粒子射流冲击破岩试验装置研制

任福深，李　洋，程晓泽，杨　帅

(1.东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.武警森林指挥部直升机支队，黑龙江 大庆 163000)①



开发应用

粒子射流冲击破岩试验装置研制

任福深1，李洋1，程晓泽1，杨帅2

(1.东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.武警森林指挥部直升机支队，黑龙江 大庆 163000)①

粒子射流冲击钻井技术是利用高速金属粒子和流体联合冲击破岩为主，机械破岩为辅的一种破岩工艺，是提高坚硬、高研磨岩层进尺速度的一种有效手段。针对该破岩工艺技术，研制了一套能够模拟粒子射流冲击破岩的室内试验装置。该装置主要由高压泥浆泵、粒子掺入装置、模拟顶驱、模拟井底、水循环系统和安全保障系统组成，能够实现粒子按比例掺入、冲击破岩、粒子回收和破岩过程数据监控等功能；能够完成射流速度、粒子体积、粒子掺入比例、冲击标靶距离和射流角度对破岩效率和破岩效果的试验研究。

粒子冲击钻井；试验装置；密封；破岩

粒子冲击钻井破岩工艺是以高速金属粒子和流体联合冲击破岩为主、机械破岩为辅的一种提高坚硬、高研磨岩层进尺速度的有效手段[1]，其工艺过程如图1所示。粒子冲击钻井破岩工艺中，在钻井液注入高压管汇之前，将金属粒子按一定比例均匀的掺入到钻井液中[2]，金属粒子与钻井液混合通过钻杆，到达井底钻头，再通过钻头上的专用粒子加速喷嘴加速到预定的速度，冲击破碎岩石，之后岩屑、粒子和钻井液的混合物经由环空返回地面，而后经由粒子振动筛、磁选机、脱磁器等地面设备将金属粒子从混合液中分离出来，循环使用[3-4]。徐依吉等人[5]进行了不同粒子直径仿真研究，得到破岩过程中能量转化关系以及粒子冲击破岩的演化过程[6]，并进行了粒子冲击钻井分离装置的研究[7]，根据粒子射流的理论研究进行现场试验[8]。伍开松等人[9]对粒子冲击技术进行述评，应用ANSYS软件进行单粒子冲击破碎岩石仿真研究[10]，经过仿真研究得到粒子直径、粒子速度和入射角度对破碎岩石的影响[11]。张扬等人[12]对钻井液携带粒子能力进行分析研究，考虑到粒子和岩屑的运动性质进行粒子分离装置的研究[13]。任福深等人[14]对粒子射流破岩发展状况进行总结，分析粒子冲击钻井工艺的关键技术，并且对喷嘴的结构进行设计研究[15]，利用FLUENT软件进行仿真分析[16]。

图1　2种钻井方式的对比

1　试验装置总体方案

粒子射流冲击破岩试验装置主要由高压泥浆动力系统、粒子高压掺入装置、模拟顶驱、模拟井底、粒子循环装置和电器控制系统组成，如图2所示。高压泥浆动力系统由1台110 kW的动力泥浆泵为试验装置提供32 MPa、10.8 m3/h的水动力；粒子掺入装置主要完成将金属粒子按照一定比例均匀的掺入到管线高压水中；模拟顶驱用来模拟钻井过程中驱动钻杆的钻井过程，可以实现恒压、恒速和恒转矩的钻进过程；模拟井底用来模拟井底岩石；循环水箱用来实现金属粒子和岩屑的分离。试验装置参数如表1所示。

表1　试验装置参数

1—高压泥浆泵；2—粒子注入装置；3—水箱；4—模拟顶驱；5—模拟井底。

2　试验装置关键部件研制

2.1粒子高压掺入装置

粒子高压掺入装置主要由粒子储罐、螺旋推进器、伺服电机、连接管线和密封组件等组成，如图3所示。

1—高压水入口；2—密封法兰；3—螺旋推进器；4—连接管线；5—粒子储罐；6—伺服电机；7—减速器；8—高压水出口。

金属粒子按体积需要，预先添加到粒子储罐中，为了防止粒子锈蚀和粘结，掺入了少许的亚硝酸钠。试验开始前，打开粒子储罐与螺旋推进器之间的阀门，让金属粒子自由落入螺旋推进器内，通过控制伺服电机的旋转速度，将粒子按一定的速度输送到高压流体管线中，在粒子储罐和高压流体管线间，设置了压力平衡管线，以减少高速流体流到粒子储罐对粒子掺入比例和掺入速度的影响。螺旋推进器两端，采用车式密封和自制的双金属管法兰密封组件的组合设计，实现40 MPa压力动静密封工艺要求。

2.2模拟顶驱装置

为了对比分析常规机械破岩和粒子射流冲击破岩效果，研制了模拟顶驱装置。该装置主要由三相异步电机、齿轮组件、滚珠丝杠、升降平台、钻杆和升降驱动组件等组成，如图4所示。2台对称分布的电动机通过轴端的小齿轮带动大齿轮旋转，大齿轮带动齿轮轴心的空心钻杆，可为破岩提供300 N·m转矩。安装在模拟顶驱底部的伺服电机，通过同步带传动系统，驱动滚珠丝杠旋转，从而实现模拟井底平台的升降运动。试验过程中，可以将伺服电机设置成恒转矩或者恒转速输出状态，进而模拟破岩过程的恒压或恒速钻进模式。

