CN109681113B - 一种高速磁力旋转的真三轴射流破岩装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速磁力旋转的真三轴射流破岩装置，主要由围压釜加压系统、强磁中心管控制系统与高压泵组成，所有测量及控制仪器均可实现远程控制与记录。该装置可模拟不同的X/Y水平方向地应力与Z方向静液柱压力，将真三轴围压加载与射流破岩有机结合在一起，且中心管可高速连续旋转，以解决现有射流破岩实验装置无法真实模拟钻井过程中井底岩石的受力状况与螺杆、涡轮等复合钻具井下高速旋转工况的问题，分析得到所受X/Y两个方向地应力和井筒内静液柱压力对射流破岩效率的影响规律，为明晰围压条件下不同物性岩心的射流破岩门限压力的变化规律与高压喷射钻井技术的应用提供一种室内研究手段。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气技术领域，特别涉及一种高速磁力旋转的真三轴射流破岩装置。
背景技术
随着传递到井底的水力能量大幅度提高，井底的水力能量有时并不只局限于净化井底，在上部井段和软—中硬地层，当射流的压力超过岩石的强度，将会起到明显的水力破岩作用，国内外石油钻井工程中的大量事实表明，在相同地层与设备、工艺参数条件下，水力喷射钻井比普通钻井速度提高一倍以上，且随着泵压与水功率的增加效果愈加明显。但是盲目增加水功率会导致泵压过高，设备能耗增加，提速不提效，也增加了设备运转负荷。同时，随着井深的增加，破岩门限压力逐渐提高，机械钻速逐渐降低，如何应用高压喷射钻井技术与机械联合破岩，提高喷嘴破岩水力能量，以提高机械钻速。在这种情况下，需要对不同物性参数岩石的门限压力进行研究，以达到拓宽高压喷射钻井技术的适用范围与更经济高效推广应用的目的。
由于井深、围压、地层岩性与射流破岩门限压力的匹配关系缺乏有效研究手段，不同物性参数岩石的破岩门限压力尚不明确。需利用模拟装置开展室内实验，研究不同射流压力对带围压条件下岩石破岩效率的影响规律，明晰高围压条件下不同物性岩石射流破岩门限压力的变化规律，从而为今后指导现场施工过程中排量、泵压等参数的优选提供依据，实现高压喷射钻井技术更经济、高效的推广应用。
但是，现有实验装置均无法真实模拟钻井过程中井底岩石的真实受力状况与螺杆、涡轮等复合钻具井下高速旋转的工况。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高速磁力旋转的真三轴射流破岩装置，该装置可模拟不同的X/Y水平方向地应力与Z方向静液柱压力，将真三轴围压加载与射流破岩有机结合在一起，且中心管可高速连续旋转，以解决现有射流破岩实验装置无法真实模拟钻井过程中井底岩石的受力状况与螺杆、涡轮等复合钻具井下高速旋转工况的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高速磁力旋转的真三轴射流破岩装置，包括围压釜加压系统、射流破岩系统和流体供给系统；
所述围压釜加压系统包括：围压釜本体和加压模块；所述加压模块能够为所述围压釜本体内的岩样加载应力；
所述射流破岩系统包括：喷嘴和旋转机构；所述旋转机构能够驱使所述喷嘴旋转；
所述流体供给系统提供的高压流体介质能够通过所述射流破岩系统作用于所述岩样。
优选的，所述射流破岩系统还包括中心管；所述中心管固定连接于所述喷嘴，所述旋转机构能够驱使所述中心管旋转。
优选的，所述旋转机构为磁力旋转机构。
优选的，所述旋转机构包括：外磁铁、内磁铁和直流电机；所述内磁铁安装于所述中心管外部，所述外磁铁安装于所述内磁铁外部；所述直流电机能够向所述外磁铁和所述内磁铁输出电流使两者形成相同磁极相斥旋转。
优选的，所述加压模块的数量为至少三个，能够为所述围压釜本体内的所述岩样加载方向和大小均不同的应力，且三个所述应力不在同一平面内。
优选的，所述加压模块包括X方向加压模块和Y方向加压模块，且其中至少一个为液压加压模块。
优选的，所述喷嘴与所述岩样之间的距离可调节。
优选的，所述射流破岩系统还包括用于控制所述中心管移动以调节所述喷嘴与所述岩样之间距离的伺服电机。
