CN108381403B - 围压条件下磨料射流割缝试验台 - Google Patents

Abstract

一种围压条件下磨料射流割缝试验台。该试验台包括增压装置、供水装置、粒子储存装置、粒子注入装置和围压切割装置；所述增压装置包括高压泵和高压管道，所述粒子储存装置包括大水箱、小水泵、小水箱以及过滤网，所述螺旋推进器包括高压粒子储存罐、压力表以及高压软管，所述粒子注入装置包括管线和1号步进电机，所述围压切割装置包括高压密封外壳、切割头、导轨、滑块、丝杠、支撑架、O型密封圈、节流管线以及2号步进电机。该种试验台能够模拟磨料射流在海底井下的切割环境、能测得磨料射流击穿套管的时间和磨料射流速度之间的关系、同时也能对切割后套管的性能参数进行分析，为分析磨料射流在井下切割套管的切割情况及相关影响因素提供了可靠的实验装置。

Description

围压条件下磨料射流割缝试验台

技术领域：

本发明涉及天然气水合物开采领域中的一种试验装置，具体的是一种围压条件下磨料射流割缝实验台。

背景技术：

磨料射流技术是一项新兴的加工技术，目前已成功应用在多个领域，在石油和天然气水合物开采过程中需要用磨料射流切割套管，同时切割地层，从而实现了石油和天然气水合物与套管的联通，通过后续工序便可实现资源的开采。由于天然气水合物是埋藏在海底地层，磨料射流切割套管也是在海底地层中完成的，所以磨料射流在海底压力影响的情况下何时能将套管击穿、击穿之后切割地层的距离、以及切割后套管工艺参数和力学性能的变化都是未知的，目前，磨料射流技术的理论和实验大多都是在无围压的条件下进行的，所以其很难用于分析上述的切割情况，通过查询磨料射流破岩和射流切割其他材料的文章可以知道，压力、射流速度、靶距、粒子浓度、喷嘴形状、粒子直径、喷嘴的直径以及围压等因素都会影响磨料射流的切割效果。所以，影响磨料射流切割效果的因素众多，单一的实验很难应用于其他情况，仅能作为参考而已，不同切割情况应有相应的实验和理论进行说明解释。

发明内容：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种围压条件下磨料射流割缝试验台。该试验台可以模拟磨料射流在海底切割套管的各种情况，通过实验可以知道，磨料射流的参数，如压力、射流速度、粒子浓度、喷嘴直径、粒子直径和靶距在围压条件下与磨料射流击穿套管的时间之间的关系，同时也可以对切割后的套管进行工艺参数和力学性能分析。总体来说，本发明可以为模拟磨料射流在海底切割套管的实验研究提供一个可靠的实验装置。

本发明的技术方案是：该包括增压装置、供水装置、粒子储存装置、粒子注入装置和围压切割装置；

所述的增压装置包括高压泵、1号管线和抽水管；高压泵的入水口通过抽水管和大水箱进行连接，高压泵的出水口通过1号管线和4号管线进行连接；

所述的供水装置包括大水箱、小水箱、过滤层、小水泵、2号管线和3号管线，小水箱用于接收切割装置出水口的混合液体，过滤层安装在小水箱当中，用于过滤混合液体中的磨料，小水泵与2号管线和3号管线相连接，用于将小水箱中经过过滤的水抽到大水箱之中；

所述的粒子储存装置包括高压软管、1号压力表、粒子储存罐、1号开关、2号开关和固定架；其中，粒子储存罐放在固定架之中，并通过高压软管和4号管线相连接，以使得高压泵中的高压水流进入粒子储存罐，保证粒子储存罐中的压力；1号压力表与4号管线相连接，用以检测管线中的压力；1号开关安装在高压软管和粒子储存罐的连接处，用于控制高压水流进入粒子储存罐，2号开关安装在粒子储存罐的出口处，用于控制粒子进入水射流形成磨料射流；粒子储存罐的出口和螺旋推进器的入口相连接，以保证粒子可以进入所述粒子注入装置；

