CN113927485B - 一种磨料水射流锻铣套管实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨料水射流锻铣套管实验装置，属于修井领域。该装置中，驱动组件与传动杆的第一端连接，用于驱动传动杆沿轴向方向直线运动以及沿径向方向转动；传动杆的第二端密封穿过反应釜的第一端并伸入至反应釜内部与连接件固定连接，连接件还与待锻铣套管固定连接；水力射流泵、射流管、射流喷嘴顺次连接，且射流管密封穿过反应釜的第二端并进入待锻铣套管内部，射流喷嘴位于待锻铣套管内部；磨料罐与射流管位于反应釜外部的部分连接并导通；压力计和安全阀组件均位于反应釜的侧壁上，压力计用于测量反应釜的内部压力；出料组件与反应釜的侧壁底部连接并导通。该装置能够模拟磨料水射流在复杂的井下环境下的锻铣工况。

Description

一种磨料水射流锻铣套管实验装置

技术领域

本发明涉及修井领域，特别涉及一种磨料水射流锻铣套管实验装置。

背景技术

对于高压、高含硫风险井段等油层套管固井质量不合格的井段，通常采用段铣封堵或射孔补注封堵方式，以重新建立套管环空，同时有效解决气井停产后环空带压的技术难题。

相关技术中，采用磨料水射流切割技术来锻铣套管，磨料水射流切割技术指的是，将一定粒度的磨料(石英砂、石榴石、碳化硅等)混合到高压水射流中，利用高速磨料的硬度和动能冲蚀靶件表面，以对靶材进行安全有效地切割。在现场应用时，需模拟真实井内套管环境，用磨料水射流方式对套管进行锻铣，同时对切割参数进行优选评价，以便于为该技术的现场应用提供技术支撑。

在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

在井下环境较复杂的情形下，目前并没有适用的磨料水射流锻铣套管实验装置来模拟该复杂的井下环境。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种磨料水射流锻铣套管实验装置，可以解决上述技术问题。

