CN103195363A - 负压射流式粒子冲击钻井注入装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油钻井工程技术领域，特别涉及一种负压射流式粒子冲击钻井注入装置，高压粒子注入罐顶部进料口一侧安装平衡压力射流管，平衡压力射流管一端设置射流防堵喷头，另一端置于主管汇顶部，射流防堵喷头位于高压粒子注入罐底部，出料口底部设置负压粒子注入管，负压粒子注入管一端设置喷嘴，喷嘴连通主管汇，主管汇底部设置调节管，调节管末端连通负压粒子注入管出口，调节管内设置调节阀。本发明采用自旋转式射流防堵喷头，对高压粒子注入罐出料口实现全方位、多角度搅动，操作简单、方便、安全；本发明作为粒子冲击钻井新技术的三大核心系统之一，加工制作工艺简单、拆卸方便、性能稳定，能够大幅提高深井极硬耐磨地层的钻井速度。

Description

负压射流式粒子冲击钻井注入装置

技术领域

本发明涉及一种负压射流式粒子冲击钻井注入装置，属于石油钻井工程技术领域。

背景技术

粒子冲击钻井技术是为开发深部坚硬及研磨性较高地层中的油气资源而研发的一项石油钻井新技术，在我国四川省等西部油气资源丰富却埋藏较深、岩石坚硬耐磨的地区具有广阔的应用前景。粒子冲击钻井是指在常规钻头旋转钻进机械破岩的同时，在钻井液中加入一定量的钢粒，并通过钻头喷嘴以高频射流形式冲击破碎岩石，起到辅助破岩目的，进而大幅度提高机械钻速，加快油气井投产。

目前为止，粒子冲击钻井技术作为近几年才提出的一项新技术，在国外也仅是进行了少量实验室和现场研究，国内更是停留在理论研究阶段。而国外研究证明该技术对于深井极硬岩层钻井速度的提高具有显著效果，这为解决当前我国面临的深井坚硬地层钻井速度慢的技术瓶颈提供了新的方法。

在粒子冲击钻井实施过程中，由于井深较深，若将钢粒子输送至井底需要地面泥浆泵和管路等设备承受非常高的管道循环压力（一般为数十兆帕左右），并且现有泥浆泵不能直接泵送含有钢粒子的钻井液，而需要专门的注入系统将粒子注入到钻井液中。因此，粒子注入系统与粒子回收系统、粒子钻头系统（PDI钻头）一道，作为粒子冲击钻井新技术的三大核心组成系统之一，直接影响着粒子注入的稳定性、均匀性，以及冲击破岩的效果。

粒子注入系统经历了两次较大的发展，较为理想的注入系统是利用高压密闭注入罐，底部连接粒子注入装置，在一定压力下(一般为三十兆帕左右)将钢粒注入到主管汇的钻井液中，经混合后随主管汇钻井液循环至井底钻头，实现粒子冲击破碎井底岩石，大幅提高机械钻速。

粒子注入罐属于较大型压力容器罐，顶部和底部分别留有进料口、出料口，而且底部为圆（锥）形，且上下存在压差阻力，很容易发生粒子出料口堵塞。由于粒子注入罐体积较大，且是高压密闭容器，倘若粒子和泥浆在出料口一旦发生堵塞，常规方法不能有效、及时治理，这不仅会妨碍粒子的正常注入，而且可能会影响整个钻井进度，更甚至使注入罐内压力急剧增大而诱发不安全事故。目前，类似的大型高压密闭容器在其它领域也有广泛应用，也遇到了同样的堵塞治理问题。常规储罐容器的堵塞解决方法有多种，但并不适用于此类压力容器：

例如，中国实用新型专利ZL200820158592.X公开了一种料仓防堵装置，该装置在出料口设置疏通拨杆，并与出料口外部的电液动推杆相连。当出料口出现堵塞时，启动电液动推杆，使疏通拨杆沿出料口来回运动，从而对出料口的堵塞起疏通作用，解除出料口堵塞现象。但由于高压密闭注入罐底部是密闭且直通高压管路，该专利中提到的疏通拨杆和电液动推杆不能在罐底部随意运动，因此不适于粒子注入罐的堵塞治理。

中国实用新型专利ZL200520095960.7公开了一种悬挂活振动式散装物料仓下料防堵装置，该装置主要由活振动斗体、振打电机和弹簧组件挂钩等组成。其中，活振动斗体处于悬挂自由状态，在振打电机等的共同作用下，可以在一定幅度内有效振动，以消除物料在粮仓内堆积造成的堵塞现象。但是粒子注入罐体是压力容器，工作压力最大达数十兆帕，所以工作状态下应尽量避免振动等外部强烈干扰，以免引起安全事故。因此，该技术也不适用于粒子注入罐的堵塞防治。

综上所述，现有的储罐容器出料口堵塞治理技术仅仅适用于非密封、无工作压力或压力较低的料仓，但对于诸如此类粒子钻井系统中高压密闭粒子注入罐的堵塞防治并不适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种结构合理，使用安全，可提高粒子注入速度，及解决高压粒子注入罐底部容易堵塞问题的负压射流式粒子冲击钻井注入装置。