所述的粒子注入装置包括螺旋推进器、1号步进电机、固定底架和变速器；其中，螺旋推进器、1号步进电机以及变速器都固定在固定底架上，固定底架固定在底座上；螺旋推进器和1号步进电机通过变速器连接，以使得电机转动时便可带动螺旋推进器进行转动，螺旋推进器的入口和粒子储存罐的出口相连接，螺旋推进器的出口与5号管线相连接，而5号管线又与4号管线和入水管相连接，以使得混合后的磨料射流能够进入围压切割装置；

所述的围压切割装置包括围压壳、左端盖、右端盖、2号步进电机、丝杠、固定板、上支架、下支架、固定圈、导轨、滑块、电机固定架、密封圈、密封盖、切割头、丝杠扣、套管、固定底板、内置压力表、压力表挡板、节流管线、2号压力表、入水管和出水管；其中，导轨和滑块的截面形状均为燕尾槽形状，滑块为细长方体；需要割缝的套管是通过两个固定圈固定在固定板上，固定板又与两个滑块通过螺纹连接，而滑块与两条导轨配合使用，两条导轨通过螺纹固定在下支架上，而下支架又与上支架通过螺纹连接；下支架和上支架的末端均是与围压壳直接接触，以使得防止套管在磨料射流的冲击作用下发生偏移运动；围压壳的左端通过密封圈和左端盖用螺栓进行密封，围压壳的右端通过密封圈和右端盖用螺栓进行密封连接，右端盖上安装着2号压力表，用以检测实验时围压的大小，同时围压壳通过螺栓固定在固定底板上；内置压力表和压力表挡板安装在围压壳的内侧，和切割头相对应；压力表挡板放置在内置压力表的前方，并与内置压力表相互接触，所述内置压力表用于检测磨料射流击穿套管之后水流到达内置压力表处的冲击压力以及给2号步进电机提供转动的脉冲信号；压力表挡板前后用销钉进行固定。

下支架的左端开有一个小孔，而左端盖上也开有一相同的小孔，两孔通过销钉联结，以防止两支架在围压壳内发生转动；2号步进电机和丝杠连在一起，同时用密封盖盒密封材料进行密封，丝杠扣和固定板焊接在一起，丝杠和丝杠扣配合连接，当2号步进电机带动丝杠进行转动时，固定板会带着需要割缝的套管在轴向方向进行移动；切割头固定在右端盖上，通过连接扣与入水管相连接，出水管通过连接扣与右端盖上的出水口相连接；出水管通过节流管线和6号管线与小水箱进行连接；所述节流管线的内径小于本装置中的其他管线的内径。

本发明具有如下有益效果：本围压条件下磨料射流割缝试验台包括增压装置、供水装置、粒子储存装置、粒子注入装置和围压切割装置，其中增压装置主要由高压泵组成，通过调节可以为实验提供不同的压力，从而可以进行不同压力下的切割实验，得到不同压力条件下的切割情况；供水装置主要由大水箱、小水泵和小水箱组成，可以为实验提供充足的水源，同时通过小水箱的过滤层，可以将使用过的混合液体进行过滤，然后用小水泵抽到大水箱之中，从而实现了水资源的循环使用；粒子注入装置实现了粒子和水的前混合模式，可以使粒子和水均匀混合，使粒子有足够的加速时间；围压切割装置可以为磨料射流切割提供一个模拟海底切割环境的围压条件，使得切割效果更加接近于现场切割，而且切割装置还可以实现套管和刀具之间的相对运动，从而可以完成割缝的实验任务，最后，当切割实验完成之后，可以将套管取出，对其工艺参数和力学性能进行分析。该试验台不仅能提供围压从而模拟海底切割环境，同时还可以调节实验参数，便于模拟和分析磨料射流在海底切割套管的情况。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图正视图。

图2是本发明结构示意图俯视图。

图3是本发明结构示意图后视图。

图4是本发明结构示意图右视图。

图5是本发明结构示意图斜视图。

图6是围压切割装置结构示意图正视图。

图7是围压切割装置纵向剖视图。

图8是围压切割装置横向剖视图。

图9是节流管线剖面图。

图中1-高压泵、2-1号管线、3-大水箱、4-小水箱、5-小水泵、6-抽水管、7-高压软管、8-4号管线、9-1号压力表、10-粒子储存罐、11-固定架、12-螺旋推进器、13-5号管线、14-1号开关、15-2号开关、16-过滤层、17-1号步进电机、18-水箱底座、19-入水管、20-出水管、21-固定底架、22-变速器、23-固定底座、24-2号管线、25-3号管线、26-围压壳、27-左端盖、28-右端盖、29-2号步进电机、30-丝杠、31-固定板、32-上支架、33-下支架、34-固定圈、35-导轨、36-滑块、37-电机固定架、38-密封圈、39-密封盖、40-切割头、41-丝杠扣、42-6号管线、43出水口、44-入水口、45-固定底板、46-套管、47-压力表挡板、48-内置压力表、49-节流管线、50-2号压力表。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：这些附图均为简化的示意图仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

