CN102787817A - 钻井循环系统综合模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是钻井循环系统综合模拟实验装置，这种钻井循环系统综合模拟实验装置包括钻井液循环回路、岩屑循环支路、注气支路、数据采集系统；钻井液循环回路由环空测试段、巴歇尔槽、振动筛、储液池、变频泵构成；岩屑循环支路由空气推进器、岩屑收集罐、填料罐、螺杆泵通过管线依次连接构成，空气推进器设置在振动筛上，螺杆泵通过管线连接到环空测试段入口处；注气支路由储气罐、空气压缩机通过管线连接而成，空气压缩机通过管线连接所述的三通。本发明能够观察不同井斜角下的环空岩屑运移规律、定量测量不同井斜角下的环空岩屑径向浓度和环空不同流域的岩屑粒度组成。

Description

钻井循环系统综合模拟实验装置

一、     技术领域：

本发明涉及的是用于模拟钻井过程中的钻井液、气体等循环介质的循环流动过程和溢流早期检测的装置，具体涉及的是钻井循环系统综合模拟实验装置。

二、背景技术：

石油天然气资源钻井过程中，钻头不断破碎岩石形成新井眼，产生的岩屑被循环介质（钻井液、气体）经环空（钻柱与井眼之间的环形空间）携带到地表，而在大位移井、水平井、多分支井等复杂结构井钻井过程中容易形成岩屑床或滞留区，与环空无岩屑床或滞留区相比，成床或有滞留区后环空岩屑运移更加复杂，如果钻进过程中水力参数或空气动力参数设计不合理，导致环空内沉积岩屑床厚度过高或滞留区过大，将会导致一系列严重的井下问题，如钻具摩擦阻力、扭矩增大，甚至发生严重的井下事故如卡钻、扭断钻具等，处理这些井下事故将大幅度降低机械钻速，大幅度增加非生产时间和作业成本。这就要求我们必须了解复杂结构井井眼清洁规律，合理设计水力参数或空气动力学参数，防止岩屑床或滞留区形成或控制在安全值范围内，并在钻井过程中进行溢流早期检测，确保钻井安全。

当前，环空携岩实验装置主要基于研究钻井液携岩的岩屑床厚度或截面积和压降而设计，无法描述环空岩屑运移过程。而对气体携岩、地层出水时的气体携岩及其他欠平衡钻井条件下岩屑运移规律研究主要集中在理论方面。为了更深入地认识不同钻井工况下环空岩屑运移规律，并在实验中进行实时检测早期溢流，急需一套先进的综合性实验装置。

三、发明内容：

本发明的目的是提供钻井循环系统综合模拟实验装置，它用于解决现有技术对钻井工况下环空岩屑-钻井液、岩屑-气体和岩屑-气体-钻井液多相流动过程无法描述、岩屑径向浓度无法定量测量的问题，同时可以为室内研究溢流早期检测问题提供实验平台。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种钻井循环系统综合模拟实验装置包括钻井液循环回路、岩屑循环支路、注气支路、数据采集系统；钻井液循环回路由环空测试段、巴歇尔槽、振动筛、储液池、变频泵构成，模拟井壁和模拟钻杆组成环空测试段，环空测试段固定在底座上，环空测试段出口处与升降机通过钢丝绳连接，模拟钻杆远离钻头端直接与电动机相连，模拟井壁上安装有PIV系统，模拟井壁两端分别安装压力传感器，环空测试段出口通过管线连接巴歇尔槽，巴歇尔槽与喇叭管垂直焊接成一体，与巴歇尔槽连接的管线出口设置在振动筛上方，振动筛下面是储液池，储液池通过管线连接变频泵，变频泵连接三通，三通通过管线连接至环空测试段入口，三通与环空测试段入口之间的管线缠绕在滚轮上；岩屑循环支路由空气推进器、岩屑收集罐、填料罐、螺杆泵通过管线依次连接构成，空气推进器设置在振动筛上，螺杆泵通过管线连接到环空测试段入口处；注气支路由储气罐、空气压缩机通过管线连接而成，空气压缩机通过管线连接所述的三通；数据采集系统采集压力传感器、转速传感器、气体流量计、巴歇尔明渠流量计、泵和电动机输出的信号、PIV系统信号，并利用计算机对采集的数据进行实时处理，绘制实验数据曲线，实现气体流量、钻井液入口流量、钻井液返出流量、模拟钻杆转速、环空节点压力、岩屑浓度分布、岩屑运移速度的采集和处理。

