冲击钻井粒子注入系统研究.pdf

第 3 4卷 第 1 期 2 0 1 2年 1月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI LL1 NG PR0DUCTI ON TECHN0L 0GY Vo 1 ． 3 4 No ．1 J a n ．2 01 2 文章 编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 2 0 1 ～0 0 0 1 0 5 冲击钻井粒子注入 系统研究 徐 依 吉 赵 健 毛 炳坤 刘 芬 中国石油 大学石 油工程 学院， 山东东营2 5 7 0 6 1 引用格式徐依吉， 赵健 ， 毛炳坤， 等 ． 冲击钻井粒子注入 系统研究 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 4 1 1 5 ． 摘要冲击钻井粒子注入 系统是随着粒子冲击钻井技术的提出而发展起来的一套新型粒子注入 系统 P a r t i c l e I n j e c t i o n S y s t e m ， 是为 了实现 粒子的均 匀、 连续 、 平稳 注入 而研制 的。该 系统能将粒子 钢 质粒子 以一 定的速 率 ， 均 匀、 连续、 平稳地 注 入到高压钻井液中， 通过采用2个粒子注入管交替完成注入粒子和加压排 出粒子的过程， 利用螺杆挤压泵保证 了粒子均匀、 平 稳地注入到高压钻井管汇中。分析 了注入系统的注入原理， 完成了关键部分的结构设计， 包括粒子举升系统、 注入管、 螺杆挤压 泵等 ， 并通过实验得到 了不同压力下节流圈直径与粒子体积分数的关系， 为该 系统在现场的应用提供了理论和实验依据。 关键词 粒子冲击钻井； 注入系统； 注入管； 螺杆挤压泵 ； 结构设计 ； 实验 中图分 类号 T E 9 2 2 文献标识 码 A Re s e a r c h o n p a r t i c l e i n j e c t i o n s y s t e m i n p e r c u s s i o n d r i l l i n g X U Hi ， Z H A 0 J i a n ， M A O B in g k u n ， L 1U f e n C o l l e g e o fP e t r o l e u m E n g in e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i ty o fP e t r o l e u m， Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ， C h i n a Ab s t r a c t P a r t i c l e I n j e c t i o n S y s t e m P I S i n p e r c u s s i o n d r i l l i n g i s a n e w t y p e 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 d e v e l o p e d wi t h t h e t e c h n o l o g y o f p e r c u s s i o n d r i l l i n g ． T h e p a r t i c l e s c a n b e i ． j e c t e d i n t o t h e h i g h p r e s s u r e d r i l l i n g fl u i d i n a d e s i g n e d r a t e ， u n i f o r ml y , c o n ti n u o u s l y a n d s e c u r e l y ． T wo i n j e c t i o n t u b e s w e r e u s e