粒子射流沖擊破巖試驗裝置研制

任福深，李　洋，程曉澤，楊　帥

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.武警森林指揮部直升機支隊，黑龍江 大慶 163000)①

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開發應用

粒子射流沖擊破巖試驗裝置研制

任福深1，李洋1，程曉澤1，楊帥2

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.武警森林指揮部直升機支隊，黑龍江 大慶 163000)①

粒子射流沖擊鉆井技術是利用高速金屬粒子和流體聯合沖擊破巖為主，機械破巖為輔的一種破巖工藝，是提高堅硬、高研磨巖層進尺速度的一種有效手段。針對該破巖工藝技術，研制了一套能夠模擬粒子射流沖擊破巖的室內試驗裝置。該裝置主要由高壓泥漿泵、粒子摻入裝置、模擬頂驅、模擬井底、水循環系統和安全保障系統組成，能夠實現粒子按比例摻入、沖擊破巖、粒子回收和破巖過程數據監控等功能；能夠完成射流速度、粒子體積、粒子摻入比例、沖擊標靶距離和射流角度對破巖效率和破巖效果的試驗研究。

粒子沖擊鉆井；試驗裝置；密封；破巖

粒子沖擊鉆井破巖工藝是以高速金屬粒子和流體聯合沖擊破巖為主、機械破巖為輔的一種提高堅硬、高研磨巖層進尺速度的有效手段[1]，其工藝過程如圖1所示。粒子沖擊鉆井破巖工藝中，在鉆井液注入高壓管匯之前，將金屬粒子按一定比例均勻的摻入到鉆井液中[2]，金屬粒子與鉆井液混合通過鉆桿，到達井底鉆頭，再通過鉆頭上的專用粒子加速噴嘴加速到預定的速度，沖擊破碎巖石，之后巖屑、粒子和鉆井液的混合物經由環空返回地面，而后經由粒子振動篩、磁選機、脫磁器等地面設備將金屬粒子從混合液中分離出來，循環使用[3-4]。徐依吉等人[5]進行了不同粒子直徑仿真研究，得到破巖過程中能量轉化關系以及粒子沖擊破巖的演化過程[6]，并進行了粒子沖擊鉆井分離裝置的研究[7]，根據粒子射流的理論研究進行現場試驗[8]。伍開松等人[9]對粒子沖擊技術進行述評，應用ANSYS軟件進行單粒子沖擊破碎巖石仿真研究[10]，經過仿真研究得到粒子直徑、粒子速度和入射角度對破碎巖石的影響[11]。張揚等人[12]對鉆井液攜帶粒子能力進行分析研究，考慮到粒子和巖屑的運動性質進行粒子分離裝置的研究[13]。任福深等人[14]對粒子射流破巖發展狀況進行總結，分析粒子沖擊鉆井工藝的關鍵技術，并且對噴嘴的結構進行設計研究[15]，利用FLUENT軟件進行仿真分析[16]。

圖1　2種鉆井方式的對比

1　試驗裝置總體方案

粒子射流沖擊破巖試驗裝置主要由高壓泥漿動力系統、粒子高壓摻入裝置、模擬頂驅、模擬井底、粒子循環裝置和電器控制系統組成，如圖2所示。高壓泥漿動力系統由1臺110 kW的動力泥漿泵為試驗裝置提供32 MPa、10.8 m3/h的水動力；粒子摻入裝置主要完成將金屬粒子按照一定比例均勻的摻入到管線高壓水中；模擬頂驅用來模擬鉆井過程中驅動鉆桿的鉆井過程，可以實現恒壓、恒速和恒轉矩的鉆進過程；模擬井底用來模擬井底巖石；循環水箱用來實現金屬粒子和巖屑的分離。試驗裝置參數如表1所示。

表1　試驗裝置參數

1—高壓泥漿泵；2—粒子注入裝置；3—水箱；4—模擬頂驅；5—模擬井底。

2　試驗裝置關鍵部件研制

2.1粒子高壓摻入裝置

粒子高壓摻入裝置主要由粒子儲罐、螺旋推進器、伺服電機、連接管線和密封組件等組成，如圖3所示。

1—高壓水入口；2—密封法蘭；3—螺旋推進器；4—連接管線；5—粒子儲罐；6—伺服電機；7—減速器；8—高壓水出口。

金屬粒子按體積需要，預先添加到粒子儲罐中，為了防止粒子銹蝕和粘結，摻入了少許的亞硝酸鈉。試驗開始前，打開粒子儲罐與螺旋推進器之間的閥門，讓金屬粒子自由落入螺旋推進器內，通過控制伺服電機的旋轉速度，將粒子按一定的速度輸送到高壓流體管線中，在粒子儲罐和高壓流體管線間，設置了壓力平衡管線，以減少高速流體流到粒子儲罐對粒子摻入比例和摻入速度的影響。螺旋推進器兩端，采用車式密封和自制的雙金屬管法蘭密封組件的組合設計，實現40 MPa壓力動靜密封工藝要求。

