旋叶式粒子钻井注入装置设计与研究.pdf

2 0 1 4年第 4 2卷第 8期 石 油机械 C HI NA PE TR0L EUM MAC HI NERY 一37 一 ●钻 井技术与装备 旋 叶式粒 子钻 井注入装 置设计 与研 究 李建波 邢雪阳 李书霞 周 毅 蔡春雷 李庆陆 1 ．中国石 油大学 华东石 油工程 学院2 ．湖南大学机械 与运载工程学院 摘要针对粒子冲击钻井技术中粒子注入装置结构复杂、加工难度 大、成本高 、拆装检修 困 难 以及高压旋转密封结构发热严重等 问题 ，设计 了一种旋 叶式粒子注入系统高压钢粒注入装置。 该装置能实现钢粒均匀、稳定注入，并 具有 降温、防堵功 能。试 验结果表 明，在 5 0 r ／ m i n 、2 0 MP a条件下，注入装置稳定运行 2 8 0 m i n ，密封性能满足设计要求，采用 的循环冷却结构可有效解 决密封结构发热严重的问题，粒子的注入体积分数可通过叶片转速控制，初步实现了粒子钻井注 入装置预期设计功能，对粒子冲击钻井技术在我国深井硬地层钻井的推广应用具有一定意义。 关键词 粒子冲击钻井；粒子注入系统；注入装置 ；旋转叶片；密封结构 中图分 类 号 T E 2 4 2 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 4 ． 0 8 ． 0 0 9 Re s e a r c h a n d D e s i g n o f I n j e c t i o n De v i c e f o r Ro t a r y Va ne Pa r t i c l e I mpa c t Dr i l l i ng L i J i a n b o X i n g X u e y a n g L i S h u x i a Z h o u Y i C a i C h u n l e i L i Q i n g l u 1 ． S c h o o l 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 of P e t r o l e u m，D o n g y i n g ；2 ． C o l l e g e of Me c h a n i c a l a n d V e h i c l e E n g i n e e r i n g，H u n a n U n i v e r s i t y Ab s t r a c t T o a d d r e s s t h e i s s u e s o f p a r t i c l e i n j e c t i o n d e v i c e s t r u c t u r e i n c l u d i n g c o m p l e x s t ruc t u r e ，h i g h p r o - c e s s i n g d i ffic u l t y， h i g h c o s t ， d i ffic u l t ma i n t e n a n c e a nd h i g h t e mp e r a t u r e o f hi g h p r e s s u r e r o t a r y s e a l s t r uc t u r e， a h i g h p r e s s u r e r o t a ry- v a n e t y p e p a rt i c l e i n j e c t i o n d e v i c e i s d e s i g n e d ． T h e d e v i c e i s a b l e t o i n j e c t s t e e l p a r t i c l e s u n i _ f o r m l y a n d s t a b l y a n d h a s t h e f u n c t i o n s o f c o o l i n g a n d a n t i b l o c k i n g ． L a b o r a t o ry t e s t s s h o w t h a t t h e i n j e c t i o n d e v i c e ha s s