CN103321637A - 一种单个岩屑受力分析实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单个岩屑受力分析实验装置及试验方法，其特征在于：它包括一底部封闭的隔水管段，隔水管段的中心设置有一钻柱，进而形成一环形通道，隔水管段顶部安装有密封阀门，隔水管段另一侧通过管道依次连接一钻井液循环罐、一钻井液灌注泵、钻柱的顶口；环形通道中安装一密封箱，密封箱的顶部设置密封孔和保护罩，所述密封孔内注入有密封液，密封孔内穿设有一不锈钢条，不锈钢条的底部安装一个滑动密封圈，密封箱侧壁与隔水管段之间固定连接有线管。不锈钢条在保护罩内连接不锈钢丝绳，不锈钢丝绳的另一端穿出保护罩连接岩屑。隔水管段外设置有一应变仪和一计算机，应变仪内设置有数据采集模块和A/D转化模块，计算机内设置有应变分析模块。本发明可以用于深水钻井作业之中。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油钻探实验装置及实验方法，特别是关于一种模拟海洋深水钻井过程中的单个岩屑受力分析实验装置及实验方法。
背景技术
安全、高效地进行深水钻探是开发利用海洋石油资源的一个基本前提。在深水钻井中，随着大位移井及复杂结构井钻井技术的不断发展，井眼清洁及检测是钻水平井尤其是大位移水平井的技术难点，一旦井眼得不到及时清洁形成岩屑床，将会影响机械钻速，导致钻具扭矩增大甚至扭断，还会引起卡钻等事故的发生，造成钻井成本增加，影响工程进度等。深水钻井中由于水深的影响，大直径、长距离的隔水管内携岩困难，要保持井眼的有效清洁，通常需要较大的泥浆排量，而泥浆排量大又容易引起井壁稳定问题。因此，深水钻井循环过程中，在保持有效携岩的情况下，选择尽量小的泥浆排量对钻井安全非常重要，而深水低温的环境对钻井液性能的影响显著，钻井液黏度和切力的改变使深水携岩与常规陆地上钻井不同。由于温度降低带来钻井液性能的改变,对不同粒径岩屑上返速度的影响程度不同，所以目前按携岩中岩屑浓度标准进行的排量选择都未能考虑深水低温对携岩的影响，因此导致计算所得泥浆排量偏大。
在隔水管环形通道中，液-固两相混合物在通道中的流动机理及动力学特性非常复杂，其主要体现在：①液相与固相之间相互作用，其中包括粘滞阻力、升力和浮力等。②钻井液液相处于紊流状态。③颗粒与壁面间的作用，其主要表现为颗粒与壁面的随机碰撞。④由于固相颗粒之间的随机碰撞伴随着动量的传递与能量的耗散，所以岩屑在环形通道中的运移轨迹是不定的，其速度的测量仍无法采用合适的仪器与方法。
因此，井眼清洁及检测技术的关键是掌握环空岩屑运移规律。建立工程模型，分析岩屑运移规律，准确预测环空中岩屑堆积、成床时间，判断处理井下复杂情况，通过监测岩屑运移状况确保井眼清洁是大位移井钻井施工安全。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够方便地检测岩屑的受力状况、同时还能够分析研究岩屑受力运移规律的单个岩屑受力分析实验装置及实验方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种单个岩屑受力分析实验装置，其特征在于：它包括一底部封闭的隔水管段，所述隔水管段的顶部中心套设有一钻柱，所述钻柱下端安装有一钻头；所述隔水管段与钻柱之间形成一环形通道；所述隔水管段的顶部一侧安装有一用于更换岩屑的密封阀门，所述隔水管段另一侧管壁的上部通过管道连接一钻井液循环罐，所述钻井液循环罐通过管道连接一钻井液灌注泵，所述钻井液灌注泵的通过管道连通所述钻柱的顶口；所述环形通道中设置有一用于测量的密封箱，所述密封箱的顶部设置有一密封孔和保护罩，所述密封孔内注入有密封液，所述密封孔内穿设有一不锈钢条，所述不锈钢条的底部安装有一个滑动密封圈，所述密封箱侧壁与所述隔水管段之间固定连接有一线管；所述隔水管段外面设置有一应变仪和一计算机，所述应变仪内设置有一数据采集模块和一A/D转化模块，置于所述密封箱内的所述不锈钢条上贴附有作为全桥应变片的四块应变片，每一所述应变片分别通过导线、且穿出所述线管连接所述应变仪的数据采集模块，所述A/D转化模块将四块所述应变片的形变量转化为数字信号并通过数据传输线输送给所述计算机，所述计算机通过其内设置的应变分析模块记录分析实验数据，并显示实验结果。