该围压条件下磨料射流割缝试验台，包括增压装置、供水装置、粒子储存装置、粒子注入装置和围压切割装置。

所述的增压装置包括高压泵1、1号管线2和抽水管6，高压泵1的入水口通过抽水管6和大水箱3进行连接，高压泵1的出水口和1号管线2进行连接，水流经过高压泵1增压之后进入1号管线2。

所述的供水装置包括大水箱3、小水箱4、过滤层16、小水泵5、2号管线24和3号管线25，如图1、2、3所示，大水箱的作用主要是为水射流提供水资源，小水箱的作用主要是接收切割装置出水口43的混合液体，过滤层16安装在小水箱4当中，其作用是过滤混合液体中的磨料，小水泵5与2号管线24和3号管线25相连接，其作用是将小水箱4中经过滤的水抽到大水箱3之中，从而可以实现水资源的循环利用。大水箱3和小水箱4并列安装在水箱底座18上，以便于移动和摆放。

所述的粒子储存装置包括高压软管7、压力表9、粒子储存罐10和固定架11，如图3和图4所示，粒子储存罐10放在固定架11之中，并通过高压软管7和4号管线8相连接，从而高压泵1中的高压水流便可进入粒子储存罐10，保证了粒子储存罐中的压力和粒子注入口的压力相同，以避免粒子在注入过程中出现粒子倒流的现象。压力表9与4号管线8相连接，用以检测管线中的压力，粒子储存罐10的出口和螺旋推进器12的入口相连接，从而保证了粒子可以正常进入粒子注入装置。

所述的粒子注入装置包括螺旋推进器12、1号步进电机17、固定底架21和变速器22，如图4所示，螺旋推进器12、1号步进电机17以及变速器22都固定在固定底架21上，而固定底架21又固定在底座23上。螺旋推进器12和1号步进电机17通过变速器22连接，从而电机便可带动螺旋推进器12进行转动，螺旋推进器12的入口和粒子储存罐10的出口相连接，其出口与5号管线13相连接，而5号管线13又与4号管线8和入水管19相连接，从而可以保证混合后的磨料射流能够进入围压切割装置。

所述的围压切割装置包括围压壳26、左端盖27、右端盖28、2号步进电机29、丝杠30、固定板31、上支架32、下支架33、固定圈34、导轨35、滑块36、电机固定架37、密封圈38、密封盖39、切割头40、丝杠扣41、套管46、固定底板45、内置压力表47、压力表挡板48、节流管线49、2号压力表50、入水管19和出水管20。如图6、图7、图8所示，需要割缝的套管是通过两个固定圈34固定在固定板31上，固定板31又与四个滑块36通过螺纹连接，而滑块36与两条导轨35配合使用，两条导轨35通过螺纹固定在下支架33上，而下支架33又与上支架32通过螺纹连接。由于两支架末端是与围压壳26直接接触的，从而可以防止套管在磨料射流的冲击作用下发生偏移运动。围压壳26的左端是通过密封圈38和左端盖27用螺栓进行密封的，右端是通过密封圈38和右端盖28用螺栓进行密封连接的，右端盖28上安装着2号压力表50，用以检测实验时围压的大小，同时围压壳26通过螺栓固定在固定底板45上。为了防止两支架在围压壳26内发生转动，下支架33的左端会有一个小孔，而左端盖27上也会有一相同的小孔，两孔通过销钉联结，从而可以防止支架发生转动。2号步进电机29和丝杠30连在一起，同时用密封盖39密封材料进行密封，而丝杠扣41又和固定板31焊接在一起，丝杠30和丝杠扣41配合连接，当2号步进电机29带动丝杠30进行转动时，固定板31会带着需要割缝的套管在轴向方向进行移动，由于切割头40是固定在右端盖28上，并通过连接扣与入水管19相连接，出水管20同样是通过连接扣与右端盖28上的出水口相连接的，而出水管20又通过节流管线49和6号管线42与小水箱4进行连接，从而将用过的混合液体送到小水箱进行过滤，实现了水资源的循环使用。当磨料射流将套管击穿之后，2号步进电机29便可进行转动，从而带动套管在轴向方向进行移动，最后便可完成割缝任务。

