專利名稱：粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油開采領(lǐng)域，特別涉及一種粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)方法及其裝置。
背景技術(shù)：
近年來，隨著我國淺層油氣資源的不斷枯竭，在深部堅(jiān)硬地層以及復(fù)雜地質(zhì)條件下尋求油氣發(fā)現(xiàn)是目前陸上勘探開發(fā)的重要工作。但目前深井和超深井硬地層鉆井過程中，存在速度慢、鉆井周期長、鉆井成本高等難題，直接制約著深井和超深井鉆井速度和勘探開發(fā)的整體效益。因此，研究在深井硬地層中高效鉆井的新方法勢在必行。粒子沖擊鉆井技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種專門針對深部硬地層的高效鉆井技術(shù)，它是在位于泥漿泵和鉆柱之間的高壓管處將球形鋼粒子混入鉆井液中，鉆井液攜帶粒 子進(jìn)入立管并傳遞到井下鉆頭，粒子以高速噴出，通過高頻撞擊和磨削作用破碎破巖，是以高速水力破巖為主，機(jī)械牙齒破巖為輔的一種薪新的高效鉆井破巖方法。它將破巖方式由傳統(tǒng)的高壓水射流等速核對井底巖石的靜壓作用改變?yōu)楦咚倭Ｗ恿鲗讕r石的沖蝕和磨削作用，大大提高了能量的利用率，其鉆井速度是常規(guī)鉆井的2 4倍，具有廣闊的應(yīng)用前景和開發(fā)價(jià)值。美國的F1DTI (Particle Drilling Technology, Inc.)公司于2002年最早提出并開發(fā)這一技術(shù)，現(xiàn)已進(jìn)入商業(yè)試驗(yàn)階段。但目前PID(Particle Impact Drilling)系列鉆頭的切削模式、噴射系統(tǒng)和巖屑排除方式等還有許多地方需要研究和改進(jìn)。研制適用于PID的新型泥漿泵、粒子儲(chǔ)罐和注入設(shè)備、泵送粒子的高壓管線和閥門等硬件設(shè)備，還有許多研發(fā)工作需要做。在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題在我國，粒子沖擊鉆井技術(shù)尚處于起步階段，對粒子沖擊鉆井的研究還很少，僅僅從理論的可行性上做出了一些工作，還未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)階段的分析研究，對于該技術(shù)的現(xiàn)場推廣應(yīng)用，還急需從實(shí)驗(yàn)中分析粒子射流破巖參數(shù)對提高鉆井效率的影響。目前還沒有一種能夠真實(shí)反映深部地層環(huán)境和粒子沖擊破巖規(guī)律的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置，為粒子沖擊鉆井技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供一定的實(shí)驗(yàn)支持。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種可以在室內(nèi)條件下模擬深部地層鉆井環(huán)境，真實(shí)反映粒子沖擊破巖規(guī)律，進(jìn)一步促進(jìn)粒子沖擊鉆井技術(shù)發(fā)展的粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)方法，首先高壓泵抽取水箱的水，經(jīng)高壓管線注入混合室，注入罐的鋼質(zhì)顆粒通過管線注入混合室，所述高壓水和所述鋼質(zhì)顆粒在混合室充分混合后，形成混合鋼粒射流，所述混合鋼粒射流再經(jīng)高壓管線進(jìn)入圍壓模擬井筒，在圍壓模擬井筒內(nèi)經(jīng)兩級收縮噴嘴加速后高速撞擊巖石，形成破巖，所述圍壓模擬井筒通過調(diào)壓閥來實(shí)現(xiàn)圍壓環(huán)境，以模擬地層壓力環(huán)境所述混合鋼粒射流破碎巖石后通過過濾裝置實(shí)現(xiàn)固液分離，廢水和回收鋼粒進(jìn)行重復(fù)利用。所述鋼質(zhì)顆粒為不銹鋼絲切丸，密度為7. 0-8. Og/cm3,粒徑為0. 2-0. 8mm,鋼粒最小平均硬度41-59HRC。所述注入罐最大給料速度不超過20Kg/min，給料速度通過設(shè)置在管線上的截止閥調(diào)節(jié)。所述圍壓模擬井筒的圍壓為0-40MPa。