CN107813229B - 可循环磨料射流冲蚀测试***与方法 - Google Patents

可循环磨料射流冲蚀测试***与方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可循环磨料射流冲蚀测试***与方法，包括：靶件测试组件，设置有待测物体，靶件测试组件包括射流入口和流体出口；磨料回收灌装组件，包括用于盛放砂浆的磨料灌装回收池，磨料灌装回收池包括砂浆入口、砂浆出口和液体出口，砂浆入口与流体出口连通；前混加沙组件，包括至少两个彼此独立的混砂罐，每个混砂罐均与磨料回收灌装组件的砂浆出口连通，每个混砂罐上均设置有用于控制砂浆流量的阀门；打液加压组件，打液加压组件入口与液体出口连通，打液加压组件的出口能够与每个混砂罐均连通并能向射流入口提供磨料射流。本发明控制一个混砂罐在混合磨料的同时在另一个混砂罐进行磨料罐装，能够实现长时间连续磨料射流并且磨料浓度可调。

Description

可循环磨料射流冲蚀测试***与方法
技术领域
本发明涉及磨料射流测试装置领域，具体是一种可循环磨料射流冲蚀测试***与方法。
背景技术
随着我国石油天然气勘探开发不断朝深部复杂地层发展，磨料射流作为射孔增产重要手段之一，其在复杂工况下破岩规律、射孔压裂一体化等日益成为石油钻完井技术领域研究的重点与难点。结合基础理论开展复杂工况下磨料射流实验研究，对完井压裂过程中排量、磨料浓度、压力、喷嘴直径和喷射时间等施工参数的预测与控制十分重要，对喷射过程中喷嘴磨损规律和使用寿命预测具有重大意义。因此，建立一套易于改变射流参数以模拟复杂工况的，集多种实验功能于一体的，原料可循环、磨料浓度可调的磨料射流测试装置是研究磨料射流技术与理论的一种必要途径。
公开号为CN 106112821 A的中国发明专利申请公开了一种前混合磨料水射流连续作业***，其包括射流泵和输出高压水的高压泵装置，所述高压泵装置通过高压水管路与射流泵的输入端连接，射流泵的吸料口连接有磨料罐，所述射流泵的输出端通过磨料水射流管路连接有磨料射流喷嘴。
现有技术中的缺点：磨料射流装置在原料用尽时需要停泵灌装，不能实现连续磨料射流。
发明内容
本发明提供了一种可循环磨料射流冲蚀测试***与方法，以达到实现连续磨料射流的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可循环磨料射流冲蚀测试***，包括：靶件测试组件，设置有待测物体，靶件测试组件包括射流入口和流体出口；磨料回收灌装组件，包括用于盛放砂浆的磨料灌装回收池，磨料灌装回收池包括砂浆入口、砂浆出口和液体出口，砂浆入口与流体出口连通；前混加沙组件，包括至少两个彼此独立的混砂罐，每个混砂罐均与磨料回收灌装组件的砂浆出口连通，每个混砂罐上均设置有用于控制砂浆流量的阀门；打液加压组件，打液加压组件入口与液体出口连通，打液加压组件的出口能够与每个混砂罐均连通并能向射流入口提供磨料射流。
进一步地，每个混砂罐均包括彼此连通的容纳室和混砂室，容纳室位于混砂室上方，砂浆出口与容纳室连通，打液加压组件的出口与混砂室连通。
进一步地，容纳室与混砂室之间还设置有输砂室，前混加沙组件还包括输砂螺杆和调速电机，输砂螺杆设置在输砂室中并能够将容纳室中的砂浆输送至混砂室，调速电机与输砂螺杆的一端连接并能够驱动输砂螺杆转动。
进一步地，容纳室设置有注液入口，前混加沙组件还包括进液管路，与容纳室的注液入口连接并能够向容纳室中注入液体。
进一步地，进液管路与容纳室的连接端设置有压簧和封堵球，压簧的一端与容纳室的注液入口连接，压簧的另一端与封堵球连接，封堵球能够封堵进液管路。
进一步地，靶件测试组件包括靶件测试筒、喷头和靶件加持元件，靶件测试筒为具有内腔的筒状结构，靶件加持元件能拆卸地设置在靶件测试筒的一端，喷头能拆卸地设置在靶件测试筒的另一端，喷头的入口为射流入口，喷头的出口朝向靶件加持元，流体出口设置在靶件测试筒的筒壁上。
进一步地，靶件测试筒具有靶件测试筒盖，靶件测试筒盖设置在靶件测试筒的一端，靶件加持元件包括靶件测试筒轴和靶件测试实验台，靶件测试筒轴一端与靶件测试筒盖连接，靶件测试实验台固定在靶件测试筒轴的另一端。
进一步地，打液加压组件包括储水罐和高压柱塞泵，储水罐的入口与液体出口连接，储水罐的出口与高压柱塞泵的入口连接，高压柱塞泵的出口能够与每个混砂罐均连接。