d i n t h i s s y s t e m t o i n j e c t p a r t i c l e s a n d p r e s s u r i z e p a rt i c l e s t o b e e x c l u d e d ． T h e t wo p r o c e s s e s we r e c o mp l e t e d b y turns ， e n s u r i n g the c o n t i n u o u s i n j e c t i o n o f p a rt i c l e s ． P a r t i c l e s c o u l d b e i n j e c t e d i n t o the h e a d p i p e i n a c e r t a i n r a t e u n i f o r ml y a n d s t a b l y b y t h e s c r e w s q e e g e e p u mp ． A p a rt i c l e i n j e c t i n g p r i n c i p l e w a s p u t f o r w a r d ， a n d the s t r u c t u r e o f t h e k e y c o mp o n e n t s wa s d e s i g n e d ， i n c l u d i n g p a r t i c l e l i f t i n g s y s t e m， i n j e c t i o n t u b e ， s c r e w s q e e g e e p u mp ， a n d S O o n ． T h e r e l a t i o n s h i p o f t h r o t t l e d i a me t e r a n d t h e p a r t i c l e v o l u me p e r c e n t a g e u n d e r d i ffe r e nt p r e s s u r e wa s o b t a i n e d t h r o u g h e x p e r i me nt s ， wh i c h s u p p l i e d t h e t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i me n t a l b a s i s f o r fi e l d a p p l i c a t i o n s ． ． Ke y wo r d s p a rt i c l e p e r c u s s i o n 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 ti o n t u b e ； s c r e w s q e e g e e p um p ； s t r u c t u r e d e s i gn； e x p e r i me n t 粒子冲击钻井 P a r t i c l e I mp a c t D r i l l i n g ， 简称 P I D 破岩是以高速球形硬质钢粒子冲击破岩为主 J ， 以高 速水力破岩和机械牙齿破岩为辅的一种新 的钻井破 岩方法。可用于钻探特殊岩层段 ， 特别是因抗压强度 极高而造成钻速下降的硬地层 。美 国粒子冲击钻井 技术公司在经过室内与现场试验 ， 证实粒子冲击钻井 大幅度地提高了能量的利用率， 其钻速可达到常规钻 井速度的 3 4 倍 ， 在硬夹层钻进一 口井可节省 1 ／ 3 钻 井时间和 1 0 0 万元钻井费用。所以粒子冲击钻井在 高效钻进硬地层 中具有巨大的潜力 。 笔者分析 了粒子注入系统 P I S 的工作原理 ， 设 计 了注入系统的结构， 通过该系统实现了将粒子 钢 质粒子 以一定的速率， 均匀 、 连续 、 平稳地注入到高 压钻井液中。 