CN111047961A - 水力高压粒子射流钻塞试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油钻采领域，特别涉及一种水力高压粒子射流钻塞试验装置，包括输送机、水泥车、高压管、撬装架、滑套、移动横梁、竖直轨道、滑动密封总成、返出管线、配重块、玻璃上筒、油管、喷头、喷嘴、玻璃下筒、铰链、回收罐等，通过专用粒子射流钻塞试验装置，实现地面全尺寸模拟井下粒子射流钻塞过程，粒子射流喷射钻进和环空上返的可视化，有效控制喷头的下放和提升，钻进过程钻压可调，运动油管和环空返出液的可靠动密封，从而验证水力高压粒子射流钻塞效果，获取水力高压粒子射流钻塞优化施工参数。

Description

水力高压粒子射流钻塞试验装置

技术领域

本发明涉及一种水力高压粒子射流钻塞试验装置，属于石油钻采领域。

背景技术

随着油田开发的不断深入，为了满足生产需要，打塞封层、水泥堵炮眼、油水井验窜封堵、长停井恢复生产等工艺技术施工逐渐增多，在这些技术施工过程中会产生水泥塞面，需要通过钻塞作业将塞面钻除，目前常用的钻塞作业有两种方式，一种是通过井口转盘带动井下钻头旋转，这种方式需要大修作业设备，投入的成本较高。另一种是通过井下螺杆加钻头钻进方式，该方法钻头的加压困难，钻塞效果不理想。对于套损井，套管严重变形井，常规螺杆钻具和钻头难以顺利通过，易发生卡钻事故，对于小尺寸井眼，钻塞工具无法下入，易发生卡钻事故。同时钻头机械转动过程中，易发生钻头磨铣套管情况，容易导致套管的损坏。

高压粒子射流技术通过在流体中加入一定比例的钢质或砂质粒子，粒子从喷嘴高速喷出，可实现材料的高效破碎和切割。由于现场施工水泥塞硬度相对不高，因此可通过高压粒子射流技术实现水泥塞面的喷射清除，该技术不需要钻头，也不需要钻具旋转，而且不受井眼尺寸的限制，也不存在损坏套管的情况，因此具有广阔的应用前景。但如何获取水力高压粒子射流钻塞施工优化参数，是目前该技术应用亟需解决的问题。

本发明针对以上问题，提出了一种水力高压粒子射流钻塞试验装置，该装置可在地面全尺寸模拟井下粒子射流钻塞过程，可实现粒子射流喷射钻进和环空上返的可视化，有效控制喷头的下放和提升，钻进过程钻压可调节，运动油管和环空返出液可靠动密封，从而验证水力高压粒子射流钻塞的效果，并获取水力高压粒子射流钻塞优化施工参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种在地面全尺寸模拟井下粒子射流钻塞过程，可实现粒子射流喷射钻进和环空上返的可视化，有效控制喷头的下放和提升，钻进过程钻压可调节，运动油管和环空返出液的可靠动密封，验证水力高压粒子射流钻塞的效果，并获取优化施工参数的水力高压粒子射流钻塞试验装置。