具体而言，包括以下的技术方案：

一种磨料水射流锻铣套管实验装置，所述实验装置包括：驱动组件、传动杆、反应釜、连接件、磨料罐、水力射流泵、射流管、射流喷嘴、压力计、安全阀组件、出料组件；

所述驱动组件与所述传动杆的第一端连接，用于驱动所述传动杆沿轴向方向直线运动以及沿径向方向转动；

所述传动杆的第二端密封穿过所述反应釜的第一端并伸入至所述反应釜内部与所述连接件固定连接，所述连接件还与待锻铣套管固定连接；

所述水力射流泵、所述射流管、所述射流喷嘴顺次连接，且所述射流管密封穿过所述反应釜的第二端并进入所述待锻铣套管内部，所述射流喷嘴位于所述待锻铣套管内部；

所述磨料罐与所述射流管位于所述反应釜外部的部分连接并导通；

所述压力计和所述安全阀组件均位于所述反应釜的侧壁上，并且，所述压力计用于测量所述反应釜的内部压力；

所述出料组件与所述反应釜的侧壁底部连接并导通。

在一种可能的实现方式中，所述射流喷嘴与所述射流管之间的连接处具有高度可调的垫片，所述垫片用于调节所述射流喷嘴与所述待锻铣套管的内壁之间的距离。

在一种可能的实现方式中，所述反应釜的内侧壁底部上具有保护垫块，所述保护垫块用于防止磨料水射流损伤所述反应釜的内侧壁底部。

在一种可能的实现方式中，所述保护垫块为弧形块体，所述弧形块体与所述反应釜的内侧壁相适配，以座于所述反应釜的内侧壁底部。

在一种可能的实现方式中，所述反应釜的侧壁上设置有观察窗，所述观察窗与所述反应釜的侧壁密封连接。

在一种可能的实现方式中，所述驱动组件包括：第一驱动电机、卡块、传送带、第二驱动电机；

所述第一驱动电机的外壳与所述卡块连接，所述第一驱动电机的输出轴与所述传动杆的第一端同轴连接；

所述卡块固定设置于所述传送带上；

所述第二驱动电机用于驱动所述传送带进行传动作业。

在一种可能的实现方式中，所述安全阀组件包括：排气管、排气阀和安全阀；

所述排气管的上端封闭，下端与所述反应釜的侧壁连接，以使所述排气管与所述反应釜的内腔连通；

所述排气阀和所述安全阀均与所述排气管连接并导通。

在一种可能的实现方式中，所述出料组件包括：出料管、截止阀、磨料过滤件；

所述出料管的上端与所述反应釜的侧壁底部连接并导通；

所述截止阀与所述出料管的管壁连接并导通；

所述磨料过滤件与所述出料管的下端连接并导通。

在一种可能的实现方式中，所述磨料水射流锻铣套管实验装置还包括：第一堵头、密封端盖；

所述第一堵头与所述反应釜的第一端密封连接；

所述第一堵头的中部开设有安装孔，所述密封端盖与所述安装孔密封连接；

所述密封端盖上设置有用于使所述传动杆动密封地穿过的第一过孔。

在一种可能的实现方式中，所述磨料水射流锻铣套管实验装置还包括：第二堵头；

所述第二堵头与所述反应釜的第二端密封连接；

所述第二堵头上设置有用于使所述射流管密封穿过的第二过孔。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的磨料水射流锻铣套管实验装置，通过设置驱动组件来驱动反应釜沿轴线方向直线运动以及沿径向方向转动，同时通过设置反应釜来形成一封闭式空腔以用于提供围压，并配合压力计实时获取其内部压力，配合安全阀组件进行安全排气作业，这样使得该磨料水射流锻铣套管实验装置能够模拟磨料水射流在井内淹没、高压复杂情况下(即，能够模拟复杂的井下环境)，喷嘴在井筒内移动及旋转来锻铣套管的工况，实现了对真实井筒压力的准确模拟，以及对真实锻铣工况的准确模拟。如此，不仅能够用来评价磨料水射流切割套管的效果，且利于获得更精确的套管切割参数，为磨料水射流切割套管在现场应用提供技术支撑，利于提高现场工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一示例性磨料水射流锻铣套管实验装置的结构示意图。

其中，图1中，反应釜设置成透视状，以便于更直观地观察其内部各部件的结构及布置关系。

附图标记分别表示：

1-驱动组件，

11-第一驱动电机，

12-卡块，

13-传送带，

2-传动杆，

3-反应釜，

4-连接件，

5-磨料罐，

6-水力射流泵，

7-射流管，

8-射流喷嘴，

9-压力计，

10-安全阀组件，

101-排气管，

102-排气阀，

103-安全阀，

110-出料组件，

111-出料管，

112-截止阀，

113-磨料过滤件，

12-保护垫块，

13-观察窗，

14-第一堵头，

15-密封端盖，

16-第二堵头。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种磨料水射流锻铣套管实验装置，如附图1所示，该实验装置包括：驱动组件1、传动杆2、反应釜3、连接件4、磨料罐5、水力射流泵6、射流管7、射流喷嘴8、压力计9、安全阀组件10、出料组件110。

其中，驱动组件1与传动杆2的第一端连接，用于驱动传动杆2沿轴向方向直线运动以及沿径向方向转动；

传动杆2的第二端密封穿过反应釜3的第一端并伸入至反应釜3内部与连接件4固定连接，连接件4还与待锻铣套管M固定连接；

水力射流泵6、射流管7、射流喷嘴8顺次连接，且射流管7密封穿过反应釜3的第二端并进入待锻铣套管M内部，射流喷嘴8位于待锻铣套管M内部；

磨料罐5与射流管7位于反应釜3外部的部分连接并导通；

压力计9和安全阀组件10均位于反应釜3的侧壁上，并且，压力计9用于测量反应釜3的内部压力；

出料组件110与反应釜3的侧壁底部连接并导通。

以下就本发明实施例提供的磨料水射流锻铣套管实验装置的工作原理进行描述：

在进行磨料水射流锻铣之前，通过水力射流泵6向反应釜3内注入清水，利用安全阀组件10排除反应釜3内部的空气，关闭安全阀组件10使反应釜3内部保持密封。待压力计9显示反应釜3内部压力达到实验设定值时，关闭水力射流泵6，静置一段时间观察反应釜3内部的压力变化情况，以确定该磨料水射流锻铣套管实验装置密封良好，即未泄露。

在保持反应釜3内部压力恒定的情况下，启动驱动组件1，使其驱动传动杆2沿轴向方向直线运动以及沿径向方向转动，进而带动反应釜3沿轴线方向直线运动以及沿径向方向转动。与此同时，开启水力射流泵6和磨料罐5，磨料和高速水流混合形成磨料水射流，磨料水射流由射流管7输送至射流喷嘴8，由射流喷嘴8喷出的磨料水射流对待锻铣套管M进行锻铣作业。

