CN103759920B - 一种钻探用水动力学过程研究实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻探用水动力学过程研究实验装置，该装置至少包括实验壳体、缓冲装置、入口管、入口开关、入口压力表、缓冲压力表、载流电缆、出口管、出口压力表、出口开关、出口流量计、可拆卸模拟装置、多道示波器、多用测量仪表和绝热支架；可拆卸模拟装置、多道示波器、多用测量仪表均安装在实验壳体内，可拆卸模拟装置内部安装有多个传感器，实验壳体一侧的法兰盘上固定有载流电缆，载流电缆穿过法兰盘与传感器连接后再与多用测量仪表和多道示波器相连。本发明装置研究钻探过程中冲洗液在各种不同物理条件下发生的水动力学过程和作用，通过不同形状喷嘴和流道之后的测试结果可用于指导钻头水力参数计算和水力结构设计。

Description

一种钻探用水动力学过程研究实验装置

技术领域

本发明涉及钻探过程中冲洗液水动力学特性研究领域，具体涉及一种钻探用水动力学过程研究实验装置，研究钻头处或钻孔内冲洗液在各种不同物理条件下发生的水动力学特性和作用。

背景技术

在钻井过程中，冲洗液的的两个基本功能即清除岩屑和冷却钻头。如果排屑速率过低，冷却作用不足，不但会引起钻头泥包和重复破碎，造成机械钻速急剧下降，而且还会造成钻头切削齿在井底高温环境中快速磨损失效，从而严重影响钻头的使用寿命。因此，钻井过程中冲洗液的水力因素对钻头的使用效果非常重要。

关于钻头水力学的研究目前可归纳为两个大的方面：一是钻头水力参数研究，一是钻头井底流场和水力结构研究。钻头水力参数研究主要包括使用过程中为提高钻速和延长钻头使用寿命所应采取的水力控制参数和措施，如排量、泵量、喷嘴直径、钻头水功率和钻头冲击力等。钻头井底流场和水力结构研究主要是钻头设计者在研究液流在井底的流动规律以及液流的清岩和冷却机理的基础上，为使井底液流和水力能量分布达到最优效果，而在钻头设计时所应采取的结构形式，如喷嘴尺寸、形状、安放位置、倾角，以及钻头流道形状和布置等。

由于钻头结构复杂多样，只要钻头结构稍有变化，其流场结构就相应发生变化，这也是近期关于钻头水力结构研究都倾向于采用数值模拟方法的原因。目前关于钻头水力参数、钻头井底流场和水力结构的研究中，都是针对某种具体结构的钻头进行的，并没有找出这些钻头的共同之处和给出普遍的规律。除此之外，现有的文献都没有关注冲洗液温度对钻头钻井过程中水力参数的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有钻头水力参数研究、钻头井底流场和水力结构研究中尚未得出共同之处和给出普遍规律的现状，提供一种钻探用水动力学过程研究实验装置，装置测试结果用于指导钻头水力参数计算和水力结构设计。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种钻探用水动力学过程研究实验装置，该装置至少包括实验壳体、缓冲装置、入口管、入口开关、入口压力表、缓冲压力表、载流电缆、出口管、出口压力表、出口开关、出口流量计、可拆卸模拟装置、多道示波器、多用测量仪表和绝热支架；所述实验壳体安装在绝热支架上（用于保证冲洗液在-150℃～150℃条件下的正常实验）、实验壳体两端由法兰盘密封；所述入口管与缓冲装置连接后再与实验壳体的一端相连，入口开关、入口压力表均安装在入口管上，缓冲压力表安装在缓冲装置上，入口压力表、缓冲压力表用于测量冲洗液流入实验壳体前的压力（流动状态）；所述出口管设置于实验壳体的另一端，出口压力表、出口开关、出口流量计均安装在出口管上，出口压力表、出口流量计用于测量冲洗液经过实验壳体后的压力（流动特性）；所述可拆卸模拟装置、多道示波器、多用测量仪表均安装在实验壳体内，可拆卸模拟装置内部安装有多个传感器，实验壳体一侧的法兰盘上固定有载流电缆，载流电缆穿过法兰盘与传感器连接后再与多用测量仪表和多道示波器相连。

