CN104405285B - 粒子冲击钻井室内综合模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种粒子冲击钻井室内综合模拟装置，包括顶部旋转装置、门型固定导轨架装置和液压缸，门型固定导轨架装置包括支架、支撑套、围压缸，围压缸包括缸筒和缸盖，支架上安装有导轨，缸筒通过与导轨配合的滑块安装在支架上，液压缸连接至缸筒的底部，用于驱动缸筒在导轨上滑动；缸筒上安装有电磁阀和用于检测缸筒内压力的压力传感器，电磁阀连接至压力传感器，当压力传感器检测到的压力大于预设值时电磁阀打开泄压；顶部旋转装置包括壳体、多个液压马达和空心轴。本发明中的粒子冲击钻井室内综合模拟装置综合旋转、移动、围压的制造能够比较真实地反映出井下的情况，综合模拟粒子钻井的全过程，以得出可靠的实验数据。

Description

粒子冲击钻井室内综合模拟装置
技术领域
本发明涉及粒子冲击钻井用设备领域，具体而言，涉及一种粒子冲击钻井室内综合模拟装置。
背景技术
随着工业技术的发展，各国对油气资源的需求量不断增加。但是，随着浅层油气资源的不断枯竭，寻找新的油气资源集中在了深部地层以及复杂地质条件,而目前深井和超深井硬地层钻井普遍存在速度慢、周期长、成本高等问题。
据统计，深井超深井钻井时，硬地层及高研磨性进尺占全井进尺的20％，钻井成本却占到了总成本的70％。因此，研究深井超深井难钻地层高效钻井新方法势在必行。
2002年美国的PDTI公司受到射弹冲击破岩思想的启发，将其应用在钻井工程领域，采用钻井泥浆的水力能量作为驱动力，用高速硬质球形钢粒子模拟射弹来破碎坚硬的岩石,并通过钻井液携带循环,提出了粒子冲击钻井(Particle Impact Drilling,简称PID)技术的新概念。而粒子冲击钻头是随着粒子冲击钻井技术的提出而发展起来的一类新型钻井用破岩工具，在硬质地层和耐磨性强的地层钻井中具有快速高效的破岩性能，主要表现在改变了常规钻头的外形结构，依靠粒子高速射流和保径齿、切削齿破岩，钻井速度快，钻压低，排削顺畅等。
在我国粒子冲击钻井技术还未应用到实际钻井生产当中，甚至连有效的粒子冲击钻井的实验数据还为建立，仅仅停留在理论研究上，对于粒子冲击钻井技术在实际生产中的应用，还需从实验中获得相应的粒子冲击数据。目前国内还没有一种能够真实综合模拟粒子冲击钻井的装置，无法为粒子冲击钻井的进一步发展提供一定的实验支持。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于,提供一种能够综合模拟粒子冲击钻井的装置。
因此，本发明的技术方案如下：
一种粒子冲击钻井室内综合模拟装置，包括顶部旋转装置、门型固定导轨架装置和液压缸，所述门型固定导轨架装置包括支架、支撑套和围压缸，所述围压缸包括缸筒和缸盖，其中：所述缸盖安装在所述缸筒顶部并与所述缸筒之间形成密封，所述缸筒的底面上固定安装有用于盛放岩石的岩石缸，所述岩石缸上设置有岩石缸盖，所述岩石缸盖通过螺钉与所述缸筒的内壁连接，所述岩石缸盖的中部开有用于穿过试验钻头的通孔；所述支架上竖直安装有导轨，所述缸筒通过与所述导轨配合的滑块安装在所述支架上，所述液压缸连接至所述缸筒的底部，用于驱动所述缸筒在所述导轨上滑动；所述支撑套的上端与所述支架的顶部固定连接、下端穿过所述缸盖并与所述缸盖之间形成密封，且所述缸盖与所述支撑套之间能够相对滑动；所述缸筒上安装有电磁阀和用于检测所述缸筒内压力的压力传感器，所述电磁阀连接至所述压力传感器，当所述压力传感器检测到的压力大于预设值时所述电磁阀打开泄压；所述顶部旋转装置包括壳体、多个液压马达和空心轴，所述空心轴的下 端依次穿过所述壳体、所述支架的顶部和所述支撑套后伸入所述缸筒内，且所述空心轴的下端安装有所述试验钻头，所述空心轴的上端与所述壳体外连通，多个所述液压马达在所述壳体上固定安装并在所述空心轴的四周均匀布置，每个所述液压马达均通过齿轮机构连接至所述空心轴，用于驱动所述空心轴转动进而带动所述试验钻头转动。
