CN105114053A - 一种模拟钻井清砂过程原位观测试验机 - Google Patents

Abstract

本发明为一种模拟钻井清砂过程原位观测试验机，包括底板、滑板、透明模拟套管、固定缸套、模拟中空钻杆、钻杆旋转驱动机构、钻井液循环控制装置及数据采集处理装置。本发明综合偏心度、井斜角、不同特性钻井液、压力、流量、转速、扭矩、不同砂粒、加砂量、清砂孔眼、钻杆套管表面粗糙度等参数下测试钻井清砂过程原位观测过程，对于实际钻井过程中的清砂作用机理以及套管的磨损和钻井液的清砂特性参数等具有十分重要的意义；该试验机结构简单，原理清晰，操作方便。

Description

一种模拟钻井清砂过程原位观测试验机

技术领域

本发明是关于一种石油钻井工程中不同钻井条件下钻井砂沉积与清除过程的研究，尤其涉及一种模拟钻井清砂过程原位观测试验机。

背景技术

随着全球经济的快速发展，石油产品的需求越来越大，油藏开采范围越来越大，而我国的疏松砂岩油藏分布范围广、储量也很大，产油量占有很重要的地位，而油井出砂是这类油藏开采的主要矛盾，这种问题尤为突出，而钻井过程中砂沉积和沉砂卡钻等问题也逐步出现，导致钻井过程中钻井液返回阻力增大，开采过程中油气流动阻力也加大，开采的难度也不断提高，使得油气井的生产和产量受到了严重的影响；多种复杂钻井条件下的含砂油藏逐步进入大量开采，因而开采过程中的清砂过程和砂与砂之间相互作用机理开始受到研究者的关注，对于含砂油藏的原油开采机理有很大的作用，同时可以为砂沉积和卡钻过程的参数进行优化，得到不同条件下最优的清砂效果。

综合开采技术的进步，各种大斜度井分支井和水平井的开采应用逐步增多，在这些复杂井工况下的钻井过程砂沉积更加严重，严重时可能会引起卡钻事故的发生。由于不同硬度、尺寸砂粒的沉积，对于钻井过程中的钻井工具的摩擦磨损影响非常大，容易造成设备故障，同时也使得大量的能量损耗，严重时甚至导致井漏和井喷等。出砂也会破坏地层结构，开采油藏因而发生变化，严重的地层出砂甚至会导致地层坍塌的发生。

石油开采过程中清砂过程的影响因素众多，也一直是大家关注的重点，是一个长久的研究热点和难点，不同的地质储层砂特性，如亲水亲油特性，砂粒尺寸，砂粒硬度等特性，套管内壁光洁度、套管钻杆的尺寸，与钻井液的特性，包括密度、粘度、聚合物、纳米粒子、表面活性剂等物质的加入相关等，温度因素，同时不同井斜角，不同的钻杆偏心度，不同的钻井液密度、流量、压力，不同的钻井转速等都是钻井清砂过程的重要影响因素，钻井清砂是一个复杂的过程，相关参数需要大量的实际试验优化。

我国的钻井清砂研究起步相对较晚，技术的应用也比较迟，现阶段清砂工具还相当的缺乏，针对其实际清砂过程中存在的微细观作用机理系统研究较少，主要是以实际应用中一定效果为目的，没有形成系统的研究手段，针对国内主要采用的喷射清砂技术，进行详细的在不同钻井条件下的清砂机理原位分析手段，得到系统的清砂机理是一个十分迫切的内容。因而为了更好优化清砂效率，则需要对于清砂过程机理进行进一步的研究，特别考虑到众多的因素相互作用，进而得到清砂机理和最优的清砂效率。之前的钻井过程砂粒清除试验研究较少，且主要是以软件模拟研究为主，没有综合考虑实际中的不同井型、钻井液配方参数、转速参数、扭矩参数、压力参数、钻杆偏心度参数、显微观测摩擦磨损与砂粒的启动滚动移动旋转运动等的研究。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种模拟钻井清砂过程原位观测试验机，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟钻井清砂过程原位观测试验机，可以模拟石油开采钻井过程中多种不同钻井条件下清砂作用机理，以及套管的摩擦磨损和钻井液的清砂特性的研究。