所述隔水管段的长度为5米，所述钻柱的长度为4.5米。
所述密封箱内插入有4/5的所述不锈钢条，所述不锈钢条的顶部在所述保护罩内连接所述一不锈钢丝绳，所述不锈钢丝绳的另一端穿出所述保护罩连接岩屑。
所述全桥应变片的四块应变片均采用敏感栅电阻加工制作。
所述应变仪读出的应变值与真实值的关系为：εds=4εp，将所述岩屑受到的总力放大四倍。
上述一种单个岩屑受力分析实验方法，其包括以下步骤：1）将钻柱带着钻头一同插入底部封闭的隔水管段中，并与隔水管段顶部固定密封，形成一环形通道，在隔水管段与钻柱之间的顶部设置有密封阀门，隔水管段另一侧管壁的上部通过管道依次连接钻井液循环罐和钻井液灌注泵，并通过管道连接钻柱的顶口；在环形通道中设置密封箱，密封箱的顶部设置有密封孔和保护罩，密封孔内注入有密封液，密封孔内穿设有的不锈钢条，不锈钢条的底部安装有一个滑动密封圈，在保护罩内不锈钢条的顶部连接不锈钢丝绳，不锈钢丝绳另一端穿出保护罩连接岩屑；密封箱侧壁与隔水管段之间固定连接有线管；隔水管外面设置有应变仪和计算机，置于密封箱内的不锈钢条上贴附有全桥应变片的四块应变片，每一应变片分别通过导线、且穿出线管连接应变仪，应变仪通过传输线连接计算机；2）启动钻井液灌注泵，使钻井液循环罐内的液体通过管道从钻柱的顶口向下流入，液体穿过钻柱的底口在环形通道内向上反流；3）液体的反流冲击岩屑，使岩屑向上浮动，进而拉动不锈钢丝绳发生拉力形变，不锈钢丝绳发生形变使不锈钢条及贴附在其上的四块应变片也随之密封箱内相应产生机械形变；4）四块应变片将数据通过导线传给应变仪的采集模块，A/D转化模块将采集模块采集的四块应变片的不同形变量转化为数字信号，数字信号再通过数据传输线输送给计算机；5）计算机通过其内设置的应变分析模块记录分析实验数据，并显示实验结果。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的实验装置由于在隔水管段与钻柱之间的环形通道中安装有用于测量的密封箱，在密封箱内插入有4/5的不锈钢条，置于密封箱内的不锈钢条上贴附有全桥应变片的四块应变片，为了防止水流扰动，在密封箱的顶口还安装有一保护罩，在防护罩内不锈钢条与不锈钢丝绳的底端连接，不锈钢丝绳的顶端在防护罩外连接一岩屑，当流体从钻柱顶口进入，再从钻柱底部向上环空返速时，流体冲击岩屑带动不锈钢丝绳的拉力发生形变，同时使不锈钢条及贴附在不锈钢条上的四块应变片也相应产生机械形变，其机械形变即是岩屑所承受反流冲击的影响状况，因此可以准确得到岩屑受力的变化数据，并通过计算机应变分析模块记录分析实验数据、总结岩屑受力运移规律。2、本发明的实验装置是对隔水管段中环形通道内钻井液携岩屑效果的影响情况提供了实验方法，同时为深水钻完井井眼清洁研究提供一种良好的实验方法和研究手段。3、本发明的实验装置的四块应变片均采用敏感栅电阻，应变仪读出的应变值与真实值的关系为：εds=4εp，将岩屑受到的总力放大了四倍，因此对测量微小力是非常有利的，使实验效果更加精准。4、本发明利用全桥应变片来间接测量在隔水管段中环形通道内反流过程中,岩屑会受到钻井液对其作用的升力、浮力和受到地球引力的重力等作用，因此可以方便地检测岩屑的受力状况，使检测数据准确。本发明可以用于深水钻井工作之中。
附图说明
图1是本发明的实验装置流程示意图
图2是应变测量系统方框示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
实施例1：
本实施例是对模拟在岩屑形状不同情况下，岩屑在环形通道内受力响应特征和变化规律的描述。