本发明所述的水力高压粒子射流钻塞试验装置，由储罐、混砂筒、输送机、接料筒、水泥车、高压管、高压弯头、滑轮、撬装架、滑套、移动横梁、竖直轨道、钢丝绳、滑动密封总成、扶正杆、返出管线、返出液口、配重块、玻璃上筒、油管、中间梁、喷头、喷嘴、法兰盘、玻璃下筒、水泥塞、底部横梁、铰链、底座、回收罐组成。储罐设置在地面上，用于存储循环流体，为水泥车供液，混砂筒设置在水泥车前部，混砂筒可存储并搅拌粒子，粒子的材质为钢质、砂质等。输送机设置在混砂筒一侧，用于将粒子从混砂筒输送至接料筒，输送机为螺旋式或料筒式，粒子从混砂筒经过输送机输送至接料筒后，与储罐中流体混合，进入水泥车中，水泥车泵组将流体加压后，加压的流体携带粒子经过高压管，进入设置在撬装架上部高压弯头，高压管和高压弯头用于输送高压流体和粒子。撬装架设置在底座上，起支撑内部设备，方便撬装运输的作用。滑轮设置在撬装架上部，滑轮为定滑轮，用于实现移动横梁的上升，钢丝绳一端连接移动横梁，一端连接下部铰链，通过旋转铰链带动钢丝绳运动，经过滑轮，实现移动横梁的上升运动。移动横梁通过滑套套在竖直轨道上，移动横梁内部有三个孔，中心孔可通过高压弯头和油管，两侧孔眼安装滑套，滑套与移动横梁固定连接，滑套可在竖直轨道上滑动，配重块设置在移动横梁下部，与移动横梁连接，在配重块重力的作用下移动横梁可进行下放，配重块可模拟钻进过程中钻压，调节配重块重量可调节钻压大小。油管设置在移动横梁下部，与高压弯头连接，移动横梁可带动油管上下运动，滑动密封总成设置在油管外部，并与扶正杆连接，扶正杆可将滑动密封总成扶正，并固定滑动密封总成及下部装置，扶正杆与竖直轨道和撬装架固定连接。返出液口设置在滑动密封总成下部，返出液口可实现油管与玻璃上筒环空上返的水泥屑返出至返出管线，返出管线一端连接返出液口，另一端连接回收罐，回收罐用于存储钻塞作业返出的水泥屑和液体。玻璃上筒设置在油管外部，玻璃上筒上部连接返出液口，下部连接法兰盘，玻璃上筒可直接观测水泥屑及返出液在油管与玻璃上筒之间环空的上返情况。法兰盘设置在玻璃上筒下部，将玻璃上筒与玻璃下筒连接，方便玻璃下筒拆卸打水泥塞。玻璃下筒设置在底座与法兰盘之间，可直接观测粒子射流喷射钻塞过程，喷头设置在油管底部，喷头内部有流道，使高压流体与粒子混合物从油管输送至喷嘴，喷头上设置一系列具有内螺纹的孔，喷嘴设置在喷头上，喷嘴通过外部螺纹与喷头上的内螺纹孔连接。喷嘴内部镶嵌硬质合金，硬质合金的内径可调。在喷嘴节流作用下，将流体速度升高，粒子在高速流体的携带下，从喷嘴喷出，冲击下部的水泥塞，在水泥塞面产生极高的冲击应力，实现水泥塞面的快速钻进。水泥塞设置玻璃下筒内部，水泥塞为油田固井水泥与水混合搅拌均匀后，注入玻璃下筒后，放置24小时以上形成。中间梁设置在竖直轨道中部，与撬装架固定连接，用于固定竖直轨道。底部横梁设置竖直轨道的下部，实现对竖直轨道和铰链的固定，铰链设置在底部横梁上，铰链旋转可带动钢丝绳上下运动，铰链通过卡扣可控制铰链的旋转。底座设置在竖直轨道的下部，底座四周打孔，竖直轨道可***底座孔中，使竖直轨道居中扶正。粒子与流体由水泥车混合加压后，经过高压管、高压弯头，进入油管中，由油管继续向下进入喷头内流道，经过内流道后，进入喷嘴，从喷嘴高速喷出，冲击水泥塞，破碎完水泥塞后，粒子和水泥屑通过油管和玻璃上筒之间环空上返，上返至玻璃上筒顶部后，经过返出液口，继续流经返出管线，最后进入回收罐中回收。

滑动密封总成由螺栓、压紧螺母、YxB型密封圈、压盖、滑动密封总成本体组成，螺栓设置在压盖上部，螺栓两头都具有螺纹，一头螺纹与压紧螺母连接，一头螺纹与滑动密封总成本体连接，压盖设置在压紧螺母下部和油管外部，油管可以在压盖内部上下运动，YxB型密封圈设置在压盖与滑动密封总成本体之间，YxB密封圈可将下部油管与玻璃上筒环空上返的流体密封住，YxB型密封圈设置2-5道，滑动密封总成本体设置在油管外部，油管可在滑动密封总成本体内滑动。通过旋转压紧螺母，可将压盖不断下压，从而压缩YxB型密封圈，使密封圈与油管本体贴紧，实现对下部流体的密封，通过调节压盖的压入量，可以调节YxB型密封圈压紧油管的程度。

本发明的有益效果是：可在地面全尺寸模拟井下粒子射流钻塞过程，实现粒子射流喷射钻进和环空上返的可视化，有效控制喷头的下放和提升，钻进过程钻压可调，运动油管和环空返出液的可靠动密封，验证水力高压粒子射流钻塞的效果，并获取水力高压粒子射流钻塞优化施工参数。

附图说明

图1为本发明的工作示意图。

图中：1、储罐2、混砂筒3、输送机4、接料筒5、水泥车6、高压管7、高压弯头8、滑轮9、撬装架10、滑套11、移动横梁12、竖直轨道13、钢丝绳14、滑动密封总成15、扶正杆16、返出管线17、返出液口18、配重块19、玻璃上筒20、油管21、中间梁22、喷头23、喷嘴24、法兰盘25、玻璃下筒26、水泥塞27、底部横梁28、铰链29、底座30、回收罐。

