专利名称：直接泵钢颗粒浆的颗粒冲击钻井装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及钻井技术领域，特别涉及粒子冲击钻井，是一种提高硬度高、研磨性强地层钻井速度的直接泵颗粒浆的颗粒冲击钻井装备。
背景技术：
目前，钻井工程就是通过一系列的工具和技术开凿出通往地下的通道。随着钻井深度和难度的增加，对钻井技术本身也提出新要求。特别是深井、超深井硬度高、研磨性强的地层，钻井工程的主要难点是机械钻速低、钻井周期长、钻井费用高。提高钻头破岩效率、 提高钻井速度、缩短周期是钻井技术一直追求的目标。钻井工程最重要的一步是破碎岩石。破碎岩石所需要能量来自地表，能量通过钻井液、钻柱传递到下部钻头，钻头直接破岩。钻头破岩岩石主要靠钻头施加钻压对岩石产生压应力和钻头旋转对岩石产生的剪切，在两种作用力下，岩石产生裂纹，最终破碎成岩屑。 然而随着井深增加，岩石在温度和压力两种综合效应下，钻头对岩石的破碎效率降低。特别是对高硬度、高研磨性地层，尽管钻头采用新材料、新技术，但破岩效率一直无法到达令人满意的效果，平均机械钻速常低于lm/h。提高深井、高硬度、高研磨地层的高效破岩技术是钻井届探寻的目标。磨料射流技术是机械加工业过去几十年间出现的一种新型加工技术，通过高压泵产生高压流体经喷嘴喷射后通过引射作用与磨料颗粒混合形成高压磨料射流，这种射流具有极强的穿透性，目前磨料射流可切割的钢板厚度可达200mm。目前磨料射流切割技术广泛应用了金属和非金属加工业。将磨料射流技术应用到钻井技术行业，将能有效地提高硬、研磨性强地层的钻头破岩效率。国外出现这种类似的磨料颗粒钻井技术，室内及现场试验效果显著，显示出这种技术提高硬度高、研磨性地层钻井速度的潜力。磨料颗粒钻井提速技术的核心是磨料颗粒注入系统，即在高压的情况下向钻柱中加入高压的磨料颗粒。当前磨料颗粒钻井提速技术的颗粒注入系统结构多、系统复杂，同时注入颗粒还必须是经干燥颗粒， 这也增加了能耗。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种直接泵钢颗粒浆的颗粒冲击钻井装置，能将钢颗粒浆直接注入到钻柱中，钢颗粒随钻井液一起流动到冲击钻头从喷射口喷出，能对地层岩石产生破坏，达到破岩的目的。冲击岩石后的钢颗粒在环空中随钻井液返回到井口，通过振动筛、磁选机和退磁机，实现岩屑与钢颗粒间的分离，钢颗粒返回颗粒浆池，最终在颗粒浆池中形成待泵入的钢颗粒浆，循环使用钢颗粒。本实用新型采用的技术方案是直接泵钢颗粒浆的颗粒冲击钻井装置，包括钻井系统、钢颗粒浆注入系统、钢颗粒回收系统和钢颗粒浆制备系统。钻井系统包括泥浆罐、泥浆泵、泥浆泵压力表、立管、三通接头、水龙带、水龙头、钻柱、防溢管、颗粒冲击钻头和振动筛。在井架上悬挂有水龙头，水龙头的下部有钻柱，钻柱的下端连接颗粒冲击钻头，钻柱穿过钻井平台的防溢管、井下环形空间；防溢管的出口有管线连接振动筛的泥浆入口，振动筛下部泥浆出口有管线连接泥浆罐，振动筛的岩屑出口下部有颗粒岩屑池；在泥浆罐的泥浆出口有管线连接泥浆泵的入口，泥浆泵的出口有高压管线连接立管的下端，立管的上端连接三通接头，三通接头的出口端连接水龙带，水龙带的另一端连接在水龙头上。