-
全尺寸钻井实验系统
功能说明
中国石油大学（华东）高压水射流研究中心
2
017
年
9
月
6
日
目录
1.
全尺寸钻井实验系统概况
........... .................................................. ........
1
2.
系统工作流程与功能
............. .................................................. ..............
1
2.1
系统工作流程
.
.............. .................................................. ..............
1
2.2
系统功能
.
................ .................................................. ....................
2
3.
分系统组成及功能简介
............ .................................................. ...........
2
3.1
全尺寸实验台架
.
............. .................................................. ...........
2
3.1.1
基本参数
.
................ .................................................. ..........
2
3.1.2
系统结构与组成
.
............. .................................................. .
3
3.2
液压控制系统
.
.............. .................................................. ..............
7
3.3
数据采集系统
.
.............. .................................................. ..............
8
3.4
粒子射流调制系统
................................ .....................................
1
0
3.5
固控系统
.
................................... .................................................
1
1
3.6
压裂泵撬
.
................................... .................................................
1
4
3.7
管汇与阀门
.
............... .................................................. ...............
1
4
全尺寸钻井实验系统功能说明
1.
全尺寸钻井实验系统概况
实验系统由以下七大部分构成：
（
1
）全尺寸实验台架；
（
2
）液压控制系统；
（
3
）数据采集系统；
（
4
）磨料射流
/
粒子射流调制系统；
（
5
）压裂泵撬；
（
6
）固
控系统；
（
7< /p>
）管汇、阀门、辅助工具等其他零部件。
2.
系统工作流程与功能
2.1
系统工作流程
系统连接方式与工作流程见图
1
。
1-
固控系统；
2-
压裂泵撬；
3-
粒子射流调制系统；
4-
全尺寸实验台架（
4-1
：旋转驱动装置、
4-2
：移动桁车、
4-3
：钻柱与 钻头、
4-4
液压缸、
4-5
：高压釜与岩石试件 ）
；
5-
液压控制系统
图
1
全尺寸钻井实验系统工作流程示意图
以
PID
钻头破岩钻进实验为例，工作流程如下：
（
1
）开泵试压，检查有无泄露；
（
2
）在
“
固控系统
”
中配置好泥浆备用；
（
3
）开泵，
“
压力泵撬
”
在
“
固控系统
”
的泥浆罐中吸入泥浆，调节泵压至设
定值；
（
4
）打开
“
粒子射流调制系统
”
截止阀，将粒子加入泥浆中，形成高 压粒子
1
浆体，加入量通过节流圈通径控制；
（
5
）高压粒子浆体进入
“
全尺寸实验台架
”
中的钻头，由喷嘴形成高速粒子
射流对岩石试件进行破碎，由
“
液压控制系统
”
可调节送钻速度与钻头转速；
< p>
（
6
）破岩钻进过程中，粒子浆体与岩屑进入
“
固控系统
”
，由振动筛、磁选
机完成粒子、岩屑与泥浆的分离；
（
7
）分离后的粒子进入搅拌罐，泥浆进入泥浆罐，岩屑排出后进入岩屑收
集箱集中处理；
（
8
）钻头钻至预设深度后完成一组实 验；
（
9
）更换岩石试件，重复以上步骤。
2.2
系统功能
（
1
）常压
/
围压
20MPa
（系统围压将来可升级至
70MPa
）
、常温（未来拟将
升级到
400
°）条件下，
9-1/2
< p>吋尺寸以下的牙轮钻头、PDC
钻头、
PID
钻头破
岩钻进实验，
钻进过程中，
可实时采集钻头的扭矩
（
0~4625N·
m
）
、
转速
（
0~266rpm
）
、
< p>钻进速度
（
0~47.4m/h
）
、
钻压
（
0~300KN
）
等参数，
可用于牙轮钻头、
PDC
钻头、
PID<
/p>
钻头的钻进性能测试或对比同等工况下不同类型钻头的破岩钻进能力，
即单
位时间内的钻头进尺；
（
2
< p>）常压/
围压
20MPa
条件下，磨料射流、 旋转射流、脉冲射流、空化射
流等各种射流的破岩、切割、清洗、除锈、表面喷丸硬化室
内实验；
（
3
）常压
/
围压
20MPa
条件下，井下工具
/
钻柱的旋转摩阻实验；
（
4
）排量< /p>
0~170m
3
/h
条件下，管路 水力损失测试；
（
5
）各种长度不超过
11m
的井下工具测试，长度要求是限于厂房高度。
3.
