CN106948758A - 定向钻井过程模拟实验装置 - Google Patents

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    • E21B7/04—Directional drilling

Abstract

本发明提供了一种定向钻井过程模拟实验装置，属于石油工程领域，能够完成实钻工况下钻柱静态屈曲实验研究、钻柱动力学行为实验研究，工况参数对钻进趋势影响规律研究、钻具组合性能评价及优化研究、新型导向工具设计及功能特征研究等研究目标，实现井下各因素联合作用下钻井过程模拟及研究的目的。该定向钻井过程模拟实验装置包括底座，底座上可转动地架设有控制轴，控制轴可偏摆地连接有调节面板，控制轴和调节面板的偏摆轴相对设置；调节面板中部设置有偏摆单元，所述偏摆单元包括用于控制调节面板偏摆角度的偏摆轨道，偏摆轨道内设置有可与偏摆轨道配合的偏摆控制件，偏摆控制件固定于控制轴上。

Description

定向钻井过程模拟实验装置
技术领域
本发明涉及石油工程领域，尤其涉及石油工程实验设备领域,具体涉及一种定向钻井过程模拟实验装置。
背景技术
定向钻井技术是当前开发常规与非常规油气资源的最主要技术，定向井轨迹预测、控制是实现该技术的关键问题。由于定向井钻进过程中，钻进趋势受到已有井眼形状、钻具组合、钻头特征、所钻地层性质、已钻井眼空间形态等多种因素的综合影响，使得定向井钻进趋势精确预测与控制成为定向井领域面临的难点。现有钻进趋势预测方法多局限性的考虑了影响定向井轨迹的单个因素或个别几个因素，预测出的结果多与现场钻进效果存在较大差异。现有轨迹控制方法均基于轨迹预测，控制效果与预想差异明显的问题常有发生。开展多因素下定向井轨迹控制过程及各因素对轨迹影响规律和影响机制研究对定向井轨迹预测、定向井轨迹控制、井下钻具设计及调整均具有重要意义。
作为基础研究方法的实验研究方法因其直观性、客观性的特点而成为最受关注手段，研发能够满足上述需求的实验装置成为急需解决的问题。然而，已有实验装置局限性的将轨迹趋势影响因素限定为钻具组合或者钻头，未能全面引入实钻工况中的其他各个因素，导致所获得的规律亦不能广泛的揭示实钻时轨迹的各种变化规律。因此，亟需研制出一套可揭示不同因素对井眼钻进趋势的影响机制、展示多因素协同作用下井眼延伸形态变化规律的定向钻井过程模拟实验装置。以满足钻井科学研究过程中，定向井不同钻具组合改变井眼趋势的机理研究，地质因素及钻进参数对轨迹控制效果影响研究，及综合考虑各因素情况下，井眼趋势的变化规律等研究的需要。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种定向钻井过程模拟实验装置，该装置能够完成实钻工况下钻柱静态屈曲实验研究、钻柱动力学行为实验研究，工况参数对钻进趋势影响规律研究、钻具组合性能评价及优化研究、新型导向工具设计及功能特征研究等研究目标，实现井下各因素联合作用下钻井过程模拟及研究的目的。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：定向钻井过程模拟实验装置,包括底座，底座上可转动地架设有控制轴，控制轴可偏摆地连接有调节面板，控制轴和调节面板的偏摆轴相对设置；
所述调节面板中部设置有偏摆单元，所述偏摆单元包括用于控制调节面板偏摆角度的偏摆轨道，偏摆轨道内设置有可与偏摆轨道配合的偏摆控制件，偏摆控制件固定于控制轴上；
所述调节面板上部设置有钻进状态控制单元,钻进状态控制单元一端连接模拟钻柱，模拟钻柱外部套设有模拟井筒，模拟钻柱和模拟井筒的下端连接模拟地层，所述模拟井筒的下端还连接有侧向力施加单元，所述模拟地层一侧连接有地层受力测试单元。
进一步的，所述钻进状态控制单元包括设置于所述调节面板表面的电机提升轨道，电机提升轨道上设置有用于带动模拟钻柱旋转的电机，电机上部设置有钻压施加器，钻压施加器一侧连接有钻压控制器，电机一侧还连接有电机转速控制器。