其特征在于颗粒岩屑池的出口连接有钢颗粒回收系统；钢颗粒回收系统包括磁选机和退磁机，磁选机的进口有管线连接颗粒岩屑池的出口，磁选机的岩屑出口下部有岩屑池，在磁选机的钢颗粒出口下部有退磁机入口，退磁机的钢颗粒出口下部有颗粒浆池。钢颗粒回收系统的主要作用是对钢颗粒的回收再利用。钢颗粒浆制备系统包括颗粒浆池、搅拌机、颗粒浆输送泵、颗粒加料机和加水泵， 在颗粒浆池内部有搅拌机，在颗粒浆池下部的出口连接有颗粒浆输送泵的进口，颗粒浆输送泵的出口有管线连接钢颗粒浆注入系统；在颗粒浆池的上部有颗粒加料机，泥浆罐下部有第二泥浆出口，泥浆罐的第二泥浆出口连接有加水泵，加水泵的出口有管线连接颗粒浆池；所述的钢颗粒浆注入系统包括高压颗粒浆泵、单向阀、截止阀和压力表，高压颗粒浆泵的进口有管线连接颗粒浆输送泵；高压颗粒浆泵的出口有管线连接三通接头的钢颗粒进口，在高压颗粒浆泵与三通接头之间的连接管线上固定有单向阀、截止阀和压力表。颗粒冲击钻井系统主要是颗粒冲击钻头，这种钻头与普通钻头存在差别，这种钻头水眼位置布局、切削齿、保径齿以及钻头本体布局都不同与传统钻头。传统钻头主要靠钻头牙齿吃入地层，在压应力和剪切应力综合作用下使岩石产生破碎。而颗粒冲击钻头主要靠钻头喷射口喷射出高速颗粒的冲击作用破岩，颗粒冲击钻头的切削齿主要用于破碎未被颗粒冲蚀的岩石。高压颗粒浆泵为柱塞泵或是隔膜泵，高压颗粒浆泵的数量为1 8台，相互并联。 高压颗粒浆泵能将低压的钢颗粒浆转换成高压的钢颗粒浆进入高压管线，高压管线与三通接头相连接，高压管线上装有单向阀、截止阀和压力表。压力表的作用是确保高压颗粒浆与钻井液压力相同。单向阀是防止钻井液倒流至高压颗粒浆泵中。截止阀和单向阀还能够根据现场作业需要随时停止钢颗粒注入或启动颗粒注入，即开始或停止钢颗粒喷射钻井。简述钢颗粒冲击钻井过程。参阅图1。颗粒浆池18中配置好的钢颗粒浆通过颗粒浆输送泵20直接输送到高压颗粒浆泵23的低压进液端，高压颗粒浆泵23组将钢颗粒浆加压至设定高压，高压钢颗粒浆通过高压管线与三通接头5相连接，三通接头5另两端分别是立管4和水龙带6相连接。高压钢颗粒浆与钻井液在三通接头5内混合，并流向水龙带6。 泥浆泵2出口管线和高压颗粒浆泵23出口管线分别装有压力测量系统，确保三通接头5高压钢颗粒浆与钻井液混合时不存在压差。高压钢颗粒浆和高压钻井液经过水龙带6、水龙头7、钻柱8被输送到井下钻头11，并由钻头11喷射口以极高速度冲击地层。地层12在这种高速钢颗粒冲击作用下破碎，实现破岩目的。冲击后的钢颗粒浆经环空10至井口溢流管 9，经管线输送至振动筛13。振动筛13将钢颗粒与岩屑与钻井液分离，钻井液直接通过管线流回泥浆罐1，钢颗粒和岩屑进入颗粒岩屑池14。钢颗粒与岩屑通过磁选机15进行分离， 分离后岩屑进入岩屑池16用于录井或无公害处理；分离钢颗粒通过退磁机17退磁，退磁机 17将钢颗粒的磁性退去，避免钢颗粒因其所带的磁性导致其相互吸引聚集或吸附在管路壁或吸附在其它设备内表面。退磁后的钢颗粒进入颗粒浆池18，颗粒浆池18配有粒浆搅拌机19。通过注水泵22加水并通过颗粒加料机21加入钢颗粒，调节钢颗粒浆的参数，通常混合后钢颗粒含量比为 10%。在需要的情况下添加一定的添加剂用于调节钢颗粒浆性能。经调整后钢颗粒浆性能满足要求，通过颗粒浆输送泵20输送到高压颗粒浆泵23进行再次循环利用。本实用新型的有益效果本实用新型直接泵钢颗粒浆的颗粒冲击钻井装置，能利用高压颗粒浆以高速喷射地层，高速运动的钢颗粒对地层的冲击力使地层岩石破碎，喷射钻头切削齿破碎剩余的岩石，实现高效破岩，机械钻速能提高70%以上。