1—三相异步电机；2—齿轮组件；3—钻杆；4—滚珠丝杠；5—升降平台；6—同步皮带。

2.3模拟井底装置

模拟井底主要由岩石样本箱体、压力传感器和升降平台卡具和柔性密封组件组成，如图5所示。试验前，打开岩石样本箱体上盖，放入岩石样本并固定在箱体卡具上，钻杆通过柔性密封组件穿过箱体上盖，进入箱体内部；岩石样本箱体通过升降平台上的卡具固定在升降平台上，随升降平台升降运动；试验过程中岩石碎屑、金属粒子和钻井液通过箱体侧面的通道流入循环水箱；在升降平台与岩石样本卡具间安置的压力传感器，实时监测钻压的波动。

1—密封；2—流体出口；3—箱体；4—箱体卡具；5—压力传感器。

2.4电器控制系统

试验装置的电器控制系统主要由高压泥浆泵动力控制系统、试验台电器控制系统和安全保障系统组成，如图6所示。高压泥浆泵动力控制系统采用降压启动方式，同时配备电位器远程调控装置，可以实现远距离的高压泵启停和泵出流量的控制；试验台电器控制系统采用了PLC及其配套模块作为控制终端，实现对电机的转速、压力信号和位置信号的监控；安全保障系统主要由远程无线操控单元、压力变送器和泄压阀等组成，在出现压力超限等情况时，可以实现试验装置的自动关停。操作过程中，操作者可以远离高压水区域，实现远距离的试验操作。

a　试验台电器控制箱

b　无线遥控装置

3　粒子射流破岩试验

3.1试验过程

粒子射流冲击破岩试验前，首先进行设备安全检查，确保各电器部件、传感器和安全部件正常工作；粒子储罐中装入金属粒子前，打开循环泵清理管线，然后向粒子储罐内添加粒子；调整升降台的高度，确定钻头与岩石样本的靶距；调节高压泥浆泵电机转数，控制管道中压力，当管道中流体压力稳定时，开启螺旋推进器处电机将储罐中的粒子推进到高压管线中，粒子在高压管线中受到水的携带作用而加速，实现粒子射流冲击岩石。试验结束后，先关闭螺旋推进器处的电机，随后关闭高压泥浆泵，取出岩石样本测量粒子破岩深度和破岩体积。

按照上述方法进行不同参数下的粒子射流破岩试验研究。试验参数和试验结果如表2～3所示。

表2　试验参数

表3　试验结果

3.2试验分析

不同流体压力下粒子破岩关系曲线如图7所示。随着压力的升高，流体速度会增加，高压水携带粒子获得的动能也越大，粒子破岩深度和破岩体积都随着增加。在流体压力小于7 MPa时，粒子射流不能获得足够的破岩动能，破岩不明显；流体压力在7 ～14 MPa时，粒子射流冲击破岩明显，基本成线性变化；当流体压力大于14 MPa时，破岩速度显著增加。

图8为1.2 mm粒子冲击破碎岩石效果图。当粒子的冲击压力达到岩石的门限压力时，岩石发生破坏，在粒子撞击点周围出现岩石裂纹，形成漏斗状岩石破碎坑。

在试验过程中还观测到，在粒子射流没有达到岩石破碎门限压力前，试验系统噪声变化不大；当粒子射流速度达到岩石破碎门限压力后，试验系统噪声明显增大；当粒子击穿岩石样本后，可听见明显的粒子与箱体底部撞击的金属声响。

图7　不同压力下破岩深度和体积关系曲线

a　9 MPa

b　12 MPa

c　14 MPa

d　16 MPa

4　结论

1)研制的粒子射流破岩室内试验装置能够模拟粒子射流冲击破岩的工艺过程、实现粒子掺入比例的实时控制，模拟恒压、恒速的粒子射流冲击钻进过程。

2)利用该试验装置，开展了粒子射流冲击破岩试验。试验结果表明：在流体压力小于7 MPa时，粒子射流不能获得足够的破岩动能，破岩不明显；流体压力在7～14 MPa时，粒子射流冲击破岩明显，基本成线性变化；当流体压力大于14 MPa时，破岩速度显著增加。

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Test Device Development of Particles Jet Impinging on Rock

REN Fushen1，LI Yang1，CHENG Xiaozhe1，YANG Shuai2

(1.College of Mechanical Engineeing,Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；2.WuJingSenLinZhiHuiBuZhiShengJiZhiDui,Daqing163000，China)

Particle jet impact drilling technology is a kind of rock fragmentation process，that high-speed metal particles and fluid were given priority to be used to jointly break rock，and mechanical tools were supplemented.It is an effective means to improve the penetration rate of high rigid and high grinding strata.On the basis of the rock fragmentation process technology，a set of indoor test device was developed to simulate particles jet impinging on rock.The test device is mainly composed of high pressure mud pump power，particle mixing device，the simulation of top drive bottom hole，water cycle system and security system，which can achieve the functions of particle mixed in proportion，impinging on rock，particles recycling rock fragmentation process data monitoring，and complete the jet velocity，particle size，particle mixing proportion，impact the target distance and the jet angle on the rock fragmentation efficiency and effect.

particle impact drilling；test equipment；development；rock breaking

1001-3482(2016)10-0049-05

2016-05-02

黑龙江省新世纪优秀人才培养计划项目(1254-NCET-005)；黑龙江省博士后科研启动金项目(LBH-Q15018)

任福深(1976-)，男，辽宁辽阳人，教授，博导，主要从事石油机械及其控制理论研究，E-mail：renfushen@126.com。

TE929

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.011