上述方案中模拟井壁为透明有机玻璃管，模拟钻杆为圆钢管，模拟井壁和模拟钻杆组成8¹/₂英寸×5英寸或6英寸-3¹/₂英寸环空。

上述方案中储液池池底为带有一定倾角的平面，储液池与变频泵连接的一端低，另一端高。

上述方案中振动筛为12目，网径为1.4mm。

上述方案中变频泵为立式离心泵，并配有无级调速装置。

上述方案中底座下有滚轮，滚轮与地面轨道相配合。

本发明为室内全尺寸环空循环系统，用于模拟复杂结构井环空多相流动及溢流早期检测。该装置井斜角可从0°变化至90°并安装有粒子影像测速仪(PIV系统)，以便于观察和研究不同井斜角下岩屑运移机理，同时定量测量岩屑径向浓度、粒度组成等参数；模拟钻杆可以旋转，填料罐可以控制注入岩屑浓度，以模拟不同机械钻速下的钻进过程；可以选择不同的环空尺寸，以满足不同钻具组合；实验过程中能实现钻井液和岩屑的同时循环，提高实验效率及自动化程度；能模拟充气钻井液携岩气体、钻井液携岩、气体携岩等的环空岩屑运移规律，以适应不同钻井方式的室内实验需求；通过测量巴歇尔槽出口流量，并对比变频泵出口流量，确保早期溢流准确检测。

有益效果：

1、本发明实现了模拟井下钻杆旋转条件下的环空气体、岩屑、钻井液多相流动过程，能够观察不同井斜角下的环空岩屑运移规律、定量测量不同井斜角下的环空岩屑径向浓度和环空不同流域的岩屑粒度组成，为钻井液携岩、气体携岩和充气钻井液携岩等研究提供一种实验方法和研究手段。

2、本发明是通过巴歇尔槽式明渠流量计可以精确计量钻井液-岩屑两相返出流量，通过与变频泵进口流量对比分析，可实现流量差法溢流早期检测模拟实验。

3、本发明实现了环空岩屑加注、岩屑收集的闭环自动控制。能够加注任意粒度组成的固相岩屑颗粒。模拟循环实验过程中，可在任意时间连续控制岩屑颗粒的注入浓度以反映钻头机械钻速的变化对流动过程影响。

四、附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

1模拟井壁；2模拟钻杆；3 PIV系统；4压力传感器；5测斜仪；6底座；7电动机；8升降机；9巴歇尔槽；10空气推进器；11振动筛；12储液池；13变频泵；14三通； 15气体流量计；16储气罐；17空气压缩机；18滚轮；19岩屑收集罐；20增压泵；21填料罐；22 螺杆泵。

五、具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，这种钻井循环系统综合模拟实验装置包括钻井液循环回路、岩屑循环支路、注气支路、数据采集系统；钻井液循环回路由环空测试段、巴歇尔槽9、振动筛11、储液池12、变频泵13构成，模拟井壁1和模拟钻杆2组成环空测试段，环空测试段可选用由模拟井壁1和模拟钻杆2组成8¹/₂英寸×5英寸和6英寸-3¹/₂英寸环空，根据钻具组合选择不同的环空尺寸，模拟井壁1为透明有机玻璃管，模拟钻杆2为圆钢管；模拟钻杆2远离钻头端直接与电动机7相连，模拟井壁1上安装有PIV系统3，PIV系统3采用粒子影像测速仪实时拍摄环空示踪岩屑运移过程，模拟井壁1两端分别安装压力传感器4，以测量实验环空段压降。环空测试段固定在底座6上，底座6下有滚轮，滚轮与地面轨道相配合，环空测试段出口处与升降机8上的滑轮通过绳索连接，并与升降机8的支架接触，通过观察底座6上的测斜仪5来调节井斜角大小，测斜仪5安装在底座6的一端，本发明可实现井斜角0~90度的调节。环空两端与管线间为螺纹连接，保证其密封性。