本发明的目的是这样实现的，一种模拟钻井清砂过程原位观测试验机，所述原位观测试验机包括：

底板，所述底板沿一纵向延伸，所述底板的后端与基座铰接，所述基座固定设置，所述底板与一倾斜角驱动装置连接，所述倾斜角驱动装置能驱动所述底板绕所述基座转动；

滑板，所述滑板沿所述底板纵向滑动的设置在所述底板上部，并通过固定装置与所述底板之间相对固定；

透明模拟套管，所述透明模拟套管的轴向与所述底板的纵向平行，通过固定支撑座支撑于所述滑板上；所述透明模拟套管的圆周侧壁上设有与其内部连通的加砂口；

固定缸套，所述固定缸套与所述透明模拟套管前端滑动套接设置，通过固定支撑座支撑于所述底板上；所述固定缸套的圆周侧壁设有钻井液排出口；

模拟中空钻杆，所述模拟中空钻杆上螺纹连接有射流清砂工具，所述模拟中空钻杆密封穿过所述固定缸套伸入到所述透明模拟套管内，所述射流清砂工具位于所述透明模拟套管内；所述模拟中空钻杆的前端连接一旋转接头，所述旋转接头通过高度调节支撑座支撑在所述底板上；

钻杆旋转驱动机构，所述钻杆旋转驱动机构设置在所述底板上，并与所述模拟中空钻杆传动连接，驱动所述模拟中空钻杆沿其轴线旋转；

钻井液循环控制装置，所述钻井液循环控制装置通过注入软管与所述旋转接头连通进而与所述模拟中空钻杆连通；所述钻井液循环控制装置通过出口软管与所述钻井液排出口连接；

数据采集处理装置，所述数据采集处理装置存储和处理采集的数据，同时控制钻杆旋转驱动机构、倾斜角驱动装置和钻井液循环控制装置。

在本发明的一较佳实施方式中，倾斜角驱动装置包括液压泵，所述液压泵通过管路连通液压缸，所述管路上设有从所述液压泵至液压缸单向导通的背压阀；所述液压缸设置在所述底板的下方，所述液压缸中的柱塞杆上端通过球形铰与所述底板的下部铰接。

在本发明的一较佳实施方式中，底板上部沿其纵向设有一T形槽，所述滑板的下部设有与所述T形槽配合的T形滑块，所述滑板的两端分别设有固定螺栓，所述固定螺栓的螺栓头位于所述T形槽内，所述固定螺栓穿过所述滑板与固定螺母连接。

在本发明的一较佳实施方式中，透明模拟套管前端开口、后端封闭，且其前端的圆周侧壁外部螺纹连接有套管滑动密封柱塞；所述固定缸套密封滑动套设在所述套管滑动密封柱塞外部。

在本发明的一较佳实施方式中，固定缸套的前端固定设有钻杆偏心调节机构，所述固定缸套的前端具有一前端面，所述前端面设有一凹陷部，所述凹陷部内设有供所述模拟中空钻杆穿过的第一长孔；

所述钻杆偏心调节机构包括一偏心调节块，所述偏心调节块设置在所述凹陷部内与所述凹陷部的形状配合，能在所述凹陷部内上下滑动；所述偏心调节块上设有一通孔，所述通孔中过盈配合连接一橡胶密封轴承，所述模拟中空钻杆穿过所述橡胶密封轴承且与其过盈配合；

所述固定缸套的前端面固定连接有一固定板，所述固定板盖设在所述凹陷部上，将所述偏心调节块、所述橡胶密封轴承固定在所述凹陷部内；所述固定板上设有供所述模拟中空钻杆穿过的第二长孔；

所述固定缸套的圆周侧壁设有一与所述凹陷部相通的螺纹通孔，所述螺纹通孔内螺纹连接一偏心调节螺栓，所述偏心调节螺栓的一端伸入到所述凹陷部内并止挡在所述偏心调节块上；所述模拟中空钻杆穿过所述固定板、橡胶密封轴承、固定缸套的前端面，通过橡胶密封轴承转动支撑在所述偏心调节块上。

在本发明的一较佳实施方式中，高度调节支撑座包括下支撑座，所述下支撑座底部固定在所述底板上，所述下支撑座具有一向上延伸的螺纹杆，所述螺纹杆上套设连接一旋转接头支撑块，所述旋转接头支撑块下方的螺纹杆上螺纹连接一锁紧螺母；所述旋转接头通过接头固定螺栓固定在所述旋转接头支撑块上。

在本发明的一较佳实施方式中，钻杆旋转驱动机构包括变速电机，所述变速电机固定在所述底座上，其电机轴上固定有一第一带轮；所述模拟中空钻杆上同轴固定一第二带轮，所述第一带轮与所述第二带轮之间通过皮带传动连接，所述第一带轮与所述第二带轮之间还设有张紧轮。

在本发明的一较佳实施方式中，钻井液循环控制装置包括变量柱塞泵和钻井液池，所述变量柱塞泵和钻井液池连通，且两者之间设有泵入口阀；

所述旋转接头包括静止端和旋转端，所述旋转端相对所述静止端转动，所述旋转接头整体密封，其内部设有贯通所述静止端和旋转端的钻井液流动通道；所述静止端固定在所述高度调节支撑座上，所述变量柱塞泵通过所述注入软管与所述静止端连通；所述旋转端与所述模拟中空钻杆的前端固定连接，所述钻井液流动通道与所述模拟中空钻杆连通；