t a b l y run f o r 28 0 mi n u nd e r t h e r e v o l v i n g s p e e d o f 5 0 r ／mi n a nd t h e p r e s s u r e o f 2 0 MP a ． Th e s e a l i n g p e r f o r m- a n c e ha s me t t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s ． Th e a d o p t e d c i r c u l a t i n g c o o l i n g me c ha n i s m c o u l d e f f e c t i v e l y c o o l d o wn t h e h i g h t e m p e r a t u r e o f s e a l s t r u c t u r e ． T h e v o l u me f r a c t i o n o f i n j e c t e d p a r t i c l e s c o u l d b e c o n t r o l l e d t h r o u g h t h e b l a d e s p e e d ． T h u s ，t h e d e s i g n e d d e v i c e i n i t i a l l y a c h i e v e t h e e x p e c t e d d e s i g n f u n c t i o n o f t h e p a rt i c l e i n j e c t i o n d e v i c e ， wh i c h i s o f c e r t a i n s i g ni fic a n c e f o r t h e p r o mo t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f p a rti c l e i mp a c t d r i l l i n g t e c h n o l o g y i n h a r d for - ma ri o n d r i l l i n g o f d e e p we l l s ． Ke y w o r d s p a r t i c l e i mp a c t d r i l l i n g ；p a rt i c l e i n j e c t i o n s y s t e m；i n j e c t i o n d e v i c e ；r o t a t i n g b l a d e s ；s e a l s t F 1 1 ct t 】 r e 0 引 言 粒子冲击钻井技术是一种新兴的前沿钻井技 术 ，目的在于提高深井硬地层及高研磨性地层的机 械钻速 。国外仅美 国 P D T I 公 司 卜 研制 出粒子 冲 击钻井系统。多次现场试验结果表明，使用该技术 能够有效提高深井硬地层的机械钻速 。目前 ，中国 石油大学 华东 徐依吉等 - 4 ] 研 制出 国内首套 粒子冲击钻井系统 ，并且在西南油气 田龙 岗 0 2 2一 H 7井成功地进行 了国内首次粒子 冲击钻井技术现 场试验。 基金项 目中国石油天然气集团公司重点项 目 “ 粒子 冲击钻井技术研究 ” 2 0 1 0 A一 4 2 0 1 。 一 3 8一 石油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 8期 粒子冲击钻井技术是通过钻井液的水力能量与 其携带 的体积分数为 1 ． 0 ％ ～3 ． 0 ％的圆形坚硬钢 粒联合作用高频冲击岩石 ，配合钻头切屑齿破碎岩 石 ，辅助破岩 ，提高机械钻速 ，加快 开发油气 资 源 一 。 为了保证粒子冲击钻井技术的实施 ，需要专用 的注入装置将钢粒注入到高压钻井液 中。粒子注入 装置经历了 2次较大的发展 。目前最新一代注入装 置采用螺旋输送机将钢粒注入到高压钻井液中，混 合后随主管汇钻井液循环进入井底钻头 ，实现钢粒 冲击破碎井底岩石。 