图2为本发明的移动横梁的结构示意图。

图3为本发明的底座的结构示意图。

图4为本发明的滑动密封总成的剖面示意图。

图中：14-1、螺栓14-2、压紧螺母14-3、YxB型密封圈14-4、压盖14-5、滑动密封总成本体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1～3所示，本发明所述的水力高压粒子射流钻塞试验装置，包括储罐1、混砂筒2、输送机3、接料筒4、水泥车5、高压管6、高压弯头7、滑轮8、撬装架9、滑套10、移动横梁11、竖直轨道12、钢丝绳13、滑动密封总成14、扶正杆15、返出管线16、返出液口17、配重块18、玻璃上筒19、油管20、中间梁21、喷头22、喷嘴23、法兰盘24、玻璃下筒25、水泥塞26、底部横梁27、铰链28、底座29、回收罐30。储罐1设置在地面上，用于存储循环流体，为水泥车5供液，混砂筒2设置在水泥车5前部，混砂筒2可存储并搅拌粒子，粒子的材质为钢质、砂质等。输送机3设置在混砂筒2一侧，用于将粒子从混砂筒2输送至接料筒4，输送机5为螺旋式或料筒式，粒子从混砂筒2经过输送机3输送至接料筒4后，与储罐1中流体混合，进入水泥车5中，水泥车5泵组将流体加压后，加压的流体携带粒子经过高压管6，进入设置在撬装架9上部高压弯头7，高压管6和高压弯头7用于输送高压流体和粒子。撬装架9设置在底座29上，起支撑内部设备，方便撬装运输的作用。滑轮8设置在撬装架9上部，滑轮8为定滑轮，用于实现移动横梁11的上升，钢丝绳13一端连接移动横梁11，一端连接下部铰链28，通过旋转铰链28带动钢丝绳13运动，经过滑轮8，实现移动横梁11的上升运动。移动横梁11通过滑套10套在竖直轨道12上，移动横梁11内部有三个孔，中心孔可通过高压弯头7和油管20，两侧孔眼安装滑套10，滑套10与移动横梁11固定连接，滑套10可在竖直轨道12上滑动，配重块18设置移动横梁11下部，与移动横梁11连接，在配重块18重力的作用下移动横梁11可进行下放，配重块18可模拟钻进过程中钻压，调节配重块18重量可调节钻压大小。油管20设置在移动横梁11下部，与高压弯头7连接，移动横梁11可带动油管20上下运动，滑动密封总成14设置在油管20外部，并与扶正杆15连接，扶正杆15可将滑动密封总成14扶正，并固定滑动密封总成14及下部装置，扶正杆15与竖直轨道12和撬装架9固定连接。返出液口17设置在滑动密封总成14下部，返出液口17可实现油管20与玻璃上筒19环空上返的水泥屑返出至返出管线16，返出管线16一端连接返出液口17，另一端连接回收罐30，回收罐30用于存储钻塞作业返出的水泥屑和液体。玻璃上筒19设置在油管20外部，玻璃上筒19上部连接返出液口17，下部连接法兰盘24，玻璃上筒19可直接观测水泥屑及返出液在油管20与玻璃上筒19之间环空的上返情况。法兰盘24设置在玻璃上筒19下部，将玻璃上筒19与玻璃下筒25连接，方便玻璃下筒25拆卸打水泥塞26。玻璃下筒25设置在底座29与法兰盘30之间，可直接观测粒子射流喷射钻塞过程，喷头22设置在油管20底部，喷头22内部有流道，使高压流体与粒子混合物从油管20输送至喷嘴23，喷头22上设置一系列具有内螺纹的孔，喷嘴23设置在喷头22上，喷嘴23通过外部螺纹与喷头22上的内螺纹孔连接。喷嘴23内部镶嵌硬质合金，硬质合金的内径可调。在喷嘴23节流作用下，将流体速度升高，粒子在高速流体的携带下，从喷嘴23喷出，冲击下部的水泥塞26，在水泥塞面产生极高的冲击应力，实现水泥塞面的快速钻进。水泥塞26设置玻璃下筒25内部，水泥塞26为油田固井水泥与水混合搅拌均匀后，注入玻璃下筒25后，放置24小时以上形成。中间梁21设置在竖直轨道12中部，与撬装架9固定连接，用于固定竖直轨道12。底部横梁27设置竖直轨道12的下部，实现对竖直轨道12和铰链28的固定，铰链28设置在底部横梁27上，铰链28旋转可带动钢丝绳13上下运动，铰链28通过卡扣可控制铰链28的旋转。底座29设置在竖直轨道12的下部，底座29四周打孔，竖直轨道12可***底座29孔中，使竖直轨道12居中扶正。粒子与流体由水泥车5混合加压后，经过高压管6、高压弯头7，进入油管20中，由油管20继续向下进入喷头22内流道，经过内流道后，进入23喷嘴，从23喷嘴高速喷出，冲击水泥塞26，破碎完水泥塞26后，粒子和水泥屑通过油管20和玻璃上筒19之间环空上返，上返至玻璃上筒19顶部后，经过返出液口17，继续流经返出管线16，最后进入回收罐30中回收。