所述钻井液池通过所述出口软管与所述钻井液排出口连接。

在本发明的一较佳实施方式中，注入软管上设有节流阀；所述钻井液池中设有上下两层设置的沙粒回收过滤网和第二过滤网；所述钻井液池还连通有钻井液配料加入口、测试容器；所述钻井液配料加入口与钻井液池之间设有配料截止阀；所述测试容器与钻井液池之间设有测试容器截止阀。

在本发明的一较佳实施方式中，数据采集处理装置包括：

流量计，所述流量计设置在所述注入软管上；

转速传感器，所述转速传感器设置在所述模拟中空钻杆上；

扭矩传感器，所述扭矩传感器设置在所述模拟中空钻杆上；

钻杆内压力表，用于测量所述模拟中空钻杆内的压力；

清砂前端环空压力表，用于测量所述射流清砂工具前方模拟中空钻杆与透明模拟套管之间环空内的压力；

清砂后端环空压力表，用于测量所述射流清砂工具后方模拟中空钻杆与透明模拟套管之间环空内的压力；

显微镜，所述显微镜设置在所述滑板上正对所述透明模拟套管；

高帧频相机，用于总体观测砂粒总体运动；

粘度计，所述粘度计设在所述测试容器内；

PH计，所述PH计设在所述测试容器内；

计算机，所述计算机控制所述变速电机、所述变量柱塞泵及所述液压泵，采集的数据存储在所述计算机中并由计算机进行处理。

在本发明的一较佳实施方式中，加砂口处设有加砂口配料截止阀；所述透明模拟套管的后端螺纹密封连接一端盖。

由上所述，本发明的试验机能观测不同钻井条件下的清砂过程，采集相关的钻井和砂粒清除过程参数并加以分析，研究套管的摩擦磨损和钻井液的清砂特性，同时考虑了不同的地质储层砂特性与钻井液的特性，以及不同井斜角、不同的钻杆偏心度、不同的钻井液流量、压力、不同钻井转速的因素，得到相关的优化条件进而将其应用于现场，提高经济效益，防止钻井事故的发生。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明原位观测试验机的整体结构示意图。

图2：为本发明原位观测试验机中固定缸套和钻杆偏心调节机构的结构示意图。

图3：为本发明原位观测试验机中高度调节支撑座的结构示意图。

图4：为本发明原位观测试验机中底板与滑板之间滑动调整结构的示意图。

图5：为本发明原位观测试验机中驱动底板绕基座转动的结构示意图。

图6：为本发明原位观测试验机中射流清砂工具的结构示意图。

图7：为本发明原位观测试验机数据采集处理及控制的原理示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种模拟钻井清砂过程原位观测试验机，包括底板、滑板、透明模拟套管、固定缸套、模拟中空钻杆、钻杆旋转驱动机构、钻井液循环控制装置及数据采集处理装置。底板沿一纵向延伸，假定图1中的左端为前端，右端为后端，底板的后端与基座铰接，基座固定设置，底板与一倾斜角驱动装置连接，倾斜角驱动装置能驱动底板绕基座转动，使底板与水平面成不同的夹角。滑板沿底板纵向滑动的设置在底板上部，并通过固定装置与底板之间相对固定。透明模拟套管的轴向与底板的纵向平行，通过固定支撑座支撑于滑板上，可以与滑板一起前后滑动。透明模拟套管的圆周侧壁上设有与其内部连通的加砂口，加砂口朝上设置。透明模拟套管前端开口、后端封闭，且其前端的圆周侧壁外部设有套管滑动密封柱塞，套管滑动密封柱塞的直径大于透明模拟套管的直径，围绕在透明模拟套管的外部。固定缸套密封滑动的套设在套管滑动密封柱塞外部，通过另一个固定支撑座支撑于底板上；固定缸套的前端固定设有钻杆偏心调节机构，固定缸套的圆周侧壁设有钻井液排出口，钻井液排出口朝下设置。模拟中空钻杆的轴向与透明模拟套管的轴向平行或重合，模拟中空钻杆上螺纹连接有射流清砂工具，模拟中空钻杆密封穿过钻杆偏心调节机构和固定缸套伸入到透明模拟套管内，射流清砂工具位于透明模拟套管内。模拟中空钻杆转动支撑在钻杆偏心调节机构中，通过钻杆偏心调节机构调节其与透明模拟套管之间的偏心度，模拟中空钻杆的前端连接一旋转接头，旋转接头通过高度调节支撑座支撑在底板上，旋转接头的高度随着模拟中空钻杆偏心度的改变而调整，使模拟中空钻杆的轴线平行于透明模拟套管的轴线。钻杆旋转驱动机构设置在底板上，并与模拟中空钻杆传动连接，驱动模拟中空钻杆沿其轴线旋转。钻井液循环控制装置通过注入软管与旋转接头连通进而与模拟中空钻杆连通；钻井液循环控制装置通过出口软管与钻井液排出口连接。数据采集处理装置用于存储和处理采集的数据，同时控制钻杆旋转驱动机构、倾斜角驱动装置和钻井液循环控制装置。