进一步地，磨料灌装回收池还包括液体入口，每个混砂罐的顶部均通过排液管路与液体入口连接，排液管路上设置有排液泵。
进一步地，磨料回收灌装组件还包括灌装离心泵，设置在砂浆出口处。
进一步地，可循环磨料射流冲蚀测试***还包括电控总成，分别与靶件测试组件、磨料回收灌装组件、前混加沙组件和打液加压组件连接。
进一步地，本发明还提供了一种测试方法，采用上述的可循环磨料射流冲蚀测试***进行测试，测试方法包括以下步骤：步骤10、在靶件测试组件中设置待测物体；步骤20、打开其中一个混砂罐的阀门，并通过磨料灌装回收池向该混砂罐中注入砂浆；骤30、使打液加压组件与其中一个混砂罐连接，在该混砂罐处形成磨料射流并输送至靶件测试组件；步骤40、将靶件测试组件中的砂浆经砂浆入口回收至磨料灌装回收池；步骤50、打开另一个混砂罐的阀门，在向其中一个混砂罐注入砂浆的同时，对另一个混砂罐进行灌装，待另一个混砂罐灌装结束后，关闭另一个混砂罐的阀门；步骤60、当其中一个混砂罐内砂浆用尽时，使打液加压组件与另一个混砂罐连接，并在该混砂罐处形成磨料射流并输送至靶件测试组件。
本发明的有益效果是，通过控制混砂罐上的阀门的开闭，可以控制一个混砂罐在混合磨料的同时在另一个混砂罐进行磨料罐装，能够实现长时间连续磨料射流，并且本发明中的磨料能够循环使用，实现无需停泵罐装即可长时间连续开展材料切割、喷嘴磨损、磨料射流破岩以及套管开窗等多项磨料射流实验。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的结构示意图。
图中附图标记：11、混砂罐；111、容纳室；112、混砂室；113、输砂室；12、阀门；13、输砂螺杆；14、调速电机；15、进液管路；151、压簧；152、封堵球；16、排液管路；17、排液泵；21、靶件测试筒；22、喷头；23、靶件测试筒盖；24、靶件测试筒轴；25、靶件测试实验台；26、压力传感器；27、流量计；31、储水罐；32、高压柱塞泵；41、磨料灌装回收池；42、灌装离心泵；51、第一电磁阀；52、第二电磁阀；53、第三电磁阀；54、第四电磁阀；55、第五电磁阀；56、第六电磁阀；60、电控总成。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供了一种可循环磨料射流冲蚀测试***，包括靶件测试组件、磨料回收灌装组件、前混加沙组件和打液加压组件。靶件测试组件设置有待测物体，靶件测试组件包括射流入口和流体出口。磨料回收灌装组件包括用于盛放砂浆的磨料灌装回收池41，磨料灌装回收池41包括砂浆入口、砂浆出口和液体出口，砂浆入口与流体出口连通。前混加沙组件包括至少两个彼此独立的混砂罐11，每个混砂罐11均与磨料回收灌装组件的砂浆出口连通，每个混砂罐11上均设置有用于控制砂浆流量的阀门12。打液加压组件入口与液体出口连通，打液加压组件的出口能够与每个混砂罐11均连通并能向射流入口提供磨料(砂浆)射流。
通过控制混砂罐11上的阀门12的开闭，可以控制一个混砂罐11在混合磨料的同时在另一个混砂罐11进行磨料罐装，能够实现长时间连续磨料射流，并且本发明中的磨料能够循环使用，实现无需停泵罐装即可长时间连续开展材料切割、喷嘴磨损、磨料射流破岩以及套管开窗等多项磨料射流实验。
每个混砂罐11均包括彼此连通的容纳室111和混砂室112，容纳室111位于混砂室112上方，砂浆出口与容纳室111连通，打液加压组件的出口与混砂室112连通。
其中，上述容纳室111呈上方大下方小的锥状结构，该容纳室111的入口设置在上方，该容纳室111的出口设置在下方。并且该容纳室111的出口与混砂室112的入口错位设置。
容纳室111与混砂室112之间还设置有输砂室113，前混加沙组件还包括输砂螺杆13和调速电机14，输砂螺杆13设置在输砂室113中并能够将容纳室111中的砂浆输送至混砂室112，调速电机14与输砂螺杆13的一端连接并能够驱动输砂螺杆13转动。上述容纳室111的出口位于输砂螺杆13的一端上方，上述混砂室112的入口设置在输砂螺杆13的另一端下方。
本发明的输砂螺杆13，可根据需要更换不同的型号，连接于调速电机14(能够根据不同需要控制转速，从而更好地调节磨料添加量)，能够很好的克服传统磨料测试***无法控制磨料浓度的问题。
