CN105041302B - 一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法和装置，包括以下步骤：1)设置深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验装置；2)向实验装置中注入清水进行搅动；3)将清水排出，用空压机将水分吹干；4)用泥浆搅拌桶配置所需泥浆；5)将泥浆注入铁质循环管；6)使用真空泵将铁质循环管中的空气抽出；7)打开高压循环泥浆泵，为铁质循环管中的泥浆流动提供动力模拟非气侵状态下泥浆在管道中的流动情况；8)向铁质循环管中注入气体，模拟气侵状态下泥浆在管道中的流动情况；9)实验结束后，将泥浆中的气体在释放罐中析出，泥浆进入泥浆搅拌桶进行回收；10)执行步骤2)和3)，清洗实验装置。本发明可广泛应用于泥浆循环模拟实验中。

Description

一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法和装置

技术领域

本发明涉及一种泥浆循环模拟实验方法和装置，特别是关于一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法和装置。

背景技术

气侵即海底开采出的气体侵入钻井液后，在井底受海底压力，气体体积很小，但随着钻井液循环上返，气体上升速度越来越大，气体体积逐渐膨胀增大，特别是当气体接近海平面时膨胀速度极为惊人，如果未及时发现就会造成井喷等严重危害。因此气侵的早期在线监测是海洋深水钻井的一个极其重要的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可以更深入的研究和了解气侵发生时泥浆流动情况的深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法和装置，对研究高效稳定的气侵检测方法具有非常重要的作用。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法，包括以下步骤：

1)设置深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验装置，包括设置有透明可视有机玻璃段的铁质循环管、第一压力传感器、第一温度传感器、高压循环泥浆泵、泥浆搅拌桶、电机、计量泵、释放罐、真空泵、空压机、清水管、高压气瓶、第二压力传感器、第二温度传感器、恒压阀、超声波传感器、泥线处溢流监测装置样机和主计算机；

2)使用清水管分别向铁质循环管、泥浆搅拌桶、计量泵和释放罐中注入清水，当清水注满后，低功率运行高压循环泥浆泵和电机，对注入实验装置中的清水进行搅动；

3)将清水排出实验装置外，打开空压机，向实验装置中吹入高速气体，将残留的水分排出并将实验装置吹干；

4)根据所需泥浆浓度计算配置泥浆的各材料组分用量，并将各材料组分加入泥浆搅拌桶，开启电机，对泥浆进行搅拌，获得所需泥浆；

5)将步骤4)中配置好的泥浆通过计量泵注入铁质循环管，当泥浆水位高度溢过透明可视有机玻璃段时，停止泥浆注入；

6)使用真空泵将铁质循环管中的空气抽出；继续向铁质循环管注入泥浆，通过铁质循环管上的第一压力传感器观察铁质循环管中的压力，当压力达到预定值时，停止注入泥浆；

7)打开高压循环泥浆泵，为铁质循环管中的泥浆流动提供动力，并通过调节高压循环泥浆泵的变频器档位，使铁质循环管中的泥浆流动速度稳定到预定的泥浆流动速度，模拟非气侵状态下深海钻井过程中，泥浆在管道中的流动情况；

8)使用高压气瓶向铁质循环管中注入气体，模拟气侵状态下深海钻井过程中，泥浆在管道中的流动情况；

9)泥浆循环模拟实验结束后，将铁质循环管中的泥浆流入释放罐中，其中，泥浆中的气体在释放罐中析出，并通过恒压阀的控制排出实验装置外；释放罐中的泥浆重新进入泥浆搅拌桶进行回收；