环空测试段出口通过管线连接巴歇尔槽9，巴歇尔槽9改进为巴歇尔槽与喇叭管垂直焊接成一体，用于实现流量差法溢流早期检测实验，与巴歇尔槽9连接的管线出口设置在振动筛11上方，振动筛11下面是储液池12，储液池12池底为带有一定倾角的平面，储液池12与变频泵13连接的一端低，另一端高，储液池12液面略高于变频泵13入口处高度，避免空气进入泵内；储液池12通过管线连接变频泵13，变频泵13为立式离心泵，并配有无级调速装置，变频泵13连接三通14，三通14通过管线连接至环空测试段入口，三通14与环空测试段入口之间的管线缠绕在滚轮18上；岩屑循环支路由空气推进器10、岩屑收集罐19、增压泵20、填料罐21、螺杆泵22通过管线依次连接构成，空气推进器10设置在振动筛11上，振动筛11为12目，即网径为1.4mm，保证实验钻井液和岩屑（2-8mm）完全分离，螺杆泵22通过管线连接到环空测试段入口处；注气支路由储气罐16、空气压缩机17通过管线连接而成，空气压缩机17通过管线连接所述的三通14，储气罐16可以储存气体和控制气体压力，并利用其气体阀调节流量。

由模拟井壁1和模拟钻杆2形成流体和岩屑流动通道。流动过程中产生的压降由模拟井壁1两端的压力传感器4测量，并由电动机7带动模拟钻杆2旋转。巴歇尔槽9出口端与振动筛11相连，且振动筛11安装在储液池12之上，保证钻井液和岩屑的同时循环。三通14与环空测试段间长长的管线缠绕在滚轮18上，随滚轮18旋转方向的不同，管线或伸长或缩短。振动筛11上安装有空气推进器10，可把岩屑送入岩屑收集罐19，通过岩屑收集罐19完成岩屑称重，并利用增压泵20实现岩屑增压，依次进入填料罐21、螺杆泵22和环空测试段。

如上本发明主要有钻井液循环回路：储液池12中的钻井液经变频泵13作用进入三通14、环空测试段、巴歇尔槽9、振动筛11返回储液池12；

岩屑循环支路：振动筛11上的岩屑经空气推进器10回到岩屑收集罐19，完成称重，由增压泵20泵入填料罐21和螺杆泵22进入环空测试段，经巴歇尔槽9返回振动筛11。

注气支路：空气经空气压缩机17进入储气罐16，经环空进入岩屑收集罐19或巴歇尔槽9。

数据采集系统：采集压力传感器4、转速传感器、气体流量计15、巴歇尔明渠流量计、泵和电动机输出的信号、PIV系统信号，并利用计算机对采集的数据进行实时处理。 

本发明实验流程如下：

（1） 充气钻井液携岩实验

调节好环空测试段实验井斜角，配置好钻井液并注入储液池12中，开变频泵13使整个循环系统的液流管线被钻井液充满。而后向填料罐21中添加一定量的岩屑，并开启岩屑增压泵20和螺杆泵22，使岩屑增压至环空入口端压力。最后开启空气压缩机17，当储气罐16压力略高于三通14处液体压力时，根据所需混入气体的量调节气体阀，让气体混入钻井液中，形成充气钻井液。充气钻井液和岩屑经环空、巴歇尔槽9、振动筛11，钻井液流回储液池12形成循环，而岩屑经岩屑收集罐19返回填料罐21。实验中可以调节变频泵排量、螺杆泵转速、气体注入量、模拟钻杆转速等参数利用PIV系统来观察环空岩屑运移规律及记录实验数据。待该组实验完成后，改变实验参数，再重复上述实验步骤。

