（油气井工程专业论文）粒子冲击钻井中流体控制装置的设计.pdf

1 t 、， 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：缉垃 日期：加厂年6 月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部l - j ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借 阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：加，年占月日 日期：冽，年易月日 1 r 。 摘要 粒子冲击钻井技术是一种专门针对深井硬地层的钻井技术，它改变了切削地层的方 法，提高了能量的利用率。然而在钻井过程中，钻井液回流问题直接影响到钻头的正常 工作。回流的钻井液带着粒子堆积在钻头之上，会损坏钻头，大大缩减钻头的使用寿命， 进而增加钻井成本。因此设计一个适用于粒子冲击钻井的流体控制装置是十分必要的。 本文从粒子冲击钻井的工艺原理及流程研究入手，分析了钻柱内压力分布，为装置 的设计及强度校核提供数据支持；并研究了粒子冲击钻井中钻井液回流特性，为下一步 流体控制装置设计提供理论支持。结合现有止回阀的工作原理，本着“钻井过程中，当 泵工作时，装置处于开启状态，钻井液可以从钻柱通过流体控制装置流向钻头；当泵停 止工作时，装置自动进入关闭状态，钻井液不能通过该装置回流”的设计理念，设计出 以地面泥浆泵的工作状态为装置开启闭合条件的流体控制装置。 应用a u t o c a d 、p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 等软件对流体控制装置的结构进行了设计， 并对装置的关键部件进行了强度校核。通过校核得出，前面对流体控制装置主要结构的 设计是可行的。运用p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 软件机构( m e c h a n i s m ) 对设计的结构进行 了运动仿真，实现了运动学动力学分析及装配干涉、运动协调性的验证，证明了流体控 制装置可以实现以地面泥浆泵的工作状态为装置开启闭合条件的可行性。在上述研究 成果基础上，完成了零件加工图纸以及整体装配图纸的绘制等工作。 关键词：粒子冲击钻井，钻井液回流，止回阀，流体控制装置，动态仿真 d e s i g no ff l u i dc o n t r o ld e v i c ef o rp a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g q i uw e i w e i ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x u j i a b s t r a c t p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n gt e c h n o l o g yw h i c hh a sc h a n g e dt h et r a d i t i o n a lw a yo fc u t t i n g f o r m a t i o na n di m p r o v e de n e r g ye f f i c i e n c yi ss p e c i a l l yu s e dt oh a r df o r m a t i o ni nd e e pw e l l h o w e v e r ，t h eb a c kf l o wo ft h ed r i l l i n gf l u i dd i r e c t l ya f f e c t st h eb i tl i f ei nt h ed r i l l i n gp r o c e s s t h ep a r t i c l e so ft h ef l u i da c c u m u l a t ea r o u n dt h eb i t ，w h i c hw i l ld a m a g et h ed r i l lb i t ，r e d u c e t h es e r v i c el i f eo fd r i l lb i t ，a n dt h e ni n c r e a s et h ec o s to fd r i l l i n g s oi ti sn e c e s s a r yt od e s i g na f l u i dc o n t r o ld e v i c ef o r p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g i nt h i sp a p e r ，s t a r t e dw i t hd r i l l