10)执行步骤2)和步骤3)，对实验装置进行清洗。

所述步骤4)中，对泥浆搅拌桶中的泥浆浓度进行测量，并针对测量结果重新计算需另外添加的材料组分用量，将其再次加入泥浆搅拌桶继续搅拌，直至泥浆浓度达到预定要求。

所述步骤6)中，若铁质循环管中的压力高于预定压力值时，将铁质循环管中的部分泥浆流入释放罐中，降低铁质循环管中的压力。

所述步骤6)中，使用真空泵将铁质循环管中的空气抽出，使铁质循环管内非泥浆段达到99％以上的真空度。

所述步骤7)中，利用超声波传感器获得此时铁质循环管中泥浆运动状态的信号，并将该信号传递给泥线处溢流监测装置样机，通过泥线处溢流监测装置样机显示在主计算机的显示屏上。

所述步骤8)中，使用高压气瓶向铁质循环管中注入气体，模拟气侵状态下深海钻井过程中，泥浆在管道中的流动情况；具体包括以下步骤：

(1)通过第一压力传感器和第一温度传感器分别获得铁质循环管内的泥浆压力及泥浆温度，通过第二压力传感器和第二温度传感器分别获得注入前气体压力和气体温度；

(2)在确认气体压力大于泥浆压力的前提下，调节位于高压气瓶和铁质循环管之间管道上的恒压阀，使恒压阀的值大于泥浆压力，将高压气瓶中的气体注入向铁质循环管中；

(3)根据理想气体状态方程PV＝nRT计算气体的注入量，其中P为理想气体的压强，V为理想气体的体积，n为理想气体物质的量，T为理想气体的热力学温度，R为理想气体常数，当气体的注入量达到预定量时，停止注入气体；

(4)利用超声波传感器获得此时铁质循环管中泥浆运动状态的信号，并将该信号传递给泥线处溢流监测装置样机，通过泥线处溢流监测装置样机显示在主计算机的显示屏上。

一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法的实验装置，其特征在于：它包括主体循环装置、钻井液注入与回收结构、注气结构和监测结构；

所述主体循环装置包括铁质循环管、透明可视有机玻璃段、第一压力传感器、第一温度传感器和高压循环泥浆泵；所述铁质循环管采用闭环结构，且将所述铁质循环管的一侧下端设置有所述透明可视有机玻璃段，所述铁质循环管的另一侧连接有所述高压循环泥浆泵，在所述铁质循环管的底部管道上设置有所述第一压力传感器和所述第一温度传感器；所述钻井液注入与回收结构包括泥浆搅拌桶、电机、计量泵和释放罐；所述泥浆搅拌桶连接所述电机，所述泥浆搅拌桶的泥浆出口通过所述管道连接计量泵的入口，所述计量泵的出口通过管道连接位于所述铁质循环管底部的泥浆出入口；所述释放罐的泥浆入口通过三通阀与所述铁质循环管的泥浆出入口和所述计量泵出口连通，所述释放罐的泥浆出口通过管道连接所述泥浆搅拌桶的泥浆进口；

所述注气结构包括若干高压气瓶、第二压力传感器、第二温度传感器和两恒压阀；所述若干高压气瓶并联后通过管道连接一所述恒压阀的入口，该所述恒压阀的出口通过管道连接位于所述铁质循环管底部的进气口，另一所述恒压阀的进口通过管道连接所述释放罐的出气口；

所述监测结构包括超声波传感器、泥线处溢流监测装置样机和主计算机；所述超声波传感器设置在所述铁质循环管上设置有所述透明可视有机玻璃段的一侧，且位于所述透明可视有机玻璃段上方；所述超声波传感器连接所述泥线处溢流监测装置样机，所述泥线处溢流监测装置样机连接所述计算机。

所述深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验装置还包括清洗结构，所述清洗结构包括一真空泵、两空压机和三带有控制阀门的清水管；所述真空泵和一所述空压机通过管道均连接至位于所述铁质循环管顶部的进出气口；一所述清水管位于所述铁质循环管顶部，与所述铁质循环管连通，一所述清水管与所述泥浆搅拌桶和所述计量泵连通，另一所述清水管和另一所述空压机均连接至所述释放罐的清洗进口。

