旋转储罐式粒子冲击钻井回收系统设计与试验.pdf

2 0 1 4年第4 2卷第 9期 石 油机械 C HI NA P E TROLE UM MAC HI NERY 一31 一 ． ． 钻井技术与装备 旋转储 罐式粒 子冲击钻 井 回收 系统设计 与试验 周 毅 邢雪阳 王瑞英 王瑞 良 李建波 李庆陆 1 ．中国石油大学 华 东 石油工程学 院2 ．天 津工程职业技 术学院 摘要 针对静止双罐式粒子回收系统存在 的不足 ，设计 了旋转储 罐式粒子钻 井回收系统，并 对系统的功能进行 了试验。该 系统主体 为粒子旋 转储罐，其他结构还包括磁选机 、钻井液池 、输 送带及配套 的管路和砂泵等。在介绍系统工作流程 的基础上 ，对旋转储罐的结构进行 了设计 ，得 出旋转储罐回收粒子的速度为 1 ． 0 8 m。 ／ h ，输送粒子转速为 3 ． 2 3 r ／ m i n 。通过试验探究了粒子在旋 转储罐内部筛桶的流动性，验证 了旋转储罐回收系统的有效性。指 出旋转储罐式粒子 回收系统运 行安全可靠，易于钻井现场应用 ，为提高深部耐磨硬地层机械钻速提供 了技术和设备支持。 关键词粒子冲击钻井；旋转储罐；回收系统；功能试验；注入系统 ；磁选机 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 4 ． 0 9 ． 0 0 8 De s i g n a nd Te s t o f Ro t a t i n g Pa r t i c l e Re c o v e r y Ta n k S y s t e m f o r Pa r t i c l e I mpa c t Dr i l l i n g Z h o u Y i X i n g X u e y a n g Wa n g R u i y i n g Wa n g R u i l i a n g L i J i a n b o L i Q i n g l u i ． 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 of P e t r o l e u m，D o n g y i n g；2 ． T i a n j i n E n g i n e e r i n g T e c h n i c a l I n s t i t u t e Ab s t r a c t T o a d d r e s s t h e d e fi c i e n c y o f s t a t i c d u a l t a n k p a r t i c l e r e c o v e r y s y s t e m，t h e r o t a t i n g p a rt i c l e r e c o v e r y t a n k s y s t e m h a s b e e n d e s i g n e d a n d i t s f u n c t i o n h a s b e e n t e s t e d ． T h e s y s t e m ma i n l y c o mp r i s e s a r o t a t i n g t a n k a n d o t h e r s t r uc t ur e s l i ke ma g n e t i c s e p a r a t o r ，d r i l l i n g flu i d t a n k，c o n v e y o r b e l t a n d ma t c h e d p i p e s a n d s a n d p u mp ． Ba s e d o n t h e wo r k fl o w o f t h e s y s t e m，t h e s t ruc t u r e o f t h e r o t a t i n g t a n k h a s b e e n d e s i g n e d ． T h e d e s i g n e d r e c o v e ry s p e e d o f t h e r o t a t i n g pa r t i c l e r e c o v e ry t a n k i s 1 ． 08 m ／h a n d t he d e s i g ne d r e v o l v i n g s p e e d f o r de l i v e r i n g p a rti c l e s i s 3． 2 3 r ／mi n． A t e s t h a s b e e n c o nd u c t e d t o u n d e r s t a n d t h e mo b i l i t y o f p a rti c l e s i n t h e s c r e e n d ru m o f t h e r o t a t i n g t a n k， wh i c h ha s v e r i fie d t he v a l i d i t y o f t he s y s t e m． I n c o nc l u s i o n，t h e r o t a t i n g p a rti c l e r e c o v e r y t a n k s y s t e m i s s a f e，r e l i a - b l e a nd e a s y for u s e a t we l l s i t e，t h u s p r o v i d i n g t e