一种射流温度致裂装置的制造方法
【技术领域】
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[0001]本发明属于采矿和钻井破岩技术领域，涉及通过利用射流流体产生的温度应力进行直接或辅助破岩的装置，特别涉及一种射流温度致裂装置。
【背景技术】
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[0002]高压水射流破岩门限压力低、破岩效率高，门限压力是机械破岩的60% -70%左右，因而在采矿、钻井破岩方面应用广泛，但高压水射流破岩技术目前也存在一些问题，主要原因是高压水射流对地面增压泵性能、流体管线强度要求高，因而设备造价高、易发生安全隐患。随着研宄的深入，超临界二氧化碳也被用作射流流体，国外试验研宄证明超临界二氧化碳直接射流破岩速度是水射流的3.3倍，对于其原因，现有研宄发现，诸如二氧化碳等可压缩气体喷射时会产生大的温度波动，进而产生大的温度应力。研宄发现，围压20MPa的岩石在15MPa同温度二氧化碳射流下，射流温度场下应力约为射流压力场下应力的2倍多，说明温度应力是超临界二氧化碳射流破岩的主要作用，同时说明利用温度应力进行破岩是一种有效的方式。
【发明内容】
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[0003]本发明为了克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种射流温度致裂装置，该装置在施工过程中将地面流体转化为高压射流从而产生并利用温度应力进行岩石的破碎；该装置结构简单，原理可靠，经济成本低，方法易于实现，应用环境友好。
[0004]为了实现上述目的，本发明涉及的射流温度致裂装置主体结构包括增压泵、储罐、钻杆、涡轮、发电机、传感器、闭环控制器、钻头、高压电磁阀、增压容器、加热器、单向阀和节流阀；增压泵和储罐放置于井体上方，并通过钻杆与井下部分固定连接，构成原始动力源和流体源；井下的钻杆内部制有增压容器、涡轮和发电机；增压容器的内壁固定制有加热器，顶部通过单向阀与钻杆连接；传感器固定放置在增压容器的内壁上与闭环控制器电信息连接，用于检测增压容器内流体的温度和压力；高压电磁阀固定放置在增压容器的底部与闭环控制器电信息连接，实现对流体射出量的控制；发电机和闭环控制器放置在增压容器外部；节流阀放置在井体上方实现对井底压力的控制；钻头拆卸式放置在高压电磁阀的下方，用于机械破岩，从而实现对岩石的致裂。
[0005]本发明所述装置运行时，储罐中的流体经过增压泵增压后再通过钻杆进入井下，流体经过涡轮并使涡轮旋转，涡轮带动发电机发电，增压容器中由于初始压力低，单向阀在内外压差下打开，流体进入增压容器；加热器对进入的流体进行加热，使流体由低压液态变为可压缩的高压气态；传感器把温度信号和压力信号传递给闭环控制器，当压力达到预设值时闭环控制器控制高压电磁阀打开，可压缩的高压气态喷出，形成超高压高温射流，使地层岩石在射流压力和温度应力的协同作用下破裂，或在喷嘴后加钻头形成机械水力联合破岩；当增压容器内的压力降低与井底压力相近时，单向阀在内外压差下打开，闭环控制器控制高压电磁阀关闭，如此循环形成高温高压脉冲射流；经过井下涡轮的流体则通过下面喷嘴喷出；通过节流阀控制井底压力。
[0006]本发明与现有技术相比，减小了射流破岩对射流压力的依赖，增加了一种新的射流破岩原理和方法，可在现有技术基础上有效提高破岩效率，实现方式简单，减小设备成本投入，避免压力过高而损伤流体管线，减小安全隐患。
【附图说明】
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[0007]图1为本发明涉及的射流温度致裂装置主体结构原理示意图。
[0008]图2为实施例2涉及的射流温度致裂装置主体结构原理示意图。
[0009]图3为实施例3涉及的射流温度致裂装置主体结构原理示意图。
【具体实施方式】
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[0010]下面通过实施例并结合附图作进一步说明。
[0011]实施例1:
[0012]本实施例涉及的射流温度致裂装置主体结构(如图1所示)包括增压泵1、储罐
2、钻杆3、涡轮4、发电机5、传感器6、闭环控制器7、钻头8、高压电磁阀9、增压容器10、加热器11、单向阀12和节流阀14 ;增压泵I和储罐2放置于井体上方并通过钻杆3与井下部分连接，构成原始动力源和流体源；井下的钻杆3的部制有增压容器10、祸轮4和发电机5 ;增压容器10的内壁固定制有加热器11，顶部通过单向阀12与钻杆3连接；传感器6固定放置在增压容器10的内壁上与闭环控制器7电信息连接，用于检测增压容器10内流体的温度和压力；高压电磁阀9固定放置在增压容器10的底部与闭环控制器7电信息连接，实现对流体射出量的控制；发电机5和闭环控制器7放置在增压容器10外部；发电机5、加热器11、传感器6、高压电磁阀9和闭环控制器7构成装置的电力控制系统；节流阀14放置在井体上方实现对井底压力的控制；钻头8可拆卸的放置在高压电磁阀9的下方，实现机械破山
ο