上述的原位观测试验机通过倾斜角驱动装置来驱动底板绕基座转动，从而实现相关的井斜角参数的调节和控制。滑板能沿底板纵向前后滑动并与底板相对固定在某一位置，固定支撑在滑板上的透明模拟套管跟随滑板一起前后移动，从而使加砂口的位置产生变化，实现加砂位置在环空中的变化，可实现清砂位置参数调节。透明模拟套管的左端通过套管滑动密封柱塞滑动套设在固定缸套内，相当于活塞和缸筒之间的滑动密封结构，套管滑动密封柱塞与固定缸套之间可以采用橡胶材料实现滑动密封。通过钻杆偏心调节机构可以调整模拟中空钻杆在透明模拟套管中的偏心度，得到不同钻杆偏心度下的清砂机理。射流清砂工具与模拟中空钻杆之间为螺纹连接，可方便更换不同角度、大小、孔间隙尺寸参数的清砂工具。钻井液循环控制装置控制钻井液的供给和回收，钻井液通过注入软管进入模拟中空钻杆中，从射流清砂工具进入到在环空中，通过固定缸套的钻井液排出口从出口软管回到钻井液循环控制装置。

作为本发明的一个具体实施例，参见图1和图5，模拟钻井清砂过程原位观测试验机100，其底部设有一个沿纵向延伸的底板191，底板191的后端与基座195通过固定销子194铰接，基座195固定设置，底板191与一倾斜角驱动装置连接，倾斜角驱动装置能驱动底板191绕基座195转动。倾斜角驱动装置包括一个液压泵20，液压泵20通过管路连通液压缸202，管路上设有从液压泵至液压缸单向导通的背压阀201。液压缸202设置在底板191的下方，液压缸202中的柱塞杆203上端通过球形铰与底板191的下部铰接。其中液压泵20受计算机26的控制，向液压缸202内加压使柱塞杆203上升，柱塞杆203向上顶起底板191，底板191绕基座195转动，与水平面形成夹角。调整到位后，由于背压阀201的作用，停止液压泵20后柱塞杆203也不会向下退回。

参见图4，底板191的上部沿其纵向设有一个T形槽1911，滑板19的下部设有与T形槽1911配合的T形滑块，滑板19的前端和后端分别设有固定螺栓193，固定螺栓193的螺栓头位于T形槽1911内，固定螺栓193从下向上穿过滑板19后与固定螺母192连接。滑板19通过T形滑块滑动的设置在T形槽1911内，可以前后调整滑板19与底板191的相对位置，调整后拧紧固定螺母192，使固定螺栓193的螺栓头压紧在T形槽1911的内表面，滑板19与底板191之间相对固定。

进一步，透明模拟套管11的轴向与底板191的纵向平行，通过固定支撑座17支撑于滑板19上。透明模拟套管11的圆周侧壁上设有与其内部连通的加砂口15，加砂口15朝上设置，加砂口15处设有加砂口配料截止阀151。在调整滑板19与底板191的相对位置时，透明模拟套管11能与滑板19一起移动，从而使加砂口15的位置产生变化，实现加砂位置在环空中的变化，实现清砂位置参数调节。透明模拟套管11的前端开口，后端螺纹密封连接一端盖18进行封闭，且其前端的圆周侧壁外部螺纹连接一个套管滑动密封柱塞107，套管滑动密封柱塞107相当于套在透明模拟套管11外部的一个活塞。透明模拟套管11为中空硬质透明材料，可以为钢化玻璃等材料，透明模拟套管11的尺寸及内部的粗糙度可采用不同的参数来模拟实际工况。