分系统组成及功能简介
3.1
全尺寸实验台架
3.1.1
基本参数
（
1
）
实验台架尺寸参 数：长宽高
3.6×
3.6×
8.1m
；
（
2
）
高压釜施加围压：
0~20MPa
；
2
（
3
）
钻进速度：
0~47.4m/h
；
（
4
）
施加钻压：
0~300KN
；
（
5
）
升降距离：
0~2.5m
；
（
6
）
钻头转速：
0~266rpm
；
（
7
）
钻头扭矩：
0~4625N·
m
；
（
8
）
桁车起吊：
≤25T
；
（
9
）
桁车平移速度：
0~2.27m/min
；
（
10
）
高压釜适用岩 样尺寸：
535×
535×
1400mm
（四方形 ）
，边长
375mm×
高
1400mm< /p>
（六边形）
；
（
11
）
适用钻头尺寸：
≤9
-1/2
吋。
3.1.2
系统结构与组成
全尺寸实验台架见图
2
。
1-
导向柱；
2-
< p>夹持装置；3-
旋转驱动装置；
4-
导轨；< /p>
5-
升降平台；
6-
移动 桁车；
7-
钻柱；
8-
液压缸；
9 -
高压釜；
10-
底座
3
图
2
全尺寸实验台架
< br>实验台架主要导向柱、夹持装置、旋转驱动装置、导轨、升降平台、移动桁
车、钻
柱、液压缸、高压釜、底座等构成。
工作原理：
实验台 架在液压控制系统的作用下，
旋转驱动装置带动钻柱与钻
头旋转，旋转速
度可根据实验要求在
0~266rpm
之间连续可调，旋转扭矩在
0~4625N·
m
之间连续可调，
同时升降平台可实现
0~47.4m/h
的连续下降，
并施加
0~300KN
的钻压，以真实模拟现场钻井过程；钻头在高压釜中旋转钻进大块岩
石试件，高压釜可营造
0~20MPa
的围压环境；实验完毕后，由移 动桁车起吊高
压釜上盖与岩石试件，以便更换新的试件与钻头，最大起吊能力为
25T
。钻进过
程中，
可实现钻压恒定，
升降速度根据负载大小自动调整，
或者可实现升降速度
恒定，钻压
根据负载大小自动调整。
（
1
）高压釜
高压釜的作用是放置岩石试件、提供围压环境、提供钻柱与钻头工作场所，
且高压釜上盖
设置有多个安装喷枪的接口，
可用于射流定点破岩、
水力喷砂射孔
等实验，见图
3
与图
4
。
图
3
高压釜
4
图
4
高压釜上盖喷枪接口
（
2
）旋转驱动装置
< br>旋转驱动装置的作用是驱动钻柱与钻头旋转破岩，
并将高压粒子浆体
（或称
为高压磨料浆体）
导入钻柱，
并由钻头喷嘴形成高速射流 喷出，
其中转速和扭矩
可实时采集，见图
5
。
1-
液压马达；
2-
扭矩
/
转速传感器；
3-
< p>高压粒子浆体入口
图
5
旋转驱动装置
（
3
）夹持装置
图
6
夹持装置
夹持装置的作用是将井下工具等大长度装置竖直夹持，
以便完成各种装置的测试，
5
该装置的夹持范围为
60~300mm
，见图
6
。
（
4
）移动桁车与导轨
移动桁车的作用是更换岩石试件与钻头时，
起吊高压釜上盖、
岩石试件并 将其平
行移动至地面。移动桁车由液压马达、链轮与丝杠带动，导轨上装有限位开关，<
/p>
见图
7~
图
9
。
< p>
图
7
移动桁车
图
8
液压马达、链轮与丝杠
6