优选地，容纳室111设置有注液入口，前混加沙组件还包括进液管路15，与容纳室111的注液入口连接并能够向容纳室111中注入液体。设置进液管路15，能够向容纳室111中注入液体，从而促使磨料流态化，便于进入上述混砂室112。
进一步地，进液管路15与容纳室111的连接端设置有压簧151和封堵球152，压簧151的一端与容纳室111的注液入口连接，压簧151的另一端与封堵球152连接，封堵球152能够封堵进液管路15。在常态时，上述封堵球152在压簧151和磨料的作用下将进液管路15封堵，防止磨料进入进液管路15。当进液管路15中压力大于封堵球152上部压力时，封堵球152向上移动，从而将进液管路15打开，使进液管路15能够正常向容纳室111注入液体。
如图1所示，本发明实施例中靶件测试组件包括靶件测试筒21、喷头22和靶件加持元件，靶件测试筒21为具有内腔的筒状结构，靶件加持元件能拆卸地设置在靶件测试筒21的一端，喷头22能拆卸地设置在靶件测试筒21的另一端，喷头22的入口为射流入口，喷头的出口朝向靶件加持元，流体出口设置在靶件测试筒21的筒壁上。
具体地，靶件测试筒21具有靶件测试筒盖23，靶件测试筒盖23设置在靶件测试筒21的一端，靶件加持元件包括靶件测试筒轴24和靶件测试实验台25，靶件测试筒轴24一端与靶件测试筒盖23连接，靶件测试实验台25固定在靶件测试筒轴24的另一端。
本发明实施例中，靶件测试筒盖23与靶件测试筒21螺纹配合，通过调节靶件测试筒盖23旋入深度设置所需喷距。同时，加工了多组不同倾斜度的靶件测试实验台25，根据实验计划更换所需倾角的靶件测试实验台25用以调节喷射角度。靶件测试筒21的出口装有出口节流阀，用于调节射流围压，可对磨料射流不同参数下的破岩、切割规律进行有效实验对比，开展最优参数优选的实验研究。
进一步地，喷嘴与喷头22螺纹连接，可通过更换不同型号和内部结构的喷嘴，对比不同类型喷嘴的切割或破岩效果，同时也可开展水力喷射压裂等喷嘴在磨料射流过程中冲蚀磨损规律及工作寿命测试等实验研究。
优选地，靶件测试组件还包括压力传感器26和流量计27，用于测定靶件测试组件内的压力和流量。
如图1所示，打液加压组件包括储水罐31和高压柱塞泵32，储水罐31的入口与液体出口连接，储水罐31的出口与高压柱塞泵32的入口连接，高压柱塞泵32的出口能够与每个混砂罐11均连接。高压柱塞泵32能够将储水罐31中的液体加压并输送至混砂室112中，与混砂室112中的磨料混合形成磨料射流，并通过输送管线输送至靶件测试组件处。
磨料灌装回收池41还包括液体入口，每个混砂罐11的顶部均通过排液管路16与液体入口连接，排液管路16上设置有排液泵17。磨料回收灌装组件还包括灌装离心泵42，设置在砂浆出口处。当对混砂罐11进行灌装时，通过灌装离心泵42将磨料灌装至混砂罐11中，同时需要打开排液泵17，当排液中带有较大量的磨料则灌装结束。排液泵17的目的是将灌装时混砂罐11中的清水输送回磨料回收灌装组件，以达到循环使用的目的。
本发明实施例中的可循环磨料射流冲蚀测试***还包括第一电磁阀51、第二电磁阀52、第三电磁阀53、第四电磁阀54、第五电磁阀55和第六电磁阀56。本发明实施例中具有两个混砂罐11，该两个混砂罐11并联设置。
其中第一电磁阀设置在高压柱塞泵32的出口管路处，用于控制该管路的开闭。第二电磁阀52设置在高压柱塞泵32(设置有现有技术中的调压循环回路)与其中一个混砂罐11的连接管路上，第三电磁阀53设置在高压柱塞泵32与另一个一个混砂罐11的连接管路上。
第四电磁阀54设置在其中一个混砂罐11与靶件测试组件的连接管路上，第五电磁阀55设置在另一个混砂罐11与靶件测试组件的连接管路上。该其中一个混砂罐11与该另一个混砂罐11均通过一条汇总管路连接至靶件测试组件上，其中该汇总管路上设置有第六电磁阀56。
优选地，本发明实施例中，上述阀门12也为电磁阀。根据不同需要，可以将第四电磁阀54、第五电磁阀55、第六电磁阀56以及阀门12均设置成防砂电磁阀。其余电磁阀为普通电磁阀。