如图1、图2所示，本实施例首先取一底部封闭长度为5米的隔水管段1，隔水管段1的顶部中心套设有一长度为4.5米的钻柱2，钻柱2下端安装有一钻头3，隔水管段1与钻柱2之间形成一环形通道4，在隔水管段1的顶部一侧安装有一用于更换不同形状的实验用岩屑5的密封阀门6，隔水管段1另一侧管壁的上部通过一管道连接一钻井液循环罐7，钻井液循环罐7通过管道连接一钻井液灌注泵8，钻井液灌注泵8管道连接在钻柱2的顶口。在环形通道4中设置有一密封箱9，密封箱9的顶部设置有一密封孔91和一保护罩10，密封孔91内注入有密封液，密封孔91内穿设有一4/5的不锈钢条11，不锈钢条11的底部安装有一个滑动密封圈12，滑动密封圈12只限于不锈钢条11能在密封箱9内上下形变，且对不锈钢条11的形变影响很小，这样露出密封箱9的不锈钢条11的变形即能反映到里面的不锈钢条11，密封箱9侧壁与隔水管段1之间固定连接有一线管12。
在隔水管段1外面设置有一应变仪13和一计算机14，应变仪13内设置有一数据采集模块131和一A/D转化模块132，置于密封箱9内的不锈钢条11上贴附有作为全桥应变片的四块应变片15，每一应变片15分别通过导线、且穿出线管12连接应变仪13的数据采集模块131，A/D转化模块132将四块应变片15的形变量转化为数字信号并通过数据传输线输送给计算机14。计算机14通过其内设置的应变分析模块141记录分析实验数据，进而得到岩屑受力，以及随岩屑形状引起受力不同的变化规律。
上述实施例中，为避免隔水管段1中水流对每一应变片15的影响防止水流扰动，在保护罩10内不锈钢条11的顶部连接一不锈钢丝绳16，不锈钢丝绳16另一端穿出保护罩10连接岩屑5。
上述实施例中，全桥应变片的应变片15均采用敏感栅电阻加工制作，应变仪13读出的应变值与真实值的关系为：εds=4εp，相当于把岩屑5受到的总力放大了四倍。
通过上述实验装置进行的单个岩屑模拟在不同形状下受力分析实验过程，其方法包括以下步骤：
1）将钻柱2带着钻头3一同插入底部封闭的隔水管段1中，并与隔水管段1顶部固定密封，形成一环形通道4，在隔水管段1与钻柱2之间的顶部设置有密封阀门6，隔水管段1另一侧管壁的上部通过管道依次连接钻井液循环罐7和钻井液灌注泵8，并通过管道连接钻柱2的顶口。在环形通道4中设置密封箱9，密封箱9的顶部设置有密封孔91和保护罩10，密封孔91内注入有密封液，密封孔91内穿设有4/5的不锈钢条11，不锈钢条11的底部安装有一个滑动密封圈12，在保护罩10内不锈钢条11的顶部连接不锈钢丝绳16，不锈钢丝绳16另一端穿出保护罩10连接岩屑5。密封箱9侧壁与隔水管段1之间固定连接有线管12。隔水管段1外面设置有应变仪13和计算机14，置于密封箱9内的不锈钢条11上贴附有全桥应变片的四块应变片15，每一应变片15分别通过导线、且穿出线管12连接应变仪13，应变仪13通过传输线连接计算机14。
2）启动钻井液灌注泵8，使钻井液循环罐7内的液体通过管道从钻柱2的顶口向下流入，液体穿过钻柱2的底口在环形通道4内向上反流。
3）液体的反流冲击岩屑5，使岩屑5向上浮动，进而拉动不锈钢丝绳16发生，拉力形变，不锈钢丝绳16发生形变使不锈钢条11及贴附在其上的四块应变片15也随之在密封箱9内相应产生机械形变。
4）四块应变片15将数据通过导线传给应变仪13的采集模块131，A/D转化模块132将采集模块131采集的四块应变片15的不同形变量转化为数字信号，数字信号再通过数据传输线输送给计算机14。
5）计算机14通过其内设置的应变分析模块141记录分析实验数据，进而得到岩屑5受力，以及随岩屑不同形状引起受力不同的变化规律。
实施例2：
本实施例是对模拟在岩屑在不同环空返速下，岩屑在环形通道4内受力响应特征和变化规律的描述。
本实施例的装置与实施例1的装置相同，只是将钻井液灌注泵8的功率改变。
通过上述实验装置进行的单个岩屑模拟在不同环空返速下受力分析实验过程，其方法包括以下步骤：
