CN101701520A - 深水钻井液循环携岩与井壁稳定模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深水钻井液循环携岩与井壁稳定模拟实验装置，包括若干节模拟井筒、模拟钻杆和钻井液输送装置，上下节模拟井筒之间分别设有模拟井壁；模拟钻杆沿轴向设有钻井液流入通道，钻井液循环输送装置包括管路依次连接储液罐、连回冷却装置、流量计、输液泵、钻井液流入通道的入口、钻井液流出通道的出口和液固分离器后连回储液罐形成的钻井液循环回路；模拟井筒内壁上设有若干温度和压力传感器并将信号传送给数据处理装置进行处理。本发明，可模拟深水钻井液循环过程，进行低温流动特性、携岩特性以及稳定井壁性能等特性研究，为深水钻井液研究提供了一种实验方法和研究手段。

Description

深水钻井液循环携岩与井壁稳定模拟实验装置

技术领域

本发明涉及一种深水钻井液模拟实验装置，特别是涉及一种深水钻井液循环携岩与井壁稳定模拟实验装置。

背景技术

深水钻井与陆上钻井或浅水钻井相比，存在较大差异，如深水水底温度低、压力大、地层欠压实、套管层次多、隔水管直径大等，相应对钻井液带来了许多技术难题和挑战。因此，深水钻井液必须具备一些特点：1、良好的低温流变性。随水深增加海水温度也越来越低，3000米水深温度仅为3-4℃，有些地区甚至在0℃左右，温度降低将会给钻井及采油作业带来很多问题。在低温情况下，钻井液的流变性会发生较大变化，粘度、切力大幅度上升，甚至还可能出现胶凝现象，尤其是油基钻井液和合成基钻井液；2、较强的泥页岩稳定性。深水区域远离海岸，风、河水和海水携带的沉积物越发细小，其沉积速度、压实方式以及含水量与陆地明显不同，因而活性大、欠压实。常表现为易于膨胀、分散性高、易漏失等。导致套管层序增加，有的甚至超过9层；而隔水管的大尺寸和深水低温增加了钻井液粘度和循环压力损耗，进一步恶化了井壁不稳定性；3、良好的悬浮稳定性。海洋钻井需采用隔水管，3000m水深钻井仅隔水管内钻井液就至少约300m³，因此需要的钻井液体积比其他同样地下深度的钻井液循环总量要大的多。隔水管、套管直径较大，采用常规措施钻井液上返流速很难达到清洗井眼的目的。因此，使用与钻井过程中钻井液粘度不同的钻井液以及有规律地短程起下钻具等方法来清除钻屑是有效措施之一。与陆地钻井相比，海洋钻井会经常遭遇台风，一旦台风到来，为安全起见工作人员必须全部撤离平台，因此要求钻井液同样具有良好的稳定性，一般7天左右；4、良好的润滑性，并能有效减少钻井风险。海上钻井成本较高，良好的润滑性能保证起下钻顺畅和节约驱动能量，缩短钻井时间和有效减少钻井风险和井下事故复杂，才能真正做到低投入高产出。

由于(海洋)深水钻井在我国尚处于起步阶段，截至目前国内还未钻过真正意义上的深水井，因此，我国现有技术均为陆上钻井或浅水钻井用钻井液体系，均不能应用到深水钻井中去。为了开发研究深水钻井液，尤其是在深水钻井过程中钻井液携岩规律及井壁稳定性的研究，迫切需要一种适合的实验方法和模拟实验装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决没有适合的实验装置进行深水钻井过程中钻井液携岩规律研究及井壁稳定性研究的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种深水钻井液循环携岩与井壁稳定模拟实验装置，包括若干节模拟井筒、模拟钻杆、钻井液输送装置、若干温度和压力传感器和数据处理装置，上下节模拟井筒之间分别设有模拟井壁，模拟井筒与模拟井壁的内径相同，模拟井壁呈套筒状且上下端面上分别设有与该模拟井筒外径相适配的环形凹槽，该环形凹槽与模拟井壁同轴，上下节模拟井筒分别嵌装在模拟井壁上下端面上的环形凹槽内且与环形凹槽的底面之间设有密封圈；模拟钻杆沿轴向设有钻井液流入通道，该模拟钻杆插装在由模拟井筒和模拟井壁组成的井道内，模拟钻杆的外壁与井道内壁之间形成钻井液流出通道；钻井液循环输送装置包括盛装钻井液的储液罐、冷却装置、流量计、输液泵和液固分离器，管路依次连接储液罐、连回冷却装置、流量计、输液泵、钻井液流入通道的入口、钻井液流出通道的出口和液固分离器后连回储液罐形成的钻井液循环回路；若干温度和压力传感器分别设置在底节、顶节和位于中部的模拟井筒的内壁上；数据处理装置设置在地面上，接收所述若干温度和压力传感器的输出信号以及流量计的流量信号并进行处理。

在上述方案的基础上，还包括加砂装置，所述加砂装置包括与模拟井筒相通的管道，设置在该管道内的螺杆以及驱动螺杆旋转的电机，所述管道上设有用于添加砂料的漏斗。

进一步地，还包括模拟人造岩心，所述模拟人造岩心呈圆筒状，其内径与模拟井筒的内径相适配，该模拟人造岩心嵌装在模拟井壁内。

所述模拟人造岩心由两半体扣合而成。

本发明，可通过模拟深水钻井液循环过程，模拟实现深水钻井过程中钻井液的低温流动特性、携岩特性以及稳定井壁性能等特性研究，为深水钻井液研究提供了一种实验方法和研究手段。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明模拟井筒、模拟钻杆以及自动加砂装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细的说明。