在锻铣作业过程中，待锻铣套管M可以往复直线运动和旋转运动，这样，磨料水射流能够对对待锻铣套管M进行动态锻铣实验。

锻铣实验完毕之后，关闭水力射流泵6、磨料罐5以及驱动组件1，利用出料组件110来排出反应釜3内部留存的水和磨料，对反应釜3进行清洗后即可进行下一轮实验。

可见，本发明实施例提供的磨料水射流锻铣套管实验装置，通过设置驱动组件1来驱动反应釜3沿轴线方向直线运动以及沿径向方向转动，同时通过设置反应釜3来形成一封闭式空腔用于提供围压，并配合压力计9实时获取其内部压力，配合安全阀组件10进行安全排气作业，这样使得该磨料水射流锻铣套管实验装置能够模拟磨料水射流在井内淹没、高压复杂情况下(即，围压条件下)，喷嘴在井筒内移动及旋转来锻铣套管的工况，实现了对真实井筒压力的准确模拟，以及对真实锻铣工况的准确模拟。如此，不仅能够用来评价磨料水射流切割套管的效果，且利于获得更精确的套管切割参数，为磨料水射流切割套管在现场应用提供技术支撑，利于提高现场工作效率。

以下就本发明实施例提供的磨料水射流锻铣套管实验装置中涉及的各部件的结构及作用分别进行阐述：

对于反应釜3

反应釜3用来提供围压环境，为了便于待锻铣套管M在其内部的安装及更换，本发明实施例中，使反应釜3的第一端和第二端均为开放式的。

进一步地，如附图1所示，本发明实施例提供的磨料水射流锻铣套管实验装置还包括：第一堵头14和密封端盖15。其中，第一堵头14与反应釜3的第一端密封连接；第一堵头14的中部开设有安装孔，密封端盖15与安装孔密封连接；密封端盖15上设置有用于使传动杆2动密封地穿过的第一过孔。

待锻铣套管M置于反应釜3内部之后，利用第一堵头14封堵反应釜3的第一端。

由于传动杆2可轴向移动并且可转动，为了便于对传动杆2因为活动造成的磨损部件进行及时更换，本发明实施例中，在第一堵头14的中部开设安装孔，使密封端盖15与安装孔密封连接。密封端盖15上设置有第一过孔，传动杆2动密封地穿过该第一过孔。这样，传动杆2反复运动后，对密封端盖15造成磨损，此时仅仅更换新的密封端盖15即可，如此，不仅减少了更换作业时的工作量，而且还利于节省成本。

本发明实施例中，可以使第一堵头14与反应釜3的第一端螺纹连接，并且两者的连接处可以设置密封垫片，以提高两者的密封性。

密封端盖15与第一堵头14的安装孔螺纹连接，并且两者的连接处可以设置密封垫片，以提高两者之间的密封性。

进一步地，如附图1所示，本发明实施例提供的磨料水射流锻铣套管实验装置还包括：第二堵头16，其中，第二堵头16与反应釜3的第二端密封连接；第二堵头16上设置有用于使射流管7密封穿过的第二过孔。

应用时，使射流管7密封穿过第二堵头16上的第二过孔，并在射流管7的端部安装射流喷嘴8，将部分射流管7及射流喷嘴8置于待锻铣套管M内待锻铣位置处，然后使第二堵头16与反应釜3的第二端密封连接即可。

本发明实施例中，可以使第二堵头16与反应釜3的第二端螺纹连接，并且两者的连接处可以设置密封垫片，以提高两者的密封性。

通过上述堵头密封后，期望反应釜3可以承受的压力至少为70MPa。

在一种可能的实现方式中，反应釜3的内侧壁底部上具有保护垫块12，保护垫块12用于防止磨料水射流损伤反应釜3的内侧壁底部。

通过在反应釜3的内侧壁底部设置保护垫块12，这样，在磨料水射流锻铣套管时，磨料水射流会随之洒在保护垫块12上，而不会与反应釜3的内壁直接接触，进而达到保护反应釜3内壁，防止其被磨料水射流损伤的目的。

由于磨料水射流仅仅会影响反应釜3的底部，所以将保护垫块12置于反应釜3的内侧壁底部即可。

在一种可能的实现方式中，保护垫块12为弧形块体，弧形块体与反应釜3的内侧壁相适配，以座于反应釜3的内侧壁底部。

通过将保护垫块12设置成与反应釜3内侧壁相适配的弧形块体，两者紧密贴合，利用反应釜3的内侧壁的弧度来对保护垫块12进行限位，即可实现保护垫块12在反应釜3内部的稳定及容易的安装。