所述兩級收縮噴嘴加速后的混合鋼粒射流的速度為150 250m/s。本發(fā)明實(shí)施例還提供一種粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括通過高壓管線依次相連的水箱、高壓泵、混合室和圍壓模擬井筒，所述混合室上方通過管線連接注入罐，所述管線上設(shè)有截止閥，所述圍壓模擬井筒內(nèi)設(shè)置兩級收縮噴嘴，所述兩級收縮噴嘴入口接高壓管線，出口正對圍壓模擬井筒內(nèi)巖石，所述圍壓模擬井筒上設(shè)置調(diào)壓閥和壓力表，所述調(diào)壓 閥連接過濾裝置。所述高壓泵額定壓力50MPa，額定排量60L/min，兩臺高壓泵并聯(lián)設(shè)置，所述高壓泵的出口高壓管線連接安全閥一端，所述安全閥的另一端連接排出管，所述排出管連接所述水箱。所述高壓泵連接混合室的高壓管線上依次設(shè)有壓力表和控制閥，所述注入罐通過高壓管線連接高壓泵出口，所述注入罐與高壓泵連接的高壓管線上設(shè)有控制閥和單向閥。所述兩級收縮噴嘴采用40°和13°雙錐度噴嘴，噴嘴直徑3. Omm，材質(zhì)為硬質(zhì)合金，所述兩級收縮噴嘴內(nèi)壁粗糙度I. 0-1. 6。為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采取的技術(shù)方案是本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是本發(fā)明裝置可以在室內(nèi)條件下模擬深部地層鉆井環(huán)境，真實(shí)反映粒子沖擊破巖規(guī)律，為粒子沖擊鉆井技術(shù)研究提供模擬實(shí)驗(yàn)平臺，為深井硬地層中高效粒子沖擊鉆井工具的研發(fā)提供技術(shù)支撐，進(jìn)一步促進(jìn)粒子沖擊鉆井技術(shù)的發(fā)展。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例提供的工藝流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖。圖中1.水箱，2.過濾網(wǎng)，3.高壓泵，4.壓力表，5.安全閥，6.控制閥，7.單向閥，
8.注入罐，9.截止閥，10.混合室，11.圍壓表，12.調(diào)壓閥，13.兩級收縮噴嘴，14.圍壓模擬井筒，15.巖石，16.實(shí)驗(yàn)架，17.過濾裝置，18.管線，19.排出管。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。參見圖1，一種粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)方法，高壓泵3抽取水箱I的水，然后將產(chǎn)生的高壓水通過高壓管線注入混合室10，經(jīng)注入罐8過篩的鋼質(zhì)顆粒通過管線18注入混合室10，高壓水和鋼質(zhì)顆粒在混合室10充分混合后，形成混合鋼粒射流，混合鋼粒射流再經(jīng)高壓管線進(jìn)入圍壓模擬井筒14，在圍壓模擬井筒14內(nèi)經(jīng)兩級收縮噴嘴13加速后高速撞擊巖石，形成破巖，經(jīng)粒子射流沖擊巖石后的混合物通過過濾裝置實(shí)現(xiàn)固液分離，過濾的廢水進(jìn)入水箱I重復(fù)利用，回收鋼質(zhì)顆粒排出后也可以進(jìn)行重復(fù)利用，其中，圍壓模擬井筒可以通過調(diào)壓閥來實(shí)現(xiàn)特定的圍壓環(huán)境，以模擬地層壓力環(huán)境。作為優(yōu)選，圍壓模擬井筒的圍壓為0_40MPa，即可模擬4000m井深的壓力環(huán)境；鋼質(zhì)顆粒為不銹鋼絲切丸，密度為7. 0-8. Og/cm3,粒徑為0. 2-0. 8mm,鋼粒最小平均硬度41-59HRC ;注入罐最大給料速度不超過20Kg/min，給料速度通過設(shè)置在管線上的截止閥調(diào)節(jié)。參見圖2，一種粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括通過高壓管線依次相連的水箱
I、高壓泵3、混合室10和圍壓模擬井筒14，混合室10上方通過管線18連接注入罐8，管線18上設(shè)有截止閥9，圍壓模擬井筒14內(nèi)設(shè)置兩級收縮噴嘴13，兩級收縮噴嘴13入口接高壓管線，出口正對圍壓模擬井筒14內(nèi)巖石15，圍壓模擬井筒14上連接調(diào)壓閥12和圍壓表11，調(diào)壓閥12連接過濾裝置17。
