CN105628600A - 用于评价深井钻井液的润滑性能的实验装置与实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于评价深井钻井液的润滑性能的实验装置及其实验方法，该装置主要包括：复合钻进实验系统，其包括旋转驱动机构、钻进驱动机构、钻杆、岩芯、加热机构和岩芯夹持器，岩芯和加热机构均设在岩芯夹持器内，旋转驱动机构和钻进驱动机构均用于驱动钻杆；钻井液供给系统，其为复合钻进实验系统提供动态钻井液；压力机构，连接在复合钻进实验系统的岩芯上，为钻杆与形成在岩芯表面的滤饼之间的摩擦钻进提供压力；和测试与计算单元，用于测试和计算滤饼与钻杆之间的滑动摩擦系数和钻井液的润滑系数。该装置能用于模拟深井工况，既能测定钻杆与岩芯表面滤饼之间的滑动摩擦系数，又能测定钻杆与岩芯表面滤饼之间的钻井液的润滑系数。

Description

用于评价深井钻井液的润滑性能的实验装置与实验方法

技术领域

本发明涉及一种油气田勘探与开发领域使用的实验装置，具体涉及一种用于评价深井钻井液的润滑性能的实验装置与实验方法。

背景技术

目前一般使用的润滑仪并不能同时具备测定钻杆与岩芯表面滤饼之间的滑动摩擦系数、钻杆与岩芯表面滤饼之间钻井液润滑系数，并且测试条件有限。例如，经常使用的EP极压润滑仪，只能测定常温常压条件下钻井液与套管之间的润滑系数，既不能设定高温高压的测试环境，也不能测定钻杆与岩芯表面滤饼之间的润滑系数，钻杆与岩芯表面滤饼或套管之间滑动摩擦系数的测定则更不能及；美国Magcobar泥浆公司设计的LEM系列润滑仪是在模拟钻井液动态循环条件下测定钻井液的润滑系数，并且将最大工作温度提高到150℃，最大工作压力提高到6.9MPa，但是仍也不具备测定钻杆与岩芯表面滤饼或套管之间的滑动摩擦系数的功能。滤饼粘附系数测定仪虽然可以在一定条件下测定钻井液在岩芯表面所形成滤饼的润滑系数，但是该仪器并未建立钻井液的动态循环过程，钻杆在滤饼表面的滑动与实际现场施工中真实情况有很大出入；其次，该设备不具备测定钻杆与滤饼或套管之间润滑系数的功能，且最大工作温度不超过150℃，最大工作压力不超过3.5Mpa，这都限制了测试条件，并影响测试参数的参考价值。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是，提供一种用于评价深井钻井液的润滑性能的实验装置，该实验装置能用于模拟深井工况，既能测定钻杆与岩芯表面滤饼之间的滑动摩擦系数，又能测定钻杆与岩芯表面滤饼之间的钻井液的润滑系数。

针对该问题的技术解决方案是，提供一种具有以下结构用于评价深井钻井液的润滑性能的实验装置，包括：

复合钻进实验系统，其包括旋转驱动机构、钻进驱动机构、钻杆、岩芯、加热机构和岩芯夹持器，其中，岩芯和加热机构均设在岩芯夹持器内，旋转驱动机构和钻进驱动机构均用于驱动钻杆；

钻井液供给系统，其为复合钻进实验系统提供动态的高压钻井液；

压力机构，连接在复合钻进实验系统的岩芯上，为钻杆与形成在岩芯表面的滤饼之间的摩擦钻进提供压力；和

测试与计算单元，用于测试和计算滤饼与钻杆之间的滑动摩擦系数和钻杆与岩芯表面滤饼之间钻井液的润滑系数。

与现有技术相比，本发明的用于评价深井钻井液的润滑性能的实验装置具有以下优点。加热机构和钻井液供给系统一起能够模拟深井钻井中的高温高压环境。且通过复合钻进实验系统可以模拟钻杆的滑动钻进和旋转钻进的复合钻进过程，通过测试与计算单元可以实现对钻杆与岩芯之间的滑动摩擦系数以及钻杆与岩芯之间的钻井液润滑系数的同时测定。因此，既能测定钻杆与岩芯表面滤饼之间的滑动摩擦系数，又能测定钻杆与岩芯表面滤饼之间的钻井液的润滑系数。另外，该实验装置将滑动钻进和旋转钻进进行了整合，减少了配置，与实际工况更接近。