本发明所述的负压射流式粒子冲击钻井注入装置，包括高压粒子注入罐，高压粒子注入罐顶部设置进料口，底部设置出料口，进料口一侧安装平衡压力射流管，平衡压力射流管一端设置射流防堵喷头，另一端置于主管汇顶部，射流防堵喷头位于高压粒子注入罐底部，出料口底部设置负压粒子注入管，负压粒子注入管一端设置喷嘴，喷嘴连通主管汇，主管汇底部设置调节管，调节管末端连通负压粒子注入管出口，调节管内设置调节阀。

平衡压力射流管的作用是使高压粒子注入罐与地面高压管路压力连通，避免由于管路压力高于高压粒子注入罐内的压力而产生压差，使粒子不能顺利从出料口流出，还可以防止高压粒子注入罐因压力过高造成安全隐患；射流防堵喷头位于高压粒子注入罐底部，可对高压粒子注入罐出料口易发生堵塞部位实现全方位、多角度冲击搅动，防止粒子在出料口处堵塞；负压粒子注入管的作用是当钻井液从主管汇中流经喷嘴喷出后在负压粒子注入管内形成负压，将上部粒子吸入，使粒子与钻井液液体充分混合，然后注入到负压粒子注入管出口连接的主管汇中；通过调节管中的调节阀调节钻井液流量而控制负压粒子注入管负压值的大小，进而控制粒子吸入量，实现针对不同硬度的岩层吸入不同数量粒子的目的。

所述的射流防堵喷头包括射流旋转套，射流旋转套通过轴承套装在中心射流管外周，中心射流管外壁上安装有滑套，滑套位于射流旋转套和中心射流管之间，射流旋转套外设置外筒，外筒顶部通过螺栓连接中心射流管，外筒固结在平衡压力射流管内，中心射流管管壁上设有开口，中心射流管与射流旋转套底部对应设置直喷嘴，射流旋转套侧壁上对应开口设有侧面斜喷嘴。钻井液通过中心射流管并且穿过射流旋转套的侧面斜喷嘴，对射流旋转套产生不对称力，从而带动射流旋转套转动，钻井液可搅动出料口周围粒子，使粒子自下而上流态化，防止出料口被堵塞，且为粒子顺利进入负压粒子注入管提供流动性条件。

所述的射流旋转套包括上部的安装套和安装套下部的旋转套，安装套内径小于旋转套内径。安装套用于固定射流旋转套，旋转套起到旋转作用，以使钻井液旋转射流，使粒子成流化状态。

所述的开口与侧面斜喷嘴均设置为四个。四个侧面斜喷嘴分布在射流旋转套上，可使从其中出来的钻井液呈顺时针喷射，使射流旋转套顺时针转动，实现搅动粒子的作用。

所述的负压粒子注入管横截面为圆环形，内径为120～140mm，长度为300～500mm，高压粒子注入罐的横截面为圆环形，内径为1000mm，高度为4000mm，厚度为110mm。负压粒子注入管可形成负压将粒子吸入，实现粒子与钻井液充分混合；高压粒子注入罐的大小适应粒子数量，可提高粒子与钻井液混合均匀度。

本发明的有益效果是：

采用自旋转式射流防堵喷头，对高压密闭粒子注入罐出料口易发生堵塞部位实现全方位、多角度冲击搅动，防治堵塞效果好；依据水力射流原理解决高压密闭粒子注入罐易堵塞的难题，有效避免诸如振打罐体或机械疏通等其它常规堵塞治理措施引发的安全问题，操作简单、方便、安全；该装置加工制作工艺简单、拆卸方便、结构可靠，性价比优越，物理力学性能稳定，适用于石油钻井现场复杂工作条件；本装置作为粒子冲击钻井新技术的核心组成部分之一，大幅缩短建井周期，提高钻井速度，为我国中西部深部耐磨硬地层油气资源开发提供了技术和设备支持。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中射流防堵喷头的结构示意图。

图3是图2中A-A的剖面视图。

图4是图2中射流旋转套的结构示意图。

图中：1、平衡压力射流管  2、射流防堵喷头  3、负压粒子注入管  4、喷嘴  5、主管汇  6、调节管  7、调节阀  8、高压粒子注入罐  9、进料口  10、出料口  11、轴承  12、滑套  13、射流旋转套  14、侧面斜喷嘴  15、开口  16、直喷嘴  17、外筒  18、螺栓  19、中心射流管  20、安装套  21、旋转套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1～图4所示，本发明所述的负压射流式粒子冲击钻井注入装置，包括高压粒子注入罐8，高压粒子注入罐8顶部设置进料口9，底部设置出料口10，进料口9一侧安装平衡压力射流管1，平衡压力射流管1一端设置射流防堵喷头2，另一端置于主管汇5顶部，射流防堵喷头2位于高压粒子注入罐8底部，出料口10底部设置负压粒子注入管3，负压粒子注入管3一端设置喷嘴4，喷嘴4连通主管汇5，主管汇5底部设置调节管6，调节管6末端连通负压粒子注入管3出口，调节管6内设置调节阀7。