作為優(yōu)選，高壓泵3連接水箱I的進(jìn)口設(shè)置過濾網(wǎng)2，高壓泵3連接混合室10的高壓管線上依次設(shè)有壓力表4和控制閥6。注入罐8通過高壓管線連接高壓泵3出口，給注入罐8內(nèi)通入高壓水，便于鋼質(zhì)粒子與水的充分混合，注入罐8與高壓泵3連接的高壓管線上設(shè)有控制閥和單向閥，單向閥防止注入罐8內(nèi)的鋼質(zhì)顆粒倒吸入高壓泵。為防止兩級收縮噴嘴13堵塞后的壓力沖毀管線，高壓泵3的出口高壓管線連接安全閥5 —端，安全閥5的另一端連接排出管19，排出管19連接水箱1，用于將經(jīng)過安全閥5的廢液排入水箱I中，安全閥5也可以連接在如圖2所示的虛線位置，即連接在豎向高壓管線上。在實(shí)驗(yàn)過程中，圍壓模擬井筒14放在實(shí)驗(yàn)架16上，高壓泵3、混合室10、圍壓模擬井筒14順序連接，往注入罐8中加入一定量的鋼質(zhì)顆粒，啟動(dòng)高壓泵3，高壓泵3從水箱I中抽取水進(jìn)入高壓管線，經(jīng)兩級收縮噴嘴13加速后形成高壓水射流，待高壓泵3泵壓穩(wěn)定后，利用調(diào)壓閥12設(shè)定好井筒內(nèi)的圍壓，圍壓大小可通過圍壓表11來讀取，調(diào)節(jié)截止閥9控制鋼質(zhì)顆粒以一定的速度注入混合室10，鋼質(zhì)顆粒與高壓水在混合室10內(nèi)充分混合后進(jìn)入圍壓模擬井筒14，經(jīng)兩級收縮噴嘴13加速后形成高速鋼粒射流，以150 250m/s的速度沖擊破碎巖石。設(shè)計(jì)的兩級收縮噴嘴可將鋼粒速度提高到液相速度的95%以上，為確保噴嘴暢通，鋼質(zhì)顆粒直徑取0. 2 0. 8mm ;鋼質(zhì)顆粒射流破碎巖石后通過過濾裝置實(shí)現(xiàn)固液分離，廢水和沒有損壞的鋼質(zhì)顆?？梢曰厥绽?。如圖2所示，高壓泵額定壓力50MPa，額定排量60L/min，實(shí)驗(yàn)過程中將兩臺高壓泵3并聯(lián)使用；截止閥9可調(diào)節(jié)鋼粒供給速度在0 20Kg/min之間；圍壓模擬井筒14可實(shí)現(xiàn)最大圍壓40MPa，即模擬4000m井深的壓力環(huán)境；兩級收縮噴嘴13采用40° /13°雙錐度噴嘴，噴嘴直徑3. Omm，噴嘴的設(shè)計(jì)結(jié)合了某油田鉆井現(xiàn)場2000m深處的鉆頭噴嘴水力數(shù)據(jù)，通過相似性原理確定了模型噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)的兩級收縮噴嘴13可將鋼粒速度提高到液相速度的95%以上，為確保噴嘴暢通，鋼質(zhì)顆粒直徑優(yōu)選0. 2 0. 8_。本發(fā)明破碎巖石原理高壓水與鋼制顆粒充分混合后形成的混合鋼粒射流，經(jīng)兩級收縮噴嘴加速后，速度可以達(dá)到液體速度的95%以上，高速鋼質(zhì)粒子(150m/s 250m/s)離開噴嘴后瞬間撞擊巖石表面，當(dāng)粒子突然撞擊巖石時(shí)，會(huì)在巖石的某個(gè)地方產(chǎn)生應(yīng)力波，此后應(yīng)力波會(huì)以一定的速度向撞擊方向傳播，同時(shí)向撞擊點(diǎn)四周擴(kuò)散，使周圍巖石受到不同程度的沖擊，在沖擊接觸區(qū)邊界周圍能產(chǎn)生拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。由于巖石的抗拉強(qiáng)度僅為其抗壓強(qiáng)度的1/80 1/16，抗剪強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的1/15 1/8，當(dāng)拉應(yīng)力和剪應(yīng)力分別超過了巖石的抗拉和抗剪的極限強(qiáng)度時(shí)，在巖石中將形成裂隙、壓縮“錐”、顯性裂紋和隱性微裂紋，同時(shí)產(chǎn)生破碎的巖屑。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等 同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，首先高壓泵抽取水箱的水，經(jīng)高壓管線注入混合室，注入罐的鋼質(zhì)顆粒通過管線注入混合室，所述高壓水和所述鋼質(zhì)顆粒在混合室充分混合后，形成混合鋼粒射流，所述混合鋼粒射流再經(jīng)高壓管線進(jìn)入圍壓模擬井筒，在圍壓模擬井筒內(nèi)經(jīng)兩級收縮噴嘴加速后高速撞擊巖石，形成破巖，所述圍壓模擬井筒通過調(diào)壓閥來實(shí)現(xiàn)圍壓環(huán)境，以模擬地層壓力環(huán)境。