲击钻 井技术研究 ” 2 0 0 8 A一2 3 0 1 、2 0 1 0 A一 4 2 0 1 ;山东 省 自然科学 基金重点项 目 “ 粒子冲击钻井技术 理论及关键技术研究 ” Z R 2 O I O E Z O 0 4 。 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1卷第 3期 多年的研究设计和现场试验 ,发展经过 了多次演 变 ,是 目前解决硬地层钻井难题的有效途径⋯ 。 1 粒子注入系统的发展 1 . 1 粒子注入系统的作用 在粒子冲击钻井中,粒子注入系统是粒子冲击 钻井的核心组成部分 ,是整个钻井技术 的关键 。 粒子注入设备位于钻井泵和钻柱之间 ,它将一定量 的粒子 体积比为 1 % 一 3 %注入高压钻井液中, 粒子在水力作用下获得较高能量 ,沿立管 、钻杆、 钻铤到达钻头 ,然后通过特殊设计 的P I D钻头使粒 子在喷嘴处得到进一步加 速,以达到 冲击破碎岩 石、提高钻进速度的目的 ;岩屑 、不可重复利用的 破损粒子和可回收利用 的粒子随钻井液的循环进人 环空 ,返 回地 面。返 回地面 的钻井液经过 固控设 备 ,将破碎的岩屑和破损的粒子分离出来 ,再将可 以继续使用的粒子回收 ,并进行清洗 、干燥 ,然后 返回粒子注入系统中实现循环注人。 1 . 2 粒子注入系统的发展 粒子注入系统作为整个粒子冲击钻井的重要组 成部分 ,其设计的好坏关系着粒子注入的稳定性和 均匀性 ,直接影响冲击破岩效果。到现在为止,粒 子注入系统已经经历了 2 代发展,现状如下。 第 1代粒子注入系统结构简单 ,钻井液从粒子 注入装置下的管道流过 ,漏斗上、下产生压差 ,根 据负压的原理将粒子吸入高压管线中。它所考虑的 仅仅是如何将粒子注入到高压钻井液中,没有考虑 现场压力和粒子是否能够按照一定 比例持续、均匀 地注入到钻井液中。此装置多用于室内试验 ,距离 应用于生产实际还有较大差距。 第 2代粒子注入系统如图 1 所示。 1 、 l/ 2 \ 千 5厂 l 蛐[ 图 1 第 2代 粒子 注入 系统 示意 图 F i g . 1 D i a g r a m o f t w o g e n e r a t i o n s o f p a r t i c l e i n j e c t i o n s y s t e m 1 一漏斗 ;2 一粒子注入管 ;3 一钻井泵 ;4 一钻井液主管汇 ; 5 一 螺杆 挤 压 机 ; 6一 粒 子 储 存 罐 ; 7 一 粒 子举 升 装 置 。 该系统主要由粒子举升机 、进料漏斗 、粒子注 入管线和螺杆挤压装置组成。实际应用中,该系统 含有 2套完全相同的注入设备,用于保证注入系统 在钻井过程 中连续工作 J 。此装置成本较高 ,且对 井场的占 用面积过大,还未实现可靠的现场应用。 尽管粒子注入系统经历了 2代发展 ,但整套 系 统仍然存在成本高、注入难控制的问题 。为此 ,笔 者结合物料输送理论 ,提出了双柱塞式粒子冲击钻 井注入 系统 的概念 ,用于实现粒子 的高效 、连续 注入 。 2 双柱 塞式粒子注入 系统 2 . 1 技术特点 1 粒子注入 系统采用柱塞推动方式将钢粒 子与钻井液的混合浆体注入到高压钻井液管线 。 首先粒子从储存罐中落入料斗与预存 的钻井液充分 混合 ,以利于被注入管 吸入 ,之后在柱塞 的推动 下 ,混合浆体通过顺序 阀被注入到高压钻井液管线 中,见图 2 。 图 2双 柱 塞 式 粒 子 注 入 系统 原理 示 意 图 F i g . 2 P r i n c i p l e d i a gra m o f d o u b l e p l u n g e r p a r t i c l e i n j e c t i o n s y s t e m 1 一高压钻井液管线 ;2 一顺序阀;3 --高压由壬 ; 4 一 注入 管 ; 5 一 柱塞 ; 6 一液压缸 ; 7 一粒 子料斗 。 2 系统采用 2个柱塞系统。