i n gp r o c e s sp r i n c i p l ea n df l o w , s o l i d l i q u i dt w o p h a s e f l o we q u a t i o n sa r es e tu pi nt h ed r i l ls t r i n gd u r i n gd r i l l i n g ，a n dt h i sw i l lb et h ef o u n d a t i o nf o r a n a l y s i so ft h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o nw i t h i nt h ed r i l ls t r i n gw h i c hp r o v i d ed a t as u p p o r tf o r d e s i g na n ds t r e n g t hc h e c ko f t h ed e v i c e b a c kf l o wp r o p e r t yi sr e s e a r c h e dw h i c hw i l lp r o v i d e t h e o r e t i c a ls u p p o at ot h ed e s i g no ft h ed e v i c e c o m b i n i n g 、i t l lt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f e x i s t i n gc h e c kv a l v e ，b a s e do nt h ed e s i g np h i l o s o p h yt h a tt h ed e v i c ei st u r n e do na n dd r i l l i n g f l u i dc a np a s st h r o u g ht h ef l u i dc o n t r o ld e v i c ew h e nt h ep u m pw o r k s ，a n dw h e nt h ep u m p s t o pw o r k i n g ，t h ed e v i c ea u t o m a t i c a l l ye n t e r st h ec l o s e ds t a t e ，s ot h ef l u i dc a n n o tp a s st h r o u g h ， d e s i g nt h ef l u i dc o n t r o ld e v i c ec a nw o r ko nc o n d i t i o no ft h eg r o u n dm u dp u m pd e v i c e so p e n c l o s es t a t e t h e nu s es o f t w a r e ss u c ha sa u t o c a da n dp r o e n g i n e e rw i l d f i r et od e s i g nt h e s t r u c t u r eo ff l u i dc o n t r o ld e v i c e ，m e a n w h i l e ，c h e c kt h es t r e n g t ho fi m p o r t a n tc o m p o n e n t so f t h ed e v i c e t h r o u g hc h e c k i n gt h es t r e n g t h ，w ec a ns e et h ed e s i g no fi m p o r t a n tc o m p o n e n t si s f e a s i b l e t h r o u g hu s i n gp r o e n g i n e e rw i l d f i r es o f t w a r es e c t o r ( m e c h a n i s m ) t od ot h e m e c h a n i s mm o t i o ns i m u l a t i o n ，a c h i e v ed y n a m i ca n a l y s i sa n dv e r i f i c a t i o no fa s s e m b l y i n t e r f e r e n c ea n dm o t o rc o o r d i n a t i o n a l s op r o v et h a tt h ef l u i dc o n t r o ld e v i c ec a nw o r ko n c o n d i t i o no ft h eg r o u n dm u dp u m pd e v