2.2模擬頂驅裝置

為了對比分析常規機械破巖和粒子射流沖擊破巖效果，研制了模擬頂驅裝置。該裝置主要由三相異步電機、齒輪組件、滾珠絲杠、升降平臺、鉆桿和升降驅動組件等組成，如圖4所示。2臺對稱分布的電動機通過軸端的小齒輪帶動大齒輪旋轉，大齒輪帶動齒輪軸心的空心鉆桿，可為破巖提供300 N·m轉矩。安裝在模擬頂驅底部的伺服電機，通過同步帶傳動系統，驅動滾珠絲杠旋轉，從而實現模擬井底平臺的升降運動。試驗過程中，可以將伺服電機設置成恒轉矩或者恒轉速輸出狀態，進而模擬破巖過程的恒壓或恒速鉆進模式。

1—三相異步電機；2—齒輪組件；3—鉆桿；4—滾珠絲杠；5—升降平臺；6—同步皮帶。

2.3模擬井底裝置

模擬井底主要由巖石樣本箱體、壓力傳感器和升降平臺卡具和柔性密封組件組成，如圖5所示。試驗前，打開巖石樣本箱體上蓋，放入巖石樣本并固定在箱體卡具上，鉆桿通過柔性密封組件穿過箱體上蓋，進入箱體內部；巖石樣本箱體通過升降平臺上的卡具固定在升降平臺上，隨升降平臺升降運動；試驗過程中巖石碎屑、金屬粒子和鉆井液通過箱體側面的通道流入循環水箱；在升降平臺與巖石樣本卡具間安置的壓力傳感器，實時監測鉆壓的波動。

1—密封；2—流體出口；3—箱體；4—箱體卡具；5—壓力傳感器。

2.4電器控制系統

試驗裝置的電器控制系統主要由高壓泥漿泵動力控制系統、試驗臺電器控制系統和安全保障系統組成，如圖6所示。高壓泥漿泵動力控制系統采用降壓啟動方式，同時配備電位器遠程調控裝置，可以實現遠距離的高壓泵啟停和泵出流量的控制；試驗臺電器控制系統采用了PLC及其配套模塊作為控制終端，實現對電機的轉速、壓力信號和位置信號的監控；安全保障系統主要由遠程無線操控單元、壓力變送器和泄壓閥等組成，在出現壓力超限等情況時，可以實現試驗裝置的自動關停。操作過程中，操作者可以遠離高壓水區域，實現遠距離的試驗操作。

a　試驗臺電器控制箱

b　無線遙控裝置

3　粒子射流破巖試驗

3.1試驗過程

粒子射流沖擊破巖試驗前，首先進行設備安全檢查，確保各電器部件、傳感器和安全部件正常工作；粒子儲罐中裝入金屬粒子前，打開循環泵清理管線，然后向粒子儲罐內添加粒子；調整升降臺的高度，確定鉆頭與巖石樣本的靶距；調節高壓泥漿泵電機轉數，控制管道中壓力，當管道中流體壓力穩定時，開啟螺旋推進器處電機將儲罐中的粒子推進到高壓管線中，粒子在高壓管線中受到水的攜帶作用而加速，實現粒子射流沖擊巖石。試驗結束后，先關閉螺旋推進器處的電機，隨后關閉高壓泥漿泵，取出巖石樣本測量粒子破巖深度和破巖體積。

按照上述方法進行不同參數下的粒子射流破巖試驗研究。試驗參數和試驗結果如表2～3所示。

表2　試驗參數

表3　試驗結果

3.2試驗分析

不同流體壓力下粒子破巖關系曲線如圖7所示。隨著壓力的升高，流體速度會增加，高壓水攜帶粒子獲得的動能也越大，粒子破巖深度和破巖體積都隨著增加。在流體壓力小于7 MPa時，粒子射流不能獲得足夠的破巖動能，破巖不明顯；流體壓力在7 ～14 MPa時，粒子射流沖擊破巖明顯，基本成線性變化；當流體壓力大于14 MPa時，破巖速度顯著增加。