导轨滑块装置是由燕尾槽状的导轨35和燕尾槽状的滑块36组成的，由于在实验过程中，滑块36以及其上面固定的所有零件都需要多次拆装，所以将其截面设计为燕尾槽形状，从而使得导轨35和滑块36的安装变得准确、简单。由于在实验过程中，高压射流对套管46有很强的冲击作用，在该作用下，套管46会受到一个很强的偏移力，为了防止套管发生偏移运动，导轨和滑块的设计应能承受很强的力，所以本发明涉及的滑块是长条状的，这不同于传统的滚珠滑块和滚轮滑块，其目的是为了增大导轨和滑块的接触面积，从而提高导轨和滑块相互配合之后承受偏移力的能力。

内置压力表47和压力表挡板48是安装在围压壳26的内侧，和切割头40相对应，内置压力表47的作用是为了检测磨料射流击穿套管46之后，水流到达内置压力表47处的冲击压力，如图8所示，为了防止内置压力表47被磨料射流所冲坏，需要将压力表挡板48放置在内置压力表47的前方，并相互接触，使得高压射流只能冲击压力表挡板48，同时压力表挡板48前后用销钉进行固定，以防止其在高压水流的冲击作用下发生错位和偏移。压力表挡板48在高压水流的冲击作用下会挤压内置压力表47，从而内置压力表47便能测得此时的压力，然后通过计算便能测得此时高压水流的冲击力。内置压力表47的另一个作用是为了给2号步进电机29提供转动的脉冲信号，当内置压力表检测到冲击力时，说明此时套管46已被击穿。此时，便可发送信号让2号步进电机29进行转动，从而带动套管46进行移动，如此循环直至实验完成。

节流管线49，其目的是通过流体在小截面管道中流动会形成很高的压力损失的原理来实现围压壳26中的围压条件的。如图9所示，节流管线49的内径明显远小于其他管线，主要是因为流体在管道中流动时，在流量不变的情况下，管径越小，所造成的压力损失就越大，通过所需要的围压压力和其他条件，便能设计出相应的管径和长度。

本发明的实验过程如下：试验台各部分连接完成之后，需要将套管46用固定圈34固定在固定板31上，然后让滑块36和导轨35进行配合连接，同时固定板31上的丝杠扣41和丝杠30进行配合连接，将套管放到围压装置之后，将左端盖27、密封圈38和围压壳26用螺栓进行密封连接。上述工作完成之后，便可关上粒子储存装置中的2号开关，当压力表达到实验所需压力稳定值之后才能打开2号开关，让粒子进入水射，均匀混合加速之后，便是实验所需的磨料射流。实验过程中可以通过调节高压泵1来改变实验压力值，通过调节1号步进电机17来调节粒子浓度，通过调节2号步进电机29可以调节套管和切割头之间相对运动的速度。同时，实验过程中，粒子的直径、喷嘴的直径、以及围压都是可以改变的，从而可以保证该实验装置能进行多参数可控的模拟切割实验。

Claims (1)

1.一种围压条件下磨料射流割缝试验台，包括增压装置、供水装置、粒子储存装置、粒子注入装置和围压切割装置；

所述的增压装置包括高压泵（1）、1号管线（2）和抽水管（6）；高压泵（1）的入水口通过抽水管（6）和大水箱（3）进行连接，高压泵（1）的出水口通过1号管线（2）和4号管线（8）进行连接；

所述的供水装置包括大水箱（3）、小水箱（4）、过滤层（16）、小水泵（5）、2号管线（24）和3号管线（25），小水箱（4）用于接收切割装置出水口（43）的混合液体，过滤层（16）安装在小水箱（4）当中，用于过滤混合液体中的磨料，小水泵（5）与2号管线（24）和3号管线（25）相连接，用于将小水箱（4）中经过过滤的水抽到大水箱（3）之中；