粒子注入装置 目前仍存在结构复杂 、加工难度 大 、成本高 、拆装检修困难 以及高压旋转密封结构 发热严重等问题 ，严重影响了粒子冲击钻井技术的 可靠性和稳定性 ，制约 了该钻井技术 的发展。为 此 ，中国石油大学 华东 于 2 0 1 3年设计 了一种 旋叶式粒子注入系统高压钢粒注入装置 ，该装置对 于钢粒均匀可控注入提供 了技术保障，同时对粒子 冲击钻井技术发展具有重要意义。 1 技术分析 1 ． 1 结构 旋叶式粒子注入装置主要 由机筒、叶片转子旋 转轴、密封结构及循环冷却结构组成 ，结构如图 1 所示 。 构 出口 出料 口 1 一 右端盖 ；2 一 叶片转子旋转轴 ；3 一右轴承腔体 ； 4、 1 O 一 密封盒2； 5、 1 1 一密 封盒1； 6 一 机筒 ； 7 一 左 密 封腔 ； 8 一左轴 承腔体 ； 9 一 左端盖 ； 1 2 一冷却 腔。 图 1 旋叶式粒子 注入 装置结构 图 F i g ． 1 S t r u c t u r e o f r o t a r y v a n e t y p e i e c t i o n d e v i c e 1 ． 1 ． 1 机 筒 考虑到注入效率 、钢粒的高硬度 、工作压力高 达2 5 M P a 以及叶片转子外径等因素，为了保证较 大的安全系数 ，设计的注人装置机筒结构见图 2 。 图 2旋 叶 式 注入 装 置机 筒 结 构 图 Fi g ． 2 S t r uc t u r e o f t h e c y l i n de r o f r o t a r y v a n e t y p e i e c t i o n d e v i c e 机筒 内径设计为 1 7 0 m m。机简壁厚根据压力 容器国家标准 G B 1 5 0 --1 9 9 8确定 ，即 D D 1 z L j 一 P 式 中，Di 为简 体 内径 ，m m；P 为容 器 的计 算 压 力 ，MP a ； [ r ， ] 为高压容器制造材料在设计温度 下的计算压力 ，MP a ； 为容器的焊缝 系数 ；6为 高压容器简体的计算壁厚 ，m m。 通过计算 ，最终确定机筒壁厚为 3 0 m m。 1 ． 1 ． 2 叶片转 子旋 转轴 叶片转子旋转轴结构如图3所示。 1 一 叶 片 ；2 一 圆形 挡 料 板 ；3 一 旋 转 轴 。 图 3叶片转子旋转轴结构 图 Fi g ． 3 S t r u c t u r e o f t he r o t o r s h a f t o f v a n e 根据旋 叶式输送装 置的输送能力 ，选取主 要技术 参 数 叶 片 长度 1 2 0 m m，叶 片外 径 1 6 0 m m，叶片数量 6片，叶片厚度 1 5 mm，叶片转子 部分轴径 7 0 m m，密封位置轴径 6 0 m m，轴承位置 轴径 5 0 n l m，设计最大转速 6 0 r ／ ra i n 。 1 ． 1 ． 3 高压 旋转 密封 由于旋 叶式 粒子 注人 装 置 的工作 压 力 为 2 5 M P a ，且工作介质为含有大量钢粒 的钻井液 ，故注 入装置两端旋转密封结构 的设计必须 满足下列要 求l 8 j ①密封结构要保证较长的运行寿命；②密 封结构的拆装要简便 。 注入装置采用两端对称密封的方式 ，密封结构 如图 4所示 。 密封原理 第 1级动密封是导向带 ，用以减轻 旋转轴的径向震动 ，避免旋转轴直接与机筒产生摩 2 0 1 4年 第 4 2卷 第 8期 李建波等 旋 叶式粒子 钻井注入 装置设计与研 究 擦 。同时 ，阻挡异物进入后面密封件 ，避免异物对 密封件的损害。第 2级动 密封是 0形 密封 圈，再 次起到阻挡异物进人后面密封结构的作用。高压钻 井液通过前 2级密封后进入密封盒 ，密封盒外壁开 有沟槽 ，安装 0形密封圈 ，作 为静 密封使用 。密 封盒内圈后端沟槽安装导向带 ，以缓 冲旋转轴的震 动对旋转密封圈造成的不利影响。密封盒内圈前端 沟槽安装高压旋转密封 ，同时旋转密封与 1 个 聚四 氟乙烯挡圈配套使用 ，加强了旋转密封效果 。密封 结构采用 2个密封盒 的形式 ，既可 以保证 密封效 果，也为循环冷却结构提供密封空间。 j 4 3 6 1 、4 一 导向带 ；2、5 0形密封 圈；3 一旋转密封圈 ；6 一 毡圈 ； 7 一 旋转 轴 ； 8 一 密封 盒2； 9 一 密封 盒1； 1 O 一 机筒 。 