图1是本实用新型直接泵钢颗粒浆的颗粒冲击钻井装置示意图。图中，1-泥浆罐；2-泥浆泵；3-泥浆泵压力表；4-立管；5-三通接头；6_水龙带； 7-水龙头；8-钻柱；9-防溢管；10-环形空间；11-颗粒冲击钻头；12-地层；13-振动筛； 14-颗粒岩屑池；15-磁选机；16-岩屑池；17-退磁机；18-颗粒浆池；19-搅拌机；20-颗粒浆输送泵；21-颗粒加料机；22-加水泵；23-高压颗粒浆泵；24-单向阀；25-截止阀；26-压力表。
具体实施方式
实施例1 以一个直接泵钢颗粒浆的颗粒冲击钻井装置为例，对本实用新型作进一步详细说明。参阅图1。本实用新型直接泵钢颗粒浆的颗粒冲击钻井装置，包括钻井系统、钢颗粒回收系统、钢颗粒浆制备系统和钢颗粒浆注入系统。钻井系统包括泥浆罐1、泥浆泵2、泥浆泵压力表3、立管4、三通接头5、水龙带6、 水龙头7、钻柱8、防溢管9、颗粒冲击钻头11和振动筛13。在井架上悬挂有水龙头7，水龙头7的下部有钻柱8，钻柱8的下端连接颗粒冲击钻头11，钻柱8穿过钻井平台的防溢管9、 井下环形空间10。防溢管9的出口有管线连接振动筛13的泥浆入口，振动筛13下部泥浆出口有管线连接泥浆罐1，振动筛13的岩屑出口下部有颗粒岩屑池14。在泥浆罐1的泥浆出口有管线连接泥浆泵2的入口，泥浆泵2的出口有高压管线连接立管4的下端，立管4的上端连接三通接头5，三通接头5的出口端连接水龙带6，水龙带6的另一端连接在水龙头 7上。颗粒岩屑池14的出口连接有钢颗粒回收系统。钢颗粒回收系统包括磁选机15和退磁机17，磁选机15的进口有管线连接颗粒岩屑池14的出口，磁选机15的岩屑出口下部有岩屑池16，在磁选机15的钢颗粒出口下部有退磁机17入口，退磁机17的钢颗粒出口下部有颗粒浆池18。钢颗粒浆制备系统包括颗粒浆池18、搅拌机19、颗粒浆输送泵20、颗粒加料机21 和加水泵22，在颗粒浆池18内部有搅拌机19，在颗粒浆池18下部的出口连接有颗粒浆输送泵20的进口，颗粒浆输送泵20的出口有管线连接钢颗粒浆注入系统。在颗粒浆池18的上部有颗粒加料机21，泥浆罐1下部有第二泥浆出口，泥浆罐1的第二泥浆出口连接有加水泵22，加水泵22的出口有管线连接颗粒浆池18。钢颗粒浆注入系统包括高压颗粒浆泵23、单向阀M、截止阀25和压力表沈，高压颗粒浆泵23采用两台隔膜泵，两台隔膜泵并联。高压颗粒浆泵23的进口(进料端)有管线连接颗粒浆输送泵20 ；高压颗粒浆泵23的出口(排液端)有管线连接三通接头5的钢颗粒进口，在高压颗粒浆泵23与三通接头5之间的连接管线上固定有一个单向阀24、一个截止阀25和一个压力表26。
