專利名稱：直接泵鋼顆粒漿的顆粒沖擊鉆井裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及鉆井技術領域，特別涉及粒子沖擊鉆井，是一種提高硬度高、研磨性強地層鉆井速度的直接泵顆粒漿的顆粒沖擊鉆井裝備。
背景技術：
目前，鉆井工程就是通過一系列的工具和技術開鑿出通往地下的通道。隨著鉆井深度和難度的增加，對鉆井技術本身也提出新要求。特別是深井、超深井硬度高、研磨性強的地層，鉆井工程的主要難點是機械鉆速低、鉆井周期長、鉆井費用高。提高鉆頭破巖效率、 提高鉆井速度、縮短周期是鉆井技術一直追求的目標。鉆井工程最重要的一步是破碎巖石。破碎巖石所需要能量來自地表，能量通過鉆井液、鉆柱傳遞到下部鉆頭，鉆頭直接破巖。鉆頭破巖巖石主要靠鉆頭施加鉆壓對巖石產生壓應力和鉆頭旋轉對巖石產生的剪切，在兩種作用力下，巖石產生裂紋，最終破碎成巖屑。 然而隨著井深增加，巖石在溫度和壓力兩種綜合效應下，鉆頭對巖石的破碎效率降低。特別是對高硬度、高研磨性地層，盡管鉆頭采用新材料、新技術，但破巖效率一直無法到達令人滿意的效果，平均機械鉆速常低于lm/h。提高深井、高硬度、高研磨地層的高效破巖技術是鉆井屆探尋的目標。磨料射流技術是機械加工業過去幾十年間出現的一種新型加工技術，通過高壓泵產生高壓流體經噴嘴噴射后通過引射作用與磨料顆粒混合形成高壓磨料射流，這種射流具有極強的穿透性，目前磨料射流可切割的鋼板厚度可達200mm。目前磨料射流切割技術廣泛應用了金屬和非金屬加工業。將磨料射流技術應用到鉆井技術行業，將能有效地提高硬、研磨性強地層的鉆頭破巖效率。國外出現這種類似的磨料顆粒鉆井技術，室內及現場試驗效果顯著，顯示出這種技術提高硬度高、研磨性地層鉆井速度的潛力。磨料顆粒鉆井提速技術的核心是磨料顆粒注入系統，即在高壓的情況下向鉆柱中加入高壓的磨料顆粒。當前磨料顆粒鉆井提速技術的顆粒注入系統結構多、系統復雜，同時注入顆粒還必須是經干燥顆粒， 這也增加了能耗。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種直接泵鋼顆粒漿的顆粒沖擊鉆井裝置，能將鋼顆粒漿直接注入到鉆柱中，鋼顆粒隨鉆井液一起流動到沖擊鉆頭從噴射口噴出，能對地層巖石產生破壞，達到破巖的目的。沖擊巖石后的鋼顆粒在環空中隨鉆井液返回到井口，通過振動篩、磁選機和退磁機，實現巖屑與鋼顆粒間的分離，鋼顆粒返回顆粒漿池，最終在顆粒漿池中形成待泵入的鋼顆粒漿，循環使用鋼顆粒。本實用新型采用的技術方案是直接泵鋼顆粒漿的顆粒沖擊鉆井裝置，包括鉆井系統、鋼顆粒漿注入系統、鋼顆粒回收系統和鋼顆粒漿制備系統。鉆井系統包括泥漿罐、泥漿泵、泥漿泵壓力表、立管、三通接頭、水龍帶、水龍頭、鉆柱、防溢管、顆粒沖擊鉆頭和振動篩。在井架上懸掛有水龍頭，水龍頭的下部有鉆柱，鉆柱的下端連接顆粒沖擊鉆頭，鉆柱穿過鉆井平臺的防溢管、井下環形空間；防溢管的出口有管線連接振動篩的泥漿入口，振動篩下部泥漿出口有管線連接泥漿罐，振動篩的巖屑出口下部有顆粒巖屑池；在泥漿罐的泥漿出口有管線連接泥漿泵的入口，泥漿泵的出口有高壓管線連接立管的下端，立管的上端連接三通接頭，三通接頭的出口端連接水龍帶，水龍帶的另一端連接在水龍頭上。