钢粒射流冲击破岩综合实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钢粒射流冲击破岩的综合实验装置，属于石油钻井领域。
【背景技术】
[0002]随着石油资源需求量的不断增加，现有的浅层易开采石油资源不断枯竭，石油资源的勘探开发逐渐的转向深井硬地层和复杂地层。在该类地层的钻井过程中，存在钻头磨损严重，起下钻次数频繁、钻具磨损严重、发生井斜等问题，严重影响了该类地层的钻井速度，增加了油气资源开采的成本。粒子冲击钻井技术通过在钻井液中加入一定比例的钢粒，钢粒在钻井液携带下，与钻井液混合均匀并到达井下钻头，钢粒和钻井液的混合物从钻头喷嘴喷出，以高于100m/S的速度冲击破碎岩石。该技术改变了常规钻头的破岩方式，实现了钢粒冲击和钻头机械的联合破岩，将高速粒子的冲击动能，转化成岩石破碎内能，在高速粒子冲击岩石表面的瞬间，在极短时间内产生极大的瞬时接触应力，该应力大大超过了岩石的强度极限，导致岩石的大体积破碎，岩石产生大体积破碎后强度迅速降低，钻头切削齿很容易破碎剩余岩石，有效的提尚了钻井的机械钻速。钢粒射流冲击破岩涉及到水力(围压、浓度、时间、排量、钢粒材质、钢粒直径、喷嘴直径等)、岩性(大理岩、砂岩、花岗岩、火成岩等)、射流(角度、喷距、喷射速度、移动速度等)等各种参数，如何确定出最优的破岩参数，最大限度发挥射流能量显得尤为重要。通过室内实验获得钢粒射流破岩效率随各个水力、岩性、射流各参数的变化规律，进而得出最优的破岩参数组合，是一种高效、科学的研究方法。钢粒射流破岩涉及到的参数较多，如何在同一实验装置上实现各个参数对破岩效率的实验分析，是亟需解决的问题。
[0003]本发明提出了一种钢粒射流冲击破岩的综合实验装置，实现了一个实验装置可进行粒子射流破岩水力(围压、浓度、时间、排量、钢粒材质、钢粒直径、喷嘴直径等)、岩性(大理岩、砂岩、花岗岩、火成岩等)、射流(角度、喷距、喷射速度、移动速度等)等各种参数对破岩效率的影响规律的实验分析。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:提供一种能够实现进行粒子射流破岩水力(围压、浓度、时间、排量、钢粒材质、钢粒直径、喷嘴直径等)、岩性(大理岩、砂岩、花岗岩、火成岩等)、射流(角度、喷距、喷射速度、移动速度等)等各种参数对破岩效率的影响规律实验的专用实验装置。
[0005]本发明所述的钢粒射流冲击破岩综合实验装置由储水罐、低压管线、高压栗、压力表、高压球罐、高压管线、高压阀、螺旋输送装置、液压马达、砂浆栗、射吸漏斗、蝶阀、试验架、高压实验井筒、岩石、调节喷嘴、液压工作站、液压管线、质量流量计、高压分流阀组成。储水罐为长方体储罐，存储实验所需的水，储水罐各出口均安装有过滤装置。高压栗和储水罐通过低压胶管连接，高压栗入口管线开关由蝶阀控制。高压栗由电机、减速机、柱塞栗三部分组成，为实验提供高压水的动力来源。高压分流阀安装在高压栗的出口管线上，通过调节高压分流阀的大小，可以控制进入到高压实验井筒的流体的流量，即可以调节钢粒射流破岩的流量。高压栗栗出的高压水通过高压管线输送至高压球罐底部的螺旋输送装置，高压管线由高压阀控制，压力由压力表测量。高压球罐筒体为球形，高压球罐利用T型支撑腿支撑。高压球罐下部出口连接螺旋输送装置，螺旋输送装置由五星液压马达驱动，动力来自液压工作站。螺旋输送装置的螺杆在五星液压马达的驱动下旋转，将高压球罐中的粒子旋转输送到高压管线中，钢粒和高压管线中的高压水混合，形成钢粒和高压水的混合液，混合液流经质量流量计，通过计算后可得出通过的高压水和粒子的流量，以及粒子在混合液中的浓度。混合液继续通过高压管线输送，输送至高压实验井筒中，高压实验井筒由实验架固定。混合液进入高压实验井筒中，依次通过高压钢管、调节接头，最终从高压喷嘴喷出，形成钢粒射流，钢粒射流冲击到岩石上，完成钢粒射流破岩过程。调节接头可以调节高压喷嘴的角度，因此可调节钢粒射流的喷出角度。实验井筒围压由接到高压实验井筒外筒上的高压表测量。岩石类型为大理石、花岗岩、砂岩等，岩石下部为调节垫片，调节垫片可调节岩石距离喷嘴出口距离，既可调节钢粒射流破岩的喷距。调节垫片和传动轴连接，传动轴与五星液压马达连接，五星液压马达动力由液压工作站提供，通过调节马达的转速可以调节岩石的旋转速度，即可以调节钢粒射流的移动速度。高压实验井筒的上部连接调压喷嘴，通过调节调压喷嘴的内径，可调节高压实验井筒内的压力，即可以调节钢粒射流破岩的围压。流体从调节喷嘴流出后，通过低压管线输送至储水罐中。