进一步，固定缸套10密封滑动套设在套管滑动密封柱塞107外部，通过另一个固定支撑座17支撑于底板191上。固定缸套10与套管滑动密封柱塞107之间相当于活塞和缸筒之间的滑动密封结构，两者之间可以采用橡胶材料实现滑动密封。在透明模拟套管11的前后位置发生变化时，透明模拟套管11左端的套管滑动密封柱塞107在固定缸套10内滑动。固定缸套10的前端固定设有钻杆偏心调节机构，固定缸套10的圆周侧壁的下部设有钻井液排出口。如图2所示，固定缸套10为一个圆柱形套筒零件，其前端具有一个前端面，在前端面上设有一长方形的凹陷部1001，凹陷部1001内设有供模拟中空钻杆6穿过的第一长孔1002。钻杆偏心调节机构包括一偏心调节块103，偏心调节块103设置在凹陷部1001内，偏心调节块103为一个长方形的平板，其宽度和厚度与凹陷部1001的宽度和深度相同，其长度小于凹陷部1001的长度，能在凹陷部1001内上下滑动。偏心调节块103上设有一通孔，通孔中过盈配合连接一个橡胶密封轴承104，模拟中空钻杆6穿过橡胶密封轴承104并与橡胶密封轴承104过盈配合，形成转动密封连接，防止在模拟中空钻杆6转动时固定缸套10内的钻井液漏出。固定缸套10的前端面通过螺栓和螺母固定连接有一圆盘形的固定板105，固定板105盖设在凹陷部1001上，偏心调节块103、橡胶密封轴承104的厚度与凹陷部1001的深度相同，从而固定板105将其压紧固定在凹陷部内。固定板105上设有供模拟中空钻杆6穿过的第二长孔1051。固定缸套10的圆周侧壁上设有一个与凹陷部1001相通的螺纹通孔，螺纹通孔内螺纹连接一偏心调节螺栓106，偏心调节螺栓106的一端伸入到凹陷部1001内并止挡在偏心调节块103上。使用时偏心调节螺栓106位于固定缸套10的下方，其伸入到凹陷部1001内的一端止挡在偏心调节块103的下端，模拟中空钻杆6穿过固定板105、橡胶密封轴承104、固定缸套10的前端面，通过橡胶密封轴承104转动支撑在偏心调节块103上。拧紧偏心调节螺栓106，偏心调节螺栓106向上推动偏心调节块103上移，从而使模拟中空钻杆6上移产生偏心度参数。

进一步，模拟中空钻杆6的轴向与透明模拟套管11的轴向平行或重合，模拟中空钻杆6上螺纹连接有射流清砂工具14(参见图6)，最后端连接有模拟钻头16，模拟中空钻杆6可以采用一节或通过钻杆连接块12螺纹连接在一起的多节组成。模拟中空钻杆6密封穿过固定板105、橡胶密封轴承104、固定缸套10的前端面伸入到透明模拟套管11内，射流清砂工具14位于透明模拟套管11内。模拟中空钻杆6的中部转动支撑在偏心调节块103上，模拟中空钻杆6的前端连接一旋转接头5，旋转接头5通过高度调节支撑座支撑在底板191上。旋转接头5为现有技术，包括静止端和旋转端，旋转端相对静止端转动，旋转接头整体密封，其内部设有贯通静止端和旋转端的钻井液流动通道；静止端固定在高度调节支撑座上。如图3所示，高度调节支撑座包括下支撑座504，下支撑座504底部固定在底板191上，下支撑座504具有一向上延伸的螺纹杆，螺纹杆上套设连接一旋转接头支撑块502，旋转接头支撑块502下方的螺纹杆上螺纹连接一锁紧螺母503，旋转接头支撑块502支撑在锁紧螺母503上；旋转接头的静止端通过接头固定螺栓501固定在旋转接头支撑块502上，旋转接头支撑块502可以通过旋转锁紧螺母503来调整在下支撑座504上的高度。当模拟中空钻杆6的偏心度进行调整时，通过该高度调节支撑座，使旋转接头5与模拟中空钻杆6的连接处在高度上做相应调整，保证模拟中空钻杆6的轴线与透明模拟套管11的轴线平行。

进一步，模拟中空钻杆6由钻杆旋转驱动机构驱动沿其轴线旋转，钻杆旋转驱动机构设置在底板191上，包括变速电机8，变速电机8固定在底座191上，其电机轴上固定有第一带轮804，模拟中空钻杆6上同轴固定一第二带轮803，第一带轮804与第二带轮803之间通过皮带802传动连接，第一带轮804与第二带轮803之间还设有张紧轮801。变速电机8的转速由计算机26控制，通过带传动使模拟中空钻杆6平稳转动。

