CN105089498B - 深水喷射下导管钻井实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深水喷射下导管钻井实验装置及实验方法，该装置包括：土箱，内装有用于构造深水喷射海底环境的岩土；管柱系统，设在土箱内；起吊系统，用于起吊管柱系统；供排水系统，与土箱连接以用于将污水排出和将清水送入；加载系统，对管柱系统施加横向和纵向的载荷；和测量系统，与管柱系统连接，用于测量和记录在深水喷射过程中管柱系统的位移、变形和受力。该装置能通过模拟深水喷射下导管钻井环境和作业流程进而为研究深水喷射下导管的参数提供平台。

Description

深水喷射下导管钻井实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于海洋工程及石油钻井技术领域，涉及一种用于深水喷射下导管钻井室内模拟和作业参数测试实验平台及方法，特别涉及一种能够模拟深水钻井的导管井段喷射钻进的室内模拟实验装置及实验方法。

背景技术

深水钻井作业风险大、费用高。目前深水钻井导管井段所采用的喷射下导管钻井的基本工艺流程为：将喷射钻具组合(由钻头和马达等组成)置于导管内部，并与导管送入工具相连，钻头位于导管内部或伸出导管鞋一定长度。当导管到达泥线处时，依靠其自身的重量钻入地层中，并开泵驱动马达使钻头旋转，循环钻井液将岩屑从导管与钻柱的环空返出井筒。当导管下至设计深度时，经过一定时间的静止，使导管与地层岩土之间建立足够的胶结强度，满足后续作业导管的承载要求。此种作业方式节省了固井和一趟起下钻时间，较大的提高了深水钻井前期作业效率并节约了作业成本，因此逐渐成为深水钻井的主流作业方式。喷射下导管钻井参数选取的合理与否直接决定了导管井段钻井质量的高低，因此研究导管井段喷射下入参数与导管承载能力的相互作用规律对喷射下入参数的优化设计具有重要意义。但目前现有技术中尚未见关于深水喷射下导管钻井模拟实验装置的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种深水喷射下导管钻井实验装置，其能通过模拟深水喷射下导管钻井环境和作业流程进而为研究深水喷射下导管的参数提供平台。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的深水喷射下导管钻井实验装置，包括：土箱，内装有用于构造深水喷射海底环境的岩土；管柱系统，设在土箱内；起吊系统，用于起吊管柱系统；供排水系统，与土箱连接以用于将污水排出和将清水送入；加载系统，对管柱系统施加横向和纵向的载荷；和测量系统，与管柱系统连接，用于测量和记录在喷射过程中管柱系统的位移、变形和受力。

与现有技术相比，本发明具有以下优点。供排水系统能够模拟导管喷射下入过程中海水或海水基钻井液的流动过程，土箱能模拟海底的土壤环境，管柱系统能模拟用于喷射的导管实体，起吊系统能模拟导管的下入过程，加载系统能模拟管柱系统中的导管在作业过程中所受到的横、纵向载荷，测量系统能对下入及加载过程中管柱系统的位移、变形和受力情况进行记录和分析。整个实验装置能模拟深水喷射下导管的钻井作业，并对模拟导管的受力与变形进行测量和记录。测量结果能作为研究深水钻井导管喷射下入的影响因素及影响规律的依据，以及喷射作业参数的优化设计方法的研究具有重要的参考价值。而且通过模拟深水喷射下导管钻井环境和作业流程也能为研究深水喷射下导管的优化参数，如不同的岩土性质条件下的较优的喷射参数与导管下入速度和承载能力之间的互相关系，提供研究平台。

在一个实施例中，起吊系统包括起重天车、吊缆和测力计，起重天车通过吊缆与管柱系统连接，测力计设在吊缆上以测量管柱系统对吊缆的作用力。通过起吊系统来放入或提升管柱系统，通过测力计能测量管柱系统在作业过程中自重与其受到的摩擦阻力之和。

在一个实施例中，管柱系统包括：

导管，设在土箱内；

钻杆，设在导管内；

扶正器，设在导管内以保证钻杆在导管内的居中度；和

钻头，与钻杆的下端连接，其安装在导管内时头部突出导管的下端面。扶正器能保证在作业过程中导管不容易产生偏斜。保证在作业过程中导管和钻头受到的摩擦阻力与实际深水喷射下导管钻井相接近。

在一个优选的实施例中，所述扶正器与钻杆为螺纹连接，钻头与钻杆为螺纹连接。扶正器与钻杆、钻头与钻杆均为螺纹连接，连接牢靠，相互之间没有相对运动。

在一个实施例中，加载系统包括：

横向加载组件，对管柱系统的导管顶部施加横向载荷；

位移传感器，对导管顶部的横向位移及纵向位移进行测量；

纵向加载组件，用于对导管顶部施加纵向载荷；和

剪力墙，设在土箱两侧以用于承受横向加载时的反力。加载系统对管柱系统中的导管施加横向载荷和纵向载荷以模拟导管受到的横向作用力和纵向作用力，从而能使实验测量结果与实际工况更接近。

