一種壓力自動(dòng)補(bǔ)償式壓差引射粒子連續(xù)注入裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石油鉆井工程技術(shù)，特別涉及一種壓力自動(dòng)補(bǔ)償式壓差引射粒子連續(xù)注入裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]粒子沖擊鉆井技術(shù)是提高深井/超深井及硬地層鉆井速度的有效途徑之一，而粒子注入裝置是粒子沖擊鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提和關(guān)鍵，從根本上講，粒子注入裝置研宄的核心是如何將鋼質(zhì)粒子以一定的速率，連續(xù)地注入到高壓鉆井液中。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)外已有的粒子注入裝置尚不能真正的實(shí)現(xiàn)粒子的連續(xù)注入，即使采用雙注入管注入裝置，應(yīng)用中也存在著明顯的弊病。在兩管交替時(shí)，低壓管有一個(gè)升壓過程，當(dāng)剛接通低壓管時(shí)，因壓力大幅下降而無法正常進(jìn)行噴射作業(yè)，而低壓管壓力升至穩(wěn)定工作壓力需要一段時(shí)間，使噴射作業(yè)存在間斷，不能保證粒子沖擊鉆井系統(tǒng)始終連續(xù)地工作。
[0004]當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，高壓罐中的粒子以一定的速度自下料管進(jìn)入混合腔，當(dāng)粒子截止閥突然關(guān)閉時(shí)，由于慣性的作用，粒子仍然下落，導(dǎo)致粒子在下料管中壓實(shí)，之后，系統(tǒng)的壓力降低，由于容積效應(yīng)，高壓罐和其內(nèi)部的水恢復(fù)彈性變形，即高壓罐體積收縮而水的體積膨脹，使得整個(gè)高壓罐的空間減小，導(dǎo)致下料管中粒子持續(xù)壓實(shí)，最終導(dǎo)致下料管的嚴(yán)重堵塞，且固體粒子自身流動(dòng)性不良，很容易發(fā)生粒子出料口堵塞的事故，且解堵困難。所以，在系統(tǒng)停止工作時(shí)，應(yīng)及時(shí)將高壓罐中的壓力卸掉，避免產(chǎn)生容積效應(yīng)，而安裝泄壓閥是不可取的，這樣不僅造成操作的不便，而且使得高壓罐在釋放數(shù)十兆帕壓力時(shí)產(chǎn)生事故隱患。
[0005]在粒子沖擊鉆井過程中，要求粒子必須以固定的體積比例均勻的注入高壓主管匯，且粒子的濃度能夠連續(xù)可調(diào)，常用的螺桿擠壓式注入方式因螺桿擠壓器的密封性較差，且磨損嚴(yán)重，而限制了其推廣應(yīng)用。上述局面嚴(yán)重制約了粒子沖擊鉆井技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程，粒子注入裝置存在的問題急需解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種壓力自動(dòng)補(bǔ)償式壓差引射粒子連續(xù)注入裝置及方法，通過設(shè)計(jì)粒子舉升灌裝系統(tǒng)、壓力補(bǔ)償系統(tǒng)、雙罐注入系統(tǒng)和防堵混合系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)粒子連續(xù)注入、防堵且粒子濃度連續(xù)可調(diào)的目的，并通過電路控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)操作的遠(yuǎn)程控制，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。