在所述铁质循环管顶部设置有排气口，所述排气口连接带有控制阀门的排气管。

在所述铁质循环管底部、所述泥浆搅拌桶底部和所述释放罐底部均设置有带有控制阀门的排污管。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用高压循环泥浆泵对铁质循环管中的泥浆进行加压，并通过压力传感器和温度传感器实时地对泥浆压力进行监测，可通过调节高压泥浆泵的功率随时对泥浆压力进行调整，从而监测不同压力下泥浆的流动情况。2、本发明由于采用真空泵将铁质循环管中非泥浆段的空气抽出，确保其可达到99％的真空度，从而模拟非气侵状态下深海钻井过程中，正常高压泥浆在管道中的流动情况。3、本发明由于采用高压气瓶结合恒压阀的方式将气体注入泥浆中，从而实现对气体侵入钻井液情况的模拟，进而更深入的研究和了解气侵发生时泥浆流动情况。4、本发明由于采用封闭式的释放罐将带有高压气体的泥浆长时间静置后泥浆中的溶解气能够充分的析出，并通过恒压阀进行泄压与气体的释放，从而保证了泥浆、气体释放过程的安全性。5、本发明由于采用将释放罐和泥浆搅拌桶连接，从而将泥浆直接导回泥浆搅拌桶进行重新配置，进而实现了泥浆重复利用，减少物料的损失。6、本发明由于采用清水对实验装置进行清洗，有效地清除实验装置中的残留物，并采用高压空气将清水不能有效排出的一些细小依附物吹出，同时还能清除残留在其中的水气，减少长时间不用时水气对设备及管道的腐蚀，保证实验装置的有效工作状态。综上所述，本发明可以广泛应用于泥浆循环模拟实验中。

附图说明

图1是本发明中深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验装置的整体结构示意图

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。

本发明提供一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，设置深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验装置，包括设置有透明可视有机玻璃段12的铁质循环管11、第一压力传感器13、第一温度传感器14、高压循环泥浆泵15、泥浆搅拌桶21、电机22、计量泵23、释放罐24、真空泵31、空压机32、清水管33、高压气瓶41、第二压力传感器42、第二温度传感器43、恒压阀44、超声波传感器51、泥线处溢流监测装置样机52和主计算机53。

2)使用清水管33分别向铁质循环管11、泥浆搅拌桶21、计量泵23和释放罐24中注入清水，当清水注满后低功率运行高压循环泥浆泵15和电机22，对注入实验装置中的清水进行充分的搅动。

3)将清水排出实验装置外，打开空压机32，向实验装置中吹入高速气体，将残留的水分排出并将实验装置吹干。

4)根据所需泥浆浓度计算配置泥浆的各材料组分用量，并将各材料组分加入泥浆搅拌桶21，开启电机22，对泥浆进行搅拌，获得所需泥浆。

在此过程中，测量泥浆搅拌桶21中的泥浆浓度，并针对测量结果重新计算需另外添加的材料组分用量，将其再次加入泥浆搅拌桶21继续搅拌，直至泥浆浓度达到预定要求。

5)将步骤4)中配置好的泥浆通过计量泵24注入铁质循环管11，当泥浆水位高度溢过透明可视有机玻璃段12时，停止泥浆注入。

6)使用真空泵31将铁质循环管11中的空气抽出。继续向铁质循环管11注入泥浆，通过铁质循环管11上的第一压力传感器13观察铁质循环管11中的压力，当压力达到预定值时，停止注入泥浆；若铁质循环管11中的压力高于预定压力值时，将铁质循环管11中的部分泥浆流入释放罐24中，降低铁质循环管11中的压力。

其中，使用真空泵31将铁质循环管11中的空气抽出，使铁质循环管11内非泥浆段达到99％以上的真空度。

7)打开高压循环泥浆泵15，为铁质循环管11中的泥浆流动提供动力，并通过调节高压循环泥浆泵15的变频器档位，使铁质循环管11中的泥浆速度稳定到预定的泥浆速度。此时，可模拟非气侵状态下深海钻井过程中，正常高压泥浆在管道中的流动情况。