i c e so p e n c l o s es t a t ei sf e a s i b l e o nt h eb a s i so ft h e r e s u l t so ft h e s es t u d i e s ，a l lt h ep a r t sd e s i g no ft h es y s t e ma r ec o m p l e t e d ，s u c ha sp a r t s m a c h i n i n gd r a w i n g s ，o v e r a l la s s e m b l yd r a w i n g s ，a n ds oo n 1 l ，i 龟；rl 、 l i k e y w o r d s ：p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g ，d r i l l i n gf l u i dr e t u l t l ，c h e c kv a l v e ，f l u i dc o n t r o l d e v i c e ，d y n a m i cm e c h a n i c a ls i m u l a t i o n u l 亨r 繁 1 f l 目录 第一章绪论1 1 1本文研究目的及意义1 1 2 国内外研究现状4 1 2 1 国内研究现状4 1 2 2 国外研究现状4 1 3 目前研究中存在的主要问题6 1 4 本文主要研究内容。6 第二章粒子冲击钻井技术研究8 2 1 粒子冲击钻井系统一8 2 2 粒子冲击钻井工艺流程1 2 2 3 粒子冲击钻井钻井液回流特性研究1 3 2 3 1 钻井液回流原因分析1 4 2 3 2 钻井液回流对施工的影响分析1 5 2 4 本章小结l5 第三章粒子冲击钻井流体控制装置设计1 6 3 1 止回阀类型综述1 6 3 2 流体控制装置结构设计1 9 3 2 1 流体控制装置整体结构设计1 9 3 2 2 流体控制装置主要零件的结构设计2 0 3 3 流体控制装置工作原理2 8 3 4 装置关键结构尺寸的确定3 0 3 5 本章小结3 6 第四章流体控制装置可行性分析3 7 4 1 装置受力分析3 7 4 2 强度校核3 8 4 2 1 四大强度理论介绍3 8 4 2 2 轴筒类部件强度分析3 9 4 2 3 圆柱形开关的强度分析4 3 4 2 4 平键的校核。4 4 4 3 装置寿命分析4 5 4 4 本章小结4 8 第五章流体控制装置动态仿真分析4 9 5 1 装置各零件的三维实体造型4 9 5 2 装置的整体装配5l 5 3 定义运动模型的质量属性5 3 5 4 本章小结5 8 第六章流体控制装置的使用条件分析5 9 6 1 流体控制装置安装位置5 9 6 2 应用流体控制装置时的接单根流程5 9 6 3 本章小结。6 0 结论及建议6 2 参考文献一6 3 到【 谢一6 6 ， 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 本文研究目的及意义 第一章绪论弟一早珀下匕 随着我国浅层油气资源的衰竭，目前，陆上勘探开发的重要工作已从浅层资源转为 在深部硬地层以及复杂地质条件下寻求油气发现。不仅深井存在硬地层钻井，而且在我 国油气开发重点的西部地区，在浅层井段就存在硬度很高的岩层，该地区最为突出的就 是钻进峰硬老地层。在钻井过程中，井深越深，地层硬度越高，钻井难度也随之呈指数 形式增加，提高钻进坚硬地层的速度已成为普遍关注的钻井难题之一。 目前，我们国家的各个油田在深井、超深井以及硬地层钻进中都遇到了很多难题， 例如钻井速度慢、钻井周期长、钻具寿命短、钻井成本高等一系列问题，这些问题直接 制约着钻井的整体效益，因此研究可以高速高效钻进深井坚硬岩层的新钻井方法势在必 行【1 1 。 目前，国内外应用于钻进深井硬地层的主要技术有包含几个层面，下面就其进行介 绍： ( 1 ) 应用新型钻井技术 冲击旋转钻井技术：这种钻进技术在钻头上有冲击动载，联合静压旋转的共同作 用进行破岩，提高机械钻速； 欠平衡钻井技术：欠平衡钻井可以有效降低井底压持效应，既能提高钻井速度， 又可以减少钻井中常遇到的井漏和油气藏污染等问题。 将上述两种方法结合起来，形成泡沫冲击旋转钻井、空气冲击旋转钻井和欠平衡 的液体冲击旋转钻井等技术方法，来提高钻井速度。 使用高压细射流、射弹冲击破岩等现代破岩技术，但是这些破岩方法目前还处于 可行性研究阶段。 ( 2 ) 研发新型破岩工具和优选钻井器具组合 要提高钻进硬岩石速度，首先考虑研发新型p d c 钻头和牙轮钻头，如热稳聚晶金 刚石钻头、大切削齿p d c 钻头、金刚石强化镶齿牙轮钻头、p d c + t s p 混合齿钻头、p d c + 金刚石孕镶块混合齿钻头等。 其次可以应用牙轮钻头和p d c 钻头选型软件，依据软件，实现深井及超深井坚硬 岩层钻头型号优选。