基金项 目中石油 “ 十一五” 科技攻关项目 “ 粒子 中 击钻井技术研究” 编号2 0 0 8 A 一 2 3 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 与关键技 术” 编号 Z R 2 0 I O E Z 0 0 4 。 作者简介徐依吉， 1 9 5 3 年生。现主要从事油气井流体力学与高压水射流技术研究， 教授， 博士生导师。电话 0 5 4 6 8 3 9 1 7 8 7 。E- ma i l x u y j u p c ． e d u ． c a 。 2 石油钻采工艺 2 0 1 2年 1月 第 3 4卷 第 1 期 l 粒子注入系统原理 1 ． 1 粒子注入 系统功能 通 过该系统可 以将粒子 以期望 的速度注入 到 钻井液 中， 钻井液携带粒子进入立管并传递到井下 的钻头 ， 以满足钻井破岩 的需要。从根 本上讲 ， 粒 子注入系统研究 的核心 是如何将粒子 钢质粒子 以一定 的速率 ， 均匀 、 连续 、 平稳地注入到高压钻井 液中。 粒子的材质 ， 形状 ， 粒径 ， 可通过现场的实际情况 来确定。在现场试验时多采用圆形钢质固体粒子， 直 径为 2 ～ 5 mm。注人系统要做的是如何将充足的粒子 注入到高压钻井液， 并保证装置运行平稳、 持久。 1 ． 2 粒子注入系统的关键技术 1 粒子与钻井液采用两级混合的方式。该方式 能够使其混合均匀 ， 形成混浆 ， 这样粒子和钻井液就 可以一起运动 ， 而不至于发生分离 J 。首先 纯固体 颗粒 与钻井液进行第 1 次混合， 混合之后形成初步 的混浆。然后进行粒子与钻井液的第 2 次混合， 通 过此次混合之后， 粒子与钻井液将混合均匀， 如图 1 所示 。 图 l 粒 子 与钻 井 液 两 次混 合 示 意 图 2 将粒子挤入到钻井液中。采用 了螺杆挤压的 方式将与钻井液混合均匀的粒子以一定的速率均匀 地压人钻井液 中。 3 采用了 2个粒子注入管 。确保粒子的连续注 入。当一个注入管在加粒子时 ， 另一个注入管加压 后将里边的粒子通过螺杆挤压泵注入到高压钻井液 中。2 个管交替进行， 完成粒子的连续注入。 1 ． 3 粒子注入系统结构 1 注入系统结构见图 2 。 2 各部分的工作方式及主要作用。 粒子罐存储粒子， 回收系统送来的粒子， 通过 旋转筒旋转作用， 可均匀地流到漏斗中， 通过粒子举 升系统举升到设备最高处， 然后进入到注入管中。 注入管注入管有 2 个 ， 注入管 1 和注入管 2 ， 阀7 阀l 螺枰 挤压 器i l 苒 高骶主管汇 螺杆挤压器2 兰 一 注入管l 一 往 入管2 一 辅助泥浆聚 j压力控制泉2 压 力控制 泉1 溢流 池 图 2注入 系统 结 构 是注入 系统最重要的部件 ， 与各个 阀门之 间相互配 合 ， 通过各个管压力 的变化 ， 有顺序地完成注入 、 加 压排 出 2个步骤 ， 并实现循环。 螺杆挤压泵 可将从 注入 管来 的粒子 ， 通过螺 杆 的旋转作用 ， 以一定 的速率均匀而平稳地 注入到 主管汇中。 压力控制泵 小型钻井泥浆泵。主要作用是保 证注入管在注入过程中， 其压力大于主管汇的压力 ， 保证粒子能顺利地进入到主管汇中。在注入管注入 完毕， 对注入管泄压 ， 排出溢流液。 粒子举升系统 将从粒子储罐经过漏斗 3中出 来的粒子， 举升到设备的最高处 。 溢流池收集用于驱替注入管中粒子的钻井液。 辅助泥浆泵 通过喷嘴将钻井液喷出与粒子混 合 ， 形成浆料 J 。 1 ． 4 注入系统的工作流程 第 1 步 最初 ， 注入管 1中充满钻井液 ， 阀门 2 开启 ， 阀门 1 、 3保持关闭。由于阀门 2开启 ， 注入罐 的压力 和大气压相等。然后 ， 阀门 1 打开 、 阀门 2关 闭， 举 升电机将粒子从 粒子储罐送到漏斗 1 。同时 辅助泥浆泵工作 ， 从喷嘴喷出钻井液， 与粒子形成浆 料 ， 粒子从漏斗 中注入到注入管 1中。