图4 密封结构 图 Fi g ． 4 Di a g r a m o f t h e s e a l s t r u c t u r e 1 ． 1 ． 4循 环冷却 结 构 根据现场经验 ，注入装置工作时间越长，机筒 高压旋转密封部位发热越严重 ，密封件的密封效果 就会越差。因此 ，在注入装置简体上为密封结构设 置了冷却结构 ，循环冷却介质由冷却结构进 口进入 环形腔 ，漫流过密封结构 ，起到吸热降温 的作用 ， 最后 由冷却结构出口排出 ，如图 1 所示。 1 ． 2工作 原理 旋叶式粒子注入装置采用旋转叶片刮进的方式 注入钢粒 ，工作原理如图5所示 。 1 一主管汇 ；2 一平衡压力管线 ；3 一高压罐 ；4 一 旋 叶 式 注 入 装 置 ； 5一 高 压 钻 井 液 管 线 。 图 5 注入装置 工作 原理 图 F i g ． 5 Wo r k p ri n c i p l e o f i n j e c t i o n d e v i c e 工作 时，电机通过传动装置带动具有 6个叶片 的叶片转子旋转轴转动 ，同时钢粒在 自重条件下从 上部高压罐落人叶槽 ，随着 叶片转子绕水平轴稳定 转动 ，钢粒均匀落入各叶槽 ，当叶片旋转到出料 口 时，钢粒在 自重条件下排出。旋叶式粒子注入装置 可以均匀、连续地 向高压钻井液 中注入钢粒 ，并且 通过改变转速的方式达到调节注入量的 目的。 2 试验研 究 2 ． 1 室内试验 2 ． 1 ． 1 试验 内容及 目的 试验于 2 0 1 3年 5月在 中国石油 大学 华东 高压水射流实验室进行。主要测试注入装置在工作 条件下的密封性能、稳定运行时间 ，验证注入装置 的可行性及可靠性 ；同时对 比有、无冷却时密封结 构的温度随运行时间的变化关系 ，验证循环冷却结 构对解决密封结构发热问题 的效果。 2 ． 1 ． 2试验仪 器、材料 试验选用旋叶式粒子注入装置 1 个 ，进 、出料 口堵头各 1个 ，冷却装置转化接头 2个 ，冷却管 2 支，水泵 1个 ，换热器 1 个 ，水箱 1个 ，加压机 1 个 ，温度计 1 支 ，压力表 、清水等若干。 2 ． 1 ． 3 试验步骤 1 检查装置 ，确定装置完好。 2 连接装置 注满清水 ，未启 用循环冷却 系统 ，记 录室温。开机 运转 ，调 速至 5 0 r ／ m i n ， 常压运转 3 0 m i n ，观察注入装置有无泄漏现象。 3 若无泄漏 ，注入装置加压至 2 0 MP a ，每 隔 1 0 mi n记录 1次压力表、温度计读数 ，观察压 力表 、温度计示数变化。 4 若压力 表示数不变 或变化很小 ，并且在 温度计示数不变或变化很小条件下 ，开启循环冷却 系统，通过换热器将冷却水设置为恒温，进行循环 冷却 ，同时每隔 1 0 m i n记录 1次温度计示数 ，直 至温度计示数变化很小或不变。 5 重复上述步骤 ，试验 3次 ，记录 随时间 变化的压力表和温度计示数。 2 ． 1 ． 4 试验数据及结果分析 试验所得温度 、压力随时间的变化 曲线分别如 图6和图 7所示 。由图可知 ，注入装置在试验条件 下正常运转 2 8 0 m i n ，密封性能满足设计要求 ；未 启用循环冷却系统时 ，运转 1 5 0 m i n密封结构温度 升高6 O c iC，发热较为严重；启用循环冷却系统后， 装置在运转 3 0 mi n后 温度稳定在 4 0℃左右 。因 - - 4 0．． 石 油机械 2 0 1 4年第4 2卷第8期 此 ，设计的循环冷却结构可以有效地解决密封结构 发热严重的问题。 。 - ． ． a 擘 5 女 舞 l ．． 一 时间／ mi n 图6温度 随时间的变化 曲线 Fi g ． 6 Te mp e r a t ur e v e r s u s t i me 2 r 2 0 l 爨 蘸 格 黔 啦 母 静 电 一替 船 噬 } 髓 ／ 画 o f f 压 力 1 ～压 力 2 压 力 3 5[ 。铲 广 茄 茄 0 图 7压力随时 间的 变化 曲线 Fi g ． 7 P r e s s u r e v e r s us t i me 2 ． 2 现场试验 旋叶式粒子注入装置在川庆钻探龙岗 0 2 2一H 7 井开展 了现场试验。