另外，还可以使用井下动力钻具，如螺杆钻具+ p d c 钻头或者是金 飞 ， 0 第一章绪论 刚石钻头、涡轮钻具+ p d c 钻头等。 ( 3 ) 优化钻井参数及工艺 用试验模拟钻进深井坚硬岩层的过程，了解和认识钻进深井硬地层的本质。依据模 拟实验的结果，优选钻井器具、优化钻柱系统以及钻进水力参数；使用钻机顶部驱动系 统；采用超高压水射流辅助钻井技术【2 ，3 1 ；采用井下随钻测量方法，在线测量钻进参数， 改进钻井作业参数；使用适用于钻进深井坚硬岩层的钻井液等。 目前在破碎硬度非常高的岩层方面，采矿业中最经济实惠的方法是射弹冲击破岩【4 】。 该方法已经经过室内实验，并在巷道掘进等实际工程中被成功运用，同时美国先进技术 规划局对其产生了高度重视。火药是射弹冲击破岩技术的动力源，高速运动的弹丸是破 碎岩石的能量载体。如果将射弹冲击破岩方法直接应用于油气钻井，会遇到很多难以克 服的技术问题，例如如何将弹丸和弹药从井口输送到井底、如何对一次破碎后的岩石进 一步破碎以便返回地面等问题。 据统计表明，如图1 1 所示，硬地层占全部井深的2 0 左右，但是钻进硬质地层的 钻井成本却为钻井总成本的7 0 左右【5 】。 图1 - 1 深井硬地层钻井现状示意图 f i g l 1 s t a t u sd i a g r a mo fd e e pd r i l l i n gh a r df o r m a t i o n 为满足提高深井硬地层钻井速度的需要，美国的c u r l e t th b 、g r e g o r ym a 和s h a r p d p 等人在射弹冲击破岩方法的启发下，提出了粒子冲击钻井( p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g ) 技 术的新概念，简称为p i d 。该技术用钻井液的水力能量作为动力源，用球形硬质颗粒模 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 拟射弹来冲击破碎高硬度岩石。 从破岩机理看，现存的钻井工艺主要有3 种破岩形式：机械破岩、水力破岩以及冲 击破岩。钻井工艺中应用最广泛的钻井方式的就是机械破岩。水力破岩主要包括磨料射 流和水射流，其中，水射流主要适用于软地层至中硬地层，磨料射流可提高钻进速度， 但同时磨料加快了对钻井设备的侵蚀。冲击破岩主要有冲击旋转破岩、粒子冲击破岩等。 机械破岩等钻井方式在钻进高硬度地层时，效果都不好。而我国又存在丰富的深井 油气资源，所以研究适用于深井硬地层的钻井方法势在必行。 粒子冲击钻井技术正是一种专门针对深井坚硬地层的钻井技术，它并不是采用传统 的切削方法来破碎井底岩石，而是用钢粒子冲击破碎，这样就大幅度提高了能量利用率。 要破碎硬度非常高的岩石，硬质球形钢粒的破岩比功要比机械牙齿的破岩比功小很多。 与常规钻头相比，粒子冲击钻井泥浆中的颗粒冲击井底时，接触面积非常小，从而可以 极高的局部瞬时脉冲应力，用以冲击破碎高硬度的岩石。 钻硬地层时，常常见到钻柱和钻具因为疲劳破坏而失效，而粒子冲击钻井较常规钻 井需要的钻压和扭矩要小很多，可大大减少钻柱及钻具的破坏，减少井下事故次数，从 而缩短钻井周期，减低钻井成本。 另外，粒子冲击钻井的井眼主体是由颗粒冲击形成的，可以形成较为精准的预计井 眼直径和轨迹，能有效的防止井斜。 磨料射流对钻井设备、钻井器具的侵蚀破坏主要以滑动摩擦为主，而粒子冲击钻井 的球形刚粒子改变了对管道等设备的摩擦形式，主要是滚动摩擦，这就大幅度减小了粒 子对钻井设备的磨损作用。另外，磨料射流钻井液中的固相粒径比较小，很难从钻井液 分离出来，因此钻井液的密度很难控制。相比而言，粒子冲击钻井使用的泥浆中的固体 粒子的粒径比较大，可以比较容易的从钻井液中分离，泥浆密度可根据需要控制【。 美国粒子冲击钻井技术公司在2 0 0 6 年1 1 月3 0 日的第二次商业性试验中，其钻速 达到常规钻井速度的3 5 倍以上，证明粒子冲击钻井在高速高效钻进硬地层方面具有广 阔的应用前景。 然而在钻井过程中，钻井液回流问题直接影响到钻头的寿命。尤其是粒子冲击钻井 过程中，回流的钻井液带着粒子堆积在钻头之上，会损坏钻头，大大缩减钻头的使用寿 命，进而增加钻井成本。 因此，本文主要从防控钻井液回流方面进行分析与研究，结合停泵时钻井液回流的 特性及粒子对钻具的磨损，依据井下工具设计原则在钻柱和钻头之间设计添加个可以 3 第一章绪论 控制钻井液流向、防止钻井液由于压力不足而倒流的流体控制装置。从而延长粒子冲击 钻井中的钻头寿命，进而为粒子冲击钻井节约成本。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 目前，国内还没有对粒子冲击钻井的相关研究。国内只进行了相关磨料射流破岩的 研究。磨料水射流是八十年代迅速发展起来的一种新型射流，是由固体磨料如石英砂、 金刚砂、石榴石砂等，与高速、高压水流进行混合而形成的固液两相介质射流。磨料水 射流切割破碎技术广泛应用于机械加工、矿产开采、岩石的破碎等工业过程中。