在一个实施例中，所述钻杆的两端分别连接有夹持器保护套筒，两端的夹持器保护套筒与岩芯夹持器固定连接，夹持器保护套筒与钻杆动密封连接。此处设置的夹持器保护套筒对钻杆起到了支撑作用，保证钻杆的顺利钻进。另外，夹持器保护套筒与钻杆动密封连接能起到防止钻井液泄漏的作用。

在一个实施例中，所述压力机构包括活塞缸和为活塞缸提供压力的机械助力泵，其中，机械助力泵与活塞缸的无杆腔端连接，活塞缸的活塞杆穿过岩芯夹持器抵接岩芯为钻杆与形成在岩芯表面的滤饼之间的摩擦钻进提供压力。通过调节机械助力泵能调整活塞缸对岩芯的作用力，从而调整钻杆与形成在岩芯表面的滤饼之间的贴靠力或压力的大小。

在一个优选的实施例中，所述旋转驱动机构包括旋转电机，所述钻进驱动机构包括钻进电机。优选地，在旋转电机与钻杆之间连接有扭矩传感器，在步进电机与钻杆之间设有推力传感器。旋转电机和钻进电机对钻杆进行驱动，从而模拟钻杆的复合钻进。

在一个优选的实施例中，所述加热机构包括电加热套和用于调节电加热套的加热温度的控温仪。通过控温仪能够调整电加热套的加热温度，从而方便控制复合钻进实验系统内的温度。

在一个实施例中，所述钻井液供给系统包括进液通道和回液通道。钻井液从进液通道进入复合钻进实验系统，然后从回液通道流出。因此，能保证复合钻进实验系统内有动态的钻井液。

在一个实施例中，所述进液通道上设有储液罐和高压泵，所述储液罐内设有对钻井液进行搅拌的搅拌器，所述高压泵将储液罐内的钻井液运送到复合钻进实验系统。设置的搅拌器能对储液罐内的钻井液进行搅拌，从而保证在不同时间流出储液罐的钻井液的性能比较均匀。高压泵抽取储液罐内的常压钻井液后，向复合钻进实验系统输出高压的钻井液。

在一个实施例中，所述回液通道上设有降温降压机构和输送泵，其中，降温降压机构与复合钻进实验系统的出液口连接，输送泵与储液罐连接。出液口流出的钻井液经降温降压机构处理后，经输送泵运送到储液罐。这有利于钻井液被循环利用。

本发明还涉及一种用于评价深井钻井液的润滑性的方法，其采用上述的用于评价深井钻井液的润滑性能的实验装置，并包括以下步骤：

钻井液供给系统的进液通道上设有高压泵，高压泵将钻井液运送到复合钻进实验系统的环空管路中；

待环空管路充满钻井液，调节进液通道上的钻井液的流量和压力，调节加热机构使复合钻进实验系统内的钻井液的温度到预定值；

待钻井液在岩芯表面形成稳定厚度的滤饼后，通过压力机构向岩芯施加预定压力；

启动旋转驱动机构与步进驱动机构，使钻杆在岩芯加持器中做旋转与滑动的复合钻进运动；

通过测试与计算单元分别记录钻杆与滤饼之间的动摩擦力和钻杆的扭矩，计算得到钻杆与滤饼之间的滑动摩擦系数和钻井液的润滑系数。

在一个实施例中，在实验过程中，所述复合钻进实验系统能承受的工作温度不低于260℃，能承受的工作压力不低于40MPa。这样的复合钻井实验系统能够模拟深井的高温高压工况，例如模拟深井的工况为温度在250℃、压力在35MPa。

附图说明

图1所示是本发明的用于评价深井钻井液的润滑性能的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。

图1示出了根据本发明的用于评价深井钻井液的润滑性能的实验装置的一种具体实施例。在该实施例中，该实验装置主要包括复合钻进实验系统、钻井液供给系统、压力机构以及测试与计算单元。在下面的实施例中，该复合钻进实验系统耐受的温度在260℃以上，该复合钻进实验系统耐受的压力在40MPa以上。因此，该复合钻进实验系统能很好地适用于模拟深井钻井中的高温高压工况。

在本实施例中，钻井液供给系统与复合钻进实验系统连接为复合钻进实验系统提供动态的高压钻井液。此处的动态指的是在复合钻进实验系统的钻井液的入口不断有新的钻井液钻入，而进入复合钻进实验系统的钻井液不断地从钻井液的出口流出，从而形成一个动态过程。

