用于粒子沖擊鉆井系統(tǒng)的鋼粒子精確調(diào)控裝置研究

黃 偉， 姚建林， 鄭凱中， 劉 彬， 陳 晗， 范黎明， 李 雷

中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

0 引言

近年來PDC鉆頭、牙輪鉆頭技術(shù)有了快速的發(fā)展，但在礫石層、極硬、強(qiáng)研磨性地層等難鉆地層仍存在鉆速低、單只鉆頭壽命短等問題，導(dǎo)致川渝須家河、塔里木博孜礫石層、松遼火山巖等堅(jiān)硬地層破巖效率低、鉆井速度慢、周期長(zhǎng)、成本高，嚴(yán)重制約了油氣勘探開發(fā)速度和效益[1- 2]。粒子沖擊鉆井技術(shù)是針對(duì)此類地層攻關(guān)研發(fā)的一種前沿鉆井提速技術(shù)，主要通過在鉆井液中加入一定濃度的鋼質(zhì)粒子，粒子從鉆頭噴嘴噴出后，高速高頻沖擊破碎地層，大幅提高硬地層機(jī)械鉆速[3- 4]。中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司經(jīng)過10年攻關(guān)，通過理論建模、數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的手段，研究揭示了粒子沖擊鉆井破巖機(jī)理，優(yōu)化了粒子沖擊鉆井關(guān)鍵參數(shù)，創(chuàng)新了鉆井管線沖擊磨損模型，成功研制出國(guó)內(nèi)首套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的粒子沖擊鉆井系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平均提速1倍以上，具有較好的應(yīng)用前景。

通過調(diào)研分析粒子沖擊鉆井技術(shù)相關(guān)資料，明確了鋼粒子體積分?jǐn)?shù)是影響粒子沖擊鉆井破巖效率的核心因素之一[4- 5]。目前國(guó)內(nèi)用于粒子沖擊鉆井系統(tǒng)的鋼粒子調(diào)控裝置主要是基于輸送機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，調(diào)控鋼粒子體積分?jǐn)?shù)，其鋼粒子體積分?jǐn)?shù)是通過轉(zhuǎn)速計(jì)算獲得，只能間接反映粒子輸送量、調(diào)控誤差高，無法完全滿足粒子沖擊鉆井作業(yè)需求[6]。本文在深入分析現(xiàn)有粒子計(jì)量輸送裝置的基礎(chǔ)上，研制了一種鋼粒子精確調(diào)控裝置，實(shí)現(xiàn)鋼粒子體積分?jǐn)?shù)在線精確調(diào)控，提高粒子沖擊鉆井作業(yè)效率。

1 技術(shù)思路及工藝流程

鋼粒子精確調(diào)控裝置的主要功能是基于鉆井液排量，實(shí)時(shí)調(diào)控鋼粒子輸送量，同時(shí)防止鉆井液溢漏污染環(huán)境，實(shí)現(xiàn)鋼粒子高效、連續(xù)、精確和安全輸送。研究存在三個(gè)難點(diǎn)：鋼粒子輕微磁化，易粘連結(jié)塊于輸送機(jī)構(gòu)內(nèi)壁；鋼粒子連續(xù)定量輸送；安裝和運(yùn)輸空間有限，需高度集成撬裝[7- 8]。針對(duì)上述難點(diǎn)，調(diào)控裝置通過設(shè)計(jì)稱重?zé)o軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)和鋼粒子提升機(jī)構(gòu)，防止鋼粒子粘連結(jié)塊，提高集成度；發(fā)明一種在線精確調(diào)控方法，控制裝置所有機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋼粒子精確調(diào)控，精確調(diào)控技術(shù)示意圖見圖1。

圖1 精確調(diào)控技術(shù)示意圖

基于鋼粒子精確調(diào)控裝置技術(shù)思路，形成了以下工藝流程：

(1)采用粒子分離回收裝置配合無軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)，根據(jù)鉆井液排量初步調(diào)控粒子輸送量。