c hn i c a l a n d e q u i p me n t s u p p o rts t o i mp r o v e ROP i n t he d e e p we a r r e s i s t a n t h a r d f o r ma t i o ns ． Ke y wo r d s p a rt i c l e i m p a c t d r i l l i n g ；r o t a t i n g t a n k ；r e c o v e ry s y s t e m；f u n c t i o n t e s t ；i n j e c t i o n s y s t e m；m a g n e t i c s e p a r a t o r 0 引 言 粒子冲击钻井技术是利用钻井液将粒径 1～3 m m的钢质粒子输送到井下钻头，从钻头高速喷出 冲击剪切破碎岩石 ，联合钻头机械切削破岩的钻井 提速技术 。粒子在钻井液中的体积分数可达 1 ％ ～ 3 ％ ，粒子冲击岩石的频率可达每分钟上百万次。 在粒子冲击钻井 中，注入到井下的粒子需要重 新 回收并循环使用 ，回收系统完成粒子的回收 、分 离并重新输送至注入系统。粒子通过注入装置注入 到井下 ，随后由钻井液带 回地面 ，之后经过回收系 统 ，回收系统将粒子与岩屑分离并储存 ，在需要时 将其输送到注人系统 。由于钻井过程的连续性 ，如 何实现粒子钻井过程 中粒子的连续有效回收、存储 和输送是回收系统的关键 。 基金项 目中国石油天然气集团公司项 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 。 2 0 1 4年 第 4 2卷 第 9期 周 毅等 旋转储罐 式粒 子冲击钻井回收 系统设计与试验 一 3 3一 过控制液压系统流量可实现旋转储罐的双向无级调 速 。整套系统包括电机 、油箱 、液压马达和柱塞泵 等，共有 4条管路 ，分别是主油管 2条 ，补油管 1 条和卸油管 1条。2条主油管一进一 出，通过改变 油路方 向来控制旋转储罐的正反转。当马达中油液 不足时由补油管补充 ，通过卸油管将多余 的油送 回 油箱。储罐正转时完成对粒子的搅拌储存 ，防止粒 子在储罐 中凝结成块 ；储罐反转 时完成粒子 的 出 料 ，将粒子旋 出。电机功率选用 1 8 ． 5 k W，旋转储 罐无级调速范围0～1 4 r ／ ra i n 。 检 修 口 3 2 1 4 筛 孔 5 】 一进料漏 斗；2 ～ 筛桶 ；3 一支撑架 ；4 一叶片 ；5 一支架 滑轮 ； 6 一 螺 旋 输送 机 ； 7 一 输 送 机漏 斗 ； 8一 导 向筒 。 图 3 粒子旋转储罐 示意图 Fi g ． 3 S c h e ma t i c d i a g r a m o f t h e r o t a t i n g p a ni c l e r e c o v e r y t a n k 取粒子所 占钻井液体积分数 C1 ％ ，钻 井液 流量为 Q 3 0 L ／ s ，注入装置为 2个高压容器 ，每 个高压容器容量 V 2 m ，2个高压容器交替工作 。 2 ． 2 ． 1 旋转粒子储罐回收速度计算 粒子的体积流量为 O 。OC 1 式中Q 粒子的体积流量 ，m ／ h 。 将 C1 ％、Q 3 0 L ／ s 代人式 1 得 Q 1 ． 08 m。 ／h， 故 旋转 储罐 回收粒 子 的流 量为 1 ． 0 8 m ／h。 2 ． 2 ． 2 粒子旋转储罐输 出转速计算 粒子注入流量与 回收流量相等 ，注入系统每个 高压容器向管汇中注入粒子的时间为 V 2 式中￡ 注入 系统 每个高压容器 向管 汇中注入 粒子 的时间 ，h 。 将 V 2 m ，Q 。 1 ． 0 8 m 。 ／ h代入式 2 得 t 1 ． 8 5 h。 每个 高 压容 器 向管 汇 中注 入 粒 子 的 时 间为 1 ． 8 5 h ，而旋转储罐要在这一时间内将另一高压容 器注满 ，取时间系数为 1 ． 8 。 由此得到旋转储罐向注入 系统注入粒子的时间 t n为 。 3 旋转储罐向注入系统 中注入粒子的速度 为 4 0 将 V 2 m ，t 1 ． 8 5 h代入式 3 、式 4 可 得 1 ． 9 4 m ／ h 。 旋转 粒 子储 罐 每转 可输 出的粒 子量 为 0 ． 0 1 m ，即 v o 0 ． 0 1 m ／ r ，故旋转储罐的输送转速为 n 5 式中n 旋转储罐的输送转速 ，r ／ m i n ； 旋转储罐每转可输出的粒子量，m ／ r 。 将 1 ． 9 4 m ／ h ，V o 0 ． 0 1 m ／ r 代人式 5 可得 n3 ． 2 3 r ／ m i n ，故旋转储罐 的设计输 出转速 为 3 ． 2 3 r ／ m i n 。 2 ． 3 进料 系统与出料系统设计 粒子旋转储罐进料系统包括进料漏斗 、导向筒、 筛桶及支撑架。进料漏斗及导向筒直接连接在储罐 外筒壁上 ，筛桶通过支撑架连接在内筒的叶片壁上 ， 筛桶随外筒一起旋转 ，筛桶上分布着直径 1 0 t r i m的 小孔 ，导向筒直径 2 7 3 m m，筛桶直径 3 0 0 m m。 当粒子冲击钻井开始时，粒子注入井底 ，后随 钻井液上返 ，上返 的粒子 持续不断地进入旋转储 罐 ，旋转储罐的进料一直在进行 。当注入装置中需 要补充粒子时 ，旋转储罐便通过反转将粒子输送至 注入系统；当注入装置中不需要粒子时，旋转储罐 便正转对粒子进行搅拌 ，防止粒子结块 。因此旋转 储罐的工作过程分为 2种 一是边进磨料边输出磨 料 ，二是只输入磨料而不输出磨料。