其中，所述液压缸可以为多级液压缸；所述缸筒通过两个上下布置的所述滑块安装在所述支架上；所述液压马达的数量为两个或三个；所述支撑套与所述缸盖之间通过车式密封圈密封，尺寸更小，密封性更好；所述空心轴的上端连接有鹅颈管；所述空心轴分为上空心轴和下空心轴，所述上空心轴与所述下空心轴之间在所述支撑套的上端处通过花键连接以传递扭矩，组装更加方便。
本发明中的粒子冲击钻井室内综合模拟装置综合旋转、移动、围压的制造能够比较真实地反映出井下的情况，综合模拟粒子钻井的全过程，以得出可靠的实验数据。
附图说明
图1是根据本发明实施例的粒子冲击钻井室内综合模拟装置的结构示意图；
图2是图1中粒子冲击钻井室内综合模拟装置下半部分的剖视图；
图3是图1中粒子冲击钻井室内综合模拟装置上半部分的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1至图3所示，根据本发明的实施例的粒子冲击钻井室内综合模拟装置分为上、中、下三部分，分别称为顶部旋转装置6、门型固定导轨架装置和液压缸43。
支架3上安装有导轨，顶部旋转装置6固定安装在支架3的顶部，液压缸43安装在支架3的下端，通过滑块装置安装在支架3的导轨上。
本实施例利用顶部旋转装置6中的试验钻头32喷射出高速射流粒子破碎围压缸的缸筒1内的岩石35，模拟深层粒子冲击钻井技术破岩过程，获得粒子冲击的综合数据。
所述的顶部旋转装置6由壳体42、两个液压马达11和空心轴19组成。两个液压马达11用螺栓固定在壳体42上，驱动阶梯轴25上的支撑轴承23安装在左轴承座中，轴承端盖10用螺栓固定在壳体42上，下支撑轴承18安装在中间轴承座中，止推轴承20安装在止推轴承座中，壳体42用螺栓固定在支架3上。
旋转驱动总成包括了液压马达11、联轴器26、驱动齿轮24、支撑套筒22、驱动阶梯轴25、支撑轴承23、液压马达11与联轴器26用螺栓连接，驱动齿轮24、支撑套筒22、支撑轴承23依次安装到驱动阶梯轴25上，将驱动阶梯轴25的顶端与联轴器26相连，
支撑轴承23安装在支架3的左轴承座中，液压马达11用螺栓固定在壳体42上。
中间部分由顶部旋转装置6上的车式密封圈8、轴承端盖10、上支撑轴承9、花键空心轴19、旋转齿轮17、鹅颈管7、顶部旋转装置下车式密封圈、下支撑轴承18、止推轴承20、轴套44、锁紧螺母21、试验钻头32。其中旋转齿轮17安装在空心轴19的花键轴上，上支撑轴承9安装在空心轴19的花键轴端上部，轴承端盖10用螺栓固定在壳体42上并夹紧顶部旋转装置上支撑轴承9。支撑块用螺栓固定在壳体42上，顶部旋转装置6上的 车式密封圈8固定在支撑块上。轴套44、下支撑轴承18依次安装在花键空心轴19上和旋转齿轮17的下端，下支撑轴承18安装在支架3的中间轴承座中，止推轴承20安装在花键空心轴19上，并用锁紧螺母21锁紧止推轴承20。止推轴承20安装在支架3的止推轴承座中，顶部旋转装置下车式密封圈用螺栓固定在支架3上。试验钻头32通过螺纹与空心轴19连接，鹅颈管7通过螺栓固定在壳体42上。
整个装置使用时，将安装在围压缸上的压力传感器36的压力值设定在45MPa，当围压缸内压力大于45MPa时，电磁阀37自动打开卸荷，当围压缸内压力小于45MPa时，电磁阀37自动关闭，通过压力传感器36和电磁阀37将围压缸内压力值稳定在45MPa左右，从而以模拟深层围压。