优选的，所述射流破岩系统还包括用于测量所述中心管移动距离的测距仪。
优选的，所述围压釜本体的侧面设有可拆卸的侧盖。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的高速磁力旋转的真三轴射流破岩装置，包括围压釜加压系统、强磁中心管控制系统和高压泵。该装置从围压釜侧面放入人造岩心，利用额定压力50MPa的高压泵将实验流体输送至注入头，流经中心管与中心管下端的喷嘴，喷射入围压釜中的模腔中，产生高压射流并在模腔内形成0～30MPa的围压，以模拟Z方向静液柱压力，围压釜底部设有电磁泄压阀，可通过调节电磁泄压阀出口压力来调节围压釜模腔内的围压；同时，伺服电机控制中心管上下移动，实现喷嘴喷距可调，调节范围0～150mm；直流电机为内外磁铁供电并产生磁性，内外磁铁采用相同磁极，由于磁场同性相斥，实现中心管与喷嘴连续旋转，转速调节范围0～500转/分，以模拟石油钻井的螺杆、涡轮等复合钻具井下高速旋转工况。此外，两个液压油缸分别从两个不同的水平方向注入高压液压油，推动活塞杆为液压推块加载0～45MPa压力，液压油缸提供的0～45MPa推力与围压釜模腔内形成的0～30MPa围压共同作用在人造岩心表面，实现X、Y方向0～75MPa不同水平应力的加载，可根据需要调节两个液压油缸的推力，以达到X与Y方向加载相同水平应力或不同水平应力的目的。该装置将真三轴围压加载与射流破岩有机结合在一起，以解决现有射流破岩实验装置无法真实模拟钻井过程中井底岩石的受力状况的问题，分析得到所受X/Y两个方向地应力和井筒内静液柱压力对射流破岩效率的影响规律，为高压喷射钻井技术的应用提供室内实验研究手段；此外，采用高强磁力传动机构，中心管转速调节范围0～500转/分，以真实模拟螺杆、涡轮等复合钻具井下高速旋转的工况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的真三轴射流破岩装置的轴向剖视结构示意图；
图2为本发明实施例提供的真三轴射流破岩装置的俯视结构示意图；
图3为常规的锥形喷嘴的半剖结构示意图；
图4为脉冲喷嘴的半剖结构示意图。
其中，1-支架，2-注入头，3-中心管，4-喷嘴，5-外磁铁，6-内磁铁，7-伺服电机，8-直流电机，9-测距仪，10-围压釜本体，11-侧盖，12-模腔，13-人造岩心，14-岩心夹持器，15-液压推块，16-活塞杆，17-液压油缸，18-泄压阀，19-高压泵。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种高速磁力旋转的真三轴射流破岩装置，主要包括围压釜加压系统、强磁中心管控制系统和高压泵。该装置利用高压泵将实验流体喷射入围压釜内的模腔中，产生高压射流并在模腔内形成围压，以模拟Z方向静液柱压力；中心管可上下移动，实现喷嘴喷距可调；采用高强磁力传动机构，确保中心管与喷嘴高速连续旋转，以模拟石油钻井的螺杆、涡轮等复合钻具井下高速旋转工况，且从围压釜侧面更换人造岩心方法更简便。同时，液压油缸分别从两个不同的水平方向推动活塞杆为液压推块加载压力，液压油缸提供的推力与静液柱压力共同作用在人造岩心表面，实现X、Y方向不同水平应力的加载。该装置将真三轴围压加载与射流破岩有机结合在一起，且中心管可高速连续旋转，以解决现有射流破岩实验装置无法真实模拟钻井过程中井底岩石的受力状况与螺杆、涡轮等复合钻具井下高速旋转工况的问题，分析得到所受X/Y两个方向地应力和井筒内静液柱压力对射流破岩效率的影响规律。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的高速磁力旋转的真三轴射流破岩装置，其核心改进点在于，包括围压釜加压系统、射流破岩系统和流体供给系统；
围压釜加压系统包括：围压釜本体10和加压模块；该围压釜本体10内具有模腔12用于容纳岩样，其结构可以参照图1所示；加压模块能够为围压釜本体10内的岩样加载应力；
射流破岩系统包括：喷嘴4和旋转机构；旋转机构能够驱使喷嘴4围绕其中心轴线旋转；