第 2种情况 比 较简单 ，粒子从进料漏斗进入导 向筒 ，后由筛桶进 入旋转储罐 ，旋转储罐正转会将进入的粒子旋入罐 体下部进行搅拌储存 ；而当第 1种情况出现时 ，因 为储罐反转 ，叶片会将 刚刚进入 的粒子输 出罐体 外 ，所以特别设计 了筛桶 ，筛桶上的筛孔会使粒径 13 ran ] 的粒子均匀地落在罐体的上 中部 ，完成均 匀 出料 。 粒子通 过旋转储罐反转 ，通过 内部 叶片槽旋 出，在旋转储罐 出料 口下部设计 了常压螺 旋输送 机 ，由电机带动 ，设计输送速度为 4 1“1 1 ／ h 。螺旋 输送机带有体积为 0 ． 6 m 。的储料漏斗。此螺旋输 送机的作用是通过漏斗储存部分粒子 ，通过螺旋杆 来控制粒子的输送量，以防旋转储罐输出粒子时不 均匀 。在输送机漏斗上方设置筛网筛除结块的大块 粒子 ，以防堵塞钻头喷嘴。 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2巷第 9期 3 系统功能试验 3 ． 1 粒子在筛桶内的流动性试验 3 ． 1 ． 1 试验 目的 模拟旋转储罐内部筛桶，探究粒子在 1 7 。 筛桶 中的流动性 ，为旋转储罐进料系统设计提供依据 。 3 ． 1 ． 2试验 方 法 1 制作筛桶试验架 ，筛孔直径为 5 1 1 1 13 3 ，筛 桶直径为 3 0 0 n i l 3 。图4为筛桶试验架。 2 将直径 1和 3 mm 的钢 粒与 密度 为 l _ 2 g ／ c m 。 的钻井液按体积 比3 1 混合，组成混合液体。 3 将混合液体加入转 动的筛桶 中，加入 速 度为 0 ． 3 L ／ s ，筛桶转动速度为 4 r ／ ra i n 。 图 4 筛桶 试 验 架 图 Fi g ． 4 Te s t r a c k o f s c r e e n d r u m 3 ． 1 ． 3试验 结论 1 流量为 0 ． 3 L ／ s 的混合液体在斜度为 1 7 。 、 筛孔直径为 5 m m、转动速度为 4 r ／ m i n的筛桶内能 够 自由向下流动且不会堵塞筛孔 ； 2 旋转储罐内部进料系统可以采用筛桶结构。 3 ． 2 旋转储罐功能试验 3 ． 2 ． 1试验 目的 1 探究旋转储 罐驱动系统 液压油温度 的变 化 ，研究驱动系统的稳定性 ； 2 验证旋转储罐进料 系统 和出料系统 的有 效性 ，发现旋转储罐存在的问题。 3 ． 2 ． 2试验 方 法 1 空载时 ，启动旋转储罐 ，并在设计转 速 下保持运行状态 ，观察液压系统油温变化情况 ，转 动一定时间后 ，停机重新启动 ，运行观察油温变化 情况 ； 2 将 3 0 0 k g粒径 1 mm的钢粒从进料漏斗加 入旋转储罐中 ，观察粒子在筛桶的下落情况和粒子 从旋转储罐的输出情况 。 3 ． 2 ． 3试验 结论 1 第 1 次开机没有接通冷却风扇电源，随 着运行时间延长 ，油温不断升高 ；第 2次启动 时。 接通冷却风扇 电源 ，随时间延长油温基本保持稳 定 ，液压系统在冷却系统接通后油温趋于稳定 ，旋 转储罐液压系统可 以稳定工作 。 2 加入粒子后 ，进料斗有堆 积现象 ，无水 条件下无堆积 ，加少量水混合后在进料管底部有厚 约 2 0 m m的堆积 ，水量大时堆积减少。 3 粒子经过筛桶时可通过筛桶 中筛孔下落。 4 出料 时，在瞬间出料 量大时，筛 网板下 部有约 2 0 1 T i m厚的堆积，3 S 左右后堆积粒子 自动 漏下 ，出料过程无结块现象。 4 结 论 1 研究了旋转储罐粒子 回收系统工艺流程 ， 设计 出旋转储罐尺寸、进出料结构等参数 ，计算得 到旋转储罐回收粒子的速度为 1 ． 0 8 m 。 ／ h ，输送粒 子转速为 3 ． 2 3 r ／ m i n 。 2 通过试验探究 了粒子在旋转储 罐 内部筛 桶的流动性 ，并对旋转储罐进行功能性试验 ，验证 了旋转储罐回收系统 的有效性。 3 旋转储罐式粒子回收系统运行安全可靠 ， 易于钻井现场应用 ，为粒子钻井技术提高深部耐磨 硬地层机械钻速提供 了技术和设备支持。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 Ti bb i t t G A． I mpa c t e x c a v a t i o n s y s t e m a nd me t ho d wi t h s u s p e n s i o n fl o w c o n t r o l U S ，2 0 0 8 0 1 9 6 9 4 4 A 1[ P ]． 2 0 080821 ． 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． 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 ． 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 ． 第一作者简介周毅，生于 1 9 9 0年 ，2 0 1 2年毕业于 青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业，现为在读硕 士研究生 ，研究方 向为油气井流体力学 。地址 2 5 7 0 6 1 山 东省东营市。E ma i l 6 0 1 5 7 7 4 0 4 q q ， c o i n 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 52 0 本文 编辑王刚庆