由于一 定数量的磨料粒子存在于高速流动的水体中，高压水体的动能则会传递给磨料粒子，这 就使射流对岩石等物体的作用方式发生了改变。在射流对岩石进行破碎时，这种岩石的 破坏作用形式表现为水体与磨料粒子对岩石的冲击作用和磨料颗粒的磨削作用。通常， 磨料粒子的密度为水的2 乱8 倍，所以高速粒子流对靶物产生高频冲蚀作用，从而有效 地降低了泵压，大幅度提高了射流的工作能力和工作效率。另外，因为磨料粒子与水介 质存在着不同的物理力学特性，以及岩石本身的力学特性，使得岩石在磨料与水两相流 介质交替作用下的破坏机理发生变化【6 】。 1 2 2 国外研究现状 美国的g r e g o r ym a 、c u r l e rh b 和s h a r pd p ，依据射弹冲击破岩技术的工作原 理，把球形硬质颗粒充当射弹，钻井液的水力能量作为动力源，粒子在水力驱动下冲击 破碎井底岩层，这项技术命名为粒子冲击钻井技术，简称p i d 。研究人员分别在2 0 0 2 年和2 0 0 3 年申请了此项技术的美国专利川。下面介绍粒子冲击钻井技术的发展历程： 一、室内的实验研究过程 2 0 0 3 年9 月1 2 日，p r o d r i la c q u i s i t i o nc o m p a n y 公司获得了与“粒子冲击钻井技术 ( p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n gt e c h n o l o g y ) 相关的专利协议，但没有正式进入研究阶段。 2 0 0 4 年1 月2 3 号，p a r t i c l ed r i l l i n gi n c 公司接管p r o d r i la c q u i s i t i o nc o m p a n y 的 全部债权，同时成立了新公司。 2 0 0 4 年7 月1 3 日，m e d x l i n kc o r p 公司参股p a r t i c l ed r i l l i n gi n c 公司。2 0 0 5 年1 月2 8 日，公司改名为p a r t i c l ed r i l l i n gt e c h n o l o g yi n c ( 简称p d t i 公司) ，这时候才真正 开始粒子冲击钻井技术的科学研究工作。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 0 0 5 年3 月2 8 号，粒子冲击钻井公司在盐湖城t e r r a t e k 的钻井完井实验室第一次 试验了自己研发的两种新型的粒子冲击钻头。实验使用实际钻井中真正的泥浆以及和实 际钻井中差不多大小的扭矩和钻压，全尺寸模拟井下工作情况，证明了粒子冲击钻井新 型钻头的工作能力。试验一共花费了7 天时间，完成了1 1 次全尺寸模拟试验，试验结 果表明，大排量p i d 钻头的工作效果好，但是，大排量和小排量p i d 钻头都存在许多问 题需要进行改善。 在此之后，p d t i 公司又做了一些试验和研究，测试了钻进硬质地层的钻井速度和 钻进效果，评估了井下钻具和地面钻井设备的性能，并且改进和完善了相关设备。 二、钻井现场试验过程 p d t i 公司在2 0 0 6 年5 月9 日完成了第一口井的粒子冲击钻井现场试验，试验在井 深达3 0 4 8 m 以下的高硬度地层进行，通过试验，了解了粒子冲击钻井系统各个设备的工 作性能，认识到了零部件的薄弱环节。试验发现很多设备都不能满足实际需求，需要进 行进一步改善，例如泥浆泵、管线、阀门、粒子注入设备等等，该次试验并没有成功。 p d t i 公司于2 0 0 6 年9 月7 号在u i n t a 盆地第二次进行井场试验，试验中的泥浆泵 压力太高，导致失效，钻井试验再次失败。到2 0 0 6 年1 1 月3 0 日，这口井的试验才成 功完成，粒子冲击钻井钻进7h ，取得进尺为2 8 0 m ，而常规钻头在该地层的钻进效率则 比较低。这次试验显示了p i d 的潜力，但地面泥浆泵、管线等设备的使用寿命仍制约着 粒子冲击钻井的寿命。 2 0 0 7 年1 月9 日，p d t i 公司完成第三次p i d 技术的现场试验，通过调整，本次试 验中p i d 钻井系统与特制钻机基本可以完成协调运行，因此这次达到了钻进8h ，进尺 3 6 6 m ，是进行试验以来的最长记录。不过这次试验也出现了很多问题，如循环系统的 一个止回阀失效，粒子储罐鼓膜驱动管线失效，地面设备被击穿等等，这一系列问题都 影响着粒子冲击钻井技术的工作能力。 2 0 0 7 年4 月，p d t i 公司在t e x a s 东部第四次试验了p i d 钻井系统，这次试验是在 井深3 8 1 0 m 左右处进行的，该深度主要层段是的t r a v i sp e a k 层段，这种层段是美国最 常见的然而也是坚硬度最高和最具研磨性的岩层种类之一，本次试验主要检验了相关新 设备的工作性能，需要检测的新设备包括固控分离处理设备、泥浆循环系统、粒子储存 设备以及新设计的p i d 钻头( 直径为2 1 6 m ) 等，通过测试，设备基本能够满足需求， 由于新设备的性能比较好，本次试验的总进尺为1 0 4 5 m ，是上次试验进尺的3 倍左右。 