利用超声波传感器51获得此时铁质循环管11中泥浆运动状态的信号，并将该信号传递给泥线处溢流监测装置样机52，通过泥线处溢流监测装置样机52显示在主计算机53的显示屏上。

8)使用高压气瓶41向铁质循环管11中注入气体，模拟气侵状态下深海钻井过程中，泥浆在管道中的流动情况。具体包括以下步骤：

(1)通过第一压力传感器13和第一温度传感器14分别获得铁质循环管11内的泥浆压力Pl及泥浆温度Tl，通过第二压力传感器42和第二温度传感器43分别获得注入前气体压力Pg和气体温度Tg。

(2)在确认气体压力Pg>泥浆压力Pl的前提下，调节位于高压气瓶41和铁质循环管11之间管道上的恒压阀44，使恒压阀44的值大于泥浆压力Pl，将高压气瓶41中的气体注入向铁质循环管11中。

(3)根据理想气体状态方程PV＝nRT计算气体的注入量，其中P为理想气体的压强，V为理想气体的体积，n为理想气体物质的量，T为理想气体的热力学温度，R为理想气体常数，当气体的注入量达到预定量时，停止注入气体。

(4)利用超声波传感器51获得此时铁质循环管11中泥浆运动状态的信号，并将该信号传递给泥线处溢流监测装置样机52，通过泥线处溢流监测装置样机52显示在主计算机53的显示屏上。

9)当泥浆循环模拟实验结束后，将铁质循环管11中的泥浆流入释放罐24中，其中，泥浆中的气体在释放罐24中析出，并通过恒压阀44的控制排出实验装置外，释放罐24中的泥浆重新进入泥浆搅拌桶21进行回收。

10)执行步骤2)和步骤3)，对实验装置进行清洗。

本发明还提供一种用于实现上述深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法的实验装置，如图1所示，其包括主体循环装置1、钻井液注入与回收结构2、清洗结构3、注气结构4和监测结构5。

主体循环装置1包括铁质循环管11、透明可视有机玻璃段12、第一压力传感器13、第一温度传感器14和高压循环泥浆泵15。铁质循环管11采用一完全封闭的闭环结构，且将铁质循环管11的一侧下端设置有透明可视有机玻璃段12，铁质循环管11的另一侧连接有高压循环泥浆泵15。在铁质循环管11的底部管道上设置有第一压力传感器13和第一温度传感器14。

钻井液注入与回收结构2包括泥浆搅拌桶21、电机22、计量泵23和释放罐24。泥浆搅拌桶21连接电机22，泥浆搅拌桶21的泥浆出口通过管道连接计量泵23的入口，计量泵23的出口通过管道连接位于铁质循环管11底部的泥浆出入口，完成钻井液的注入。释放罐24的泥浆入口通过三通阀与铁质循环管11的泥浆出入口和计量泵23出口连通，释放罐24的泥浆出口通过管道连接泥浆搅拌桶21的泥浆进口，完成钻井液的回收。

清洗结构3包括一真空泵31、两空压机32和三带有控制阀门6的清水管33。真空泵31和一空压机32通过管道均连接至位于铁质循环管11顶部的进出气口。一清水管33位于铁质循环管11顶部，与铁质循环管11连通，一清水管33与泥浆搅拌桶21和计量泵23连通，另一清水管33和另一空压机32(图中未标出)均连接至释放罐24的清洗进口。

注气结构4包括若干高压气瓶41、第二压力传感器42、第二温度传感器43和两恒压阀44。若干高压气瓶41并联后通过管道连接一恒压阀44的入口，该恒压阀44的出口通过管道连接位于铁质循环管11底部的进气口，另一恒压阀44的进口通过管道连接释放罐24的出气口，控制释放罐24内产生气体的排出。