(2)運(yùn)用在線精確調(diào)控方法配套鋼粒子提升機(jī)構(gòu)和稱重?zé)o軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)中粒子量，并調(diào)控提升和輸送機(jī)構(gòu)輸送速度，在線自整定鋼粒子輸送量。

(3)射流混漿器混合鋼粒子和鉆井液，并將混合流體輸送至高壓粒子輸送裝置料斗。同時(shí)通過高壓粒子輸送裝置將混合流體輸送至鉆井循環(huán)管線，實(shí)現(xiàn)粒子沖擊高效破巖。

2 鋼粒子精確調(diào)控裝置研制

針對(duì)鋼粒子精確調(diào)控工藝流程，研制出了滿足粒子沖擊鉆井作業(yè)的調(diào)控裝置。裝置主要包括：無軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)、鋼粒子提升機(jī)構(gòu)、稱重?zé)o軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)、射流混漿器、自動(dòng)球閥和PLC控制柜[9]，如圖2所示。

1.無軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)； 2.鋼粒子提升機(jī)構(gòu)； 3.稱重?zé)o軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)； 4.射流混漿器。

2.1 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)研制

粒子沖擊鉆井系統(tǒng)主要運(yùn)用于?215.9～?311.2 mm兩種井眼，其鉆井液排量Q范圍為30～50 L/s，根據(jù)鉆井液排量、粒子堆積密度和體積分?jǐn)?shù)可以計(jì)算得出無軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)的額定輸送量，見式(1)。

T=3.6×Q1×φ×ρ

(1)

式中：T—鋼粒子輸送量，t/h；Q1—鉆井液排量，L/s；φ—鋼粒子體積分?jǐn)?shù)；ρ—鋼粒子堆積密度，t/m3。

2.1.1 稱重?zé)o軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)

稱重?zé)o軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)材料采用無磁不銹鋼，防止鋼粒子磁化粘連機(jī)構(gòu)內(nèi)壁；設(shè)計(jì)稱重模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)內(nèi)鋼粒子重量。通過計(jì)算螺旋輸送機(jī)構(gòu)葉片直徑、葉片螺距、旋軸轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)部件功率等，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7679—2019《螺旋輸送機(jī)》，獲得稱重?zé)o軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)[10]。

(2)

式中：D—葉片直徑，mm；Ks—螺距比；A—物料綜合特性系數(shù)；ψ—填充系數(shù)；C—傾斜輸送系數(shù)。

S=KSD

(3)

式中：S—葉片螺距，mm。

(4)

式中：N—旋軸最大轉(zhuǎn)速，r/min。

(5)

式中：P1—螺旋式輸送機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)部件功率，kW；λ—物料阻力系數(shù)；H1—提升高度,m；L—有效輸送距離,m。

2.1.2 鋼粒子提升機(jī)構(gòu)

鋼粒子提升機(jī)構(gòu)材料采用無磁不銹鋼；驅(qū)動(dòng)部件選用變頻電機(jī)，通過調(diào)控電機(jī)頻率匹配鉆井液黏度、鋼粒子輸送量和提升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速；側(cè)面設(shè)置觀察清理窗口，觀察機(jī)構(gòu)底部鋼粒子堆積結(jié)塊情況，并于該窗口清理鋼粒子。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 3926—2014《垂直斗式提升機(jī)》優(yōu)選料斗容積、寬度和后壁高度，并通過計(jì)算提升速度和驅(qū)動(dòng)部件功率，獲得粒子提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

(6)

式中：V—提升速度，m/s；h—料斗后壁高度，m；I—料斗容積，L。

(7)

式中：P2—提升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)部件功率，kW；L1—軸距，m；g—重力加速度,9.8m/s2；Ps—挖取功率，kW；Pk—空載功率，kW；K—功率系數(shù)。

2.2 在線精確調(diào)控方法

稱重?zé)o軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)料口至出料口距離為L(zhǎng)，稱重模塊測(cè)量輸送機(jī)構(gòu)初始重量為m，初始測(cè)量時(shí)間為t，在線精確調(diào)控方法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)根據(jù)鉆井液排量，按式(1)計(jì)算鋼粒子目標(biāo)輸送速度。