[0006]高压球罐有三个口，分别为上部进料口、上部溢出口和下部出料口。上部进料口通过高压管线、高压转低压阀门、低压管线和射吸漏斗连接。上部溢出口通过高压管线、高压转低压阀门、低压管线和储水罐相连。高压球罐有两个，1#高压球罐和2#高压球罐。高压球罐I工作时，钢粒从下部出料口进入到高压管线中和高压水混合，此时2#高压球罐进行钢粒的加料过程。当1#高压球罐钢粒使用完毕后，2#高压球罐开始工作，钢粒通过螺旋输送装置输送到高压管线中，此时1#高压球罐开始进行钢粒的加料过程。通过两个高压球罐的交替加料和注入，实现了钢粒不间断的注入到高压管线中。
[0007]钢粒的加料过程为:砂浆栗从储水罐吸入水，经过砂浆栗加压后，经过砂浆栗后面的射吸漏斗，射吸漏斗中装满粒子，水流经过射流漏斗后，在漏斗下部形成负压，由于负压的作用下，打开射吸漏斗蝶阀后，漏斗中粒子会不断下落和流经的水流混合，钢粒在水流的携带下经过低压管线、高压管线，由高压球罐的上部进料口进入高压球罐中存储起来，钢粒在重力的作用下沉积到罐底部。多余流体从高压球罐的上部溢出口溢出，溢出的流体通过高压管线、低压管线、流到储水罐中。
[0008]本发明的有益效果是:
[0009]高压分流阀安装在高压栗的出口管线上，通过调节高压分流阀的大小，可以控制进入到高压实验井筒的流体的流量，即可以调节钢粒射流破岩的流量。高压栗栗出的高压水输送到高压球罐底部的螺旋输送装置，螺旋输送装置的螺杆以一定的速率旋转，可保证钢粒以设计浓度，均匀稳定的加入到高压水中，保证了钢粒射流中钢粒浓度的均匀稳定性，调节螺杆的转速，即可控制高压水流中的粒子浓度。螺杆由液压马达驱动，液压驱动的可控性强，稳定高。高压实验井筒前端高压管线连接质量流量计，可得到通过钢粒和水的流量，以及钢粒的体积浓度，而且通过计算已经流过的钢粒量，可计算出高压球罐中钢粒的剩余量，从而判断高压球罐中的钢粒是否注入完毕。
[0010]高压实验井筒可进行高压的钢粒射流破岩实验。调节接头可以调节高压喷嘴的角度，因此可调节钢粒射流的喷出角度。实验井筒围压由接到高压实验井筒外筒上的高压表测量。岩石类型为大理石、花岗岩、砂岩等，岩石下部为调节垫片，调节垫片可调节岩石距离喷嘴出口距离，既可调节钢粒射流破岩的喷距。通过调节马达的转速可以调节岩石的旋转速度，即可以调节钢粒射流的移动速度。高压实验井筒的上部连接调压喷嘴，通过调节调压喷嘴的内径，可调节高压实验井筒内的压力，即可以调节钢粒射流破岩的围压。传动轴采用K式密封结构，通过多个K式密封圈叠加实现系统高压的动密封。上法兰盘和高压钢管之间的高压静密封采用组合密封圈结构，通过密封盒和多个O型圈实现高压静密封，有效提高系统密封效率和寿命。
[0011]高压球罐为球体，球形高压罐的耐压性能好，同体积下，球体形状的高压罐易于加工，壁厚小，重量轻。外形为球体，钢粒从上部进料口进入后，可以顺利的落到高压球罐底部，也利于钢粒的顺利排出。通过两个高压球罐的交替加料和注入，实现了钢粒不间断的注入到高压管线中。钢粒在加入到高压球罐过中，钢粒和水发生第一次混合，钢粒从高压球罐中通过螺旋输送装置后，钢粒和高压管线中的水流发生第二次混合，通过两次的混合可以保证钢粒与水可以良好的混合。通过射吸漏斗作用，水流经过射流漏斗后，在漏斗下部形成负压，在负压的作用下，打开射吸漏斗蝶阀，粒子和水流混合，被水流的携带下到高压球罐中存储起来，这种液体携带输送的方式，输送稳定，输送速度快，效率高，可以在短时间内安全的将钢粒输送高高压管线中。实验系统的螺旋输送装置、高压实验井筒岩石旋转，均通过液压马达来驱动，动力由液压工作站提供，这种液体驱动的方式，驱动的动力稳定，可控性强，具有较高的效率和安全性。
【附图说明】
[0012]图1为本发明的工作示意图。
[0013]图中:丨、储水罐2、1#蝶阀3、高压栗入口管线4、高压栗5、高压管线6、高压管线压力表7、1#高压球罐8、2#高压球罐9、1#螺旋输送装置10、2#螺旋输送装置11、1#高压阀12、2#高压阀13、3#高压阀14、4#高压阀15、5#高压阀16、6#高压阀17、高压实验井筒入