其特征在于顆粒巖屑池的出口連接有鋼顆粒回收系統；鋼顆粒回收系統包括磁選機和退磁機，磁選機的進口有管線連接顆粒巖屑池的出口，磁選機的巖屑出口下部有巖屑池，在磁選機的鋼顆粒出口下部有退磁機入口，退磁機的鋼顆粒出口下部有顆粒漿池。鋼顆粒回收系統的主要作用是對鋼顆粒的回收再利用。鋼顆粒漿制備系統包括顆粒漿池、攪拌機、顆粒漿輸送泵、顆粒加料機和加水泵， 在顆粒漿池內部有攪拌機，在顆粒漿池下部的出口連接有顆粒漿輸送泵的進口，顆粒漿輸送泵的出口有管線連接鋼顆粒漿注入系統；在顆粒漿池的上部有顆粒加料機，泥漿罐下部有第二泥漿出口，泥漿罐的第二泥漿出口連接有加水泵，加水泵的出口有管線連接顆粒漿池；所述的鋼顆粒漿注入系統包括高壓顆粒漿泵、單向閥、截止閥和壓力表，高壓顆粒漿泵的進口有管線連接顆粒漿輸送泵；高壓顆粒漿泵的出口有管線連接三通接頭的鋼顆粒進口，在高壓顆粒漿泵與三通接頭之間的連接管線上固定有單向閥、截止閥和壓力表。顆粒沖擊鉆井系統主要是顆粒沖擊鉆頭，這種鉆頭與普通鉆頭存在差別，這種鉆頭水眼位置布局、切削齒、保徑齒以及鉆頭本體布局都不同與傳統鉆頭。傳統鉆頭主要靠鉆頭牙齒吃入地層，在壓應力和剪切應力綜合作用下使巖石產生破碎。而顆粒沖擊鉆頭主要靠鉆頭噴射口噴射出高速顆粒的沖擊作用破巖，顆粒沖擊鉆頭的切削齒主要用于破碎未被顆粒沖蝕的巖石。高壓顆粒漿泵為柱塞泵或是隔膜泵，高壓顆粒漿泵的數量為1 8臺，相互并聯。 高壓顆粒漿泵能將低壓的鋼顆粒漿轉換成高壓的鋼顆粒漿進入高壓管線，高壓管線與三通接頭相連接，高壓管線上裝有單向閥、截止閥和壓力表。壓力表的作用是確保高壓顆粒漿與鉆井液壓力相同。單向閥是防止鉆井液倒流至高壓顆粒漿泵中。截止閥和單向閥還能夠根據現場作業需要隨時停止鋼顆粒注入或啟動顆粒注入，即開始或停止鋼顆粒噴射鉆井。簡述鋼顆粒沖擊鉆井過程。參閱圖1。顆粒漿池18中配置好的鋼顆粒漿通過顆粒漿輸送泵20直接輸送到高壓顆粒漿泵23的低壓進液端，高壓顆粒漿泵23組將鋼顆粒漿加壓至設定高壓，高壓鋼顆粒漿通過高壓管線與三通接頭5相連接，三通接頭5另兩端分別是立管4和水龍帶6相連接。高壓鋼顆粒漿與鉆井液在三通接頭5內混合，并流向水龍帶6。 泥漿泵2出口管線和高壓顆粒漿泵23出口管線分別裝有壓力測量系統，確保三通接頭5高壓鋼顆粒漿與鉆井液混合時不存在壓差。高壓鋼顆粒漿和高壓鉆井液經過水龍帶6、水龍頭7、鉆柱8被輸送到井下鉆頭11，并由鉆頭11噴射口以極高速度沖擊地層。地層12在這種高速鋼顆粒沖擊作用下破碎，實現破巖目的。沖擊后的鋼顆粒漿經環空10至井口溢流管 9，經管線輸送至振動篩13。振動篩13將鋼顆粒與巖屑與鉆井液分離，鉆井液直接通過管線流回泥漿罐1，鋼顆粒和巖屑進入顆粒巖屑池14。鋼顆粒與巖屑通過磁選機15進行分離， 分離后巖屑進入巖屑池16用于錄井或無公害處理；分離鋼顆粒通過退磁機17退磁，退磁機 17將鋼顆粒的磁性退去，避免鋼顆粒因其所帶的磁性導致其相互吸引聚集或吸附在管路壁或吸附在其它設備內表面。退磁后的鋼顆粒進入顆粒漿池18，顆粒漿池18配有粒漿攪拌機19。通過注水泵22加水并通過顆粒加料機21加入鋼顆粒，調節鋼顆粒漿的參數，通常混合后鋼顆粒含量比為 10%。在需要的情況下添加一定的添加劑用于調節鋼顆粒漿性能。經調整后鋼顆粒漿性能滿足要求，通過顆粒漿輸送泵20輸送到高壓顆粒漿泵23進行再次循環利用。本實用新型的有益效果本實用新型直接泵鋼顆粒漿的顆粒沖擊鉆井裝置，能利用高壓顆粒漿以高速噴射地層，高速運動的鋼顆粒對地層的沖擊力使地層巖石破碎，噴射鉆頭切削齒破碎剩余的巖石，實現高效破巖，機械鉆速能提高70%以上。