在一个实施例中，供排水系统为循环水系统，其包括：

供排水系统为循环系统，其包括：

污水箱，与土箱连接；

过滤器，与污水箱连接；

清水罐，与过滤器连接；和

泵，设在清水罐与管柱系统之间，用于将清水罐的水运送到管柱系统中以形成喷射。泵将清水罐中的清水运送到管柱系统，从管柱系统溢出的污水经过过滤后回到清水罐形成一个循环过程，因此能节约实验中的用水，避免水资源的浪费。

在一个优选的实施例中，污水箱的出口设有过滤机构。能对污水箱中的固体和杂物起到初步过滤的作用。

在一个实施例中，测量系统包括：

拉绳位移传感器，与管柱系统中的承载土箱连接，用于测量管柱系统中的导管下入的深度与时间的关系；

若干个应变片，设在导管外壁上以测量喷射作业以及加载过程中导管的不同部位的形变；

数据传送电缆，与应变片及拉绳位移传感器电连接以传输数据；和

存储单元，用于存储数据传送电缆传送的数据。测量系统能测量计算得到导管在作业时受到的摩擦阻力、导管的形变和导管下入的速度等参数。

本发明还涉及一种深水喷射下导管钻井实验方法，其采用上述的深水喷射下导管钻井实验装置，并包括以下步骤：

在实验过程中改变管柱系统的喷射参数，并对管柱系统中的导管的下入速率和承载能力进行测量；

在实验过程中改变土箱中的岩土性质，并对管柱系统中的导管的下入速率和承载能力进行测量；

建立不同岩土性质下的喷射参数与导管下入速率及承载能力之间的关系以得到管柱系统中的导管在作业时的优化参数。

在一个实施例中，其中流体的循环过程为：泵将清水罐中的清水通过阀门经管线从钻杆内注入，经钻头和钻杆与导管的环空中返回，从土箱溢出后由管线导入污水箱内，经过滤器过滤后重新回到清水罐中。

附图说明

图1所示是本发明的深水喷射下导管钻井实验装置的一种具体实施例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明的深水喷射下导管钻井实验装置的一种具体实施例。在该实施例中，该装置主要包括土箱22、管柱系统、起吊系统、供排水系统、加载系统和测量系统。

下面结合图1来说明本发明的深水喷射下导管钻井实验装置的具体构成。其中，起吊系统主要由起重天车1和吊缆及测力计2构成，其负责起吊管柱系统。管柱系统包括导管9、钻杆10、扶正器11和钻头12。其中，钻杆10、扶正器11和钻头12分别通过螺纹连接后组装在一起，然后放入导管9内。

在一个实施例中，实验用的土箱22中填放实验用岩土7和水6以模拟海底环境。岩土7为实验用土，可以采用粘土、砂土和互层土等。

在本实施例中，导管9和钻杆10经接头与加载系统中的承载盒5固定安装成一个整体。加载系统主要包括横向加载组件、纵向加载组件、位移传感器3和剪力墙13。其中，横向加载组件和纵向加载组件均集中在承载盒5上，承载盒5与剪力墙13之间通过横向加载组件以形成横向加载，例如通过横向设置的液压千斤顶。剪力墙13为横向加载组件构建了支撑。承载盒5内盛放加载砝码以形成对导管9的纵向载荷。纵向载荷模拟的是深水钻井导管9承受水下井口、表层套管等载荷。横向加载组件与剪力墙13模拟的是导管9的顶部深水钻井导管9的顶部或水下井口受到洋流、隔水管运动所施加的横向载荷。位移传感器3对导管9的顶部的横向位移进行测量。

在图1中，沿导管9的外壁面贴有若干个应变片8，用以测量在加载过程中导管9的不同部位的变形量。

另外，在一个实施例中，测量系统除应变片8外，还包括有拉绳位移传感器4、数据传送电缆20和存储单元21。拉绳位移传感器4与承载盒5连接，能精确测量导管9下入的深度与时间的关系，从而能计算出导管9的下入速度。具体地，起吊系统起吊管柱系统时，使得管柱系统完全处于土箱22的上方并保持垂直状态，此时拉绳位移传感器4开始记录承载盒5与土箱22的顶部之间的距离。而数据传送电缆20则用于将各种类型的传感器及若干个应变片8上的数据传输到存储单元21中，以方便对各类实验数据进行记录、转化和分析。