按上述方案，所述可拆卸模拟装置可拆卸地安装在实验壳体内。

按上述方案，所述可拆卸模拟装置根据钻头水力结构和流场特征设定实验过程中所需要的不同的流道，用于模拟设定冲洗液在不同喷嘴形状和流道条件下的流场几何尺寸与水力学运动过程特征，然后测量实验时冲洗液的电阻来表征冲洗液的水动力运动过程和作用。

按上述方案，所述传感器安装于同一种流道的不同位置，用于测试在某一设定的冲洗液入口参数条件下，不同流场区域内的冲洗液的流速、流量和冲击力等水力学参数变化规律。

本发明的工作原理是：实验条件下，具有一定物理性能的冲洗液通过入口管、入口开关流入缓冲装置、经缓冲装置进入实验壳体，继而向实验壳体内部的可拆卸模拟装置供给冲洗液；当可拆卸模拟装置内被冲洗液填充后，冲洗液在模拟装置工作区域内流动时，与传感器接触，冲洗液作为导电介质将包含载流电缆、传感器、多用测量仪表和多道示波器的电路连通，并对水力学特性进行测试分析、指示出此时的电阻，并把数据传送到多道示波器上。最后，实验壳体内的冲洗液通过工作区域后再从出口管流出。

冲洗液温度及其相关性能参数可以根据钻井现场参数使用范围进行设定，经调配好以后再在代表不同喷嘴形状和流道条件的实验装置上进行试验。实验过程所需要的冲洗液流速、流量和压力通过进口开关和出口开关进行调节，并入口管上的入口压力表、缓冲装置上的缓冲压力表、出口管上的出口压力表与出口流量计进行准确控制；通过对多用测量仪表、多道示波器对测试数据进行对比分析，即可研究不同参数条件下冲洗液的水动力学特性。

本发明具有以下有益效果：利用该装置可以研究钻探过程中冲洗液在各种不同温度条件下发生的水动力学过程和作用，通过不同形状喷嘴和流道之后的测试结果可用于指导钻头水力参数计算和水力结构设计。

附图说明

图1是本发明钻探用水动力学过程研究实验装置结构示意图；

图2是本发明可拆卸模拟装置及其接线示意图；

图3是本发明冲洗液水动力学过程研究用实验装置的剖面示意图；

图中：1-实验壳体，2-缓冲装置，3-入口管，4-入口开关，5-入口压力表，6-缓冲压力表，7-法兰盘，8-载流电缆，9-法兰盘，10-出口管，11-出口压力表，12-出口开关，13-出口流量计，14-可拆卸模拟装置，15-多道示波器，16-多用测量仪表，17-绝热支架，18-传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图3所示，本发明所述的钻探用水动力学过程研究实验装置，该装置至少包括实验壳体1、缓冲装置2、入口管3、入口开关4、入口压力表5、缓冲压力表6、载流电缆8、出口管10、出口压力表11、出口开关12、出口流量计13、可拆卸模拟装置14、多道示波器15、多用测量仪表16和绝热支架17；所述实验壳体1安装在绝热支架17上（用于保证冲洗液在-150℃～150℃条件下的正常实验）、实验壳体1两端由法兰盘7和9密封；所述入口管3与缓冲装置2连接后再与实验壳体1的一端相连，入口开关4、入口压力表5均安装在入口管3上，缓冲压力表6安装在缓冲装置2上，入口压力表5、缓冲压力表6用于测量冲洗液流入实验壳体1前的压力（流动状态）；所述出口管10设置于实验壳体1的另一端，出口压力表11、出口开关12、出口流量计13均安装在出口管10上，出口压力表11、出口流量计13用于测量冲洗液经过实验壳体1后的压力（流动特性）；所述可拆卸模拟装置14、多道示波器15、多用测量仪表16均安装在实验壳体1内，可拆卸模拟装置14内部安装有多个传感器18，实验壳体1一侧的法兰盘7上固定有载流电缆8，载流电缆8穿过法兰盘7与传感器18连接后再与多用测量仪表16和多道示波器15相连（如图2所示）。