进一步，钻井液循环控制装置包括变量柱塞泵1和钻井液池231，变量柱塞泵1和钻井液池231连通，且两者之间的连通管路上设有泵入口阀24。变量柱塞泵1通过注入软管4与旋转接头5的静止端连通，旋转接头5的旋转端与模拟中空钻杆6的前端固定连接。钻井液池231通过出口软管21与钻井液排出口连接。钻井液通过旋转接头5内部的钻井液流动通道进入到模拟中空钻杆中，经过射流清砂工具14和模拟钻头16进入到环空中，环空中的钻井液流到固定缸套10中，从钻井液排出口流回到钻井液池231中。注入软管4上设有节流阀2，钻井液池231中设有上下两层设置的沙粒回收过滤网22和第二过滤网221，沙粒回收过滤网22设置在上层用于过滤回收从出口软管21进入的钻井液中的砂粒，第二过滤网221设置在下层用于进一步过滤。钻井液池231还连通有钻井液配料加入口233、测试容器235。钻井液配料加入口233与钻井液池231之间的连通管路上设有配料截止阀232，测试容器235与钻井液池231之间的连通管路上设有测试容器截止阀234。根据测试的需要，可以从钻井液配料加入口233向钻井液池231中加入不同的聚合物、纳米粒子、表面活性剂等物质，调整钻井液密度、粘度、酸碱度等参数，同时评估添加剂的清砂效果。测试容器235中的钻井液方便进行测量。

进一步，数据采集处理装置用于存储和处理采集的数据，同时控制钻杆旋转驱动机构、倾斜角驱动装置和钻井液循环控制装置。数据采集处理装置包括流量计3、转速传感器7、扭矩传感器9、钻杆内压力表13、清砂前端环空压力表131、清砂后端环空压力表132、显微镜251、高帧频相机25、粘度计236、PH计237和计算机26。流量计3设置在注入软管4上，转速传感器7和扭矩传感器9设置在模拟中空钻杆6上。钻杆内压力表13用于测量模拟中空钻杆内的压力，清砂前端环空压力表131和清砂后端环空压力表132分别用于测量射流清砂工具前方和后方模拟中空钻杆6与透明模拟套管11之间环空内的压力。参见图7，显微镜251设置在滑板19上正对透明模拟套管11。高帧频相机25用于总体观测砂粒总体运动。粘度计236和PH计237设在测试容器235内。计算机26控制变速电机8、变量柱塞泵1及液压泵20，各测试装置采集的数据存储在计算机26中并由计算机进行处理。通过显微镜251观测套管表面的形貌，综合扭转负载以及启动时砂粒的旋转、滚动、平移等运动方式，通过高帧频相机25总体观测砂粒总体运动，通过扭矩传感器9分析钻杆旋转的砂阻，总体评估清砂效果。通过显微镜251与高帧频相机25同步原位观测清砂效果，同时与可调节的砂粒参数、转速参数、钻井液参数、井斜角参数同步，得到实时清砂图片与参数值对应标定。计算机26控制变速电机8的转速，结合转速传感器7和扭矩传感器9，得到钻杆旋转的优化参数。本发明的原位观测试验机100通过更换变量柱塞泵1和钻井液池231为相应的气体驱动和存储装置，可以用在气体钻井清砂试验研究。

本发明在试验时，打开泵入口阀24，变量柱塞泵1将钻井液从钻井液池231中吸入，经过节流阀2控制钻井液的流量，通过注入软管4上的流量计3计量通过的流量值；经过注入软管4与旋转接头5的静止端相连通，旋转接头5的旋转端与模拟中空钻杆6连接，钻井液注入模拟中空钻杆6中，通过射流清砂工具14和模拟钻头16进入钻井环空中，射流清砂工具14与模拟中空钻杆6通过螺纹连接，不同射孔直径、间距、射流角度的射流清砂工具14可以拆卸更换。模拟中空钻杆6与钻杆连接块12通过螺纹连接，用于连接多节模拟中空钻杆6，调整整个模拟中空钻杆6的长度。钻井液通过环空进入固定缸套10中，然后由出口软管21经过砂粒回收过滤网22和第二过滤网221进入钻井液池循环。计算机26控制变速电机8带动皮带802运动，通过张紧轮801和带轮803带动模拟中空钻杆6旋转。偏心调节块103与内部的橡胶密封轴承104过盈配合连接，橡胶密封轴承104与模拟中空钻杆6也过盈配合连接，橡胶密封轴承104实现钻井液循环过程的密封。通过上下调节偏心调节螺栓106可以调整偏心调节块103的上下位移，实现模拟中空钻杆6的上下偏心度调节。滑板19在导板191上的相对运动，同时通过滑板固定螺栓193和滑板固定螺母192进行固定，实现加砂口15位置在环空中相对位置的变化；运动过程中，套管左端滑动密封柱塞107和透明模拟套管11通过螺纹连接一体，在固定缸套10中密封滑动；同时不同尺寸、形貌、硬度、密度等特征的砂粒152通过加砂口15进入环空，通过加砂口配料截止阀151实现钻井液23的密封；通过液压泵20加压注入液压油进入液压缸202，使带球形铰接头的柱塞203在液压缸202中的位置进行调节，同时采用背压阀201来实现固定作用；带球形铰接头的柱塞203上端与导板19之间通过球形铰接相连接固定，实现相关的井斜角参数的调节和控制；滑板19在导板191上的相对运动，同时通过滑板固定螺栓193和滑板固定螺母192的固定，实现加砂口15位置在环空中相对位置的变化；透明模拟套管11运动过程中，与左端的滑动密封柱塞107一起在固定缸套10中密封滑动。不同尺寸、形貌、硬度、密度等特征的砂粒通过加砂口15进入环空，在环空中形成不同的砂沉积形式，通过加砂口配料截止阀151实现钻井液23的密封。流量计3、粘度计236、PH计237、钻杆内压力表13、清砂前端环空压力表131、清砂后端环空压力表132、扭矩传感器9、转速传感器7、显微镜251、高帧频相机25、计算机26进行数据采集与处理；同时通过计算机26控制变量柱塞泵1、变速电机8、液压泵20的动作。钻井液在试验中选择普通的钻井液外，可选择用清水、聚合物溶液、乳液、纳米粒子液体、表面活性剂等调配来进行优化钻井液清砂性质，通过粘度计236和PH计237测试以及密度计算后，通过钻井液配料加入口15加入调配钻井液，通过配料截止阀232封闭。同时对砂粒的大小、外观形貌、硬度、密度等作为参数进行不同砂粒特性的清除与模拟套管的摩擦磨损特性研究。