在本实施例中，供排水系统采用的是循环系统，该循环系统包括污水箱16、过滤器17、清水罐18和泵19。其中，污水箱16、过滤器17、清水罐18和泵19依次通过管线15串联。流量计14安装在循环系统的管线15上，用以测量不同实验情况下的流量。污水箱16用以存放喷射下入过程中溢出的流体。在污水箱16的出口带有简易的过滤栅或其它粗过滤机构，用以过滤从土箱22溢出的流体中的粒径较大的砂粒。过滤器17用以进一步过滤流体中的固体杂质及颗粒，为下一步注入到钻杆10中做好准备。清水罐18用以存储经过滤器17过滤后的清水或新添加进去的清水。泵19采用变频控制柱塞泵，用来向钻杆10内注入流体。变频控制柱塞泵能输出不同排量。

本发明还涉及一种深水喷射下导管钻井实验方法，其采用上述的深水喷射下导管钻井实验装置，并包括以下步骤：

在实验过程中改变管柱系统的喷射参数，喷射参数主要包括喷嘴尺寸、排量和射流速度；并对管柱系统中的导管9的下入速率和承载能力进行测量；

在实验过程中改变土箱22中的岩土性质，例如用砂土或互层土来替换粘土，并对管柱系统中的导管9的下入速率和承载能力进行测量。通过建立在不同岩土性质条件下的喷射参数与导管9的下入速度及承载能力之间的相互关系，从而建立导管9在作业时的参数优化设计的方法，为深水油气钻探中导管喷射下入的优化设计提供基础和依据。

在一个优选的实施例中，经过深水喷射下导管钻井实验装置的流体的循环过程为：泵19将清水罐18中的清水经管线15从钻杆10内注入，经钻头12和钻杆10与导管9的环空中返回，经承压箱体5及与承压箱体5相连的管线注入土箱22里，从土箱22溢出后由管线15导入污水箱16内，经过滤器17过滤后重新回到清水罐18中，形成一个循环系统。

虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，然而可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进或替换。尤其是，只要不存在结构上的冲突，各实施例中的特征均可相互结合起来，所形成的组合式特征仍属于本发明的范围内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种深水喷射下导管钻井实验装置，包括：

土箱，内装有用于构造深水喷射海底环境的岩土；

管柱系统，设在土箱内；

起吊系统，用于起吊管柱系统；

供排水系统，与土箱连接以用于将污水排出和将清水送入；

加载系统，对管柱系统施加横向和纵向的载荷；和

测量系统，与管柱系统连接，用于测量和记录在喷射过程中管柱系统的位移、变形和受力，所述测量系统包括：拉绳位移传感器，与管柱系统中的承载土箱连接，用于测量管柱系统中的导管下入的深度与时间的关系；若干个应变片，设在导管外壁上以测量喷射作业以及加载过程中导管的不同部位的形变；数据传送电缆，与应变片及拉绳位移传感器电连接以传输数据；和存储单元，用于存储数据传送电缆传送的数据。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，起吊系统包括起重天车、吊缆和测力计，起重天车通过吊缆与管柱系统连接，测力计设在吊缆上以测量管柱系统对吊缆的作用力。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，管柱系统包括：

导管，设在土箱内；

钻杆，设在导管内；

扶正器，设在导管内以保证钻杆在导管内的居中度；和

钻头，与钻杆的下端连接，其安装在导管内时头部突出导管的下端面。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述扶正器与钻杆为螺纹连接，钻头与钻杆为螺纹连接。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，加载系统包括：

横向加载组件，对管柱系统的导管顶部施加横向载荷；

位移传感器，对导管顶部的横向位移及纵向位移进行测量；

纵向加载组件，用于对导管顶部施加纵向载荷；和

剪力墙，设在土箱两侧以用于承受横向加载时的反力。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，供排水系统为循环系统，其包括：

污水箱，与土箱连接；

过滤器，与污水箱连接；

清水罐，与过滤器连接；和

泵，设在清水罐与管柱系统之间，用于将清水罐的水运送到管柱系统中以形成喷射。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，污水箱的出口设有过滤机构。

8.一种深水喷射下导管钻井实验方法，其采用权利要求1～7中任一项所述的装置，并包括以下步骤：

在实验过程中改变管柱系统的喷射参数，并对管柱系统中的导管的下入速率和承载能力进行测量；

在实验过程中改变土箱中的岩土性质，并对管柱系统中的导管的下入速率和承载能力进行测量；

建立不同岩土性质下的喷射参数与导管下入速率及承载能力之间的关系以得到管柱系统中的导管在作业时的优化参数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其中流体的循环过程为：泵将清水罐中的清水通过阀门经管线从钻杆内注入，经钻头和钻杆与导管的环空中返回，从土箱溢出后由管线导入污水箱内，经过滤器过滤后重新回到清水罐中。