流体供给系统提供的高压流体介质能够通过射流破岩系统作用于岩样。
从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种高速磁力旋转的真三轴射流破岩装置，其喷嘴4可旋转，以解决现有射流破岩实验装置无法真实模拟钻井过程中螺杆、涡轮等复合钻具井下旋转工况的问题。
具体的，射流破岩系统还包括中心管3；该中心管3固定连接于喷嘴4，可以通过例如螺纹结构；旋转机构能够驱使中心管3旋转，进而带着喷嘴4旋转，其结构可以参照图1所示。鉴于喷嘴4位于围压釜本体10内的模腔12顶部，通过中心管3间接驱使中心管3转动的形式，便于旋转机构的空间布设。射流破岩系统还包括注入头2，该注入头2与中心管3相连；流体供给系统的高压泵19连接于注入头2，为喷嘴4与围压釜模腔12提供高压实验流体。
作为优选，旋转机构为磁力旋转机构，能够实现喷嘴4高速连续旋转。
在本实施例中，旋转机构包括：外磁铁5、内磁铁6和直流电机8，形成强磁中心管控制系统，其结构可以参照图1所示；内磁铁6安装于中心管3外部，外磁铁5安装于内磁铁6外部；直流电机8能够向外磁铁5和内磁铁6输出电流，外磁铁5和内磁铁6形成相同磁极，利用磁场同性相斥的原理，实现中心管3与喷嘴4的高速连续旋转，转速调节范围0～500转/分，以模拟石油钻井的螺杆、涡轮等复合钻具井下高速旋转工况。
作为优选，加压模块的数量为至少三个，能够为围压釜本体10内的岩样加载方向和大小均不同的应力，且三个应力不在同一平面内，模拟真三轴地应力加载。本方案将真三轴围压加载与射流破岩有机结合在一起，以解决现有射流破岩实验装置无法真实模拟钻井过程中井底岩石的真实受力状况，分析得到所受X/Y两个方向地应力和井筒内静液柱压力对射流破岩效率的影响规律，为高压喷射钻井技术的应用提供室内实验研究手段。
真三轴加压系统的三个加压模块可以采用三个能够独立加载应力的装置，比如三个液压机构。为了满足可在围压釜中放置或取出岩样的要求，作为优选，射流破岩系统和流体供给系统除了作为模拟高压射流破岩的设备外，同时还作为加压模块中的Z方向加压模块，通过高压流体介质在围压釜本体10的模腔12内形成围压以模拟Z方向静液柱压力。在此基础上，只需要再设计两个加压模块即可。通过上述方案，同时满足了Z方向加压与更换岩样的实验需求，也实现了本实验装置结构的精简。
为了进一步优化上述的技术方案，加压模块还包括设置于围压釜本体10的泄压阀18，具体可以为在其底部的电磁形式。通过调节电磁泄压阀18出口压力来调节围压釜模腔12内的围压。
除了前面的Z方向加压模块，三个加压模块中的另两个为X方向加压模块和Y方向加压模块，以模拟真三轴地应力加载，且其中至少一个为液压加压模块，结构简单可靠，可以参照图1所示。
具体的，液压加压模块包括：液压推块15、活塞杆16和液压油缸17；液压推块15与活塞杆16相连，液压推块15位于围压釜本体10内，活塞杆16位于液压油缸17内部，液压油缸17与液压站19通过高压管连接，由液压站19向液压油缸17提供液压油，液压油推动活塞杆16向液压推块15加压，使液压推块15向岩心夹持器14加压，X/Y方向可设置为不同的油压，从而实现X、Y两个方向围压的独立加载；如图2所示，两个液压油缸17的推力与围压釜模腔12内形成的Z方向静液柱压力相加，共同形成X、Y方向围压加载，与Z方向静液柱压力共同实现真三轴模拟围压加载。
为了进一步优化上述的技术方案，喷嘴4与岩样之间的距离可调节，以实现开展喷嘴不同喷距下射流破岩规律实验的目的。
作为优选，射流破岩系统还包括用于控制中心管3移动的伺服电机7。其结构可以参照图1所示，伺服电机7安装于支架1侧面，用于控制中心管3上下移动，以实现喷嘴4喷距的连续可调。
在本实施例中，射流破岩系统还包括用于测量中心管3移动距离的测距仪9。测距仪9安装于支架1上端的横梁处，用于测量中心管3的上下移动距离，以实时掌握喷距等数据，提高模拟实验结果的准确程度。
进一步的，围压釜本体10的侧面设有可拆卸的侧盖11，其结构可以参照图1所示。从围压釜侧面更换人造岩心13方法更简便。
下面结合具体实施例对本方案结构作进一步介绍：