1）启动钻井液灌注泵8，使钻井液循环罐7内的液体通过管道以不同环空返速从钻柱2的顶口向下流入，液体穿过钻柱2的底口在环形通道4内以不同速度向上反流；
2）不同速度反流冲击岩屑5，岩屑5所承受冲击力的变化使不锈钢丝绳16发生拉力形变，不锈钢丝绳16发生形变使不锈钢条11上贴附的四块应变片15也随之相应产生机械形变；
3）四块应变片15将数据通过导线传给应变仪13的采集模块131，A/D转化模块132将四块应变片15的不同形变量转化为数字信号，数字信号再通过数据传输线传送给计算机14；
4）计算机14通过其内设置的应变分析模块141记录分析实验数据，进而得到岩屑5受力，以及随环空返速下引起岩屑5受力不同的变化规律。
实施例3：
本实施例是对模拟在岩屑5在不同钻井液体系下，岩屑5在环形通道4内受力响应特征和变化规律的描述。
本实施例的装置与实施例1的装置相同，只是将钻井液循环罐7内的钻井液体改变。
通过上述实验装置进行的单个岩屑模拟在不同钻井液体系下受力分析实验过程，其方法包括以下步骤：
1）启动钻井液灌注泵8，使钻井液循环罐7内以不同钻井液体分别通过管道从钻柱2的顶口向下流入，不同钻井液体分别穿过钻柱2的底口在环形通道4内向上反流；
2）不同钻井液体反流冲击岩屑5，岩屑5所承受的不同液体的冲击力的变化使不锈钢丝绳16发生拉力的形变，不锈钢丝绳16发生形变使不锈钢条11上贴附的四块应变片15也随不同钻井液体相应产生机械形变；
3）四块应变片15将数据通过导线传给应变仪13的采集模块131，A/D转化模块132将四块应变片15的不同形变量转化为数字信号，数字信号再通过数据传输线传送给计算机14；
4）计算机14通过其内设置的应变分析模块141记录分析实验数据，进而得到岩屑5受力，以及随钻井液液体改变引起岩屑5受力的变化规律。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (6)
1.一种单个岩屑受力分析实验装置，其特征在于：它包括一底部封闭的隔水管段，所述隔水管段的顶部中心套设有一钻柱，所述钻柱下端安装有一钻头；所述隔水管段与钻柱之间形成一环形通道；所述隔水管段的顶部一侧安装有一用于更换岩屑的密封阀门，所述隔水管段另一侧管壁的上部通过管道连接一钻井液循环罐，所述钻井液循环罐通过管道连接一钻井液灌注泵，所述钻井液灌注泵的通过管道连通所述钻柱的顶口；所述环形通道中设置有一用于测量的密封箱，所述密封箱的顶部设置有一密封孔和保护罩，所述密封孔内注入有密封液，所述密封孔内穿设有一不锈钢条，所述不锈钢条的底部安装有一个滑动密封圈，所述密封箱侧壁与所述隔水管段之间固定连接有一线管；
所述隔水管段外面设置有一应变仪和一计算机，所述应变仪内设置有一数据采集模块和一A/D转化模块，置于所述密封箱内的所述不锈钢条上贴附有作为全桥应变片的四块应变片，每一所述应变片分别通过导线、且穿出所述线管连接所述应变仪的数据采集模块，所述A/D转化模块将四块所述应变片的形变量转化为数字信号并通过数据传输线输送给所述计算机，所述计算机通过其内设置的应变分析模块记录分析实验数据，并显示实验结果。
2.如权利要求1所述的一种单个岩屑受力分析实验装置，其特征在于：所述隔水管段的长度为5米，所述钻柱的长度为4.5米。
3.如权利要求1所述的一种单个岩屑受力分析实验装置，其特征在于：所述密封箱内插入有4/5的所述不锈钢条，所述不锈钢条的顶部在所述保护罩内连接所述一不锈钢丝绳，所述不锈钢丝绳的另一端穿出所述保护罩连接岩屑。
4.如权利要求1所述的一种单个岩屑受力分析实验装置，其特征在于：所述全桥应变片的四块应变片均采用敏感栅电阻加工制作。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种单个岩屑受力分析实验装置，其特征在于：所述应变仪读出的应变值与真实值的关系为：εds二4εp，将所述岩屑受到的总力放大四倍。
6.如权利要求1～5任一项所述装置进行的单个岩屑受力分析实验方法，其包括以下步骤：
