一种哑铃形喷嘴钻井液混合调节装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种哑铃形喷嘴钻井液混合调节装置，包括混合腔体，混合腔体两端同轴安装添加剂入口和混合液出口，混合腔体两侧分别相对安装有高密度钻井液入口和水入口，高密度钻井液入口和水入口内分别安装有喷嘴，喷嘴横截面呈多个垂直相交的哑铃形状，哑铃形状的头部数量为2个以上，相交部位连通所有头部，喷嘴纵截面呈喇叭状，混合液出口的截面面积大于添加剂入口、高密度钻井液入口和水入口的截面面积。本发明的有益效果是能使高密度钻井液与海水或者淡水、添加剂在混合腔内部哑铃状喷嘴处能形成大涡流动，建立对冲扭转流动，能紧凑而且高效快速混合。
【专利说明】一种哑铃形喷嘴钻井液混合调节装置
【技术领域】
[0001]本发明属于钻井设备【技术领域】，涉及一种哑铃形喷嘴钻井液混合调节装置。
【背景技术】
[0002]与陆地和浅海钻井相比，深海钻井环境更复杂，容易出现常规钻井设备和方法难以克服的技术难题。在这些特殊钻井作业中，许多地区都存在钻井液密度窗口窄，地层压力控制难度大，极易引起溢流，出现井下复杂情况。甚至导致严重井喷和井漏事故，给钻井造成极大的困难。采用动态压井钻井技术，在钻井过程中精确控制井底压力，是解决这些问题的技术发展方向。动态压井钻井技术最初提出来也叫精确控制井底压力钻井技术，王要在深海中应用，深海有着和陆地、浅海不一样的钻探困难。在深水中，部分上覆岩层由水来代替，例如当目标层在海平面3500m处，对于深水情况而言，1800m厚的上覆岩层为1800m深的海水替代。浅水情况下位于泥线下垂直深度3300m处的储集层在深水情况下仅位于泥线以下1500m处，这些差别对于钻井和完井来说与浅水和陆地差异很大，尤其是泥浆密度窗口特别难于控制。深水海洋钻井由于孔隙压力和破裂压力之间窗口狭窄问题，从而导致使用数目众多的套管柱。在这种情况下，锚泊钻机本身必须承受锚泊系统的重量，给钻机稳定性增加了难度；隔水管除了承受自身重量，还承受严重的机械载荷，防止隔水管脱扣成为一个关键问题；海底泥线处高压、低温环境影响钻井液性能，产生特殊的难题；海底的不稳定性、浅层水流动、天然气水合物可能引起的钻井风险，因此这些井的钻探会由于经济性不佳而终止。这是因为采用常规钻井装置和方法进行钻井勘探(包括天然气水合物钻井)，有许多是不经济的。而且在钻井过程中会出现诸如地层漏失，压差卡钻、钻杆脱扣、地层孔隙压力与地层破裂梯度间压力窗口狭窄造成井漏等等问题，致使增加非生产时间，从而导致勘探费用大幅度提高。因此，针对深海油气资源的钻探难题，突破传统钻井方法，研究和开发一些特殊钻井技术非常重要。与陆地和浅水钻井相比，深水钻井有着更为复杂的海况条件，面临着更多的难题，主要表现在泥线不稳固、浅层地质灾害、窄密度窗口问题和气体水合物的危害等几个方面，增加了钻井作业的风险和成本。
[0003]为了控制浅层水流等危害，需要利用动态压井系统来实现钻井液密度的快速转变，来调节环空钻井液当量循环密度，从而精确控制井眼环空压力。钻井液密度混合装置是其核心部件。它根据作业需要，可随时将预先配置好的高密度钻井液与海水混合，调节到所需的密度，实现连续不断地向井内泵送钻井液。从而能够有效地控制地层流体进入井筒，减少井涌、井漏等钻井复杂情况，提闻钻井效率和钻井安全性，真正意义上实现边作业边加重的动态压井钻井作业。为了及时调整钻井液密度，要求能够快速混合各组分并达到均匀的混合程度，而且在野外工作，还要求具有很高的可靠性和尽可能低的流动阻力。目前现有的钻井液混合装置调节环空钻井液当量循环密度速度慢，不能精确控制井眼环空压力。石油钻井中高密度钻井液与海水或者淡水、添加剂等非牛顿液体与牛顿液体不能高效快速混