在一个实施例中，压力机构连接在复合钻进实验系统的岩芯8上，为钻杆9与滤饼之间的摩擦钻进提供贴靠力或压力。在岩芯8与钻杆9之间留有供钻井液流动的环形空间，钻井液进入该空间时在岩芯8的表面形成滤饼。在做摩擦钻进实验时，滤饼是已形成在岩芯8的表面。换句话说，压力机构用于推动岩芯8与钻杆9发生贴靠，并可调控岩芯8与钻杆9之间的贴靠力或正压力的大小，为钻杆9在已形成滤饼的岩芯8的表面发生滑动产生摩擦提供必要条件。

另外，测试与计算单元，用于测试和计算滤饼与钻杆9之间的滑动摩擦系数和滤饼与钻杆9之间的钻井液的润滑系数。

在一个实施例中，复合钻进实验系统主要包括旋转驱动机构12、钻进驱动机构11、钻杆9、岩芯8、加热机构和岩芯夹持器7。其中，岩芯8和加热机构均设在岩芯夹持器7内，加热机构为钻杆9与岩芯8表面的滤饼之间的复合钻进提供高温的环境。尤其是，加热机构可以直接对岩芯8进行加热。另外，旋转驱动机构12和钻进驱动机构11均用于驱动钻杆9，旋转驱动机构12和钻进驱动机构11均位于岩芯夹持器7外部，连接在钻杆9的一端，使得钻杆9做旋转钻进与滑动钻进复合的复合钻进运动。在一个优选的实施例中，该旋转驱动机构12采用旋转电机。钻进驱动机构11采用步进电机。

在一个实施例中，测试与计算单元主要包括测试单元和计算显示单元22。其中测试单元主要包括用于测试旋转电机的扭矩的扭矩传感器14和用于测试步进电机对钻杆9的推动力的推力传感器13。优选地，扭矩传感器14和推力传感器13均连接到计算显示单元22。

在一个实施例中，钻杆9的两端分别由一个夹持器保护套筒10支撑。设在岩芯夹持器7的两侧的夹持器保护套筒10与岩芯夹持器7固定连接。优选地，两侧的夹持器保护套筒10均与钻杆9形成动密封连接。这样的结构，使得在钻杆9做复合钻井的过程中，钻井液不容易从钻杆9的两端泄漏。优选地，夹持器保护套筒10采用耐高压的材质制成。

在一个实施例中，为钻杆9与滤饼的摩擦钻进提供贴靠力或压力的压力机构主要包括活塞缸20和为活塞缸20提供压力的机械助力泵21。其中，机械助力泵21与活塞缸20的无杆腔端连接，将流体压入活塞缸20的无杆腔，在流体压力的作用下穿过岩芯夹持器7抵接到岩芯8上的活塞缸20的活塞杆使得岩芯8紧贴向钻杆9，从而为钻杆9与形成在岩芯8的表面的滤饼之间的摩擦钻进提供贴靠力或压力。

在一个实施例中，为复合钻进实验系统提供动态钻井液的钻井液供给系统，其主要包括进液通道6和回液通道23。

在一个优选的实施例中，进液通道6上设有储液罐1和高压泵2。高压泵2将储液罐1内的钻井液通过管线运送到复合钻进实验系统。在一个优选的实施例中，为了防止钻井液中的固相组分或添加物沉淀，在储液罐1内设有对钻井液进行搅拌的搅拌器2。优选地，在进液通道6的管路上设有用于测量高压泵2输出的钻井液的压力的压力传感器4和用于测量管线中的流量的流量计3。

在一个优选的实施例中，流量计3和压力传感器4也均连接到计算显示单元22进行显示。

在一个优选的实施例中，回液通道23上设有降温降压机构15和输送泵16。其中，降温降压机构15与复合钻进实验系统的出液口连接。此处的降温降压机构15既可以是一个器件，也可以是多个器件的组合，该组合整体能起到降温降压的作用。

在一个实施例中，输送泵16的一端连接降温降压机构15，其另一端连接到储液罐1。输送泵16将出液口出来的经过降温降压机构15降温降压的钻井液运送回储液罐1，从而使进液通道6和回液通道23形成钻井液的循环供给系统，使得钻井液能被循环利用。