圖1是本實用新型直接泵鋼顆粒漿的顆粒沖擊鉆井裝置示意圖。圖中，1-泥漿罐；2-泥漿泵；3-泥漿泵壓力表；4-立管；5-三通接頭；6_水龍帶； 7-水龍頭；8-鉆柱；9-防溢管；10-環形空間；11-顆粒沖擊鉆頭；12-地層；13-振動篩； 14-顆粒巖屑池；15-磁選機；16-巖屑池；17-退磁機；18-顆粒漿池；19-攪拌機；20-顆粒漿輸送泵；21-顆粒加料機；22-加水泵；23-高壓顆粒漿泵；24-單向閥；25-截止閥；26-壓力表。
具體實施方式
實施例1 以一個直接泵鋼顆粒漿的顆粒沖擊鉆井裝置為例，對本實用新型作進一步詳細說明。參閱圖1。本實用新型直接泵鋼顆粒漿的顆粒沖擊鉆井裝置，包括鉆井系統、鋼顆粒回收系統、鋼顆粒漿制備系統和鋼顆粒漿注入系統。鉆井系統包括泥漿罐1、泥漿泵2、泥漿泵壓力表3、立管4、三通接頭5、水龍帶6、 水龍頭7、鉆柱8、防溢管9、顆粒沖擊鉆頭11和振動篩13。在井架上懸掛有水龍頭7，水龍頭7的下部有鉆柱8，鉆柱8的下端連接顆粒沖擊鉆頭11，鉆柱8穿過鉆井平臺的防溢管9、 井下環形空間10。防溢管9的出口有管線連接振動篩13的泥漿入口，振動篩13下部泥漿出口有管線連接泥漿罐1，振動篩13的巖屑出口下部有顆粒巖屑池14。在泥漿罐1的泥漿出口有管線連接泥漿泵2的入口，泥漿泵2的出口有高壓管線連接立管4的下端，立管4的上端連接三通接頭5，三通接頭5的出口端連接水龍帶6，水龍帶6的另一端連接在水龍頭 7上。顆粒巖屑池14的出口連接有鋼顆粒回收系統。鋼顆粒回收系統包括磁選機15和退磁機17，磁選機15的進口有管線連接顆粒巖屑池14的出口，磁選機15的巖屑出口下部有巖屑池16，在磁選機15的鋼顆粒出口下部有退磁機17入口，退磁機17的鋼顆粒出口下部有顆粒漿池18。鋼顆粒漿制備系統包括顆粒漿池18、攪拌機19、顆粒漿輸送泵20、顆粒加料機21 和加水泵22，在顆粒漿池18內部有攪拌機19，在顆粒漿池18下部的出口連接有顆粒漿輸送泵20的進口，顆粒漿輸送泵20的出口有管線連接鋼顆粒漿注入系統。在顆粒漿池18的上部有顆粒加料機21，泥漿罐1下部有第二泥漿出口，泥漿罐1的第二泥漿出口連接有加水泵22，加水泵22的出口有管線連接顆粒漿池18。鋼顆粒漿注入系統包括高壓顆粒漿泵23、單向閥M、截止閥25和壓力表沈，高壓顆粒漿泵23采用兩臺隔膜泵，兩臺隔膜泵并聯。高壓顆粒漿泵23的進口(進料端)有管線連接顆粒漿輸送泵20 ；高壓顆粒漿泵23的出口(排液端)有管線連接三通接頭5的鋼顆粒進口，在高壓顆粒漿泵23與三通接頭5之間的連接管線上固定有一個單向閥24、一個截止閥25和一個壓力表26。