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述混合鋼粒射流破碎巖石后通過過濾裝置實(shí)現(xiàn)固液分離，廢水和回收鋼粒進(jìn)行重復(fù)利用。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述鋼質(zhì)顆粒為不銹鋼絲切丸，密度為7. 0-8. Og/cm3，粒徑為0. 2-0. 8mm，鋼粒最小平均硬度41-59HRC。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述注入罐最大給料速度不超過20Kg/min，給料速度通過設(shè)置在管線上的截止閥調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述圍壓模擬井筒的圍壓為0-40MPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述兩級收縮噴嘴加速后的混合鋼粒射流的速度為150 250m/s。
7.—種權(quán)利要求I所述的粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，包括通過高壓管線依次相連的水箱、高壓泵、混合室和圍壓模擬井筒，所述混合室上方通過管線連接注入罐，所述管線上設(shè)有截止閥，所述圍壓模擬井筒內(nèi)設(shè)置兩級收縮噴嘴，所述兩級收縮噴嘴入口接高壓管線，出口正對圍壓模擬井筒內(nèi)巖石，所述圍壓模擬井筒上設(shè)置調(diào)壓閥和壓力表，所述調(diào)壓閥連接過濾裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述高壓泵額定壓力50MPa，額定排量60L/min，兩臺高壓泵并聯(lián)設(shè)置，所述高壓泵的出口高壓管線連接安全閥一端，所述安全閥的另一端連接排出管，所述排出管連接所述水箱。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述高壓泵連接混合室的高壓管線上依次設(shè)有壓力表和控制閥，所述注入罐通過高壓管線連接高壓泵出口，所述注入罐與高壓泵連接的高壓管線上設(shè)有控制閥和單向閥。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述兩級收縮噴嘴采用40°和13°雙錐度噴嘴，噴嘴直徑3. 0mm，材質(zhì)為硬質(zhì)合金，所述兩級收縮噴嘴內(nèi)壁粗糙度I. 0-1. 6。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種粒子沖擊鉆井模擬實(shí)驗(yàn)方法及其裝置，該方法是高壓泵抽取水箱的水，經(jīng)高壓管線注入混合室，經(jīng)注入罐過篩的鋼質(zhì)顆粒通過管線進(jìn)入混合室，高壓水和鋼質(zhì)顆粒在混合室充分混合后，形成混合鋼粒射流，混合鋼粒射流再進(jìn)入圍壓模擬井筒，在圍壓模擬井筒內(nèi)經(jīng)兩級收縮噴嘴加速后高速撞擊巖石，形成破巖，圍壓模擬井筒通過調(diào)壓閥來實(shí)現(xiàn)圍壓環(huán)境，以模擬地層壓力環(huán)境。該裝置主要包括高壓泵、混合室、注入罐和圍壓模擬井筒，圍壓模擬井筒內(nèi)設(shè)置兩級收縮噴嘴，兩級收縮噴嘴入口接高壓管線，出口正對圍壓模擬井筒內(nèi)巖石。本發(fā)明可以在室內(nèi)條件下模擬深部地層鉆井環(huán)境，真實(shí)反映粒子沖擊破巖規(guī)律，進(jìn)一步促進(jìn)粒子沖擊鉆井技術(shù)的發(fā)展。
文檔編號E21B7/16GK102767333SQ20111011647
公開日2012年11月7日 申請日期2011年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月6日
發(fā)明者崔猛, 汪海閣, 程榮超, 紀(jì)國棟, 黎紅勝 申請人:中國石油天然氣集團(tuán)公司, 中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院