[0007]—種壓力自動(dòng)補(bǔ)償式壓差引射粒子連續(xù)注入裝置，包括粒子舉升灌裝系統(tǒng)(1)、壓力補(bǔ)償系統(tǒng)(2)、雙罐注入系統(tǒng)(3)、防堵混合系統(tǒng)(4)和電路控制系統(tǒng)(5)，粒子舉升灌裝系統(tǒng)(I)與雙罐注入系統(tǒng)(3)的入口連接，且雙罐注入系統(tǒng)(3)的側(cè)壁連通壓力補(bǔ)償系統(tǒng)(2 )，在雙罐注入系統(tǒng)(3 )的底部連接防堵混合系統(tǒng)(4)，一側(cè)安設(shè)電路控制系統(tǒng)(5 );所述的粒子舉升灌裝系統(tǒng)(I)將粒子舉升至雙罐注入系統(tǒng)(3)中；所述的壓力補(bǔ)償系統(tǒng)可對(duì)雙罐注入系統(tǒng)(3)的粒子注入罐(3-1)預(yù)升壓至工作壓力，并完成粒子與鉆井液的初級(jí)混合；所述的雙罐注入系統(tǒng)(3)可通過兩個(gè)粒子注入罐的交替使用將粒子連續(xù)的注入到高壓管匯中；所述的防堵混合系統(tǒng)(4)可防止堵塞事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)粒子濃度的可控可調(diào)，并完成粒子與鉆井液的兩級(jí)混合；所述的電路控制系統(tǒng)(5)可實(shí)現(xiàn)操作的遠(yuǎn)程控制。
[0008]上述的粒子舉升灌裝系統(tǒng)(I)包括儲(chǔ)料箱(1-1)、垂直螺旋輸送機(jī)(1-2)、電機(jī)(1-3)、料斗(1-4)和粒子灌裝閥(1-5);垂直螺旋輸送機(jī)(1-2)在頂部電機(jī)(1-3)的帶動(dòng)下，將儲(chǔ)料箱(1-1)中的粒子舉升到設(shè)備的最高處，灌入到料斗(1-4)中；通過啟閉粒子灌裝閥(1-5)，將粒子注入左右兩個(gè)粒子注入罐(3-1)中。
[0009]上述的壓力補(bǔ)償系統(tǒng)(2)包括升壓管線(2-1)、升壓用泥漿閥(2-2);所述的升壓管線(2-1)為高壓主管線的一個(gè)分支，通過打開升壓用泥漿閥(2-2)向粒子注入罐(3-1)內(nèi)輸入高壓鉆井液，將粒子注入罐(3-1)升壓至工作壓力，完成預(yù)升壓過程，并完成粒子與鉆井液的初級(jí)混合，形成粒子混漿，避免粒子注入罐(3-1)接通高壓管匯后升壓出現(xiàn)壓力下降和管匯中粒子間斷現(xiàn)象的發(fā)生。
[0010]上述的雙罐注入系統(tǒng)(3)包括粒子注入罐(3-1)和粒子截止閥(3-2);所述的粒子注入罐為左右并聯(lián)的雙罐，將罐中粒子通過壓差引射的方式注入到連接高壓主管匯的混合腔(4-1-4)中；所述的粒子截止閥(3-2)通過粒子截止閥本體(3-2-2)在90°內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使得圓柱孔(3-2-1)與下料管(4-1-3)正對(duì)或正交啟閉粒子注入混合腔(4-1-4)的過程。
[0011]上述的防堵混合系統(tǒng)(4)包括引射器(4-1)和防堵噴頭(4-2);引射器(4-1)位于粒子注入罐(3-1)的底部，包括兩向閥(4-1-1)、粒子濃度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(4-1-2)、下料管(4-1-3)和混合腔(4-1-4)，粒子混漿通過下料管(4-1-3)和粒子截止閥的圓柱孔(3-2-1)注入混合腔(4-1-4)中；兩向閥(4-1-1)包括閥門體(4-1-1-1)、單向開關(guān)(4-1-1-2)和拉伸彈簧(4-1-1-3)，當(dāng)粒子注入罐(3-1)中的壓力低于高壓主管匯的壓力時(shí)，兩向閥(4-1-1)在壓差的作用下向上運(yùn)動(dòng)，平衡兩者的壓力，在粒子連續(xù)注入裝置停止工作后，粒子注入罐(3-1)中的壓力高于高壓主管匯的壓力，單向開關(guān)(4-1-1-2)向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)粒子注入罐自動(dòng)泄壓，設(shè)置階梯孔防止拉伸彈簧(4-1-1-3)被過渡拉伸，泄壓后，在拉伸彈簧的作用下，單向開關(guān)回位。