权利要求1.一种直接泵钢颗粒浆的颗粒冲击钻井装置，包括钻井系统、钢颗粒回收系统、钢颗粒浆制备系统和钢颗粒浆注入系统；钻井系统包括泥浆罐(1)、泥浆泵( 、泥浆泵压力表C3)、立管(4)、三通接头( 、水龙带(6)、水龙头(7)、钻柱(8)、防溢管(9)、颗粒冲击钻头(11)和振动筛(13)；在井架上悬挂有水龙头(7)，水龙头(7)的下部有钻柱(8)，钻柱⑶的下端连接颗粒冲击钻头(11)，钻柱 (8)穿过钻井平台的防溢管(9)、井下环形空间(10)；防溢管(9)的出口有管线连接振动筛 (13)的泥浆入口，振动筛(1 下部泥浆出口有管线连接泥浆罐(1)，振动筛(1 的岩屑出口下部有颗粒岩屑池(14)；在泥浆罐(1)的泥浆出口有管线连接泥浆泵O)的入口，泥浆泵O)的出口有高压管线连接立管的下端，立管的上端连接三通接头(5)，三通接头(5)的出口端连接水龙带(6)，水龙带(6)的另一端连接在水龙头(7)上；其特征在于 颗粒岩屑池(14)的出口连接有钢颗粒回收系统；钢颗粒回收系统包括磁选机(15)和退磁机(17)，磁选机(15)的进口有管线连接颗粒岩屑池(14)的出口，磁选机(15)的岩屑出口下部有岩屑池(16)，在磁选机(15)的钢颗粒出口下部有退磁机(17)入口，退磁机(17)的钢颗粒出口下部有颗粒浆池(18)；钢颗粒浆制备系统包括颗粒浆池(18)、搅拌机(19)、颗粒浆输送泵(20)、颗粒加料机 (21)和加水泵(22)，在颗粒浆池(18)内部有搅拌机(19)，在颗粒浆池(18)下部的出口连接有颗粒浆输送泵00)的进口，颗粒浆输送泵00)的出口有管线连接钢颗粒浆注入系统； 在颗粒浆池(18)的上部有颗粒加料机(21)，泥浆罐(1)下部有第二泥浆出口，泥浆罐(1) 的第二泥浆出口连接有加水泵(22)，加水泵0 的出口有管线连接颗粒浆池(18)；所述的钢颗粒浆注入系统包括高压颗粒浆泵(23)、单向阀(M)、截止阀0 和压力表 (沈)，高压颗粒浆泵的进口有管线连接颗粒浆输送泵OO)；高压颗粒浆泵的出口有管线连接三通接头( 的钢颗粒进口，在高压颗粒浆泵与三通接头( 之间的连接管线上固定有单向阀(M)、截止阀05)和压力表06)。
2.根据权利要求1所述的直接泵钢颗粒浆的颗粒冲击钻井装置，其特征在于所述的高压颗粒浆泵为柱塞泵或是隔膜泵，高压颗粒浆泵的数量为1 8台，1 8台高压颗粒浆泵相互并联。
专利摘要直接泵钢颗粒浆的颗粒冲击钻井装置，应用于钻井技术领域。包括钻井系统、钢颗粒回收系统、钢颗粒浆制备系统和钢颗粒浆注入系统。效果是高压钢颗粒浆随钻柱内孔输送到钻头，钢颗粒冲出钻头喷射口后以高速喷向井下地层，高速运动的钢颗粒对地层的冲击力使地层岩石破碎。钢颗粒随钻井液返回至井口经防溢管进入振动筛，振动筛将颗粒岩屑与钻井液分开，钢颗粒岩屑混合物进入磁选机，钢颗粒进入退磁机，退磁后的钢颗粒进入颗粒浆池，并由颗粒浆输送泵输送到高压颗粒浆泵进液端完成循环利用。适用用于高硬度、研磨性强地层的钻井，机械钻速能提高70％以上。
文档编号E21B7/18GK202157747SQ20112021513
公开日2012年3月7日 申请日期2011年6月23日 优先权日2011年6月23日
发明者刘力, 卓鲁斌, 崔柳, 崔龙连, 张富成, 査永进, 毕文欣, 汪海阁, 葛云华, 陈志学 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油集团钻井工程技术研究院