在注入管 中 钻井液和粒子混合形成悬浮液 。 当粒子注入到设计 量 的时候 ， 关闭阀门 1 ， 阻止粒子进一步进入到注入 罐 中。这一步完成 了注入管 1 排 出溢流液体注入粒 子的过程 ， 注入管 2各个 阀门都关闭还未开始工作 。 第 2步 压力控制泵工作 ， 对注入管 l 加压 ， 当 加到注人管 中的压力 比主管汇中的压力大时 ， 阀门 3 打开， 同时螺杆挤压泵 1 工作 ， 将粒子 以一定的注入 速率均匀而平稳地注入到主管汇中。在注入管 l 排 出粒子的过程 中， 注入管 2开始工作 ， 最初 ， 注入管 2 中充满钻井液 ， 阀门 5打开， 阀门 4 、 6保持关 闭。由 徐依 吉等 冲击钻井粒子注入 系统研 究 3 于阀门5 的打开， 注入罐的压力和大气压相等。 然后， 阀门 4打开、 阀门 5 关闭 ， 举升电机将粒子从粒子储 罐送 到漏斗 1 。通过阀门 4 ， 粒子从漏斗中注入到注 入管 2中。在注入管中钻井液和粒子混合形成悬浮 液。当粒子注入到设计量时 ， 关闭阀门 5 ， 阻止粒子 进入注入罐中。这一步完成了注入管 1 排 出粒子到 主管汇 中和注入管 2 排出溢流液体注入粒子的过程。 第 3 步这一步是上两步的交替重复， 注人管 1 完成排出溢流液体注入粒子的同时， 注入管 2 完成了 管中粒子平稳注入到总管汇的过程。以后每个步骤 都是注入和排 出交替进行 ， 保证粒子注入的连续性 。 2 注入 系统关键 结构设计 2 ． 1 粒子举升系统 粒子举升系统， 采用垂直螺旋输送机 一 J 。螺旋 输送机结构简单， 占地面积小， 有 良好的密封性， 广 泛用于水平型或垂直型的物料输送。垂直螺旋输送 机的基本结构如图 3所示 。 料 口 3垂 直 螺 旋 输 送 机 的 结构 已知粒子注入输送量 Q 2 5 ． 2 7 ， 取 2 6 t／ h ；输 送高 度 2 2 m；粒 子直 径 2 mm；物 料松 散密度 r 4 t ／ m ；螺旋 临界转速 n 3 5 0 r ／ mi n ；物料填充 系 数 0 ． 6 ；螺旋直径 D 1 5 0 i ／l l n 。 螺旋输送能力计算式 Q 1 式中， 1， 为物料的平均提升速度 ， m ／ s ；S 为螺旋输送 机螺旋断面积， m 。当物料在垂直螺旋部分每转上 升距离为 1 ／ 2螺距时， 式 1 变为 3J 而 - o川 8 m ． 2 垂直螺旋输送机的轴功率计算式 ． 3 3D ／ l j 式中， r／ 为螺旋输送机效率；P o 为轴功率， k w。 根据 已有装置情况 ， 取 0 ． 1 ， 则 P ≈ 7 ． 4 4 3 6 70 ． 1 电机功率 P 7 ． 4 0 ／ 0 ． 8 5 ≈8 ． 7 k W， 取 9 k W。 为保证设备 的稳定性及输送的安全性 ， 设备采 用两段联体式， 总输送高度 2 1 m， 每段输送高度 1 0 ． 5 m， 电机功率 P 9 2 1 8 k W。根据确定的设备参数 ， 输送能力计算值 Q 5 3 ． 4 t ／ h 。 2 ． 2 注入管的设计 常用钻井液流量 3 0 L ／ s ， 粒子含量 3 ％， 所对应的 粒 子流量 0 ． 9 L ／ s 。粒子直径 2 mm。注入管采用钢 等级为一级钢 Q2 3 5 ；外径 以为 3 3 9 ． 7 3 r n n l ；壁厚 d 为 2 2 ． 2 3 mi l l ；内径 为 2 9 5 ． 2 7 mm；上部管长 8 m， 下部管长 1 0m；体积 为 5 4 7 - 3 L ； 为 6 8 4 L 。 为保证注入的连续性， 使得 2 根管在交替注入 时 ， 其 中有一根管在注入粒子 ， 取一次注入上管中的 粒子体积 5 5 0 L；交替注入时间 t - 5 5 0 ／ 0 ． 9 6 1 1 ． 1 s 1 0 ． 2 mi n ， 取 t 6 0 0 S 。 2 ． 3 螺杆挤压泵的设计 螺杆挤压泵通过螺杆的旋转将注入管的粒子以 一 定的速率均匀地注入到主管汇中， 必须保证注入 速率达到要求， 并且满足强度要求， 密封性要好。 