所述可拆卸模拟装置14可拆卸地安装在实验壳体1内。

所述可拆卸模拟装置14根据钻头水力结构和流场特征设定实验过程中所需要的不同的流道，用于模拟设定冲洗液在不同喷嘴形状和流道条件下的流场几何尺寸与水力学运动过程特征，然后测量实验时冲洗液的电阻来表征冲洗液的水动力运动过程和作用。所述不同的流道是指由于每个钻头结构不同，钻头的唇面（与岩石接触的底面）有各种各样的结构，因此当冲洗液到达井底，通过钻头水口上返地面，冲洗液液流所经过的流动路径不同。

所述传感器18安装于同一种流道的不同位置，用于测试在某一设定的冲洗液入口参数条件下，不同流场区域内的冲洗液的流速、流量和冲击力等水力学参数变化规律。

本发明装置实验条件下，具有一定物理性能的冲洗液通过入口管3、入口开关4流入缓冲装置2、经缓冲装置2进入实验壳体1，继而向实验壳体1内部的可拆卸模拟装置14供给冲洗液；当可拆卸模拟装置14内被冲洗液填充后，冲洗液在模拟装置14工作区域内流动时，与传感器18接触，冲洗液作为导电介质将包含载流电缆8、传感器18、多用测量仪表16和多道示波器15的电路连通，并对水力学特性进行测试分析、指示出此时的电阻，并把数据传送到多道示波器15上。最后，实验壳体1内的冲洗液通过工作区域后再从出口管10流出。

冲洗液温度及其相关性能参数可以根据钻井现场参数使用范围进行设定，经调配好以后再在代表不同喷嘴形状和流道条件的实验装置上进行试验。实验过程所需要的冲洗液流速、流量和压力通过进口开关4和出口开关12进行调节，并入口管3上的入口压力表5、缓冲装置2上的缓冲压力表6、出口管10上的出口压力表11与出口流量计13进行准确控制；通过对多用测量仪表16、多道示波器15对测试数据进行对比分析，即可研究不同参数条件下冲洗液的水动力学特性。实验壳体1安装在绝热支架17上，可以保证冲洗液在-150℃～150℃条件下的正常实验。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种钻探用水动力学过程研究实验装置，其特征在于：该装置至少包括实验壳体、缓冲装置、入口管、入口开关、入口压力表、缓冲压力表、载流电缆、出口管、出口压力表、出口开关、出口流量计、可拆卸模拟装置、多道示波器、多用测量仪表和绝热支架；所述实验壳体安装在绝热支架上、实验壳体两端由法兰盘密封；所述入口管与缓冲装置连接后再与实验壳体的一端相连，入口开关、入口压力表均安装在入口管上，缓冲压力表安装在缓冲装置上，入口压力表、缓冲压力表用于测量冲洗液流入实验壳体前的压力；所述出口管设置于实验壳体的另一端，出口压力表、出口开关、出口流量计均安装在出口管上，出口压力表、出口流量计用于测量冲洗液经过实验壳体后的压力；所述可拆卸模拟装置、多道示波器、多用测量仪表均安装在实验壳体内，可拆卸模拟装置内部安装有多个传感器，实验壳体一侧的法兰盘上固定有载流电缆，载流电缆穿过法兰盘与传感器连接后再与多用测量仪表和多道示波器相连；所述可拆卸模拟装置根据钻头水力结构和流场特征设定实验过程中所需要的不同的流道，用于模拟设定冲洗液在不同喷嘴形状和流道条件下的流场几何尺寸与水力学运动过程特征，然后测量实验时冲洗液的电阻来表征冲洗液的水动力运动过程和作用。

2.根据权利要求1所述的钻探用水动力学过程研究实验装置，其特征在于：所述可拆卸模拟装置可拆卸地安装在实验壳体内。

3.根据权利要求1所述的钻探用水动力学过程研究实验装置，其特征在于：所述传感器安装于同一种流道的不同位置，用于测试在某一设定的冲洗液入口参数条件下，不同流场区域内的冲洗液的流速、流量和冲击力的变化规律。