监测结构5包括超声波传感器51、泥线处溢流监测装置样机52和主计算机53。超声波传感器51设置在铁质循环管11上设置有透明可视有机玻璃段12的一侧，且位于透明可视有机玻璃段12上方。超声波传感器51连接泥线处溢流监测装置样机52，泥线处溢流监测装置样机52连接计算机53，超声波传感器51将接收到的铁质循环管11中泥浆运动状态的信号传递给泥线处溢流监测装置样机52，通过泥线处溢流监测装置样机52显示在主计算机53的显示屏上。

上述实施例中，在铁质循环管11顶部设置有排气口，排气口连接带有控制阀门6的排气管7。

上述实施例中，在铁质循环管11底部、泥浆搅拌桶21底部和释放罐24底部均设置有带有控制阀门6的排污管8。

上述实施例中，各个管道上均设置有控制阀门6。

上述实施例中，高压循环泥浆泵15采用可调速电机带动叶轮推动泥浆循环的方式。

上述实施例中，释放罐24采用封闭式设置。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺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 (10)

1.一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法，包括以下步骤：

1)设置深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验装置，包括设置有透明可视有机玻璃段的铁质循环管、第一压力传感器、第一温度传感器、高压循环泥浆泵、泥浆搅拌桶、电机、计量泵、释放罐、真空泵、空压机、清水管、高压气瓶、第二压力传感器、第二温度传感器、恒压阀、超声波传感器、泥线处溢流监测装置样机和主计算机；

2)使用清水管分别向铁质循环管、泥浆搅拌桶、计量泵和释放罐中注入清水，当清水注满后，低功率运行高压循环泥浆泵和电机，对注入实验装置中的清水进行搅动；

3)将清水排出实验装置外，打开空压机，向实验装置中吹入高速气体，将残留的水分排出并将实验装置吹干；

4)根据所需泥浆浓度计算配置泥浆的各材料组分用量，并将各材料组分加入泥浆搅拌桶，开启电机，对泥浆进行搅拌，获得所需泥浆；

5)将步骤4)中配置好的泥浆通过计量泵注入铁质循环管，当泥浆水位高度溢过透明可视有机玻璃段时，停止泥浆注入；

6)使用真空泵将铁质循环管中的空气抽出；继续向铁质循环管注入泥浆，通过铁质循环管上的第一压力传感器观察铁质循环管中的压力，当压力达到预定值时，停止注入泥浆；

7)打开高压循环泥浆泵，为铁质循环管中的泥浆流动提供动力，并通过调节高压循环泥浆泵的变频器档位，使铁质循环管中的泥浆流动速度稳定到预定的泥浆流动速度，模拟非气侵状态下深海钻井过程中，泥浆在管道中的流动情况；

8)使用高压气瓶向铁质循环管中注入气体，模拟气侵状态下深海钻井过程中，泥浆在管道中的流动情况；

9)泥浆循环模拟实验结束后，将铁质循环管中的泥浆流入释放罐中，其中，泥浆中的气体在释放罐中析出，并通过恒压阀的控制排出实验装置外；释放罐中的泥浆重新进入泥浆搅拌桶进行回收；

10)执行步骤2)和步骤3)，对实验装置进行清洗。

2.如权利要求1所述的一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法，其特征在于：所述步骤4)中，对泥浆搅拌桶中的泥浆浓度进行测量，并针对测量结果重新计算需另外添加的材料组分用量，将其再次加入泥浆搅拌桶继续搅拌，直至泥浆浓度达到预定要求。

3.如权利要求1所述的一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法，其特征在于：所述步骤6)中，若铁质循环管中的压力高于预定压力值时，将铁质循环管中的部分泥浆流入释放罐中，降低铁质循环管中的压力。

4.如权利要求1所述的一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法，其特征在于：所述步骤6)中，使用真空泵将铁质循环管中的空气抽出，使铁质循环管内非泥浆段达到99％以上的真空度。

5.如权利要求1所述的一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法，其特征在于：所述步骤7)中，利用超声波传感器获得此时铁质循环管中泥浆运动状态的信号，并将该信号传递给泥线处溢流监测装置样机，通过泥线处溢流监测装置样机显示在主计算机的显示屏上。

