粒子射流沖擊破巖試驗(yàn)裝置研制

任福深，李　洋，程曉澤，楊　帥

(1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.武警森林指揮部直升機(jī)支隊(duì)，黑龍江 大慶 163000)①

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開(kāi)發(fā)應(yīng)用

粒子射流沖擊破巖試驗(yàn)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(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.武警森林指揮部直升機(jī)支隊(duì)，黑龍江 大慶 163000)①

粒子射流沖擊鉆井技術(shù)是利用高速金屬粒子和流體聯(lián)合沖擊破巖為主，機(jī)械破巖為輔的一種破巖工藝，是提高堅(jiān)硬、高研磨巖層進(jìn)尺速度的一種有效手段。針對(duì)該破巖工藝技術(shù)，研制了一套能夠模擬粒子射流沖擊破巖的室內(nèi)試驗(yàn)裝置。該裝置主要由高壓泥漿泵、粒子摻入裝置、模擬頂驅(qū)、模擬井底、水循環(huán)系統(tǒng)和安全保障系統(tǒng)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)粒子按比例摻入、沖擊破巖、粒子回收和破巖過(guò)程數(shù)據(jù)監(jiān)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(biāo)靶距離和射流角度對(duì)破巖效率和破巖效果的試驗(yàn)研究。

粒子沖擊鉆井；試驗(yàn)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(lián)合沖擊破巖為主、機(jī)械破巖為輔的一種提高堅(jiān)硬、高研磨巖層進(jìn)尺速度的有效手段[1]，其工藝過(guò)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(guò)鉆桿，到達(dá)井底鉆頭，再通過(guò)鉆頭上的專用粒子加速噴嘴加速到預(yù)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(jīng)由環(huán)空返回地面，而后經(jīng)由粒子振動(dòng)篩、磁選機(jī)、脫磁器等地面設(shè)備將金屬粒子從混合液中分離出來(lái)，循環(huán)使用[3-4]。徐依吉等人[5]進(jìn)行了不同粒子直徑仿真研究，得到破巖過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化關(guān)系以及粒子沖擊破巖的演化過(guò)程[6]，并進(jìn)行了粒子沖擊鉆井分離裝置的研究[7]，根據(jù)粒子射流的理論研究進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[8]。伍開(kāi)松等人[9]對(duì)粒子沖擊技術(shù)進(jìn)行述評(píng)，應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行單粒子沖擊破碎巖石仿真研究[10]，經(jīng)過(guò)仿真研究得到粒子直徑、粒子速度和入射角度對(duì)破碎巖石的影響[11]。張揚(yáng)等人[12]對(duì)鉆井液攜帶粒子能力進(jìn)行分析研究，考慮到粒子和巖屑的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)進(jìn)行粒子分離裝置的研究[13]。任福深等人[14]對(duì)粒子射流破巖發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行總結(jié)，分析粒子沖擊鉆井工藝的關(guān)鍵技術(shù)，并且對(duì)噴嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究[15]，利用FLUENT軟件進(jìn)行仿真分析[16]。

圖1　2種鉆井方式的對(duì)比

1　試驗(yàn)裝置總體方案

粒子射流沖擊破巖試驗(yàn)裝置主要由高壓泥漿動(dòng)力系統(tǒng)、粒子高壓摻入裝置、模擬頂驅(qū)、模擬井底、粒子循環(huán)裝置和電器控制系統(tǒng)組成，如圖2所示。高壓泥漿動(dòng)力系統(tǒng)由1臺(tái)110 kW的動(dòng)力泥漿泵為試驗(yàn)裝置提供32 MPa、10.8 m3/h的水動(dòng)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(qū)用來(lái)模擬鉆井過(guò)程中驅(qū)動(dòng)鉆桿的鉆井過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)恒壓、恒速和恒轉(zhuǎn)矩的鉆進(jìn)過(guò)程；模擬井底用來(lái)模擬井底巖石；循環(huán)水箱用來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬粒子和巖屑的分離。試驗(yàn)裝置參數(shù)如表1所示。