在一个优选的实施例中，加热机构包括电加热套17和控温仪19。另外，电加热套17连接有温度传感器18。温度传感器18和控温仪19一起对电加热套17的加热温度进行控制。优选地，与电加热套17连接的温度传感器18和控温仪19也连接到计算显示单元22。

本发明还涉及用于评价深井钻井液的润滑性能的实验方法，其采用本发明的用于评价深井钻井液的润滑性能的实验装置，并包括以下步骤：

启动高压泵5将钻井液运送到复合钻进实验系统的环空管路中；

待环空管路充满钻井液，调节进液通道上的钻井液的流量和压力，调节加热机构使复合钻进实验系统内的钻井液的温度到预定值；

待钻井液在岩芯表面形成稳定厚度的滤饼后，通过压力机构向岩芯8施加预定压力；

启动旋转驱动机构12与步进驱动机构11，使钻杆9在岩芯加持器7中做旋转与滑动的复合钻进运动；

通过推力传感器13和扭矩传感器14分别记录钻杆9与滤饼之间的动摩擦力和钻杆9的扭矩，计算得到钻杆9与滤饼之间的滑动摩擦系数以及钻杆9与滤饼之间的钻井液的润滑系数。

在一个优选的实施例中，为了在实验过程中模拟不同温度和压力的深井钻井作业，复合钻进实验系统能承受的工作温度不低于260℃，能承受的工作压力不低于40MPa。这样该复合钻进实验系统最高能模拟260℃、40MPa的深井钻井过程。

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 (10)

1.一种用于评价深井钻井液的润滑性能的实验装置，包括：

复合钻进实验系统，其包括旋转驱动机构、钻进驱动机构、钻杆、岩芯、加热机构和岩芯夹持器，其中，岩芯和加热机构均设在岩芯夹持器内，旋转驱动机构和钻进驱动机构均用于驱动钻杆；

钻井液供给系统，其为复合钻进实验系统提供动态的高压钻井液；

压力机构，连接在复合钻进实验系统的岩芯上，为钻杆与形成在岩芯表面的滤饼之间的摩擦钻进提供压力；和

测试与计算单元，用于测试和计算滤饼与钻杆之间的滑动摩擦系数和钻杆与滤饼之间钻井液的润滑系数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述钻杆的两端分别连接有夹持器保护套筒，两端的夹持器保护套筒与岩芯夹持器固定连接，夹持器保护套筒与钻杆动密封连接。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述压力机构包括活塞缸和为活塞缸提供压力的机械助力泵，其中，机械助力泵与活塞缸的无杆腔端连接，活塞缸的活塞杆穿过岩芯夹持器抵接岩芯为钻杆与形成在岩芯表面的滤饼之间的摩擦提供压力。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的装置，其特征在于，所述旋转驱动机构包括旋转电机，所述钻进驱动机构包括钻进电机，优选地，在旋转电机与钻杆之间连接有扭矩传感器，在步进电机与钻杆之间设有推力传感器。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的装置，其特征在于，所述加热机构包括电加热套和用于调节电加热套的加热温度的控温仪。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的装置，其特征在于，所述钻井液供给系统包括进液通道和回液通道。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的装置，其特征在于，所述进液通道上设有储液罐和高压泵，所述储液罐内设有对钻井液进行搅拌的搅拌器，所述高压泵将储液罐内的钻井液运送到复合钻进实验系统。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述回液通道上设有降温降压机构和输送泵，其中，降温降压机构与复合钻进实验系统的出液口连接，输送泵与储液罐连接。

9.一种用于评价深井钻井液的润滑性能的实验方法，采用权利要求1～8中任一项所述的装置，并包括以下步骤：

钻井液供给系统的进液通道上设有高压泵，高压泵将钻井液运送到复合钻进实验系统的环空管路中；

待环空管路充满钻井液，调节进液通道上的钻井液的流量和压力，调节加热机构使复合钻进实验系统内的钻井液的温度到预定值；

待钻井液在岩芯表面形成稳定厚度的滤饼后，通过压力机构向岩芯施加预定压力；

启动旋转驱动机构与步进驱动机构，使钻杆在岩芯加持器中做旋转与滑动的复合钻进运动；

通过测试与计算单元分别记录钻杆与滤饼之间的动摩擦力和钻杆的扭矩，计算得到钻杆与滤饼之间的滑动摩擦系数以及钻杆与滤饼之间的钻井液的润滑系数。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在实验过程中，所述复合钻进实验系统能承受的工作温度不低于260℃，能承受的工作压力不低于40MPa。