6.如权利要求1所述的一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法，其特征在于：所述步骤8)中，使用高压气瓶向铁质循环管中注入气体，模拟气侵状态下深海钻井过程中，泥浆在管道中的流动情况；具体包括以下步骤：

(1)通过第一压力传感器和第一温度传感器分别获得铁质循环管内的泥浆压力及泥浆温度，通过第二压力传感器和第二温度传感器分别获得注入前气体压力和气体温度；

(2)在确认气体压力大于泥浆压力的前提下，调节位于高压气瓶和铁质循环管之间管道上的恒压阀，使恒压阀的值大于泥浆压力，将高压气瓶中的气体注入向铁质循环管中；

(3)根据理想气体状态方程PV＝nRT计算气体的注入量，其中P为理想气体的压强，V为理想气体的体积，n为理想气体物质的量，T为理想气体的热力学温度，R为理想气体常数，当气体的注入量达到预定量时，停止注入气体；

(4)利用超声波传感器获得此时铁质循环管中泥浆运动状态的信号，并将该信号传递给泥线处溢流监测装置样机，通过泥线处溢流监测装置样机显示在主计算机的显示屏上。

7.一种执行如权利要求1～6任一项所述的一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验方法的实验装置，其特征在于：它包括主体循环装置、钻井液注入与回收结构、注气结构和监测结构；

所述主体循环装置包括铁质循环管、透明可视有机玻璃段、第一压力传感器、第一温度传感器和高压循环泥浆泵；所述铁质循环管采用闭环结构，且将所述铁质循环管的一侧下端设置有所述透明可视有机玻璃段，所述铁质循环管的另一侧连接有所述高压循环泥浆泵，在所述铁质循环管的底部管道上设置有所述第一压力传感器和所述第一温度传感器；所述钻井液注入与回收结构包括泥浆搅拌桶、电机、计量泵和释放罐；所述泥浆搅拌桶连接所述电机，所述泥浆搅拌桶的泥浆出口通过所述管道连接计量泵的入口，所述计量泵的出口通过管道连接位于所述铁质循环管底部的泥浆出入口；所述释放罐的泥浆入口通过三通阀与所述铁质循环管的泥浆出入口和所述计量泵出口连通，所述释放罐的泥浆出口通过管道连接所述泥浆搅拌桶的泥浆进口；

所述注气结构包括若干高压气瓶、第二压力传感器、第二温度传感器和两恒压阀；所述若干高压气瓶并联后通过管道连接一所述恒压阀的入口，该所述恒压阀的出口通过管道连接位于所述铁质循环管底部的进气口，另一所述恒压阀的进口通过管道连接所述释放罐的出气口；

所述监测结构包括超声波传感器、泥线处溢流监测装置样机和主计算机；所述超声波传感器设置在所述铁质循环管上设置有所述透明可视有机玻璃段的一侧，且位于所述透明可视有机玻璃段上方；所述超声波传感器连接所述泥线处溢流监测装置样机，所述泥线处溢流监测装置样机连接所述计算机。

8.如权利要求7所述的一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验装置，其特征在于：所述深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验装置还包括清洗结构，所述清洗结构包括一真空泵、两空压机和三带有控制阀门的清水管；所述真空泵和一所述空压机通过管道均连接至位于所述铁质循环管顶部的进出气口；一所述清水管位于所述铁质循环管顶部，与所述铁质循环管连通，一所述清水管与所述泥浆搅拌桶和所述计量泵连通，另一所述清水管和另一所述空压机均连接至所述释放罐的清洗进口。

9.如权利要求7或8所述的一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验装置，其特征在于：在所述铁质循环管顶部设置有排气口，所述排气口连接带有控制阀门的排气管。

10.如权利要求7或8所述的一种深海钻井中隔水管内泥浆循环模拟实验装置，其特征在于：在所述铁质循环管底部、所述泥浆搅拌桶底部和所述释放罐底部均设置有带有控制阀门的排污管。