通过液压泵站为液压马达11提供压力油，液压马达11驱动空心轴19转动从而带动其上的试验钻头32旋转。向鹅颈管7注入带有钢粒的高速泥浆液，高速泥浆液通过试验钻头32的射流孔注入到缸筒1中，缸筒1内压力值上升，当缸筒1内压力达到45MPa时，通过液压泵站为三级液压缸43提供压力油，固定在底座2上的缸筒1受到三级液压缸43的推力，沿支架3缓慢向上举升，缸筒1内固定的岩石缸34中的岩石35受到从试验钻头32射流孔中喷射出的高速泥浆液的作用被缓慢切割，从而模拟深层粒子冲击钻井的全过程。
综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种粒子冲击钻井室内综合模拟装置，其特征在于，包括顶部旋转装置(6)、门型固定导轨架装置和液压缸(43)，所述门型固定导轨架装置包括支架(3)、围压缸(4)和支撑套(5)，所述围压缸(4)包括缸筒(1)和缸盖(30)，其中：
所述缸盖(30)安装在所述缸筒(1)顶部并与所述缸筒(1)之间形成密封，所述缸筒(1)的底面上固定安装有用于盛放岩石(35)的岩石缸(34)，所述岩石缸(34)上设置有岩石缸盖(33)，所述岩石缸盖(33)通过螺钉与所述缸筒(1)的内壁连接，所述岩石缸盖(33)的中部开有用于穿过试验钻头(32)的通孔；
所述支架(3)上竖直安装有导轨，所述缸筒(1)通过与所述导轨配合的滑块(27)安装在所述支架(3)上，所述液压缸(43)连接至所述缸筒(1)的底部，用于驱动所述缸筒(1)在所述导轨上滑动；
所述支撑套(5)的上端与所述支架(3)的顶部固定连接、下端穿过所述缸盖(30)并与所述缸盖(30)之间形成密封；
所述缸筒(1)上安装有电磁阀(37)和用于检测所述缸筒(1)内压力的压力传感器(36)，所述电磁阀(37)连接至所述压力传感器(36)，当所述压力传感器(36)检测到的压力大于预设值时所述电磁阀(37)打开泄压；
所述顶部旋转装置(6)包括壳体(42)、多个液压马达(11)和空心轴(19)，所述空心轴(19)的下端依次穿过所述壳体(42)、所述支架(3)的顶部和所述支撑套(5)后伸入所述缸筒(1)内，且所述空心轴(19)的下端安装有所述试验钻头(32)，所述空心轴(19)的上端与所述壳体(42)外部连通，多个所述液压马达(11)在所述壳体(42)上固定安装并在所述空心轴(19)的四周均匀布置，每个所述液压马达(11)均通过齿轮机构连接至所述空心轴(19)，用于驱动所述空心轴(19)转动进而带动所述试验钻头(32)转动。
2.根据权利要求1所述的粒子冲击钻井室内综合模拟装置，其特征在于，所述液压缸(43)为多级液压缸。
3.根据权利要求1所述的粒子冲击钻井室内综合模拟装置，其特征在于，所述缸筒(1)通过两个上下布置的所述滑块(27)安装在所述支架(3)上。
4.根据权利要求1所述的粒子冲击钻井室内综合模拟装置，其特征在于，所述液压马达(11)的数量为两个或三个。
5.根据权利要求1所述的粒子冲击钻井室内综合模拟装置，其特征在于，所述支撑套(5)与所述缸盖(30)之间通过车式密封圈(29)密封。
6.根据权利要求1所述的粒子冲击钻井室内综合模拟装置，其特征在于，所述空心轴(19)的上端连接有鹅颈管(7)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的粒子冲击钻井室内综合模拟装置，其特征在于，所述空心轴(19)分为上空心轴和下空心轴，所述上空心轴与所述下空心轴之间在所述支撑套(5)的上端处通过花键连接以传递扭矩。
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