如图1-图2所示，一种高速磁力旋转的真三轴射流破岩装置，包括围压釜加压系统、强磁中心管控制系统和高压泵。
所述的围压釜加压系统，包括围压釜本体10、侧盖11、模腔12、人造岩心13、岩心夹持器14、液压推块15、活塞杆16、液压油缸17和电磁泄压阀18等部件组成，围压釜本体10侧面设有侧盖11，通过螺栓与围压釜本体10固定，可通过拆卸侧盖11，从围压釜本体10的侧面更换人造岩心13，更换方式更为简便，围压釜本体10内具有正方体形状的模腔12，模腔12内部设有岩心夹持器14，岩心夹持器14上固定有人造岩心13，人造岩心13为正方体或圆柱体形状，岩心夹持器14可根据人造岩心13的具体形状进行配套更换，其水平方向的两侧各设有一个液压推块15，液压推块15与活塞杆16相连，活塞杆16位于液压油缸17内部，液压油缸17内油压范围0～45MPa，围压釜本体10底部设有电磁泄压阀18，围压范围0～30MPa。
所述的强磁中心管控制系统，包括支架1、注入头2、中心管3、喷嘴4、外磁铁5、内磁铁6、伺服电机7、直流电机8和测距仪9。支架1固定于围压釜本体10上方，支架1上端横梁处安装有注入头2，注入头2下方与中心管3相连，中心管3安装于注入头2与围压釜本体10之间，中心管3底部与喷嘴4通过螺纹连接，喷嘴4位于围压釜本体10内的模腔12顶部，喷嘴4结构可以是常规锥形、空化射流、自激震荡脉冲等各种类型(如图3、图4)，不局限于某一种结构类型；中心管3外部安装有内磁铁6，内磁铁6外部设有外磁铁5，外磁铁5和内磁铁6为相同磁极的高强磁铁；
作为优选，伺服电机7安装于支架1侧面，用于控制中心管3上下移动，以实现喷嘴4喷距的连续可调，调节范围0～150mm；测距仪9安装于支架1上端的横梁处，用于测量中心管3的上下移动距离，以实时掌握喷距等数据，提高模拟实验结果的准确程度；
优选的，直流电机8安装于注入头2正上方，向外磁铁5和内磁铁6输出电流，外磁铁5和内磁铁6形成相同磁极，利用磁场同性相斥的原理，实现中心管3与喷嘴4的高速连续旋转，转速调节范围0～500转/分，以模拟石油钻井的螺杆、涡轮等复合钻具井下高速旋转工况。
为了进一步优化上述的技术方案，强磁中心管控制系统的喷嘴4与人造岩心12之间的距离可调节，以实现开展喷嘴不同喷距下射流破岩规律实验的目的。
所述的高压泵19连接于注入头2上端的侧面入口处，为喷嘴4与围压釜模腔12提供高压实验流体，额定压力为50MPa。
下面结合具体工作方式对本方案作进一步介绍：
实施例1：
打开围压釜侧盖11，将某一物性参数的人造岩心13放入模腔12内的岩心夹持器14后，固定侧盖11，启动高压泵19、伺服电机7及液压油缸17，设置实验参数，待喷嘴4形成稳定射流后，将电磁泄压阀18压力设置为10MPa，围压釜模腔12内即形成10MPa静液柱压力，将X方向液压油缸17油压设置为9MPa，Y方向液压油缸17油压设置为8.5MPa，考虑围压釜模腔12内形成的10MPa静液柱压力，X方向围压为19MPa，Y方向围压为18.5MPa；上下移动中心管3，移动范围0～150mm，通过测距仪9可直观得到喷嘴4出口与人造岩心13上端面之间的距离，当达到最优喷距后调节直流电机8输出电流，为外磁铁5和内磁铁6供电，依据实验转速要求，调节电流大小以改变外磁铁5和内磁铁6的磁性强弱，实现中心管3与喷嘴4高速连续旋转，转速调节范围0～500转/分，开始射流破岩模拟实验，待满足实验规定时间后，关闭高压泵19、伺服电机7，退出液压推块15和活塞杆16，关闭液压油缸17，打开侧盖11，取出人造岩心13，测量人造岩心13破岩体积及深度，基于多组人造岩心13各种喷速实验，分析对比各喷速下的破岩效率，得到该条件下的射流破岩临界速度。
实施例2：
依据实施例1的操作步骤，调节电磁泄压阀18，将Z方向静液柱压力由10MPa增加到15MPa，X水平方向油压由9MPa增加到18MPa，Y水平方向油压由8.5MPa增加到17MPa后，考虑15MPa的静液柱压力，X方向围压为33MPa，Y方向围压为32MPa，重复实施例1操作步骤，待完成实验后，测量人造岩心13的破岩体积及深度，得到该围压条件下的射流破岩临界速度。