(2)機(jī)構(gòu)進(jìn)料口開始進(jìn)料時(shí)開始計(jì)時(shí)，至初始測(cè)量時(shí)間t時(shí)，讀取稱重模塊重量m2(見圖3)。

圖3 稱重?zé)o軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)示意圖

(3)按式(9)計(jì)算，獲得完全輸送機(jī)構(gòu)內(nèi)粒子的時(shí)間t1。

t1=(m2-m)/T

(8)

(4)按式(9)計(jì)算，獲得稱重?zé)o軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)的輸送速度v，并根據(jù)v機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)部件工作參數(shù)。

v=L/t1

(9)

(5)讀取t+t1時(shí)刻稱重?zé)o軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)重量，并存入m2，并令t+t1=t。

(6)循環(huán)步驟(3)、步驟(4)、步驟(5)實(shí)現(xiàn)在線精確調(diào)控。

3 室內(nèi)測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 室內(nèi)測(cè)試

通過開展多組運(yùn)行參數(shù)條件下的鋼粒子精確調(diào)控裝置室內(nèi)測(cè)試，驗(yàn)證裝置調(diào)控精度。測(cè)試中運(yùn)行參數(shù)設(shè)置為粒子體積分?jǐn)?shù)P=1%，鉆井液排量30 L/s、40 L/s和粒子體積分?jǐn)?shù)P=3%，鉆井液排量25 L/s、37 L/s。室內(nèi)測(cè)試共計(jì)開展150 min，測(cè)試結(jié)果表明：鋼粒子精確調(diào)控裝置可根據(jù)鉆井液排量實(shí)時(shí)調(diào)控粒子輸送量，調(diào)控誤差小于1%，滿足粒子沖擊鉆井系統(tǒng)作業(yè)需求見表1。

表1 試驗(yàn)記錄

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

粒子沖擊鉆井系統(tǒng)在江沙X井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)層位沙溪廟，巖性砂巖、泥巖互層，試驗(yàn)井眼尺寸?215.9 mm，試驗(yàn)井段2 365～2 470 m，在泵壓19～22 MPa、排量26～30 L/s、鉆壓8～12 t、鉆井液密度1.86 g/cm3、鋼粒子直徑1.7 mm和粒子體積分?jǐn)?shù)1%～3%工況下，總進(jìn)尺105 m，平均機(jī)械鉆速13.26 m/h，系統(tǒng)累計(jì)連續(xù)無故障工作時(shí)間32.99 h，整體性能穩(wěn)定。其中，鋼粒子精確調(diào)控裝置可根據(jù)試驗(yàn)實(shí)時(shí)鉆井液排量調(diào)控鋼粒子體積分?jǐn)?shù)，調(diào)控誤差小于0.97%；稱重?zé)o軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)、粒子提升機(jī)構(gòu)等核心設(shè)備均未出現(xiàn)卡堵和鋼粒子堆積現(xiàn)象，整體運(yùn)行穩(wěn)定，滿足粒子沖擊鉆井作業(yè)需求。

4 結(jié)論與建議

(1)鋼粒子精確調(diào)控裝置運(yùn)用在線自整定輸送方法和稱重?zé)o軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鋼粒子連續(xù)精確調(diào)控輸送，調(diào)控誤差小于1%，為物料連續(xù)計(jì)量輸送提供了一種新的技術(shù)手段。

(2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明裝置核心機(jī)構(gòu)均未出現(xiàn)卡堵和鋼粒子堆積現(xiàn)象，整體運(yùn)行穩(wěn)定，滿足粒子沖擊鉆井系統(tǒng)需求。

(3)鋼粒子精確調(diào)控裝置主要用于粒子沖擊鉆井系統(tǒng)前端粒子體積分?jǐn)?shù)精度控制，但受現(xiàn)有系統(tǒng)后端配套設(shè)備的限制，無法完全滿足粒子沖擊鉆井系統(tǒng)鋼粒子和鉆井液需均勻混合輸送的技術(shù)要求，建議完善系統(tǒng)后端配套設(shè)備，進(jìn)一步最大化發(fā)揮該裝置的效用。