表1　試驗(yàn)裝置參數(shù)

1—高壓泥漿泵；2—粒子注入裝置；3—水箱；4—模擬頂驅(qū)；5—模擬井底。

2　試驗(yàn)裝置關(guān)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(chǔ)罐、螺旋推進(jìn)器、伺服電機(jī)、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(jìn)器；4—連接管線；5—粒子儲(chǔ)罐；6—伺服電機(jī)；7—減速器；8—高壓水出口。

金屬粒子按體積需要，預(yù)先添加到粒子儲(chǔ)罐中，為了防止粒子銹蝕和粘結(jié)，摻入了少許的亞硝酸鈉。試驗(yàn)開(kāi)始前，打開(kāi)粒子儲(chǔ)罐與螺旋推進(jìn)器之間的閥門，讓金屬粒子自由落入螺旋推進(jìn)器內(nèi)，通過(guò)控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)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(chǔ)罐和高壓流體管線間，設(shè)置了壓力平衡管線，以減少高速流體流到粒子儲(chǔ)罐對(duì)粒子摻入比例和摻入速度的影響。螺旋推進(jìn)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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)40 MPa壓力動(dòng)靜密封工藝要求。

2.2模擬頂驅(qū)裝置

為了對(duì)比分析常規(guī)機(jī)械破巖和粒子射流沖擊破巖效果，研制了模擬頂驅(qū)裝置。該裝置主要由三相異步電機(jī)、齒輪組件、滾珠絲杠、升降平臺(tái)、鉆桿和升降驅(qū)動(dòng)組件等組成，如圖4所示。2臺(tái)對(duì)稱分布的電動(dòng)機(jī)通過(guò)軸端的小齒輪帶動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)，大齒輪帶動(dòng)齒輪軸心的空心鉆桿，可為破巖提供300 N·m轉(zhuǎn)矩。安裝在模擬頂驅(qū)底部的伺服電機(jī)，通過(guò)同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)模擬井底平臺(tái)的升降運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中，可以將伺服電機(jī)設(shè)置成恒轉(zhuǎn)矩或者恒轉(zhuǎn)速輸出狀態(tài)，進(jìn)而模擬破巖過(guò)程的恒壓或恒速鉆進(jìn)模式。

1—三相異步電機(jī)；2—齒輪組件；3—鉆桿；4—滾珠絲杠；5—升降平臺(tái)；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(tái)卡具和柔性密封組件組成，如圖5所示。試驗(yàn)前，打開(kāi)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(guò)柔性密封組件穿過(guò)箱體上蓋，進(jìn)入箱體內(nèi)部；巖石樣本箱體通過(guò)升降平臺(tái)上的卡具固定在升降平臺(tái)上，隨升降平臺(tái)升降運(yùn)動(dòng)；試驗(yàn)過(guò)程中巖石碎屑、金屬粒子和鉆井液通過(guò)箱體側(cè)面的通道流入循環(huán)水箱；在升降平臺(tái)與巖石樣本卡具間安置的壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆壓的波動(dòng)。

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(tǒng)

試驗(yàn)裝置的電器控制系統(tǒng)主要由高壓泥漿泵動(dòng)力控制系統(tǒng)、試驗(yàn)臺(tái)電器控制系統(tǒng)和安全保障系統(tǒng)組成，如圖6所示。高壓泥漿泵動(dòng)力控制系統(tǒng)采用降壓?jiǎn)?dòng)方式，同時(shí)配備電位器遠(yuǎn)程調(diào)控裝置，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的高壓泵啟停和泵出流量的控制；試驗(yàn)臺(tái)電器控制系統(tǒng)采用了PLC及其配套模塊作為控制終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、壓力信號(hào)和位置信號(hào)的監(jiān)控；安全保障系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程無(wú)線操控單元、壓力變送器和泄壓閥等組成，在出現(xiàn)壓力超限等情況時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)裝置的自動(dòng)關(guān)停。操作過(guò)程中，操作者可以遠(yuǎn)離高壓水區(qū)域，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的試驗(yàn)操作。