權利要求1.一種直接泵鋼顆粒漿的顆粒沖擊鉆井裝置，包括鉆井系統、鋼顆粒回收系統、鋼顆粒漿制備系統和鋼顆粒漿注入系統；鉆井系統包括泥漿罐(1)、泥漿泵( 、泥漿泵壓力表C3)、立管(4)、三通接頭( 、水龍帶(6)、水龍頭(7)、鉆柱(8)、防溢管(9)、顆粒沖擊鉆頭(11)和振動篩(13)；在井架上懸掛有水龍頭(7)，水龍頭(7)的下部有鉆柱(8)，鉆柱⑶的下端連接顆粒沖擊鉆頭(11)，鉆柱 (8)穿過鉆井平臺的防溢管(9)、井下環形空間(10)；防溢管(9)的出口有管線連接振動篩 (13)的泥漿入口，振動篩(1 下部泥漿出口有管線連接泥漿罐(1)，振動篩(1 的巖屑出口下部有顆粒巖屑池(14)；在泥漿罐(1)的泥漿出口有管線連接泥漿泵O)的入口，泥漿泵O)的出口有高壓管線連接立管的下端，立管的上端連接三通接頭(5)，三通接頭(5)的出口端連接水龍帶(6)，水龍帶(6)的另一端連接在水龍頭(7)上；其特征在于 顆粒巖屑池(14)的出口連接有鋼顆粒回收系統；鋼顆粒回收系統包括磁選機(15)和退磁機(17)，磁選機(15)的進口有管線連接顆粒巖屑池(14)的出口，磁選機(15)的巖屑出口下部有巖屑池(16)，在磁選機(15)的鋼顆粒出口下部有退磁機(17)入口，退磁機(17)的鋼顆粒出口下部有顆粒漿池(18)；鋼顆粒漿制備系統包括顆粒漿池(18)、攪拌機(19)、顆粒漿輸送泵(20)、顆粒加料機 (21)和加水泵(22)，在顆粒漿池(18)內部有攪拌機(19)，在顆粒漿池(18)下部的出口連接有顆粒漿輸送泵00)的進口，顆粒漿輸送泵00)的出口有管線連接鋼顆粒漿注入系統； 在顆粒漿池(18)的上部有顆粒加料機(21)，泥漿罐(1)下部有第二泥漿出口，泥漿罐(1) 的第二泥漿出口連接有加水泵(22)，加水泵0 的出口有管線連接顆粒漿池(18)；所述的鋼顆粒漿注入系統包括高壓顆粒漿泵(23)、單向閥(M)、截止閥0 和壓力表 (沈)，高壓顆粒漿泵的進口有管線連接顆粒漿輸送泵OO)；高壓顆粒漿泵的出口有管線連接三通接頭( 的鋼顆粒進口，在高壓顆粒漿泵與三通接頭( 之間的連接管線上固定有單向閥(M)、截止閥05)和壓力表06)。
2.根據權利要求1所述的直接泵鋼顆粒漿的顆粒沖擊鉆井裝置，其特征在于所述的高壓顆粒漿泵為柱塞泵或是隔膜泵，高壓顆粒漿泵的數量為1 8臺，1 8臺高壓顆粒漿泵相互并聯。
專利摘要直接泵鋼顆粒漿的顆粒沖擊鉆井裝置，應用于鉆井技術領域。包括鉆井系統、鋼顆粒回收系統、鋼顆粒漿制備系統和鋼顆粒漿注入系統。效果是高壓鋼顆粒漿隨鉆柱內孔輸送到鉆頭，鋼顆粒沖出鉆頭噴射口后以高速噴向井下地層，高速運動的鋼顆粒對地層的沖擊力使地層巖石破碎。鋼顆粒隨鉆井液返回至井口經防溢管進入振動篩，振動篩將顆粒巖屑與鉆井液分開，鋼顆粒巖屑混合物進入磁選機，鋼顆粒進入退磁機，退磁后的鋼顆粒進入顆粒漿池，并由顆粒漿輸送泵輸送到高壓顆粒漿泵進液端完成循環利用。適用用于高硬度、研磨性強地層的鉆井，機械鉆速能提高70％以上。
文檔編號E21B7/18GK202157747SQ20112021513
公開日2012年3月7日 申請日期2011年6月23日 優先權日2011年6月23日
發明者劉力, 卓魯斌, 崔柳, 崔龍連, 張富成, 査永進, 畢文欣, 汪海閣, 葛云華, 陳志學 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油集團鉆井工程技術研究院