1）将钻柱带着钻头一同插入底部封闭的隔水管段中，并与隔水管段顶部固定密封，形成一环形通道，在隔水管段与钻柱之间的顶部设置有密封阀门，隔水管段另一侧管壁的上部通过管道依次连接钻井液循环罐和钻井液灌注泵，并通过管道连接钻柱的顶口；在环形通道中设置密封箱，密封箱的顶部设置有密封孔和保护罩，密封孔内注入有密封液，密封孔内穿设有的不锈钢条，不锈钢条的底部安装有一个滑动密封圈，在保护罩内不锈钢条的顶部连接不锈钢丝绳，不锈钢丝绳另一端穿出保护罩连接岩屑；密封箱侧壁与隔水管段之间固定连接有线管；隔水管外面设置有应变仪和计算机，置于密封箱内的不锈钢条上贴附有全桥应变片的四块应变片，每一应变片分别通过导线、且穿出线管连接应变仪，应变仪通过传输线连接计算机；
2）启动钻井液灌注泵，使钻井液循环罐内的液体通过管道从钻柱的顶口向下流入，液体穿过钻柱的底口在环形通道内向上反流；
3）液体的反流冲击岩屑，使岩屑向上浮动，进而拉动不锈钢丝绳发生拉力形变，不锈钢丝绳发生形变使不锈钢条及贴附在其上的四块应变片也随之密封箱内相应产生机械形变；
4）四块应变片将数据通过导线传给应变仪的采集模块，A/D转化模块将采集模块采集的四块应变片的不同形变量转化为数字信号，数字信号再通过数据传输线输送给计算机；
5）计算机通过其内设置的应变分析模块记录分析实验数据，并显示实验结果。
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| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 100010 Beijing, Chaoyangmen, North Street, No. 25, No. Co-patentee after: CNOOC research institute limited liability company Patentee after: China Offshore Oil Group Co., Ltd. Co-patentee after: China Petroleum University (East China) Address before: 100010 Beijing, Chaoyangmen, North Street, No. 25, No. Co-patentee before: CNOOC Research Institute Patentee before: China National Offshore Oil Corporation Co-patentee before: China Petroleum University (East China) |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20191210 Address after: 100010 Beijing, Chaoyangmen, North Street, No. 25, No. Co-patentee after: CNOOC research institute limited liability company Patentee after: China Offshore Oil Group Co., Ltd. Address before: 100010 Beijing, Chaoyangmen, North Street, No. 25, No. Co-patentee before: CNOOC research institute limited liability company Patentee before: China Offshore Oil Group Co., Ltd. Co-patentee before: China University of Petroleum (East China) |