在一种可能的实现方式中，保护垫块12的材质为铁。

进一步地，对于本发明实施例提供的磨料水射流锻铣套管实验装置，如附图1所示，反应釜3的侧壁上设置有观察窗13，观察窗13与反应釜3的侧壁密封连接。

在对待锻铣套管M进行锻铣过程中，其锻铣情况可以通过观察窗13进行观察，如若出现待锻铣套管M某处的壁未被割断的情况，作业人员能够及时调整实验方案，进而确保实验的顺利进行。

在一种可能的实现方式中，观察窗13为蓝宝石材质，该材质的观察窗13一方面具有高强度，具有较长的使用寿命，另一方面具有较好的透视性，便于准确观察反应釜3内部的锻铣情况。

观察窗13可以通过焊接的方式与反应釜3的侧壁连接，例如，与反应釜3的侧壁顶部中间位置连接。

对于驱动组件1

驱动组件1用来驱动反应釜3沿轴线方向直线运动以及沿径向方向转动，在一种可能的实现方式中，如附图1所示，驱动组件1包括：第一驱动电机11、卡块12、传送带13、第二驱动电机(未在图中示出)；第一驱动电机11的外壳与卡块12连接，第一驱动电机11的输出轴与传动杆2的第一端同轴连接；卡块12固定设置于传送带13上；第二驱动电机用于驱动传送带13进行传动作业。

应用时，第一驱动电机11驱动传动杆2转动，进而带动与传动杆2固定连接的待锻铣套管M转动。第二驱动电机驱动传送带13直线运动，进而带动固定于其上的第一驱动电机11作直线运动，进而通过传动杆2带动待锻铣套管M沿其轴向方向作直线往复运动。

第一驱动电机11和第二驱动电机可以同时作业，也可以单独作业，根据实际锻铣情况来选择即可。

通过将卡块12固定设置于传送带13上，同时使第一驱动电机11的外壳与卡块12连接，这样传送带13的运动能传递至第一驱动电机11上。示例地，卡块12设置有相对的两个，两个卡块12之间配合构成卡腔，将第一驱动电机11的外壳卡设于该卡腔内即可。

进一步地，为了提高第一驱动电机11与卡块12的连接效果，可以使用螺钉、销钉等连接件4将第一驱动电机11的外壳与卡块12进行固定连接。

传送带13、第二驱动电机均包含在传送机构内，并且传送机构还可以包括其他部件，例如，用于支撑传送带13的支架、用于使第二驱动电机与传送带13构成连接的传动部件等，本发明实施例在此不作具体阐述。

本发明实施例中，第一驱动电机11、第二驱动电机以及水力射流泵6的驱动电机均可以采用380V的大功率电机。

本发明实施例中，磨料由磨料罐5输送至射流管7中，其中，磨料罐5采用压力容器，承受压力至少超过50MPa。磨料罐5与射流管7之间通过管线连通，并且，该管线上设置有截止阀，以便于控制磨料的输送过程。

形成的磨料水射流由射流喷嘴8处射出，其中，射流喷嘴8始终朝下，以对与其相对的待锻铣套管M的壁进行锻铣切割。

在一种可能的实现方式中，射流喷嘴8与射流管7之间的连接处具有高度可调的垫片(图中未示出)，垫片用于调节射流喷嘴8与待锻铣套管M的内壁之间的距离。

射流喷嘴8与射流管7可以螺纹连接，并且两者的螺纹连接段足够长，这样垫片设置于射流喷嘴8与射流管7之间时，通过使用高度可调的垫片，不仅能够调节射流喷嘴8与待锻铣套管M的内壁之间的距离，同时，由于射流喷嘴8与射流管7的螺纹连接段足够长，即使增加了较多的垫片，两者之间仍然能够保持稳定的连接关系。

其中，可以通过增减垫片的数量，来使垫片的高度可调。

对于安全阀组件10，其用来对上述磨料水射流锻铣套管实验提供安全的操作环境，在一种可能的实现方式中，如附图1所示，安全阀组件10包括：排气管101、排气阀102和安全阀103；

其中，排气管101的上端封闭，下端与反应釜3的侧壁连接，以使排气管101与反应釜3的内腔连通；

排气阀102和安全阀103均与排气管101连接并导通，并且，排气阀102位于安全阀103的上方。

在正式进行锻铣作业之前，通过水力射流泵6向反应釜3内注入清水，打开排气阀102排出反应釜3内部的空气后，关闭排气阀102。

在进行锻铣作业时，通过对安全阀103设置安全压力值，当反应釜3内压力超过安全压力值后，安全阀103会自动排气，以确保反应釜3内的压力始终保持在设定范围内，获得稳定的围压。