本实施例中的一种高速磁力旋转的真三轴射流破岩装置在使用时，利用高压泵19将实验流体输送至注入头2、中心管3，再由喷嘴4喷射入围压釜本体10内的模腔12中，产生高压射流并在模腔12内形成0～30MPa的围压，以模拟Z方向静液柱压力，围压釜本体10底部设有电磁泄压阀18，可通过调节电磁泄压阀18出口压力来调节围压釜模腔12内的围压；伺服电机7控制中心管3上下移动，以实现喷嘴4喷距0～150mm的连续可调；此外，利用直流电机8向外磁铁5和内磁铁6输出电流，调节电流大小改变外磁铁5和内磁铁6的磁性强弱，实现中心管3与喷嘴4转速0～500转/分的连续可调，以真实模拟螺杆、涡轮等复合钻具井下高速旋转的工况。同时，两个液压油缸17分别从两个不同的水平方向注入高压液压油，推动活塞杆16为液压推块15加载0～45MPa的压力，液压油缸17提供的0～45MPa推力与围压釜模腔12内形成的0～30MPa围压共同作用在人造岩心13表面，实现X、Y方向0～75MPa不同水平应力的加载。
综上所述，本发明实施例提供了一种磁力旋转的真三轴射流破岩装置，主要由围压釜加压系统、强磁中心管控制系统与高压泵组成，所有测量及控制仪器均可实现远程控制与记录。该装置可模拟不同的X/Y水平方向地应力与Z方向静液柱压力，将真三轴围压加载与射流破岩有机结合在一起，且中心管可高速连续旋转，以解决现有射流破岩实验装置无法真实模拟钻井过程中井底岩石的受力状况与螺杆、涡轮等复合钻具井下高速旋转工况的问题，分析得到所受X/Y两个方向地应力和井筒内静液柱压力对射流破岩效率的影响规律，为明晰围压条件下不同物性岩心的射流破岩门限压力的变化规律与高压喷射钻井技术的应用提供一种室内研究手段。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种高速磁力旋转的真三轴射流破岩装置，其特征在于，包括围压釜加压系统、射流破岩系统和流体供给系统；
所述围压釜加压系统包括：围压釜本体(10)和加压模块；所述加压模块能够为所述围压釜本体(10)内的岩样加载应力；所述加压模块的数量为至少三个，能够为所述围压釜本体(10)内的所述岩样加载方向和大小均不同的应力，且三个所述应力不在同一平面内；
所述射流破岩系统包括：喷嘴(4)和旋转机构；所述旋转机构能够驱使所述喷嘴(4)旋转；所述旋转机构为磁力旋转机构；
所述流体供给系统提供的高压流体介质能够通过所述射流破岩系统作用于所述岩样；
所述射流破岩系统和所述流体供给系统除了作为模拟高压射流破岩的设备外，同时还作为所述加压模块中的Z方向加压模块。
2.根据权利要求1所述的真三轴射流破岩装置，其特征在于，所述射流破岩系统还包括中心管(3)；所述中心管(3)固定连接于所述喷嘴(4)，所述旋转机构能够驱使所述中心管(3)旋转。
3.根据权利要求2所述的真三轴射流破岩装置，其特征在于，所述旋转机构包括：外磁铁(5)、内磁铁(6)和直流电机(8)；所述内磁铁(6)安装于所述中心管(3)外部，所述外磁铁(5)安装于所述内磁铁(6)外部；所述直流电机(8)能够向所述外磁铁(5)和所述内磁铁(6)输出电流使两者形成相同磁极相斥旋转。
4.根据权利要求1所述的真三轴射流破岩装置，其特征在于，所述加压模块包括X方向加压模块和Y方向加压模块，且其中至少一个为液压加压模块。
5.根据权利要求1所述的真三轴射流破岩装置，其特征在于，所述喷嘴(4)与所述岩样之间的距离可调节。
6.根据权利要求2所述的真三轴射流破岩装置，其特征在于，所述射流破岩系统还包括用于控制所述中心管(3)移动以调节所述喷嘴(4)与所述岩样之间距离的伺服电机(7)。
7.根据权利要求6所述的真三轴射流破岩装置，其特征在于，所述射流破岩系统还包括用于测量所述中心管(3)移动距离的测距仪(9)。
8.根据权利要求1所述的真三轴射流破岩装置，其特征在于，所述围压釜本体(10)的侧面设有可拆卸的侧盖(11)。
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