柱塞运动与顺 序阀的转动配合 ,2个液压缸交替工作 ,实现了注 入的连续性 。 2 . 2 基本结构 双柱塞式粒子注入系统结构如图3所示。粒子 料斗为半 圆形开口容器 ,用来储存粒子和钻井液的 混合浆体。注入管是注入系统的核心设备 ,通过柱 塞 的前后运动,同时配合顺序阀的预设动作 ,混合 浆体被反复吸入其 内,再被注入到高压钻井液管线 中。为保证粒子的连续注入,设计 了 2个注入管。 柱塞与柱塞杆用于吸人混合浆体 ,并给浆体足够的 2 0 1 3年 第 4 1卷第 3期 徐依吉等 双柱塞式粒子冲击钻井 注入 系统设计 推动力和行程 。柱塞的运动速度决定了粒子的注入 量,可以精确控制。液压系统为整套系统的工作提 供动力 ,包括控制柱塞 的运动和顺序阀动作杆的运 动。顺序阀及其动作杆用以控制每个注入管与高压 管线的连通或者截止。顺序阀顺次接通注入管 ,使 混合浆体可以连续均匀地注人到高压钻井液管线中。 图 3双 柱 塞 式 粒 子 注入 系统基 本 结 构 F i g . 3 B a s i c s t r u c t u r e o f d o u b l e p l u n g e r i n j e c t i o n s y s t e m 1 一 高压钻井液管线 ;2 一顺序阀 ;3 一 粒子料 斗; 4 一 注入 管2; 5 一 柱 塞2; 6 一 柱 塞杆 ; 7 一 液 压 系 统 ; 8 一柱 塞1 ; 9 一 注人管 1 ; 1 0 一顺序 阀动作 杆 。 2 . 3 工作 流程 1 粒子料斗 内应有 钻井液不断补充 ,始终 保证钻井液注入过程中粒子料斗为盛满状态 。直径 1 2 mm的粒子与钻井液充分混合形成流动性较好 的混合浆体 ,混合浆体随注入的进行不断减少 ,同 时钻井液和干燥的钢质粒子不断补充形成新 的混合 浆体 ,保证混合浆体充满料斗 ,阻止空气侵入注入 管。顺序阀动作杆首先控制顺序阀在截止状态。 2 控制顺序 阀由截止状 态 进入工 作状 态 , 与注人管 1 连通 ,柱塞 1 与柱塞 2处在注入管 1与 注入管 2的出口,以防止高压流体进人注入管形成 压力突变。此时注入系统与高压钻井液管线接通 , 高压钻井液进人顺序阀腔体。液压 系统控制柱塞 2 向后缸盖端运动 ,将料斗内的混合浆体吸人注入管 2 。当柱塞 2达到预设行程 ,顺序 阀动作杆控制 阀 体转动 ,注入管 1与粒子料斗连通,液压系统控制 柱塞 1运动 ,将料 斗内的混合浆体 吸入注入管 1 。 同时,高压钻井液管线 、顺序阀阀腔 、注入管 2形 成通路 ,钻井液与钢质粒子 的混合浆体在注入管内 作为一种渗透性介质,有效降低了在管路接通时产 生的压力突变和水击现象。当顺序阀阀腔与注入管 2配合并接 通后 ,柱 塞 2以预定速度 开始注入 行 程 ,将混合浆体注入到高压钻井液管线中。 3 柱塞 1开始注入混合浆体 ,柱塞 2开始吸 人混合浆体 ,重复 2 的动作 ,2个注入管交替工 作 ,顺序阀交替接通 ,实现注入系统的连续工作。 3 双柱塞式粒子注入系统结构设计 3 . 1 注入管 已知钻井泵的排量为 2 8 L / s ,混合后的钻井液 中含有体积分数约 1 %的钢质粒子。另外 ,经调研 得到四川地区钻井常用钻井液密度约为 1 . 6 g / c m 。 , 吸人过程 中料斗 内粒子体积分数取 1 0 % ,则每个 注入管的注入流量 Q 为 Q 1 . 4 L /1 4 s 1 2 0 1 . s l I . 。 、 由于工作时注入管与高压钻井液管线连通 ,柱 塞杆匀速运动,作用于柱塞面上的压力等于高压钻 井液的压力 ,取 P 2 8 MP a 。最高允许压力取 1 . 5 P ,于是有 P 1 . 5 p4 2 MP a 2 根据 G B / T 2 3 4 8 --1 9 9 3 ,暂取注入管 内径 D 8 0 m m。