（2）钻井液携岩实验

与充气钻井液携岩实验相比，该实验不需开启空气压缩机17，利用变频泵13把预先准备好的钻井液泵入管线，增压泵20和螺杆泵22把岩屑注入管线，并在环空入口端前混合，钻井液和岩屑循环回路同上。

（3）气体携岩实验

与充气钻井液携岩实验相比，该实验不需开启变泵13，岩屑直接进入岩屑收集罐19，经增压泵20、填料罐21完成岩屑循环。

（4）流量差法溢流早期检测实验

在实验过程中，通过变频泵13，调节钻井液进口流量并通过涡轮流量计测量，巴歇尔槽式明渠流量计测量瞬时钻井液返出流量，实现流量差法溢流早期检测室内实验。

Claims (6)

1.一种钻井循环系统综合模拟实验装置，其特征在于：这种钻井循环系统综合模拟实验装置包括钻井液循环回路、岩屑循环支路、注气支路、数据采集系统；钻井液循环回路由环空测试段、巴歇尔槽（9）、振动筛（11）、储液池（12）、变频泵（13）构成，模拟井壁（1）和模拟钻杆（2）组成环空测试段，环空测试段固定在底座（6）上，环空测试段出口处与升降机（8）通过绳索连接，模拟钻杆（2）远离钻头端直接与电动机（7）相连，模拟井壁（1）上安装有PIV系统（3），模拟井壁（1）两端分别安装压力传感器（4），环空测试段出口通过管线连接巴歇尔槽（9），巴歇尔槽（9）与喇叭管垂直焊接成一体，与巴歇尔槽（9）连接的管线出口设置在振动筛（11）上方，振动筛（11）下面是储液池（12），储液池（12）通过管线连接变频泵（13），变频泵（13）连接三通（14），三通（14）通过管线连接至环空测试段入口，三通（14）与环空测试段入口之间的管线缠绕在滚轮（18）上；岩屑循环支路由空气推进器（10）、岩屑收集罐（19）、填料罐（21）、螺杆泵（22）通过管线依次连接构成，空气推进器（10）设置在振动筛（11）上，螺杆泵（22）通过管线连接到环空测试段入口处；注气支路由储气罐（16）、空气压缩机（17）通过管线连接而成，空气压缩机（17）通过管线连接所述的三通（14）；数据采集系统采集压力传感器、转速传感器、气体流量计、巴歇尔明渠流量计、泵和电动机输出的信号、PIV系统信号，并利用计算机对采集的数据进行实时处理，绘制实验数据曲线，实现气体流量、钻井液入口流量、钻井液返出流量、模拟钻杆转速、环空节点压力、岩屑浓度分布、岩屑运移速度的采集和处理。

2.根据权利要求1所述的钻井循环系统综合模拟实验装置，其特征在于：所述的模拟井壁（1）为透明有机玻璃管，模拟钻杆（2）为圆钢管，模拟井壁（1）和模拟钻杆（2）组成8¹/₂英寸×5英寸或6英寸-3¹/₂英寸环空。

3.根据权利要求1所述的钻井循环系统综合模拟实验装置，其特征在于：所述的储液池（12）池底为带有一定倾角的平面，储液池（12）与变频泵（13）连接的一端低，另一端高。

4.根据权利要求1所述的钻井循环系统综合模拟实验装置，其特征在于：所述的振动筛（11）为12目，网径为1.4mm。

5.根据权利要求1所述的钻井循环系统综合模拟实验装置，其特征在于：所述的变频泵（13）为立式离心泵，并配有无级调速装置。

6.根据权利要求1所述的钻井循环系统综合模拟实验装置，其特征在于：所述的底座（6）下有滚轮，滚轮与地面轨道相配合。

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