圖8為1.2 mm粒子沖擊破碎巖石效果圖。當粒子的沖擊壓力達到巖石的門限壓力時，巖石發生破壞，在粒子撞擊點周圍出現巖石裂紋，形成漏斗狀巖石破碎坑。

在試驗過程中還觀測到，在粒子射流沒有達到巖石破碎門限壓力前，試驗系統噪聲變化不大；當粒子射流速度達到巖石破碎門限壓力后，試驗系統噪聲明顯增大；當粒子擊穿巖石樣本后，可聽見明顯的粒子與箱體底部撞擊的金屬聲響。

圖7　不同壓力下破巖深度和體積關系曲線

a　9 MPa

b　12 MPa

c　14 MPa

d　16 MPa

4　結論

1)研制的粒子射流破巖室內試驗裝置能夠模擬粒子射流沖擊破巖的工藝過程、實現粒子摻入比例的實時控制，模擬恒壓、恒速的粒子射流沖擊鉆進過程。

2)利用該試驗裝置，開展了粒子射流沖擊破巖試驗。試驗結果表明：在流體壓力小于7 MPa時，粒子射流不能獲得足夠的破巖動能，破巖不明顯；流體壓力在7～14 MPa時，粒子射流沖擊破巖明顯，基本成線性變化；當流體壓力大于14 MPa時，破巖速度顯著增加。

[1]閆鐵，杜婕妤，李瑋.高效破巖前沿鉆井技術綜述[J].石油礦場機械，2012，41(1)：50-55.

[2]劉其虎，徐義，廖坤龍.粒子沖擊鉆井注入系統設計及可行性研究[J].石油礦場機械，2013，42(9)：1-4.

[3]Frank Hartley.Particle Drilling Technologies completes first phase of test[J].Offshore，2008，68(3)：30-31.

[4]Thomas Hardisty.Particle Drilling Pulverizes Hard Rocks[J].American Oil & Gas Reporter，2007，50(7)：86-88.

[5]徐依吉，趙紅香，孫偉良.鋼粒沖擊巖石破巖效果數值分析[J].中國石油大學學報(自然科學版)，2009，33(5)：68-71.

[6]任建華，徐依吉，趙健.粒子沖擊破巖的數值模擬分析[J].高壓物理學報，2012，26(1)：89-94.

[7]周愛照，劉永旺，趙健，等.粒子沖擊鉆井系統中粒子分選裝置的研制[J].鉆井工程，2014，34(8)：97-101.

[8]趙健，韓烈祥，徐依吉.粒子沖擊鉆井技術理論與現場試驗[J].天然氣工業，2014，34(8)：102-107.

[9]伍開松，古劍飛，況雨春.粒子沖擊鉆井技術述評[J].西南石油大學學報(自然科學版)，2008，30(2)：142-146.

[10]況雨春，朱志鐠，蔣海軍，等.單粒子沖擊破巖試驗與數值模擬[J]，石油學報，2012，33(6)：1059-1063.

[11]伍開松，榮明，況雨春.粒子沖擊鉆井破巖仿真模擬研究[J].石油機械，2008，36(2)：9-11.

[12]馬振中，張楊，溫林榮.粒子沖擊鉆井中液體攜帶粒子環空返流試驗研究[J].北京化工大學學報(自然科學版)，2012，39(2)：101-105.

[13]王亦逍.粒子沖擊鉆井系統中粒子分離回收規律的試驗研究及分析[D].北京：北京化工大學，2011.

[14]任福深，馬若虛，程曉澤，等.粒子沖擊鉆井技術研究進展及關鍵問題[J].石油礦場機械，2014，43(7)：20-25.

[15]馬若虛.粒子射流沖擊鉆井破巖裝置噴嘴研究[D].大慶：東北石油大學，2015.

[16]Ren FuShen，Ma RuoXu，Cheng XiaoZe.Simulation of particle impact drilling nozzles based on FLUENT[J]．Material Mechanical and Manufacturing Engineering II，2014：475-478.

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

黑龍江省新世紀優秀人才培養計劃項目(1254-NCET-005)；黑龍江省博士后科研啟動金項目(LBH-Q15018)

任福深(1976-)，男，遼寧遼陽人，教授，博導，主要從事石油機械及其控制理論研究，E-mail：renfushen@126.com。

TE929

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.011