柱塞杆直径 d通常先满足柱塞速 比要求 , 然后校核其强度和稳定性 ,尽管在柱塞的吸人行程 中没有高压作用在柱塞面上 ,但考虑到极端情况 , 仍按照高压情况来选择速 比,通常在公称压力大于 2 0 MP a的情况下 ,速 比 A 2,于是有 d 8 _ 0 5 6 .6 mm mm 3 _ . , I j 0 0 2 根据 G B / T 2 3 4 8 --1 9 9 3 ,取柱塞杆直径 d 5 6 mm,于是柱塞 的移动速度为 0 . 2 7 8 m /1 4 0 0 4 s 4 3 . . 在初步确定柱塞行程 Js 时 ,主要按照实际工作 长度来考虑 ,但是工作行程并不一定是柱塞缸稳定 性所允许的行程 。为了计算行程 ,应首先计算出柱 塞杆的最大允许计算长度 ,因柱塞杆 为细长杆 , 当 L ≥ 1 O~1 5 d时 ,由欧拉公式推导出 J L // - __ 2 E I 5 ≥ n F 6 式 中 柱塞杆弯曲失稳临界压缩力 ,N; F 柱塞杆纵向压缩力 ,N; 安全系数 ,通常 n 3 . 56 . 0 ; E 材料弹性模量 ,取 E 2 1 0 G P a ; 卜柱塞杆横截面惯性矩 ,圆截面 0. 0 4 9 d , mm 。 将 以上数据代入式 5 并化简得 石 油机械 2 0 1 3年第 4 l卷第 3期 一3 2 0 d / / 1 4 3 1 . 6 m m 7 根据实际安装条件 ,确定柱塞的单 向行程 S 1 0 0 0 mm 。 综合上述计算 ,并取柱塞缸壁厚 66 0 m m, 得到注入管的结构 ,如图 4所示。 9 R 7 6 图 4注 入 管 结 构 示 意 图 F i g . 4 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f i n j e c t i o n t u b e 1 一轴 ;2 一 密封盒及 防尘圈 ;3 一 后缸盖 ; 4 一支承 座 ; 5 一前缸套 ; 6 一高压油 管 ; 7 一 缸 体 ; 8一 柱 塞 杆 ; 9一 V形 密 封 圈 。 3 . 2顺序 阀 顺序阀连接高压钻井液管线与注人管 ,须与柱 塞的运动配合才能实现粒子 的连续注入 。同时顺序 阀不断在 2个注入管间连通与截止,两端面的密封 始终处在相对运动中,既非静密封也非旋转密封 , 整个注入系统的可靠性和寿命在很大程度上 由顺序 阀决定。根据现有的生产工艺 ,参考混凝土输送泵 阀的设计理论 ,设计的顺序阀如 图5所示。 混 合浆体 入 口 图5 顺序 阀结构示意 图 Fi g . 5 S t r u c t ur a l d i a g r a m o f s e qu e n c e v a l v e 1 一粒子料斗 ;2 一耐磨孔板;3 一停止位点 ; 4一 入 口密 封 结 构 ; 5一 阀 体 ; 6一 转 轴 ; 7 一平衡压力管 ; 8 一滤网 ; 9 一 出口密封结构。 顺序阀的主要部件是具有 高度 刚性结构 的阀 体 ,阀体输出端面大致为等腰形面 ,与注入管出 口 相接的端面为圆形面 ,其 口径与注入管出 口相 同, 内有压力平衡 管路 ,与高压钻井液管线 的上游 相 通 ,平衡管两端安装滤网防止粒子堵塞平衡管。阀 体置于粒子料斗内,它有 2种工作状态。 1 工作位点 阀体在 2注人管出 口之间来 回摆动并循环接通 ,等腰形出口的面积大于混合浆 体输出口的面积 ,这样整个阀腔的运动始终不脱离 输 出口的外缘 ,粒子在 阀腔 内便形成连续稳定 的 流动。 2 停止位点 当注入 系统需要 紧急停止时, 则须将阀体转动至垂直状态 ,此时圆形进 口不与任 何注入管出口连通 ,保证注入系统可靠停止 。顺序 阀工作状态下的流道如图 6所示 。 混 体 合浆 出 口 图 6 顺序 阀工作状态下的流道 Fi g . 6 F l o w c h a nn e l o f o p e r a t i ng s e q ue nc e v a l v e 1 一粒子料斗 ;2 一转轴 ;3 一前耐磨 L 板 ;4 一 前密封结构 ; 5 一后密封结构 ; 6 一后耐磨孔板 ; 7 一 阀体 ; 8 一压力平衡管道 。 