如图4所示，滑动密封总成的内部结构，包括螺栓14-1、压紧螺母14-2、YxB型密封圈14-3、压盖14-4、滑动密封总成本体14-5。螺栓14-1设置在压盖14-4上部，螺栓14-1两头都具有螺纹，一头螺纹与压紧螺母14-2连接，一头螺纹与滑动密封总成本体14-5连接，压盖设14-4置在压紧螺母14-2下部和油管20外部，油管20可以在压盖14-4内部上下运动，YxB型密封圈14-3设置在压盖14-4与滑动密封总成本体14-5之间，YxB密封圈14-3可将下部油管20与玻璃上筒19环空上返的流体密封住，YxB型密封圈14-3设置2-5道，滑动密封总成本体14-5设置在油管20外部，油管20可在滑动密封总成本体14-5内滑动。通过旋转压紧螺母14-2，可将压盖14-4不断下压，从而压缩YxB型密封圈14-3，使密封圈与油管20本体贴紧，实现对下部流体的密封，通过调节压盖14-4的压入量，可以调节YxB型密封圈14-3压紧油管20的程度。

Claims (4)

1.一种水力高压粒子射流钻塞试验装置，包括储罐(1)、混砂筒(2)、输送机(3)、接料筒(4)、水泥车(5)、高压管(6)、高压弯头(7)、滑轮(8)、撬装架(9)、滑套(10)、移动横梁(11)、竖直轨道(12)、钢丝绳(13)、滑动密封总成(14)、扶正杆(15)、返出管线(16)、返出液口(17)、配重块(18)、玻璃上筒(19)、油管(20)、中间梁(21)、喷头(22)、喷嘴(23)、法兰盘(24)、玻璃下筒(25)、水泥塞(26)、底部横梁(27)、铰链(28)、底座(29)、回收罐(30)，储罐(1)设置在地面上，用于存储循环流体，为水泥车(5)供液，混砂筒(2)设置在水泥车(5)前部，混砂筒(2)可存储并搅拌粒子，输送机(3)设置在混砂筒(2)一侧，将粒子从混砂筒(2)输送至接料筒(4)，输送机(5)为螺旋式或料筒式，粒子从混砂筒(2)经过输送机(3)输送至接料筒(4)后，与储罐(1)中流体混合，进入水泥车(5)中，水泥车(5)泵组将流体加压后，加压流体携带粒子经过高压管(6)，进入设置在撬装架(9)上部高压弯头(7)，高压管(6)和高压弯头(7)用于输送高压流体和粒子，撬装架(9)设置在底座(29)上，起支撑内部设备，方便撬装运输的作用，滑轮(8)设置在撬装架(9)上部，滑轮(8)为定滑轮，用于实现移动横梁(11)的上升，钢丝绳(13)一端连接移动横梁(11)，一端连接下部铰链(28)，通过旋转铰链(28)带动钢丝绳(13)运动，经过滑轮(8)，实现移动横梁(11)的上升运动，移动横梁(11)通过滑套(10)套在竖直轨道(12)上，滑套(10)可在竖直轨道(12)上滑动，配重块(18)设置移动横梁(11)下部，与移动横梁(11)连接，油管(20)设置在移动横梁(11)下部，与高压弯头(7)连接，移动横梁(11)可带动油管(20)上下运动，滑动密封总成(14)设置在油管(20)外部，并与扶正杆(15)连接，扶正杆(15)可将滑动密封总成(14)扶正，并固定滑动密封总成(14)及下部装置，扶正杆(15)与竖直轨道(12)和撬装架(9)固定连接，返出液口(17)设置在滑动密封总成(14)下部，返出液口(17)可实现油管(20)与玻璃上筒(19)环空上返的水泥屑返出至返出管线(16)，返出管线(16)一端连接返出液口(17)，另一端连接回收罐(30)，回收罐(30)用于存储钻塞作业返出的水泥屑和液体，玻璃上筒(19)设置在油管(20)外部，玻璃上筒(19)上部连接返出液口(17)，下部连接法兰盘(24)，玻璃上筒(19)可直接观测水泥屑及返出液在油管(20)与玻璃上筒(19)之间环空的上返情况，法兰盘(24)设置在玻璃上筒(19)下部，将玻璃上筒(19)与玻璃下筒(25)连接，方便玻璃下筒(25)拆卸打水泥塞(26)，玻璃下筒(25)设置在底座(29)与法兰盘(30)之间，可直接观测粒子射流喷射钻塞过程，喷头(22)设置在油管(20)底部，喷头(22)内部有流道，使高压流体与粒子混合物从油管(20)输送至喷嘴(23)，喷头(22)上设置一系列具有内螺纹的孔，喷嘴(23)设置在喷头(22)上，喷嘴(23)通过外部螺纹与喷头(22)上的内螺纹孔连接，喷嘴(23)内部镶嵌硬质合金，硬质合金的内径可调，在喷嘴(23)节流作用下，将流体速度升高，粒子在高速流体的携带下，从喷嘴(23)喷出，冲击下部的水泥塞(26)，在水泥塞面产生极高的冲击应力，实现水泥塞面的快速钻进，水泥塞(26)设置玻璃下筒(25)内部，水泥塞(26)为油田固井水泥与水，混合搅拌均匀后，注入玻璃下筒(25)后，放置24小时以上形成，中间梁(21)设置在竖直轨道(12)中部，与撬装架(9)固定连接，用于固定竖直轨道(12)，底部横梁(27)设置竖直轨道(12)的下部，实现对竖直轨道(12)和铰链(28)的固定，铰链(28)设置在底部横梁(27)上，铰链(28)旋转可带动钢丝绳(13)上下运动，铰链(28)通过卡扣可控制铰链(28)的旋转，底座(29)设置在竖直轨道(12)的下部。