本发明实施例提供的磨料水射流锻铣套管实验装置，利用出料组件110及时地排出反应釜3内部留存的水和磨料。作为一种示例，如附图1所示，该出料组件110包括：出料管111、截止阀112、磨料过滤件113；其中，出料管111的上端与反应釜3的侧壁底部连接并导通；截止阀112与出料管111的管壁连接并导通；磨料过滤件113与出料管111的下端连接并导通。

应用时，打开截止阀112，水和磨料的混合物由出料管111排出，其中，水通过磨料过滤件113排至废水收集装置中，磨料被磨料过滤件113所截留，以防止磨料直接进入收集装置而损伤收集装置，待排出作业完毕后，拆除磨料过滤件113，收集磨料即可。

作为一种示例，磨料过滤件113包括：筒状过滤本体、以及与筒状过滤本体固定连接的筛网。

筒状过滤本体与出料管111可拆卸连接，例如，卡接、螺纹连接等，如此设置，利于磨料过滤件113在出料管111上的拆卸。

在本发明实施例中，术语“第一”和“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种磨料水射流锻铣套管实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：驱动组件、传动杆、反应釜、连接件、磨料罐、水力射流泵、射流管、射流喷嘴、压力计、安全阀组件、出料组件；

所述驱动组件与所述传动杆的第一端连接，用于驱动所述传动杆沿轴向方向直线运动以及沿径向方向转动；

所述传动杆的第二端密封穿过所述反应釜的第一端并伸入至所述反应釜内部与所述连接件固定连接，所述连接件还与待锻铣套管固定连接；

所述水力射流泵、所述射流管、所述射流喷嘴顺次连接，且所述射流管密封穿过所述反应釜的第二端并进入所述待锻铣套管内部，所述射流喷嘴位于所述待锻铣套管内部；

所述磨料罐与所述射流管位于所述反应釜外部的部分连接并导通；

所述压力计和所述安全阀组件均位于所述反应釜的侧壁上，并且，所述压力计用于测量所述反应釜的内部压力；

所述出料组件与所述反应釜的侧壁底部连接并导通；

其中，所述射流喷嘴与所述射流管螺纹连接，且所述射流喷嘴与所述射流管之间的连接处具有高度可调的垫片，所述垫片用于调节所述射流喷嘴与所述待锻铣套管的内壁之间的距离；

所述反应釜的侧壁上设置有观察窗，所述观察窗与所述反应釜的侧壁密封连接，所述观察窗的材质为蓝宝石；

所述反应釜的内侧壁底部上具有材质为铁的保护垫块，所述保护垫块为弧形块体，所述弧形块体与所述反应釜的内侧壁相适配，以座于所述反应釜的内侧壁底部，所述保护垫块用于防止磨料水射流损伤所述反应釜的内侧壁底部；

所述安全阀组件包括：排气管、排气阀和安全阀；

所述排气管的上端封闭，所述排气管的下端与所述反应釜的侧壁连接，以使所述排气管与所述反应釜的内腔连通；

所述排气阀和所述安全阀均与所述排气管连接并导通。

2.根据权利要求1所述的磨料水射流锻铣套管实验装置，其特征在于，所述驱动组件包括：第一驱动电机、卡块、传送带、第二驱动电机；

所述第一驱动电机的外壳与所述卡块连接，所述第一驱动电机的输出轴与所述传动杆的第一端同轴连接；

所述卡块固定设置于所述传送带上；

所述第二驱动电机用于驱动所述传送带进行传动作业。

3.根据权利要求1所述的磨料水射流锻铣套管实验装置，其特征在于，所述出料组件包括：出料管、截止阀、磨料过滤件；

所述出料管的上端与所述反应釜的侧壁底部连接并导通；

所述截止阀与所述出料管的管壁连接并导通；

所述磨料过滤件与所述出料管的下端连接并导通。

4.根据权利要求1所述的磨料水射流锻铣套管实验装置，其特征在于，所述磨料水射流锻铣套管实验装置还包括：第一堵头、密封端盖；

所述第一堵头与所述反应釜的第一端密封连接；

所述第一堵头的中部开设有安装孔，所述密封端盖与所述安装孔密封连接；

所述密封端盖上设置有用于使所述传动杆动密封地穿过的第一过孔。

5.根据权利要求1所述的磨料水射流锻铣套管实验装置，其特征在于，所述磨料水射流锻铣套管实验装置还包括：第二堵头；

所述第二堵头与所述反应釜的第二端密封连接；

所述第二堵头上设置有用于使所述射流管密封穿过的第二过孔。

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