根据固体输送理论， 高压粒子输送的运动分析 依 据以下基本假设 J 1 高压 固液混合 的粒子 ， 由 于液体含量仅存在于粒子间隙中， 输送过程中粒子 可看成密实的固体塞； 2 固体塞与螺槽底面、 2 个侧 面和机筒 内表面 同时紧密地接触 ； 3 粒子的压力在 螺槽流道内处处相等； 4 螺槽为矩形， 螺纹圆角半径 不计。 根据固体输送理论， 当螺杆旋转机筒静止时， 其 固体输送段的体积流率 Q mm ／ mi n 为 Q Dh H1 O b 5 式 中， 为螺杆直径 ， mm； 为螺槽 深度 ， mm； 为输送角， r a d ； 为螺旋升角， r a d ； 为平均螺槽 宽度 ， mm；e为螺棱宽度 ， mm。 根据输送量要求， 初步设定螺杆外径D 2 5 0 1T U T I ， 螺槽深H1 2 5 m m， 输送角 丌 ／ 6 O ． 5 6 7 ， 螺旋 升角 cp O ． 3 4 9 ， 平 均螺槽 宽度W 6 0 F n r n ， 螺棱宽度 e 2 0 I I llT I ， 粒子流量 Q O ．9 L ／ s ， 螺杆的长径比取 5 ， 螺杆长度 5 Dh 1 2 5 0 mm。 丌 8 5 r ／ m i n 6 4 石油钻采工艺2 0 1 2年 1月 第 3 4卷 第 1 期 取螺杆转速为 9 0 r ／ mi n 。 3 粒子注入 系统 的实验研 究 3 ． 1 实验原理 首先通过电机的抽吸作用将固定质量的、 直径 为 1 m m的球形硬质钢质粒子加入到粒子储罐中。 流体从水箱中流出并进入到高压泵中， 通过高压泵 的加压作用， 将流体加压后形成高压水射流进人高 压管线 中去 ， 同时通过压 力表 的指示 ， 控 制高压泵 的压力 ， 从而控制高压管线 中的压力 。高压 泵产生 的高压水进 入粒子注入实验装 置时 ， 被分 为两路 ， 一 路被引入粒子罐， 使其中的粒子局部流态化；另 一 路从 粒子罐下方流过 ， 通过调节节流 阀改变其流 量 ， 从 而改变粒子罐 上下 的压差 ， 控制 进入高压管 线中的粒子量。流体与钢粒混合后经过实验台架的 喷嘴 ， 再通过 04 mm 的喷嘴 ， 流入水箱 。在一定 时 间内计算流体 的体积 ， 并收集在这段 时间里从喷嘴 流 出进入 水箱 中的粒子 ， 将粒子 除去水后 ， 换算成 粒子体积， 计算水和粒子的体积比；再通过调整压 力管线 中的压力大小和节流圈的直径 ， 测得在不同 的条件下， 粒子相对于液体的体积比。实验流程如 图 4所示 。 架 嘴 箱 粒 子 注 入 装 嚣 实 验 架 图 4注入 系统实验流程 3 ． 2 实验装置 本实验的实验设备主要 由高压供水系统及高 压泵 电控柜 、 高压管线 、 压力调节 阀、 粒子罐 、 实验平 台、 压力表、 实验架等组成。粒子注入实验装置如图 5所示 图5 高压泵和粒子注入实验装置 3 ． 3 实验 架 实验架主要放置 喷嘴装 置。水箱 的大小是 7 0 c m7 0 c m7 0 c m， 其底部有一个 出水 口。可 以回 收喷嘴流出的粒子， 并用于计算水的排量与实际排 出粒子的量。 3 ． 4 节流圉 节流圈有 6 - 3 mm、 7 mm、 8 mm 3种类型。主要 作用是通过调节粒子罐下方 的节流阀改变粒子罐下 方流体 的流量 ， 从而改变粒子罐上下 的压差 ， 通过压 力的改变来控制进入高压管线 中的粒子量 。 3 ． 5 实验过程 影响粒子与液体体积比的主要因素有节流圈的 直径和压力 的大小。本实验在给定节流圈直径 6 _ 3 mm、 7 IT l n q 、 8 mm 的情况下 ， 分别测定在不同压力 5 MP a ， 1 0 MP a ， 1 5 MP a 下 ， 粒子注入系统 的粒子体积 浓度 比。 1 在节流圈直径为 6 _ 3 mm 的条件下 ， 计算水 和粒子的体积， 结果见表 1 。 表 1 节流圈直径为 6 ． 