由上所述，本发明可以模拟钻井过程中不同的钻井液压力、流量、密度、粘度、酸碱度条件、钻井转速、不同井斜角、不同钻井扭矩、不同钻杆偏心度、不同射流清砂孔参数。采集相关的钻井和砂粒清除过程参数并加以分析，研究套管的摩擦磨损和钻井液的清砂特性，将其应用于现场，提高经济效益，防止钻井事故的发生。该试验机结构简单，原理清晰，操作方便。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (11)

1.一种模拟钻井清砂过程原位观测试验机，其特征在于，所述原位观测试验机包括：

底板，所述底板沿一纵向延伸，所述底板的后端与基座铰接，所述基座固定设置，所述底板与一倾斜角驱动装置连接，所述倾斜角驱动装置能驱动所述底板绕所述基座转动；

滑板，所述滑板沿所述底板纵向滑动的设置在所述底板上部，并通过固定装置与所述底板之间相对固定；

透明模拟套管，所述透明模拟套管的轴向与所述底板的纵向平行，通过固定支撑座支撑于所述滑板上；所述透明模拟套管的圆周侧壁上设有与其内部连通的加砂口；

固定缸套，所述固定缸套与所述透明模拟套管前端滑动套接设置，通过固定支撑座支撑于所述底板上；所述固定缸套的圆周侧壁设有钻井液排出口；

模拟中空钻杆，所述模拟中空钻杆上螺纹连接有射流清砂工具，所述模拟中空钻杆密封穿过所述固定缸套伸入到所述透明模拟套管内，所述射流清砂工具位于所述透明模拟套管内；所述模拟中空钻杆的前端连接一旋转接头，所述旋转接头通过高度调节支撑座支撑在所述底板上；

钻杆旋转驱动机构，所述钻杆旋转驱动机构设置在所述底板上，并与所述模拟中空钻杆传动连接，驱动所述模拟中空钻杆沿其轴线旋转；

钻井液循环控制装置，所述钻井液循环控制装置通过注入软管与所述旋转接头连通进而与所述模拟中空钻杆连通；所述钻井液循环控制装置通过出口软管与所述钻井液排出口连接；

数据采集处理装置，所述数据采集处理装置存储和处理采集的数据，同时控制钻杆旋转驱动机构、倾斜角驱动装置和钻井液循环控制装置。

2.如权利要求1所述的模拟钻井清砂过程原位观测试验机，其特征在于，所述倾斜角驱动装置包括液压泵，所述液压泵通过管路连通液压缸，所述管路上设有从所述液压泵至液压缸单向导通的背压阀；所述液压缸设置在所述底板的下方，所述液压缸中的柱塞杆上端通过球形铰与所述底板的下部铰接。

3.如权利要求1所述的模拟钻井清砂过程原位观测试验机，其特征在于，所述底板上部沿其纵向设有一T形槽，所述滑板的下部设有与所述T形槽配合的T形滑块，所述滑板的两端分别设有固定螺栓，所述固定螺栓的螺栓头位于所述T形槽内，所述固定螺栓穿过所述滑板与固定螺母连接。

4.如权利要求1所述的模拟钻井清砂过程原位观测试验机，其特征在于，所述透明模拟套管前端开口、后端封闭，且其前端的圆周侧壁外部螺纹连接有套管滑动密封柱塞；所述固定缸套密封滑动套设在所述套管滑动密封柱塞外部。