在钻速方面，与常规钻井工艺相比，p i d 钻井也有很大优势，在同样地层井段，常规的 5 第一章绪论 钻井技术钻速为2 6 m h ，而p i d 钻井的平均钻速达到了5 4m h 。 2 0 0 7 年6 月，p d t i 公司经过研究改进，在现有粒子喷射系统的泵的基础上，又设 计研究了更加适合p i d 钻井的泵，同时公司也对其他系统进行了改进，主要是将以挤出 机为基础的进步喷射系统进行了更新，通过多年的研究，最终p d t i 公司将粒子冲击钻 井所取得的最新进展和成果在2 0 0 9 年的报告中提出：已经可以成功的钻出了6 4 口孔径 为6 i n 的井，并且能够保证1 0 0 移除岩石碎屑和粒子，目前p d t i 公司正在实验室 二 中进一步研究试验尺寸更小的和更大的p i d 钻头，从而适合各种钻井状况。 从试验结果可以看出，粒子冲击钻井技术在钻进深井硬地层方面具有很大潜力，并 有广阔的应用前景。 1 3 目前研究中存在的主要问题 根据查阅资料，目前在粒子冲击钻井研究过程中，还存在以下问题需要进行进一步 的探讨和研究。 ( 1 ) 为保证带有硬质钢粒的钻井液在钻头喷嘴出口处的速度达到1 5 0r n s ，这就要 求地面泥浆泵的输出功率及泵给的压力必须足够大，然而这又直接影响着泥浆泵、管线 系统的使用寿命和可靠性。 ( 2 ) p i d 钻头喷嘴磨损以及井底流场优化等一系列问题还需要深入探讨。 ( 3 ) 粒子冲击钻井过程中钻井液回流特性研究还不够完善，还没有能有效控制粒 子冲击钻井中钻井液回流的装置。 1 4 本文主要研究内容 ( 1 ) 粒子冲击钻井系统工艺原理 通过文献调研，了解粒子冲击钻井系统设备及工艺流程，研究停泵时钻井液回流特 性及防控钻井液回流机理，为下一步设计流体控制装置打下理论基础。 ( 2 ) 流体控制装置的结构设计 根据( 1 ) 中的理论基础，并结合井下钻具设计原则及方法，设计可以控制钻井液 流向、防止钻井液倒流的流体控制装置。 ( 3 ) 流体控制装置的可行性分析 分析流体控制装置工作原理，综合考虑粒子冲击钻井过程中粒子对装置的磨损、强 6 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 度需求以及成本问题选择合适的j n - r _ 材料；研究流体控制装置在工作过程中的受力情况 并对其进行强度校核、动态仿真分析等。 7 第二章粒子冲击钻井技术研究 第二章粒子冲击钻井技术研究 粒子冲击钻井中流体控制装置的设计研究，应首先建立在对粒子冲击钻井工艺技术 的详细了解之上。因此本章主要介绍粒子冲击钻井的工艺流程及相关设备。 2 1 粒子冲击钻井系统 粒子冲击钻井装置是一种可以连接在常规钻机上使用的移动装置，如图2 1 所示。 粒子冲击钻井并不是用来钻完全井，而是用于钻钻井速度慢、钻进难度大和钻井成本高 的岩层，如硬度和研磨性很高的特定井段。这种现代钻井技术是在常规的钻头旋转钻进 机械破岩的同时，结合钻井液中的硬质粒子对地层高频冲蚀辅助机械钻进，通过上一章 介绍的现场试验可看出，粒子冲击钻井的钻进速度要高出常规钻井方法许多倍。 粒子注入系统把球形钢粒子掺混到泥浆中，泥浆带动粒子流经钻柱到达钻头，特定 设计的喷嘴对粒子进行加速，粒子最终以大约1 5 0 m s 的出口速度冲击井底岩石，钻井 液携带被破碎的岩屑以及球形粒子返回到地面，地面设备粒子处理系统会对其进行分 离，收集有效的粒子以便重复使用。粒子冲击钻井一般要求粒子浓度为钻井液总量的 2 ，3 。 粒了注入系统 螺旋挤压机 图2 - 1 粒子冲击钻井装置实物图 f i 9 2 - 1 d e v i c eo fp a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g 8 子处理系统 子旋转储罐 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在钻硬地层之前粒子冲击钻井系统到达井场，该系统与钻机相连来钻目的层。粒子 冲击钻井系统主要包括以下几个部分l s 】： ( 1 ) p i d 钻头 粒子冲击钻头的结构如图2 2 所示，钻头上布置有设计的特定喷嘴，可以加速泥浆 以及其中的硬质钢粒，保证硬质粒子从钻头的喷嘴高速喷出，以高效高动能的冲击井底 岩石。钻头底部的中间部分布置着硬质合金齿，硬质合金齿在钻压和扭矩的作用下破碎 粒子冲击形成的环状岩脊，在钻头外围表面分布着保径齿，用以保证井眼形状的规整性。 当钢质颗粒冲击岩层时，钢粒子的数量、速度都必须达到指定要求，保证可以破碎 岩石，或者是在岩石表面爆破出小的破碎坑，若是粒子的冲击频率足够高，单独的小破 碎坑就会除去大的岩石体积，颗粒冲击钻井设计频率为每分钟冲击数百万次，比常规方 法破碎岩石更能提高机械钻速。