2.根据权利要求1所述的一种水力高压粒子射流钻塞试验装置，其特征在于：在配重块(18)重力的作用下移动横梁(11)可进行下放，配重块(18)可模拟钻进过程中钻压，调节配重块(18)重量可调节钻压大小，移动横梁(11)内部有三个孔，中心孔可通过高压弯头(7)和油管(20)，两侧孔眼安装滑套(10)，滑套(10)与移动横梁(11)固定连接，底座(29)四周打孔，竖直轨道(12)可***底座(29)孔中，使竖直轨道(12)居中扶正。

3.根据权利要求1所述的一种水力高压粒子射流钻塞试验装置，其特征在于：粒子与流体由水泥车(5)混合加压后，经过高压管(6)、高压弯头(7)，进入油管(20)中，由油管(20)继续向下进入喷头(22)内流道，经过喷头(22)内流道后，进入(23)喷嘴，从(23)喷嘴高速喷出，冲击水泥塞(26)，破碎完水泥塞(26)后，粒子和水泥屑通过油管(20)和玻璃上筒(19)之间环空上返，上返至玻璃上筒(19)顶部后，经过返出液口(17)，继续流经返出管线(16)，最后进入回收罐(30)中回收。

4.根据权利要求1所述的一种水力高压粒子射流钻塞试验装置，其特征在于：滑动密封总成包括螺栓(14-1)、压紧螺母(14-2)、YxB型密封圈(14-3)、压盖(14-4)、滑动密封总成本体(14-5)，螺栓(14-1)设置在压盖(14-4)上部，螺栓(14-1)两头都具有螺纹，一头螺纹与压紧螺母(14-2)连接，一头螺纹与滑动密封总成本体(14-5)连接，压盖设(14-4)置在压紧螺母(14-2)下部和油管(20)外部，油管(20)可以在压盖(14-4)内部上下运动，YxB型密封圈(14-3)设置在压盖(14-4)与滑动密封总成本体(14-5)之间，YxB密封圈(14-3)可将下部油管(20)与玻璃上筒(19)环空上返的流体密封住，YxB型密封圈(14-3)设置2-5道，滑动密封总成本体(14-5)设置在油管(20)外部，油管(20)可在滑动密封总成本体(14-5)内滑动，通过旋转压紧螺母(14-2)，可将压盖(14-4)不断下压，从而压缩YxB型密封圈(14-3)，使密封圈与油管(20)本体贴紧，实现对下部流体的密封，通过调节压盖(14-4)的压入量，可以调节YxB型密封圈(14-3)压紧油管(20)的程度。

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