5.如权利要求1所述的模拟钻井清砂过程原位观测试验机，其特征在于，所述固定缸套的前端固定设有钻杆偏心调节机构，所述固定缸套的前端具有一前端面，所述前端面设有一凹陷部，所述凹陷部内设有供所述模拟中空钻杆穿过的第一长孔；

所述钻杆偏心调节机构包括一偏心调节块，所述偏心调节块设置在所述凹陷部内与所述凹陷部的形状配合，能在所述凹陷部内上下滑动；所述偏心调节块上设有一通孔，所述通孔中过盈配合连接一橡胶密封轴承，所述模拟中空钻杆穿过所述橡胶密封轴承且与其过盈配合；

所述固定缸套的前端面固定连接有一固定板，所述固定板盖设在所述凹陷部上，将所述偏心调节块、所述橡胶密封轴承固定在所述凹陷部内；所述固定板上设有供所述模拟中空钻杆穿过的第二长孔；

所述固定缸套的圆周侧壁设有一与所述凹陷部相通的螺纹通孔，所述螺纹通孔内螺纹连接一偏心调节螺栓，所述偏心调节螺栓的一端伸入到所述凹陷部内并止挡在所述偏心调节块上；所述模拟中空钻杆穿过所述固定板、橡胶密封轴承、固定缸套的前端面，通过橡胶密封轴承转动支撑在所述偏心调节块上。

6.如权利要求1所述的模拟钻井清砂过程原位观测试验机，其特征在于，所述高度调节支撑座包括下支撑座，所述下支撑座底部固定在所述底板上，所述下支撑座具有一向上延伸的螺纹杆，所述螺纹杆上套设连接一旋转接头支撑块，所述旋转接头支撑块下方的螺纹杆上螺纹连接一锁紧螺母；所述旋转接头通过接头固定螺栓固定在所述旋转接头支撑块上。

7.如权利要求1所述的模拟钻井清砂过程原位观测试验机，其特征在于，所述钻杆旋转驱动机构包括变速电机，所述变速电机固定在所述底座上，其电机轴上固定有一第一带轮；所述模拟中空钻杆上同轴固定一第二带轮，所述第一带轮与所述第二带轮之间通过皮带传动连接，所述第一带轮与所述第二带轮之间还设有张紧轮。

8.如权利要求1至7中任一项所述的模拟钻井清砂过程原位观测试验机，其特征在于，所述钻井液循环控制装置包括变量柱塞泵和钻井液池，所述变量柱塞泵和钻井液池连通，且两者之间设有泵入口阀；

所述旋转接头包括静止端和旋转端，所述旋转端相对所述静止端转动，所述旋转接头整体密封，其内部设有贯通所述静止端和旋转端的钻井液流动通道；所述静止端固定在所述高度调节支撑座上，所述变量柱塞泵通过所述注入软管与所述静止端连通；所述旋转端与所述模拟中空钻杆的前端固定连接，所述钻井液流动通道与所述模拟中空钻杆连通；

所述钻井液池通过所述出口软管与所述钻井液排出口连接。

9.如权利要求8所述的模拟钻井清砂过程原位观测试验机，其特征在于，所述注入软管上设有节流阀；所述钻井液池中设有上下两层设置的沙粒回收过滤网和第二过滤网；所述钻井液池还连通有钻井液配料加入口、测试容器；所述钻井液配料加入口与钻井液池之间设有配料截止阀；所述测试容器与钻井液池之间设有测试容器截止阀。

10.如权利要求9所述的模拟钻井清砂过程原位观测试验机，其特征在于，所述数据采集处理装置包括：

流量计，所述流量计设置在所述注入软管上；

转速传感器，所述转速传感器设置在所述模拟中空钻杆上；

扭矩传感器，所述扭矩传感器设置在所述模拟中空钻杆上；

钻杆内压力表，用于测量所述模拟中空钻杆内的压力；

清砂前端环空压力表，用于测量所述射流清砂工具前方模拟中空钻杆与透明模拟套管之间环空内的压力；

清砂后端环空压力表，用于测量所述射流清砂工具后方模拟中空钻杆与透明模拟套管之间环空内的压力；

显微镜，所述显微镜设置在所述滑板上正对所述透明模拟套管；

高帧频相机，用于总体观测砂粒总体运动；

粘度计，所述粘度计设在所述测试容器内；

PH计，所述PH计设在所述测试容器内；

计算机，所述计算机控制所述变速电机、所述变量柱塞泵及所述液压泵，采集的数据存储在所述计算机中并由计算机进行处理。

11.如权利要求10所述的模拟钻井清砂过程原位观测试验机，其特征在于，所述加砂口处设有加砂口配料截止阀；所述透明模拟套管的后端螺纹密封连接一端盖。