[0012]上述的粒子濃度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(4-1-2)包括外部大齒輪(4-1-2-1)、第一外部小齒輪(4-1-2-2)和第二外部小齒輪(4-1-2-3)、第一內(nèi)部小齒輪(4-1-2-4)和第二內(nèi)部小齒輪(4-1-2-5)、第一齒條(4-1-2-6)和第二齒條(4-1-2-7)以及第一半圓球形閥(4-1-2-8)和第二半圓球形閥(4-1-2-9)，外部大齒輪(4-1-2-1)與第一外部小齒輪(4-1-2-2)和第二外部小齒輪(4-1-2-3)嚙合，旋轉(zhuǎn)外部大齒輪(4-1-2-1)，同時(shí)帶動(dòng)第一外部小齒輪(4-1-2-2)和第二外部小齒輪(4-1-2-3)轉(zhuǎn)動(dòng)，第一內(nèi)部小齒輪(4-1-2-4)和第二內(nèi)部小齒輪(4-1-2-5)分別與第一外部小齒輪(4-1-2-2)和第二外部小齒輪(4-1-2-3)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，第一內(nèi)部小齒輪(4-1-2-4)和第二內(nèi)部小齒輪(4-1-2-5)分別與第一齒條(4_1_2_6)和第二齒條(4-1-2-7)嚙合，從而帶動(dòng)第一齒條(4-1-2-6)和第二齒條(4-1-2-7)在豎直方向異向運(yùn)動(dòng)；第一齒條(4-1-2-6)和第二齒條(4-1-2-7 )下端為第一半圓球形閥(4_1_2_8)和第二半圓球形閥(4-1-2-9)，通過第一齒條(4-1-2-6)和第二齒條(4-1-2-7)的異向運(yùn)動(dòng)，第一半圓球形閥(4-1-2-8)和第二半圓球形閥(4-1-2-9)的間距增大或者縮小，從而調(diào)節(jié)了孔口的開啟度。
[0013]上述的防堵噴頭(4-2)包括頂部尖帽(4-2-1)、防堵噴嘴(4-2-2)和濾砂網(wǎng)(4-2-3)，底部車有螺紋，可方便的旋擰在粒子注入罐(3-1)底部；頂部尖帽(4-2-1)可減少粒子的堆積對(duì)防堵噴頭產(chǎn)生的壓實(shí)作用；所述的防堵噴嘴(4-2-2)前后、左右對(duì)稱布置在防堵噴頭本體上，噴嘴向下傾斜20°，每列4個(gè)；濾砂網(wǎng)(4-2-3)是不銹鋼絲編織平紋編織網(wǎng)或斜紋編織網(wǎng)，基本孔徑0.5_。
[0014]本發(fā)明提到的一種壓力自動(dòng)補(bǔ)償式壓差引射粒子連續(xù)注入裝置的注入方法，具體的操作步驟如下:
第一步:打開垂直螺旋輸送機(jī)(1-2)頂部的電機(jī)(1-3)，將粒子從儲(chǔ)料箱(1-1)垂直舉升至料斗(1-4)，備用；
第二步:此時(shí)粒子注入罐(3-1)中裝滿粒子，打開第一泥漿閥(9)和第一泥漿閥(10)，鉆井泵(7)通過管線(8)從泥漿池(6)中向外輸送鉆井液，鉆井液進(jìn)入引射器(4-1)中，一股噴射入粒子注入罐(3-1)底部，另一股通過粒子濃度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(4-1-2)的孔口，在混合腔(4-1-4)中產(chǎn)生壓降，打開粒子截止閥(3-2)，粒子進(jìn)入混合腔(4-1-4)，與鉆井液充分混合后，由通道口( 16)進(jìn)入第一高壓主管匯(13)、第二高壓主管匯(14)，注入井筒；
第三步:當(dāng)粒子注入罐(3-1)中的粒子行將用盡時(shí)，調(diào)節(jié)粒子濃度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(4-1-2)，使粒子注入罐(3-1)的粒子注入量減少，同時(shí)打開第三泥漿閥(11)、第四泥漿閥(12)和粒子截止閥(3-2)，使得料子注入罐(3-1)連入第一高壓主管匯(13)、第二高壓主管匯(14)中，調(diào)節(jié)引射器(4-1)中的粒子濃度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(4-1-2)，使整個(gè)高壓主管匯中粒子的濃度保持不變；
第四步:關(guān)閉第一泥漿閥(9)和第一泥漿閥(10)和粒子截止閥(3-2)，調(diào)節(jié)粒子濃度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(4-1-2)，使粒子濃度保持不變，繼續(xù)鉆進(jìn)；
第五步:打開粒子注入閥(1-5)，向粒子注入罐(3-1)中注滿粒子后，關(guān)閉粒子注入閥(1-5)；
第六步:打開加壓用泥漿閥(2-2)，通過加壓管線(2-1)向粒子注入罐(3-1)中輸入高壓鉆井液，使升壓速度略大于粒子注入罐(3-1)的粒子注入速度，當(dāng)粒子注入罐(3-1)內(nèi)壓力升至工作壓力，關(guān)閉加壓用泥漿閥(2-2)，完成預(yù)升壓過