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[0004]现有发明申请号:201010547017.0专利，也是用于高密度钻井液与海水、添加剂的快速混合装置。本发明采用对冲-扭转-剪切混合原理，与申请号为201010547017.0的专利的大涡混合原理截然不同，导致其外形和内部结构都完全不一样，其混合器外形为立体偏心结构，呈羊角状布置；混合原理为整个混合腔内流动呈现为按逆时针流动的大涡，这个流动是整个混合器的主要流动和混合机理；其内部喷嘴为梅花形，主要功能用于分散流体。本发明外形为平面布置，更加紧凑；内部流动为两个喷嘴对冲，靠内部的剪切流混合，整个混合腔内流动无大涡；内部为哑铃形状喷嘴，主要功能用于建立对冲扭转流动。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在提供一种哑铃形喷嘴钻井液混合调节装置，解决了现有的传统的钻井液调节设备对高密度钻井液与海水或者淡水、添加剂等非牛顿液体与牛顿液体之间内部混合腔不能形成大涡流动，不能建立对冲扭转流动，不能紧凑而且高效快速混合的问题。
[0006]本发明所采用的技术方案是包括混合腔体，混合腔体两端同轴安装添加剂入口和混合液出口，混合腔体两侧分别相对安装有高密度钻井液入口和水入口，高密度钻井液入口和水入口内分别安装有喷嘴，喷嘴横截面呈多个垂直相交的哑铃形状，哑铃形状的头部数量为2个以上，相交部位连通所有头部，喷嘴纵截面呈喇叭状，混合液出口的截面面积大于添加剂入口、高密度钻井液入口和水入口的截面面积。
[0007]本发明的特点还在于两个喷嘴对称布置，相互对冲。混合液出口、添加剂入口、高密度钻井液入口和水入口的轴线在同一平面。喷嘴6厚度为10-15cm
[0008]本发明的有益效果是能使高密度钻井液与海水或者淡水、添加剂在混合腔内部哑铃状喷嘴处能形成大涡流动，建立对冲扭转流动，能紧凑而且高效快速混合。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是本发明一种哑铃形喷嘴钻井液混合调节装置总体结构示意图；
[0010]图2是本发明哑铃状喷嘴横截面示意图；
[0011]图3是本发明钻井液混合器装置使用连接图；
[0012]图4本发明混合器混合效果(密度随混合长度变化)；
[0013]图5是本发明压井液密度对比曲线；
[0014]图6本发明压井液密度与重浆流量的关系曲线。
[0015]图中，1.混合腔体，2.添加剂入口，3.混合液出口，4.高密度钻井液入口，5.水入口，6.喷嘴。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0017]本发明如图1所示包括混合腔体1，混合腔体I两端同轴安装添加剂入口 2和混合液出口 3，混合腔体I两侧分别相对安装有高密度钻井液入口 4和水入口 5，高密度钻井液入口 4和水入口 5内分别安装有喷嘴6，喷嘴6内设有2个以上的相交的哑铃形状开口，相交处连同个哑铃形状头部，如图2所示喷嘴6横截面呈两个垂直相交的哑铃形状，相交部位连通4个哑铃状头部，喷嘴纵截面呈喇叭状，混合液出口 3的截面面积大于添加剂入口 2、高密度钻井液入口 4和水入口 5的截面面积。喷嘴6对称布置。混合液出口 3、添加剂入口2、高密度钻井液入口 4和水入口 5的轴线在同一平面。
[0018]如图3所示为钻井液混合装置安装图，2个主要流体入口即高密度钻井液入口 4和水入口 5可分别通入高密度钻井液和海水或者淡水，添加剂入口 2可通入处理剂。3个入口和混合液出口 3的轴线在同一平面，而且2个主要流体入口以混合腔体轴心为对称轴呈对称布置。2个主要流体入口高密度钻井液入口 4和水入口 5各包含一个喷嘴6，喷嘴6改善了高粘度流体的扩散，喷嘴6的哑铃形状口可以使喷出液体呈不同的速度截面，在不同速度间压力也是不同的，这些不同压力区域间有利于形成横向涡流的产生。并且通过调节和稀释液的流量速度来得到需要的压井液密度。