[0013]本实施例所述装置运行时，储罐2中的流体(氮气或二氧化碳等可压缩流体)经过增压泵I增压后通过钻杆3进入井下，流体经过涡轮4使涡轮旋转，涡轮4带动发电机5发电，增压容器10中由于初始压力低，单向阀12在内外压差下打开，流体进入增压容器10 ;加热器11对进入的流体进行加热，使流体由低压液态变为可压缩的高压气态；传感器6把温度信号和压力信号传递给闭环控制器7，当压力达到预设值时闭环控制器7控制高压电磁阀9打开，可压缩的高压气态喷出，形成超高压高温射流，使地层13岩石在射流压力和温度应力的协同作用下破裂，也可在喷嘴后加钻头8形成机械水力联合破岩；当增压容器10内的压力降低与井底压力相近时，单向阀12在内外压差下打开，闭环控制器7控制高压电磁阀9关闭，如此循环形成高温高压脉冲射流；经过井下涡轮4的流体则通过下面喷嘴喷出；通过节流阀14控制井底压力。
[0014]实施例2:
[0015]本实施例采用如图2所示的结构，流体(氮气或二氧化碳等可压缩流体)储罐16中的流体经过增压泵15增压后进入钻杆大直径段17，在钻杆大直径段17中流体温度随地层温度升高，然后流体进入钻杆盘管段18，由于流道直径变小而产生焦耳汤姆逊效应，流体温度降低而进一步从地层25主动吸热，最终流体经喷嘴19喷出，此时射流中心温度高于地层21岩石而射流中心附近温度低于地层21岩石，产生冷热变化下的温度应力，它与射流压力产生协同作用使岩石破碎，也可在喷嘴后加钻头20形成机械水力联合破岩，通过节流阀22可控制井底压力，进而调节焦耳汤姆逊效应的强弱。
[0016]本实施例通过改变喷射前流体温度或利用喷射中流体温度变化来产生流体与岩石的温差，进而利用射流迅速地改变岩石内部温度分布来产生温度应力，最终使岩石强度降低或直接破碎。
[0017]本实施例的工作原理为:第一，温度的急剧变化会使岩石内部颗粒在冷热收缩的相互牵制下产生热应力，同时热膨胀系数不同导致岩石内部变形不协调，从而使原生裂纹变得扩展或产生新生裂纹，使岩石强度降低或破碎；尤其在温度升高和温度降低的交界处，因为温度梯度很大，温度致裂作用更强；第二，岩石传热系数很低，温度改变主要在岩石表面发生，这导致岩石表面与内部变形不协调，即使是岩石是匀质的，也会产生大的温度应力；第三，实验研宄发现，同样温度下加热速率越大，岩石的热破裂作用越大，而射流流体对岩石表面的急速冲刷以及对岩心内部中渗透，可使岩心温度在较短的时间内迅速改变；第四，射流压力与温度应力可协同作用使岩石破碎。
[0018]实施例3:
[0019]本实施例采用如图3所示的结构，流体(氮气或二氧化碳等可压缩气体)储罐24中的流体经过增压泵23增压后进入钻杆25，流体温度随地层温度升高而升高，与地层同温的流体经喷嘴26喷出，由于焦耳汤姆逊效应，流体射流到地层28岩石表面后温度急剧降低，岩石温度分布不均而产生温度应力，它与射流压力产生协同作用使岩石破碎，也可在喷嘴后加钻头27形成机械水力联合破岩，通过节流阀29可控制井底压力，进而调节焦耳汤姆逊效应的强弱。
【主权项】
1.一种射流温度致裂装置，其特征在于主体结构包括增压泵、储罐、钻杆、涡轮、发电机、传感器、闭环控制器、钻头、高压电磁阀、增压容器、加热器、单向阀和节流阀；增压泵和储罐放置于井体上方，并通过钻杆与井下部分固定连接，构成原始动力源和流体源；井下的钻杆内部制有增压容器、涡轮和发电机；增压容器的内壁固定制有加热器，顶部通过单向阀与钻杆连接；传感器固定放置在增压容器的内壁上与闭环控制器电信息连接，用于检测增压容器内流体的温度和压力；高压电磁阀固定放置在增压容器的底部与闭环控制器电信息连接，实现对流体射出量的控制；发电机和闭环控制器放置在增压容器外部；节流阀放置在井体上方实现对井底压力的控制；钻头拆卸式放置在高压电磁阀的下方，用于机械破岩，从而实现对岩石的致裂；运行时，储罐中的流体经过增压泵增压后再通过钻杆进入井下，流体经过涡轮并使涡轮旋转，涡轮带动发电机发电，增压容器中由于初始压力低，单向阀在内外压差下打开，流体进入增压容器；加热器对进入的流体进行加热，使流体由低压液态变为可压缩的高压气态；传感器把温度信号和压力信号传递给闭环控制器，当压力达到预设值时闭环控制器控制高压电磁阀打开，可压缩的高压气态喷出，形成超高压高温射流，使地层岩石在射流压力和温度应力的协同作用下破裂，或在喷嘴后加钻头形成机械水力联合破岩；当增压容器内的压力降低与井底压力相近时，单向阀在内外压差下打开，闭环控制器控制高压电磁阀关闭，如此循环形成高温高压脉冲射流；经过井下涡轮的流体则通过下面喷嘴喷出；通过节流阀控制井底压力。
【专利摘要】本发明属于采矿和钻井破岩技术领域，涉及一种射流温度致裂装置，增压泵和储罐放置于井体上方，并通过钻杆与井下部分固定连接，井下的钻杆内部制有增压容器、涡轮和发电机；增压容器的内壁固定制有加热器，顶部通过单向阀与钻杆连接；传感器固定放置在增压容器的内壁上与闭环控制器电信息连接，高压电磁阀固定放置在增压容器的底部与闭环控制器电信息连接；发电机和闭环控制器放置在增压容器外部；节流阀放置在井体上方实现对井底压力的控制；钻头拆卸式放置在高压电磁阀的下方；其结构安全，原理可靠，经济成本低，方法易于实现，应用环境友好。
【IPC分类】E21C45-06, E21B7-18
【公开号】CN104863506
【申请号】CN201510187789
【发明人】李木坤, 倪红坚, 王瑞和, 霍洪俊
【申请人】中国石油大学(华东)
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月21日