试验井段 2 8 4 3～ 2 8 4 7 m，地 层为须 家河 组须五段 ，钻井 泵排量 2 6 L ／ s ，泵压 1 9 ． 7 M P a ，粒子注人量 7 ． 7 t ，钻压 1 8 0～ 2 0 0 k N， 扭矩 5 ． 0 5 ． 5 k N m，粒子注入时间 1 ． 5 h 。 在试验过程 中通过控制液压工作站的排量来控 制液压马达的转速，从而实现叶片转速的调节。试 验过程中液压工作站压力 5～1 0 MP a ，马达转速 3 0 ～ 6 0 r ／ m i n 。高压管线 中粒子注入量 的多少 由叶片 转速大小决定。 现场试验结果表明，该装置能够实现粒子的均 匀和稳定注入 ，粒子的注入体积分数可以通过叶片 转速来控制 ，钻井高压管汇中粒子注入体积分数为 0 ． 5 ％ ～ 2 ． 0 ％，初步实现了粒子钻井注入装置预期 设计功能 ，对粒子冲击钻井技术在我 国深井硬地层 钻井的推广应用具有一定意义。 3 结 论 1 旋 叶式 粒子注入装 置室 内试 验运转 2 8 0 mi n ，密封性能满 足设计要求 。采用 的循环冷却结 构可有效解决密封结构发热严重的问题 。叶片转子 旋转的方式周向排出钢粒 ，可以实现均匀 、连续地 向高压钻井液中注入钢粒。 2 旋叶式粒子注入装置现场试验 中粒子注 入 1 ． 5 h ，共注入粒子 7 ． 7 t 。现场试验结果表明 ， 该装置能够实现粒子的均匀和稳定注入 ，粒子的注 入体积分数可以通过叶片转速来控制 ，钻井高压管 汇中粒子 注入体积分数 为 0 ． 5 ％ ～ 2 ． 0 ％ ，初步实 现了粒子钻井注入装置预期设计功能，对粒子冲击 钻井技术在我国深井硬地层钻井的推广应用具有一 定意义。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 参考文献 Ti b b i t t s G A， Mu r r r a y ．I mp a c t e xc a v a t i o n s y s t e m a n d me t ho d wi t h s u s p e n s i o n flo w c o n t r o l US， 2 0 0 8 0 1 9 6 9 4 4 A1[ P ]． 2 0 0 80 8 2 1 ． Ha r di s t y T．Bi g o i l i s t u r n i ng i n t o h a r d r o c k t o g e t t o pe t r o l e u m r e s o u r c e s[ J ] ． H o u s t o n B u s i n e s s J o u r n a l ， 2 0 0 7，3 7 4 41 62 2 ． 徐依吉，靳纪军 ，廖坤龙 ，等 ．粒子冲击钻井中粒 子回收技术研究 [ J ]．石油机械，2 0 1 3 ，4 1 1 l 41 6． 3 5． 徐依吉，赵红香，孙伟 良，等 ．钢粒冲击岩石破岩 效果数值分析 [ J ]．中国石油大学学报自然科 学版 ，2 0 0 9 ，3 3 5 6 8 7 1 ． 伍开松，荣明，况雨春 ，等 ．粒子冲击钻井破岩仿 真模拟研究 [ J ]． 石油机械，2 0 0 8 ，3 6 2 9 11， 1 6． 陈熹璎，张扬 ，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 8 1 0 ． 张仲礼 ． 旋转式供料器的设计要点 [ J ]． 起重运输 机械 ，1 9 8 4 1 0 2 5 2 7 ． 陈熹璎 ．粒子冲击钻井中高压粒子泥浆阀及粒子处 理系统的研究 [ D ]．北京北京化工大学，2 0 1 1 ． 第一作者简介李建波，生于 1 9 8 9年，2 0 1 2年毕业于 山东理工大学机械设计制造及 自动化专业，现为在读硕士 研究 生，研究 方 向为 油气 井流 体力 学 与工程。地 址 2 5 7 0 6 1 山东省青 岛市 。Em a i l l i j i a n b o 0 2 0 4 1 6 3 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 4 0 51 2 本文编辑刘锋