[0019]从入口进入的各组分混合过程通常依靠扩散、对流和剪切三种作用来完成。对于高密度高粘度介质而言，分子扩散作用在钻井液混合中的效应完全可以忽略不计。对于无嵌入元件的混合器，常规对流作用也不会有明显效果。湍流虽然可以加大高粘度组分的对流分布作用，但基浆粘度太大，其流动往往处于层流状态。因此，钻井液混合器从强制冲击射流混合和纵向涡流混合入手，增大对流混合和剪切混合作用，使物质粒子或凝絮体产生变形。喷嘴较短的厚度10-15cm，有利于减少流动阻力，并有利于创建一个较好的湍流并诱导旋涡形成。这些都有利于混合的产生。对于两个对称安装的喷嘴6，由于对冲安装，这样喷出的高速低压流体进入产生的低速区域，并使两者的高速流体相互错开，依靠流体的粘度产生剪切混合后，减少混合单元尺寸粒度，使混合更加均匀。三个入口及出口轴线在同一平面布置，以利于充分湍流充分搅动。
[0020]实验及模拟验证:钻井液混合调节装置需要根据配制的要求，调整混合后钻井液的密度，这一调节手段是依靠重浆和海水不同的泵入量来确定的，即要求混合器在不同流量下，均保持较高的混合效果。这比常见固定工况的混合器要求要高的多，以基浆和海水分别以一定速度进入混合器入口。从数值计算和实验结果来看，钻井液混合调节装置具有很好的混合效果。图4也反应出基浆浓度在混合器尾部，基本上没有变化，即已经混合得十分均匀。
[0021]工作过程中，高密度钻井液通过管道及调整阀进入钻井液混合调节装置；海水通过海水入管及调整阀进入钻井液混合调节装置；高密度钻井液和海水通过流量计计量后，通过抱箍连接到混合器；添加剂在需要的时候，可以添加剂入口 2连接到混合器内。平时不需要添加剂的时候，通过截止阀关断添加剂入口 2，保证混合腔体的完整性；出口可以焊接弯管进入泥浆池或者直接进入钻井液管道，由泥浆泵直接泵入钻柱内。
[0022]测试实验，混合器安装与钻井平台，进行生产试验。测试过程:提前配制好40方
1.30S.G的泥浆，然后在编辑好的计算公式里计算出计划测试排量内重浆和稀释液各自需要的排量。排空池泥浆并用海水冲洗干净，按照计算结果，调试动态钻井装置的海水和重浆排量，混合到泥浆池搅拌器面之上(混合过程里泥浆池搅拌器保持开启)，不需等待搅拌时间，直接取泥浆池泥浆样测量，间隔几分钟后再取样测量，得出实际测量值。如表I所示为动态压井装置混合器测试数据。图5为压井液密度对比曲线，图6为压井液密度与重浆流量的关系曲线。
[0023]表I
[0024]
【权利要求】
1.一种哑铃形喷嘴钻井液混合调节装置，其特征在于:包括混合腔体(1)，混合腔体(I)两端同轴安装添加剂入口(2)和混合液出口(3)，混合腔体(1)两侧分别相对安装有高密度钻井液入口(4)和水入口(5)，高密度钻井液入口(4)和水入口(5)内分别安装有喷嘴(6)，喷嘴(6)横截面呈多个垂直相交的哑铃形状，哑铃形状的头部数量为2个以上，相交部位连通所有头部，喷嘴纵截面呈喇叭状，混合液出口(3)的截面面积大于添加剂入口(2)、高密度钻井液入口(4)和水入口(5)的截面面积。
2.按照权利要求1所述一种哑铃形喷嘴钻井液混合调节装置，其特征在于:所述喷嘴(6)为2个、对称布置、相互对冲。
3.按照权利要求1所述一种哑铃形喷嘴钻井液混合调节装置，其特征在于:所述混合液出口(3)、添加剂入口(2)、高密度钻井液入口(4)和水入口(5)的轴线在同一平面。
4.按照权利要求1所述一种哑铃形喷嘴钻井液混合调节装置，其特征在于:所述喷嘴(6)厚度为 10 _15cm。
【文档编号】B01F5/04GK103894083SQ201410130967
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】孔松涛, 雷宗明, 荣准, 赵丽君, 蔡萍, 王堃, 刘娟 申请人:重庆科技学院