本发明实施例还包括电控总成60，分别与靶件测试组件、磨料回收灌装组件、前混加沙组件和打液加压组件连接。其中，电控总成60包括压力传感器、流量计、数据采集器、电磁阀、及控制总成(电控柜)。进一步，上述连接管路上设有多个外延接口，用于连接流量计、温度传感器以及压力传感器等数据采集设备。
本发明实施例还提供了一种测试方法，采用上述的可循环磨料射流冲蚀测试***进行测试，该测试方法包括以下步骤：
步骤10、在靶件测试组件中设置待测物体；
步骤20、打开其中一个混砂罐11的阀门12，并通过磨料灌装回收池41向该混砂罐11中注入砂浆；
步骤30、使打液加压组件与其中一个混砂罐11连接，在该混砂罐11处形成磨料射流并输送至靶件测试组件；
步骤40、将靶件测试组件中的砂浆经砂浆入口回收至磨料灌装回收池41；
步骤50、打开另一个混砂罐11的阀门12，在向其中一个混砂罐11注入砂浆的同时，对另一个混砂罐11进行灌装，待另一个混砂罐11灌装结束后，关闭另一个混砂罐11的阀门12；
步骤60、当其中一个混砂罐11内砂浆用尽时，使打液加压组件与另一个混砂罐11连接，并在该混砂罐11处形成磨料射流并输送至靶件测试组件。
具体地，步骤10还包括开始磨料射流实验前，在磨料灌装回收池41内加入足量砂浆，在储水罐31中加入足够的清水。
进一步地，步骤10还包括根据实验计划通过更换所需角度的靶件测试实验台25，通过调节靶件测试筒盖23旋入深度设置所需喷距，在喷头22上加装测试喷嘴并关闭靶件测试筒21。
如果图1所示，步骤20包括打开左侧混砂罐11的阀门12，通过灌装离心泵42罐装，同时打开左侧混砂罐11顶部排液泵17排水，当排水中带有大量磨料则罐装结束。
步骤30包括打开高压柱塞泵32，同时调节输砂螺杆13的转速。配合流量计27和压力传感器26，并根据实验计划确定所需的泵压和砂浓度。
步骤50包括开始实验之后，打开右侧混砂罐11的阀门12，在左侧混砂罐11加砂的同时，罐装右侧混砂罐11。
步骤60包括当左侧混砂罐11内磨料用尽之后，调节关闭第二电磁阀52并开启第三电磁阀53，以达到改用右罐添加磨料的目的，同时左侧混砂罐11开始罐装，如此反复循环。
进一步地，步骤60还包括当实验达到预定时间后，停止磨料添加和高压柱塞泵32，将靶件或者喷嘴取出称重，测定磨损情况。
优选地，根据实验结果优化喷射参数，找出性能最佳的喷嘴。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：通过控制混砂罐11上的阀门12的开闭，可以控制一个混砂罐11在混合磨料的同时在另一个混砂罐11进行磨料罐装，能够实现长时间连续磨料射流，并且本发明中的磨料能够循环使用，实现无需停泵罐装即可长时间连续开展材料切割、喷嘴磨损、磨料射流破岩以及套管开窗等多项磨料射流实验。
本发明实施例可开展磨料射流喷嘴磨损规律及使用寿命实验研究，通过测定不同喷射时间后喷嘴的出口直径和质量损失量，可定量评价喷嘴磨损速度推测其使用寿命。
进一步，本发明用途广泛，除可进行以上所述实验外，结合PIV(粒子图像测速法)等流场测试装置，还可进行多项功能拓展实验。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (11)

1.一种可循环磨料射流冲蚀测试***，其特征在于，包括：
靶件测试组件，设置有待测物体，所述靶件测试组件包括射流入口和流体出口；
磨料回收灌装组件，包括用于盛放砂浆的磨料灌装回收池(41)，磨料灌装回收池(41)包括砂浆入口、砂浆出口和液体出口，所述砂浆入口与所述流体出口连通；
前混加沙组件，包括至少两个彼此独立的混砂罐(11)，每个混砂罐(11)均与所述磨料回收灌装组件的砂浆出口连通，每个混砂罐(11)上均设置有用于控制砂浆流量的阀门(12)，每个混砂罐(11)均包括彼此连通的容纳室(111)和混砂室(112)，容纳室(111)位于混砂室(112)上方，所述砂浆出口与容纳室(111)连通；
打液加压组件，所述打液加压组件入口与所述液体出口连通，所述打液加压组件的出口能够与每个混砂罐(11)的混砂室(112)均连通并能向所述射流入口提供磨料射流。
2.根据权利要求1所述的可循环磨料射流冲蚀测试***，其特征在于，容纳室(111)与混砂室(112)之间还设置有输砂室(113)，所述前混加沙组件还包括输砂螺杆(13)和调速电机(14)，输砂螺杆(13)设置在输砂室(113)中并能够将容纳室(111)中的砂浆输送至混砂室(112)，调速电机(14)与输砂螺杆(13)的一端连接并能够驱动输砂螺杆(13)转动。