射流防堵喷头2包括射流旋转套13，射流旋转套13通过轴承11套装在中心射流管19外周，中心射流管19外壁上安装有滑套12，滑套12位于射流旋转套13和中心射流管19之间，射流旋转套13外设置外筒17，外筒17顶部通过螺栓18连接中心射流管19，外筒17固结在平衡压力射流管1内，中心射流管19管壁上设有开口15，中心射流管19与射流旋转套13底部对应设置直喷嘴16，射流旋转套13侧壁上对应开口15设有侧面斜喷嘴14。射流旋转套13包括上部的安装套20和安装套20下部的旋转套21，安装套20内径小于旋转套21内径，开口15与侧面斜喷嘴14均设置为四个。负压粒子注入管3包括横截面为圆环形的罐体，罐体内径为120mm，长度为300mm，高压粒子注入罐8的横截面为圆环形，内径为1000mm，高度为4000mm，厚度为110mm。

工作原理：

粒子在高压粒子注入罐8内堵塞的主要原因是由于固体粒子自身流动性不良，以及从井底返回地面的粒子在钻井液的作用下容易结块、固结，所以提高粒子自身流态化状态可有效避免堵塞。因此，当地面主管汇5中的高压钻井液经平衡压力射流管1支流到达射流防堵喷头2后会产生射流，对出料口10周围粒子产生漫流横推、冲击翻转、搅动作用，依据固液两相流中的流态化理论，并通过控制射流速度和粒子下沉速度，使粒子自下而上实现流态化，防止粒子堆积或堵塞在出料口10。同时，另一支流的高压钻井液经喷嘴4喷射进入负压粒子注入管3后，瞬间形生负压，将高压粒子注入罐8中已流态化的粒子吸入负压粒子注入管3中，并与钻井液充分混合，再注入主管汇5的高压钻井液中，流向井底，实现粒子冲击钻井。

工作过程：

地面主管汇5中的高压钻井液经平衡压力射流管1支流到达射流防堵喷头2，经直喷嘴16产生射流，对出料口10周围粒子产生漫流横推、冲击翻转作用，防止粒子堆积在出料口10。同时，通过射流旋转套13的侧面斜喷嘴14产生的射流不对称力，带动旋转套21旋转，搅动出料口10周围粒子，防止堵塞，使粒子自下而上流态化，为粒子顺利吸入负压粒子注入管3提供流动性条件。另一支流的高压钻井液进入负压粒子注入管3前端的喷嘴4产生射流，并瞬间在负压粒子注入管3内形生负压，将上面高压粒子注入罐8中已流态化的粒子吸入罐中与钻井液充分混合，再注入主管汇5高压钻井液中，流向井底，实现粒子冲击钻井，在上述过程中可通过操作调节管6支流中的调节阀7控制粒子注入量。

Claims (5)

1.一种负压射流式粒子冲击钻井注入装置，包括高压粒子注入罐（8），高压粒子注入罐（8）顶部设置进料口（9），底部设置出料口（10），其特征在于：进料口（9）一侧安装平衡压力射流管（1），平衡压力射流管（1）一端设置射流防堵喷头（2），另一端置于主管汇（5）顶部，射流防堵喷头（2）位于高压粒子注入罐（8）底部，出料口（10）底部设置负压粒子注入管（3），负压粒子注入管（3）一端设置喷嘴（4），喷嘴（4）连通主管汇（5），主管汇（5）底部设置调节管（6），调节管（6）末端连通负压粒子注入管（3）出口，调节管（6）内设置调节阀（7）。

2.根据权利要求1所述的负压射流式粒子冲击钻井注入装置，其特征在于：射流防堵喷头（2）包括射流旋转套（13），射流旋转套（13）通过轴承（11）套装在中心射流管（19）外周，中心射流管（19）外壁上安装有滑套（12），滑套（12）位于射流旋转套（13）和中心射流管（19）之间，射流旋转套（13）外设置外筒（17），外筒（17）顶部通过螺栓（18）连接中心射流管（19），外筒（17）固结在平衡压力射流管（1）内，中心射流管（19）管壁上设有开口（15），中心射流管（19）与射流旋转套（13）底部对应设置直喷嘴（16），射流旋转套（13）侧壁上对应开口（15）设有侧面斜喷嘴（14）。

3.根据权利要求2所述的负压射流式粒子冲击钻井注入装置，其特征在于：射流旋转套（13）包括上部的安装套（20）和安装套（20）下部的旋转套（21），安装套（20）内径小于旋转套（21）内径。

4.根据权利要求2或3所述的负压射流式粒子冲击钻井注入装置，其特征在于：开口（15）与侧面斜喷嘴（14）均设置为四个。

5.根据权利要求1、2或3所述的负压射流式粒子冲击钻井注入装置，其特征在于：负压粒子注入管（3）的横截面为圆环形，内径为120～140mm，长度为300～500mm，高压粒子注入罐（8）的横截面为圆环形，内径为1000mm，高度为4000mm，厚度为110mm。

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