a　試驗(yàn)臺(tái)電器控制箱

b　無(wú)線遙控裝置

3　粒子射流破巖試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)過(guò)程

粒子射流沖擊破巖試驗(yàn)前，首先進(jìn)行設(shè)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(chǔ)罐中裝入金屬粒子前，打開(kāi)循環(huán)泵清理管線，然后向粒子儲(chǔ)罐內(nèi)添加粒子；調(diào)整升降臺(tái)的高度，確定鉆頭與巖石樣本的靶距；調(diào)節(jié)高壓泥漿泵電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，控制管道中壓力，當(dāng)管道中流體壓力穩(wěn)定時(shí)，開(kāi)啟螺旋推進(jìn)器處電機(jī)將儲(chǔ)罐中的粒子推進(jìn)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(shí)現(xiàn)粒子射流沖擊巖石。試驗(yàn)結(jié)束后，先關(guān)閉螺旋推進(jìn)器處的電機(jī)，隨后關(guān)閉高壓泥漿泵，取出巖石樣本測(cè)量粒子破巖深度和破巖體積。

按照上述方法進(jìn)行不同參數(shù)下的粒子射流破巖試驗(yàn)研究。試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果如表2～3所示。

表2　試驗(yàn)參數(shù)

表3　試驗(yàn)結(jié)果

3.2試驗(yàn)分析

不同流體壓力下粒子破巖關(guān)系曲線如圖7所示。隨著壓力的升高，流體速度會(huì)增加，高壓水?dāng)y帶粒子獲得的動(dòng)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(shí)，粒子射流不能獲得足夠的破巖動(dòng)能，破巖不明顯；流體壓力在7 ～14 MPa時(shí)，粒子射流沖擊破巖明顯，基本成線性變化；當(dāng)流體壓力大于14 MPa時(shí)，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(dāng)粒子的沖擊壓力達(dá)到巖石的門限壓力時(shí)，巖石發(fā)生破壞，在粒子撞擊點(diǎn)周圍出現(xiàn)巖石裂紋，形成漏斗狀巖石破碎坑。

在試驗(yàn)過(guò)程中還觀測(cè)到，在粒子射流沒(méi)有達(dá)到巖石破碎門限壓力前，試驗(yàn)系統(tǒng)噪聲變化不大；當(dāng)粒子射流速度達(dá)到巖石破碎門限壓力后，試驗(yàn)系統(tǒng)噪聲明顯增大；當(dāng)粒子擊穿巖石樣本后，可聽(tīng)見(jiàn)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(guān)系曲線

a　9 MPa

b　12 MPa

c　14 MPa

d　16 MPa

4　結(jié)論

1)研制的粒子射流破巖室內(nèi)試驗(yàn)裝置能夠模擬粒子射流沖擊破巖的工藝過(guò)程、實(shí)現(xiàn)粒子摻入比例的實(shí)時(shí)控制，模擬恒壓、恒速的粒子射流沖擊鉆進(jìn)過(guò)程。

2)利用該試驗(yàn)裝置，開(kāi)展了粒子射流沖擊破巖試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在流體壓力小于7 MPa時(shí)，粒子射流不能獲得足夠的破巖動(dòng)能，破巖不明顯；流體壓力在7～14 MPa時(shí)，粒子射流沖擊破巖明顯，基本成線性變化；當(dāng)流體壓力大于14 MPa時(shí)，破巖速度顯著增加。

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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(jì)優(yōu)秀人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(1254-NCET-005)；黑龍江省博士后科研啟動(dòng)金項(xiàng)目(LBH-Q15018)

任福深(1976-)，男，遼寧遼陽(yáng)人，教授，博導(dǎo)，主要從事石油機(jī)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