3.根据权利要求1所述的可循环磨料射流冲蚀测试***，其特征在于，容纳室(111)设置有注液入口，所述前混加沙组件还包括进液管路(15)，与容纳室(111)的注液入口连接并能够向容纳室(111)中注入液体。
4.根据权利要求3所述的可循环磨料射流冲蚀测试***，其特征在于，进液管路(15)与容纳室(111)的连接端设置有压簧(151)和封堵球(152)，压簧(151)的一端与容纳室(111)的注液入口连接，压簧(151)的另一端与封堵球(152)连接，封堵球(152)能够封堵进液管路(15)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的可循环磨料射流冲蚀测试***，其特征在于，所述靶件测试组件包括靶件测试筒(21)、喷头(22)和靶件加持元件，靶件测试筒(21)为具有内腔的筒状结构，所述靶件加持元件能拆卸地设置在靶件测试筒(21)的一端，喷头(22)能拆卸地设置在靶件测试筒(21)的另一端，喷头(22)的入口为所述射流入口，喷头的出口朝向所述靶件加持元，所述流体出口设置在靶件测试筒(21)的筒壁上。
6.根据权利要求5所述的可循环磨料射流冲蚀测试***，其特征在于，所述靶件测试筒(21)具有靶件测试筒盖(23)，靶件测试筒盖(23)设置在靶件测试筒(21)的一端，所述靶件加持元件包括靶件测试筒轴(24)和靶件测试实验台(25)，靶件测试筒轴(24)一端与靶件测试筒盖(23)连接，靶件测试实验台(25)固定在靶件测试筒轴(24)的另一端。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的可循环磨料射流冲蚀测试***，其特征在于，所述打液加压组件包括储水罐(31)和高压柱塞泵(32)，储水罐(31)的入口与所述液体出口连接，储水罐(31)的出口与高压柱塞泵(32)的入口连接，高压柱塞泵(32)的出口能够与每个混砂罐(11)均连接。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的可循环磨料射流冲蚀测试***，其特征在于，磨料灌装回收池(41)还包括液体入口，每个混砂罐(11)的顶部均通过排液管路(16)与所述液体入口连接，排液管路(16)上设置有排液泵(17)。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的可循环磨料射流冲蚀测试***，其特征在于，所述磨料回收灌装组件还包括灌装离心泵(42)，设置在所述砂浆出口处。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的可循环磨料射流冲蚀测试***，其特征在于，可循环磨料射流冲蚀测试***还包括电控总成(60)，分别与所述靶件测试组件、所述磨料回收灌装组件、所述前混加沙组件和所述打液加压组件连接。
11.一种测试方法，采用权利要求1所述的可循环磨料射流冲蚀测试***进行测试，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
步骤10、在所述靶件测试组件中设置所述待测物体；
步骤20、打开其中一个混砂罐(11)的阀门(12)，并通过磨料灌装回收池(41)向该混砂罐(11)中注入砂浆；
步骤30、使所述打液加压组件与所述其中一个混砂罐(11)连接，在该混砂罐(11)处形成磨料射流并输送至所述靶件测试组件；
步骤40、将所述靶件测试组件中的砂浆经所述流体出口回收至磨料灌装回收池(41)；
步骤50、打开另一个混砂罐(11)的阀门(12)，在向所述其中一个混砂罐(11)注入砂浆的同时，对所述另一个混砂罐(11)进行灌装，待所述另一个混砂罐(11)灌装结束后，关闭所述另一个混砂罐(11)的阀门(12)；
步骤60、当所述其中一个混砂罐(11)内砂浆用尽时，使所述打液加压组件与所述另一个混砂罐(11)连接，并在该混砂罐(11)处形成磨料射流并输送至所述靶件测试组件。
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