所述的粒子储存装置包括高压软管（7）、1号压力表（9）、粒子储存罐（10）、1号开关（14）、2号开关（15）和固定架（11）；其中，粒子储存罐（10）放在固定架（11）之中，并通过高压软管（7）和4号管线（8）相连接，以使得高压泵（1）中的高压水流进入粒子储存罐（10），保证粒子储存罐中（10）的压力；1号压力表（9）与4号管线（8）相连接，用以检测管线中的压力；1号开关（14）安装在高压软管（7）和粒子储存罐（10）的连接处，用于控制高压水流进入粒子储存罐（10），2号开关（15）安装在粒子储存罐（10）的出口处，用于控制粒子进入水射流形成磨料射流；粒子储存罐（10）的出口和螺旋推进器（12）的入口相连接，以保证粒子可以进入所述粒子注入装置；

所述的粒子注入装置包括螺旋推进器（12）、1号步进电机（17）、固定底架（21）和变速器（22）；其中，螺旋推进器（12）、1号步进电机（17）以及变速器（22）都固定在固定底架（21）上，固定底架（21）固定在底座（23）上；螺旋推进器（12）和1号步进电机（17）通过变速器（22）连接，以使得电机转动时便可带动螺旋推进器（12）进行转动，螺旋推进器（12）的入口和粒子储存罐（10）的出口相连接，螺旋推进器（12）的出口与5号管线（13）相连接，而5号管线（13）又与4号管线（8）和入水管（19）相连接，以使得混合后的磨料射流能够进入围压切割装置；

所述的围压切割装置包括围压壳（26）、左端盖（27）、右端盖（28）、2号步进电机（29）、丝杠（30）、固定板（31）、上支架（32）、下支架（33）、固定圈（34）、导轨（35）、滑块（36）、电机固定架（37）、密封圈（38）、密封盖（39）、切割头（40）、丝杠扣（41）、套管（46）、固定底板（45）、内置压力表（47）、压力表挡板（48）、节流管线（49）、2号压力表（50）、入水管（19）和出水管（20）；其中，导轨（35）和滑块（36）的截面形状均为燕尾槽形状，滑块（36）为细长方体；需要割缝的套管（46）是通过两个固定圈（34）固定在固定板（31）上，固定板（31）又与两个滑块（36）通过螺纹连接，而滑块（36）与两条导轨（35）配合使用，两条导轨（35）通过螺纹固定在下支架（33）上，而下支架（33）又与上支架（32）通过螺纹连接；下支架（33）和上支架（32）的末端均是与围压壳（26）直接接触，以防止套管在磨料射流的冲击作用下发生偏移运动；围压壳（26）的左端通过密封圈（38）和左端盖（27）用螺栓进行密封，围压壳（26）的右端通过密封圈（38）和右端盖（28）用螺栓进行密封连接，右端盖（28）上安装着2号压力表（50），用以检测实验时围压的大小，同时围压壳（26）通过螺栓固定在固定底板（45）上；内置压力表（47）和压力表挡板（48）安装在围压壳（26）的内侧，和切割头（40）相对应；压力表挡板（48）放置在内置压力表（47）的前方，并与内置压力表（47）相互接触，所述内置压力表用于检测磨料射流击穿套管（46）之后水流到达内置压力表（47）处的冲击压力以及给2号步进电机（29）提供转动的脉冲信号；压力表挡板（48）前后用销钉进行固定；

下支架（33）的左端开有一个小孔，而左端盖（27）上也开有一相同的小孔，两孔通过销钉联结，以防止两支架在围压壳（26）内发生转动；2号步进电机（29）和丝杠（30）连在一起，同时用密封盖（39）盒密封材料进行密封，丝杠扣（41）和固定板（31）焊接在一起，丝杠（30）和丝杠扣（41）配合连接，当2号步进电机（29）带动丝杠（30）进行转动时，固定板（31）会带着需要割缝的套管在轴向方向进行移动；切割头（40）固定在右端盖（28）上，通过连接扣与入水管（19）相连接，出水管（20）通过连接扣与右端盖（28）上的出水口相连接；出水管（20）通过节流管线（49）和6号管线（42）与小水箱（4）进行连接；所述节流管线（49）的内径小于本装置中的其他管线的内径。