由图可以看出,阀体 由摆动轴悬 吊着两端面同 时摆动,有 2个滑动摩擦面,因此在设计时必须设 置前端单孔耐磨板和后端双孑 L 耐磨板 ,且两端面都 需要严格的高压密封 ,如图7所示。 0 \ 0 \ 图 7 阀体 的 密封 结 构 F i g . 7 S e a l s t r u c t u r e o f v a l v e b o d y 1 一硬质合金扫环 ;2 一 F E密封结构 ;3 一扫掠脊 。 密封总成 由硬质合金扫环 、F F F E密封结构和 扫掠脊组成 。扫掠脊被硬质合金扫环压紧在精研磨 的耐磨板上,随着使用时间的推移对密封进行损失 补偿 。硬质合金扫环应有足够的强度来承担摆动时 清扫粒子 的任务。同时主密封结构采用 F E材 料 ,保证在摩 擦的高温情 况下仍有很长 的使用寿 命 。 下转 第 1 4页 一 l 4一 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1卷第 3期 5 结 论 1 柱塞与泵筒之 间的摩擦力 由缝 隙流动理 论计算的摩擦力与液压卡紧产生的摩擦力 2部分共 同组成。其中缝隙流动理论计算 的摩擦力 占总摩擦 力的比例不到 3 %,可以忽略不计 。因此低摩 阻泵 柱塞与泵筒之间的摩擦力只要取决于液压卡紧力产 生的摩擦力。要减小摩阻,关键在于增大柱塞与泵 筒之问的间隙和减小漏失量。 2 相同条件下 ,常规柱塞泵 的漏失量大于 低摩阻泵的漏失量 ,且漏失量的差别随泵级的增加 而增加。在泵问隙相同时,常规柱塞泵的摩阻大于 低摩阻泵的摩阻。 [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 孙健 .聚合物驱抽油机井摩擦载荷的计算 [ J ]. 石油机械 ,2 0 0 3 ,3 1 7 1 2一l 4 . 曲占庆 ,刘建敏 ,杨学 云 ,等 .高含 水期抽 油泵柱 塞防 偏磨技 术 [ J ].石 油矿场 机械,2 0 0 8 ,3 7 51 0 61 0 8 . 杨树人,吴楠,刘丽丽,等 .黏弹性流体在油藏 孑 L 隙中的流动特性 [ J ].特种油气藏,2 0 0 7 ,1 4 5 7 07 2 ,8 7 . 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[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 伍开松 ,荣明,况雨春,等 .粒子冲击钻井破岩 仿真模拟研究 [ J ]. 油机械,2 0 0 8 ,3 6 2 9 1 1. 1 6 . 陈熹璎,张杨,温荣林 . 粒子冲击钻井系统研究 初探 [ J ].石油机械,2 0 1 0 ,3 8 5 81 0 . Cu r l e t t H B, Pa ul S D, Al l e n G M. Fo r ma t i o n c u t t i ng me t h o d a n d s y s t e mU S ,6 5 8 1 7 0 0 B 2[ P]. 2 0 0 30 1 2 4. 曾祥荣 .液压传动 [ M].北京国防工业出版社 , 1 98 07 0 7 2. 成大先 . 机械设计手册 [ M]. 3版 . 北京化学 I 业 出版社 ,1 9 9 3 2 3 8 2 3 9 . 成 芳 .关 于 混 凝 土 泵 泵 送 技 术 基 本 知 识论 述 二 [ J ]. 建 设机械技 术与管理 ,2 0 0 2 ,1 5 2 1 92 4 . 海凶茨 K米勒 .流体密封技术 原理和应用[ M]. 程 传庆,译.北京机械工业出版社,2 O O 2 1 2 61 3 0 . 第一作者简介见本刊 2 0 1 3年第 1 期。 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 2 4 本文编辑王刚庆