3 mm时实验数据 2 在节流圈直径为7 m m的条件下， 计算水和 粒子的体积， 结果见表 2 。 表 2 节流圈直径为7mm时实验数据 3 在节流圈直径为 8 mm 的条件下 ， 计算水 和 粒子的体积， 结果见表 3 。 表 3 节流圈直径为 8 mm时实验数据 根据 实验数据表 ， 得到不同压力下节流圈直径 与粒子体积分数的关系， 见图6 。 徐依 吉等 冲击钻井粒子注入 系统研究 5 4 3 蛊2 罱 s 故 l O _ 6 ． 3 7 8 节流圈直径／ mm 图 6不 同压 力下节流 圈直径 与粒子体积 分数 的关 系 从图6中可以看出， 不同压力条件下， 粒子体积 分数随着节流圈直径 的变大幅度逐渐变小 。 1 节流圈直径一定的条件下 ， 随着压力的增大 ， 水 的速度较大 ， 并且会在节流圈的前后形成较大 的 压差 ， 会从粒子罐 中吸出更多的粒子进入 主管线 ， 在 一 定时间内， 粒子的体积分数会增大， 因此粒子注入 效果越来越好。 2 在相 同压力条件下 ， 随着节流圈直径的增大 ， 在节流圈前后形成的压差是一个逐渐降低的过程； 由于压差的降低， 在相同时间内从粒子罐中吸出的 粒子的量会减少， 粒子的体积分数会降低， 因此注入 效果越来越差。 只有在节流圈直径为 7 mlT l 时 ， 不论在 5 MP a 、 1 0 MP a 还是 1 5 MP a 的压力下， 粒子体积分数介于 2 ％～ 3 ％， 最适合 现场要求。因此在这 3种节 流圈的 选择上 ， 选用直径 7 mm 的节流圈。 4结 论 1 粒子冲击钻井注入系统是随着粒子冲击钻井 技术 的提出而发展起来 的一套新型粒子注入系统 ， 该系统能将粒子 以一定的速率 ， 均匀 、 连续 、 平稳地 注入到高压钻井液中。 2 分析了注人系统的原理 、 工作流程和组成部 分 ， 提出了该系统所采用的 3项关键技术。 3 完成了粒子注入 系统关键部分设计 和计算 ， 得出了其主要结构参数。 4 通过实验得 到了粒子注入系统 中不 同压力 下节流圈直径与粒子体积分数的关系， 推荐选用 O 7 mm节流圈。 参考文献 [ 1 ] 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 ]． 中国石油大学自然科学版， 2 0 0 9 ， 3 3 5 6 8 6 9． 1 2 J T I B BI T T Go r d o n A， GAL L O WA Y Gr e g G． P a r t i c l e d r i l l i n g a l t e r s s t a n d a r d r o c k c u t t i n g a p p r o a c h[ J J． W_0 r 】 d Oi l ， 2 0 0 8 - 0 6 ． 1 3 j CU RL E T T Ha r r y B ， S HAR P Da v i d P a u l ， G RE G OR Y Ma r v i n Al l e n ． F o r ma t i o n c u t t i n g me t h o d a n d s y s t e m[ P] ． U 6 5 8 1 7 0 0 B2 ， 2 0 0 3 - 01 2 4 ． [ 4] 肖丙喜， 赵惠清， 温林荣 ． 高压钢粒子输送装置输送性 能及密封结构分析 [ J ] ． 北京化工大学学报自然科 学版， 2 0 1 0 ， 3 7 4 1 1 7 1 2 0 ． [ 5 ] 陈庭根 ， 管志川 ． 钻井工程理论与技术 [ M] ． 东营中 国石油大学出版社， 2 0 0 0 1 4 3 ． 1 4 7 ． [ 6] 伍开松， 古剑飞， 况雨春， 等 ． 粒子冲击钻井技术述评 [ J ] ． 西南石 油大学学报 自然科 学版， 2 0 0 4 ， 3 0 2 1 4 2 ． 1 4 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