如图1、图2所示，本发明包括若干节模拟井筒1、设置在上下节模拟井筒1之间的模拟井壁3、模拟钻杆2、钻井液输送装置、若干温度和压力传感器和设置在地面上的数据处理装置，模拟井壁3的内径与模拟井筒1的内径相同，模拟井壁3的上下端面上分别设有与模拟井筒外径相适配的环形凹槽，上下节模拟井筒1分别嵌装在模拟井壁3上下端面上的环形凹槽内且与环形凹槽的底面之间设有O形圈5密封，以此形成端面密封。所述模拟钻杆2设有轴向通孔，该模拟钻杆2插装在由模拟井筒1和模拟井壁3组成的井道内，模拟钻杆2的外壁与井道内壁之间形成钻井液流出通道；钻井液输送装置包括盛装钻井液的储液罐41、流量计42、输液泵43、冷却装置44和液固分离器45，通过管路将上述装置连接组成钻井液循环回路，钻井液的流向为：储液罐41中的钻井液经冷却装置44冷却后，在输液泵43的作用下经流量计42进入模拟钻杆2的轴向通孔，之后从模拟钻杆2与井道内壁之间流出，再经过液固分离器45返回到储液罐41中。若干温度和压力传感器P、T分别设置在底节、顶节和位于中部的模拟井筒的内壁上，其所采集到的温度和压力信号以及流量计42的流量信号输出至数据处理装置进行处理。图1中，P表示压力传感器，T表示温度传感器。

本发明还包括加砂装置，所述加砂装置包括与模拟井筒1内腔相通的管道31，设置在该管道31内的螺杆32以及驱动螺杆旋转的电机，所述管道31上设有用于添加砂料的漏斗33，电动机旋转带动螺杆32将漏斗33中的砂料推入模拟井筒1内，最大加砂量为5L/次。

进一步地，模拟井壁3的内壁上还嵌装有模拟人造岩心4，所述模拟人造岩心4呈圆筒状，其内径与模拟井筒1的内径相适配，高度为50～100mm，由两半体扣合而成。

本发明的实验流程如下：

1、循环实验

利用压缩机将配制好的钻井液降温至所需温度，开动输液泵，调节阀门开启度，调节流量至所需，钻井液经模拟钻杆上的轴向通孔下行至井底，并由模拟钻杆外壁与模拟井壁内壁之间的空隙返回，建立循环；实验开始后开启数据处理装置，记录钻井液流量和流经模拟井筒不同位置时的温度和压力，实现压力损耗实验。

2、模拟加砂、携岩和井壁稳定实验

在模拟井筒底部设有加砂装置，实验开始后该装置可将砂粒加入模拟井筒，并通过钻井液循环携带出模拟井筒，经固液分离器实现固液分离，完成模拟携岩过程；从固液分离器中收集沙粒并称重，与加入沙粒重量之比，称之为携岩效率，用于衡量钻井液的携岩能力。在模拟井筒上设计有模拟井壁，该井壁可通过选用不同矿物在不同压力下人工压制而成，从而实现不同条件下的井壁稳定性的模拟。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.深水钻井液循环携岩与井壁稳定模拟实验装置，其特征在于包括：

若干节模拟井筒，上下节模拟井筒之间分别设有模拟井壁，模拟井筒与模拟井壁的内径相同，模拟井壁呈套筒状且上下端面上分别设有与该模拟井筒外径相适配的环形凹槽，该环形凹槽与模拟井壁同轴，上下节模拟井筒分别嵌装在模拟井壁上下端面上的环形凹槽内且与环形凹槽的底面之间设有密封圈；

模拟钻杆，沿轴向设有钻井液流入通道，该模拟钻杆插装在由模拟井筒和模拟井壁组成的井道内，模拟钻杆的外壁与井道内壁之间形成钻井液流出通道；

钻井液循环输送装置，包括盛装钻井液的储液罐、冷却装置、流量计、输液泵和液固分离器，管路依次连接储液罐、连回冷却装置、流量计、输液泵、钻井液流入通道的入口、钻井液流出通道的出口和液固分离器后连回储液罐形成的钻井液循环回路；

若干温度和压力传感器，分别设置在底节、顶节和位于中部的模拟井筒的内壁上；

数据处理装置，设置在地面上，接收所述若干温度和压力传感器的输出信号以及流量计的流量信号并进行处理。

2.如权利要求1所述的深水钻井液循环携岩与井壁稳定模拟实验装置，其特征在于还包括加砂装置，所述加砂装置包括与模拟井筒相通的管道，设置在该管道内的螺杆以及驱动螺杆旋转的电机，所述管道上设有用于添加砂料的漏斗。

3.如权利要求1或2所述的深水钻井液循环携岩与井壁稳定模拟实验装置，其特征在于还包括模拟人造岩心，所述模拟人造岩心呈圆筒状，其内径与模拟井筒的内径相适配，该模拟人造岩心嵌装在模拟井壁内。

4.如权利要求3所述的深水钻井液循环携岩与井壁稳定模拟实验装置，其特征在于所述模拟人造岩心由两半体扣合而成。

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