p i d 钻井明显地缩短了钻井时间，降低了成本。 利用p i d 钻井技术钻进地层的速度比常规的钻井要快。硬地层、软透镜状地层或者 硬地层中的软塑性夹层可以不用更换钻头，并以极高的钻速钻进。 图2 - 2p i d 钻头 f i 9 2 - 2 p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n gb i t ( 2 ) 泥浆泵 地面泥浆泵可以提供所需压力和排量的泥浆。 ( 3 ) 粒子处理系统 9 第- 二章粒子冲击钻井技术研究 该设备用于从岩屑和返回的钻井液中分离泥浆、岩屑、可回收的钢质颗粒以及失效 的钢粒子，它安装在钻井液循环系统环节上。泥浆和可回收的钢质颗粒再一次被运送进 入钻井液循环系统，至此，粒子就可以再一次被使用。岩屑以及失效的粒子则废弃掉。 粒子处理系统( p p s ) 女i 图2 3 ，主要构件包括环形分离器、磁铁分离器以及转动的滚 筒，当钻井液返回到地面时，振动筛就会把其中的粒子、岩屑等固相筛选出来，之后把 这些固相重新传递到粒子处理装置中，装置中的磁铁分离器把钢粒子从固相物体中分离 出来，岩屑被运送到备用的泥浆池，同时，分离出来的颗粒被送到转动的滚筒中，滚筒 的作用是储存球形硬质钢粒子，并搅动钢质颗粒防止其粘结在一起。 粒子处理装置的驱动电机功率为3 7 5 k w ，系统的表面装置由p l c 控制可以实现自 动操作。该装置是在常规的钻井系统的钻机上安装给料斗、t 字立管以及振动筛。钻头 正常钻进的时安装t 字形立管即可，比井下粒子冲击钻头起下钻先进。 图2 - 3 粒子处理系统图 f i 9 2 - 3 p a r t i c l ep r o c e s s i n gs y s t e m ( 4 ) 粒子控制设备 控制泥浆中硬质钢粒子的浓度，根据不同的地质类型，调整粒子密度，保证钻进的 高效性，从而满足粒子冲击钻井工艺需要。 ( 5 ) 粒子储存装置 粒子储存装置即为粒子储罐，它用来存储钢质球形粒子，另外可以及时补充消耗掉 的钢颗粒。 ( 6 ) 粒子注入设备 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 注入系统以需要的速度机械喷出粒子进入钻井液，在足够的时间和不同条件下，与 钻井液混合，以满足钻井的要求，并且能够循环该过程，连续钻井。 位于钻柱和泥浆泵之间，它的作用是在钻井设备的鹅颈管处将硬质钢粒子送入高压 钻井液中，通过钻杆到达钻头。 粒子注入系统如图2 4 所示，包括塔和机架，宽3 5 m ，深2 6 m ，高1 6 2 m ，两个注 入系统做辅助。垂直导管上安装有链或叶轮装置，它把粒子举升到塔顶部的加料斗。球 形粒子在重力的进入上下两个压力腔，绞车滚筒再把粒子运送到塔底部的螺旋挤压机。 最初，颗粒充满了上下两个压力腔以及螺旋挤压机。关闭容器并对其加压，操作压 力可以达到1 7 2 4 3 1 m p a 。 注入系统开始，颗粒机械传输流量在6 6 1 5m 3 h ，通过螺旋挤压机进入流量为 1 9 8 4 5m 3 h 的钻井液中，钻井液携带粒子通过立管及钻柱，最终传送到钻头。整个钻井 液系统内含有9 7 的泥浆，粒子占整个钻井液的3 。 3 卜粒子注入漏斗 2 一粒子举升系统 3 一自动控制中心 图2 - 4 粒子注入系统图 f i 9 2 - 4 p a r t i c l ei n j e c t i o ns y s t e m 当粒子注入到上部容器内，阀门关闭底部的容器，形成封闭的压力腔，可以重新打 开往内部填充粒子。填充之后对其再次加压，同时打开必要的容器。就这样周期循环， 使颗粒机械传输流量始终保持在6 6 15m 3 h 。 t 第二章粒子冲击钻井技术研究 2 2 粒子冲击钻井工艺流程 粒子冲击钻井的工艺系统主要包括以下几个模块【9 】，如图2 5 所示。 图2 5 粒子冲击钻井系统工艺流程图 f i 9 2 - 5 f l o wc h a r to fp a r t i c l ei m p a c td r i l l i n gs y s t e m 粒子冲击钻井系统的工作流程如下，示意图见图2 6 ： 图2 - 6 粒子冲击钻井系统示意图 f i 9 2 - 6d i a g r a mo fp a r t i c l ei m p a c td r i l l i n gs y s t e m 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( i ) 5 钻遇硬度和研磨性很高的特殊地层时，应首先起钻。 ( 2 ) 将粒子冲击钻井装置安装到常规钻井系统内，即增加粒子储罐、粒子注入设备和 粒子控制设备连接到常规钻机上，同时将粒子分离回收设备连接到常规地面固控分离设 备中，并将钻头更换为p i d 钻头，然后下入井眼。 ( 3 ) 然后控制台根据钻越地层类型的不同发出指令，通过粒子注入设备，在常规钻井 液循环系统的鹅颈管处加入合适比例的硬质球形钢粒，使颗粒掺混到泥浆中。混合后的 钻井液经钻柱到达井底，然后p i t ) 钻头的喷嘴对其进行加速，使粒子的冲击速度达到15 0 m s 左右，保证硬质球形粒子可以高速高动能地冲击破碎井底岩石。 粒子冲击钻头在钻头底面的中间部分以及靠近外缘的位置分别布置有喷嘴，当钢质 球形粒子冲击井底时，形成的井底模式如图2 7 所示。其中阴影部分为没有被破碎掉的 岩石，井眼中间有一环状薄壁岩脊，这部分剩余的岩石由p i d 钻头中间部位的硬质合金 齿在扭矩和钻压的作用下机械破碎。 井壁 图2 7 粒子冲击破碎岩石后的井底模式 f i 9 2 - 7 b o t t o mm o d e la f t e rp a r t i c l ei m p a c tb r o k er o c k 。2 3 粒子冲击钻井钻井液回流特性研究 在常规钻井起钻过程中，常常会发生钻井液回流，引起阻塞钻头等不必要的损失。 如今，球形止回阀在常规钻井中已经得到广泛应用，成为不可缺少的井下工具，为防止 起钻等作业中的钻井液回流起到了关键作用。 然而，在粒子冲击钻井中，由于粒子的高速流动，势必会对球形止回阀产生破坏性 的冲击，因此，常规的止回阀在粒子冲击钻井中是不可行的。这就需要研究粒子冲击钻 井下钻井液回流特性，设计出符合工况的止回阀装置。 1 3 第二章粒子冲击钻井技术研究 2 3 1 钻井液回流原因分析 在钻井作业中，当正常钻进时，钻井液在钻柱内至上而下流动，如图2 8 所示；如 需接单根，或遇到其他特殊状况需要停泵时，就会出现钻井液回流现象，如图2 9 所示。 钻井液回流即是钻井液从井筒经钻头倒流到钻柱内的现象。 当开泵运行通时，施加于地层的压力能压开裂缝，地层会吸入钻井液。将泵关停时 井下压力减小，使裂缝闭合，迫使相同量的流体回到井筒内。这种井筒吞吐或呼吸的现 象常会引起误解，把正在吞吐的井错误地判断为发生溢流。在这种情况下，一项不恰当 的压井措施能使问题恶化并导致井漏。当使用油基或合成基钻井液时，其可压缩性也会 导致进一步的错觉。 钻井液回流现象可能由于以下原因引起：钻井泵停泵、钻井液可压缩性、热膨胀或 一次实际溢流。在接单根时熟悉这些因素的作用，对于成功地钻井是关键性的。例如在 深水钻井中，热膨胀和收缩可能是钻井液回流的一个重要因素，虽然在深水区域的井中 由于隔水管中钻井液的体积大，钻井液在静止时应该是收缩的。 钻柱 井筒 钻头 图2 8 钻进时钻井液流动方向示意图 f i 9 2 8d i a g r a mo fd r i l l i n gf l u i dd i r e c t i o n 图2 - 9 回流时钻井液流动方向示意图 f i 9 2 - 9d i a g r a mo fd i r e c t i o nw h e n w h e nn o r m a ld r i l l i n g d r i l l i n gf l u i dr e t u r n 在考虑钻井液回流的原因时，往往过分强调了可压缩性。在考虑井口密度和井下密 度的关系时，钻井液的可压缩性肯定是个问题，但是它在循环密度和静止密度的差值中 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的作用往往是较不重要的。起着最大作用的因素之一是钻井泵的开关。 2 3 2 钻井液回流对施工的影响分析 粒子冲击钻井过程中，当发生钻井液回流时，如图2 8 所示，井壁和钻柱之间环形 空间内的一些钻井液会经过钻头回流到钻柱内，这种类型的流体被称为回流液。由于粒 子冲击钻井的钻井液体系中充满了粒子，回流液中的粒子连带钻井岩屑在钻柱内会发生 沉降，沉积在钻柱的下端，钻头之上，损坏甚至堵塞钻头，造成钻头工作不稳定，影响 钻头寿命，而钻头的使用寿命直接制约着钻井成本的高低，另外，回流液还会造成改变 井底流场等一系列井下复杂情况，从而降低钻进效率，增加钻井成本。 2 4 本章小结 本章主要调研了粒子冲击钻井工艺流程及相关的主要设备，对粒子冲击钻井系统的 相关设备，工作流程等有了一定认识。对粒子冲击钻井过程中，停泵等特殊作业时，出 现钻井液回流现象的原因进行了分析，同时，认识到了钻井液回流对钻井的影响，如损 坏钻头，降低钻进效率，进而增加钻井成本等。 1 5 第三章粒子冲击钻井流体控制装置设计 第三章粒子冲击钻井流体控制装置设计 在常规钻井起钻过程中，常常会发生钻井液回流，从而损坏甚至堵塞钻头，影响正 常钻进。为了避免回流液中岩屑及粒子堆积堵塞钻头，影响钻头工作稳定性，改变井底 流场等井下复杂情况，设计可以自行控制钻井液流向，防止钻井液倒流的止回装置，本 文中我们称其为流体控制装置。本章主要就其主体结构设计及可行性进行分析。 在工业中，止回阀等阀门有着广泛的应用。首先，对常见的几种止回阀进行大体的 概述，对各类止回阀的一般结构和工作原理进行初步的认识和了解。 3