进一步的，所述模拟井筒上端设置有井筒定位总成，所述模拟井筒下端设置有井筒曲率调节总成，所述调节面板表面还设置有可滑动上述井筒曲率调节总成的井筒曲率调节轨道。
进一步的，所述地层受力测试单元包括与模拟地层连接的受力测试仪和与受力测试仪连接的受力显示器，设置于所述井筒曲率调节轨道下方用于滑动上述模拟地层的位置调节轨道和姿态调节轨道；所述模拟地层上设置有配合上述位置调节轨道和姿态调节轨道的位置调节滑道和姿态调节滑道。
进一步的，所述模拟地层上位置调节滑道和姿态调节滑道的两端设置有位置调节总成和姿态调节总成。
优选的，所述井筒曲率调节轨道、位置调节轨道和姿态调节轨道均为圆弧形轨道，圆弧的圆心位于调节面板中部。
进一步的，所述侧向力施加单元包括用于施加侧向力的磁性施力体和与磁性施力体连接的角度测试器。
进一步的，所述调节面板中心通过安装销钉安装于控制轴中部并且所述调节面板以安装销钉为轴进行偏摆，所述偏摆轨道为以安装销钉为圆心的半圆弧形轨道。
进一步的，所述控制轴的一端或两端设置有用于定位控制轴的定位件。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、本发明的定向钻井过程模拟实验装置可在室内定性及定量的研究定向井不同钻具组合改变井眼趋势的机理，地质因素及钻进参数对轨迹控制效果影响规律，及综合考虑各因素情况下井眼趋势的变化规律特征，实验效果好，模拟程度高；
2、本发明的定向钻井过程模拟实验装置可以通过简单的操作及改变，为新型定向工具原理的验证及结构的优化提供设备设备保证，可操作性强；
3、本发明的定向钻井过程模拟实验装置整体占用空间小，功能齐全，安装及使用方便，维修简单，安全性好，成本低，能够满足长时间定向钻井过程演示及研究的要求。
附图说明
图1为定向钻井过程模拟实验装置一实施例的结构示意图；
图2为定向钻井过程模拟实验装置的底座和调节面板连接示意图；
以上各图中：
1.调节面板；11.偏摆单元；111.偏摆轨道；112.偏摆控制件；12.钻进状态控制单元；121.电机提升轨道；122.电机；123.钻压施加器；124.钻压控制器；125.电机转速控制器；13.模拟钻柱；14.模拟井筒；15.井筒定位总成；16.井筒曲率调节总成；17.模拟地层；171.位置调节总成；172.姿态调节总成；173.位置调节滑道；174.姿态调节滑道；18.侧向力施加单元；181.磁性施力体；182.角度测试器；183.井筒曲率调节轨道；19.地层受力测试单元；191.受力测试仪；192.位置调节轨道；193.姿态调节轨道；
2.底座；3.控制轴；4.安装销钉；5.定位件。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，调节面板在图1中为竖直方向；术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于图1所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1，图1是定向钻井过程模拟实验装置一实施例的结构示意图。如图1所示,定向钻井过程模拟实验装置包括底座2，底座2上可转动地架设有控制轴3，控制轴3可偏摆地连接有调节面板1，控制轴3和调节面板1的偏摆轴相对设置；调节面板1中部设置有偏摆单元11，所述偏摆单元11包括用于控制调节面板偏摆角度的偏摆轨道111，偏摆轨道内111设置有可与偏摆轨道111配合的偏摆控制件112，偏摆控制件112固定于控制轴3上。
由于控制轴3可旋转，控制轴3旋转时带动调节面板1进行绕控制轴3旋转，实现调节面板1的空间姿态调整。同时，在控制轴3旋转到一定位置固定后，调节面板1可在相应平面内进行偏摆，偏摆轴与控制轴是空间上相对的，为了保证实验效果，调节面板1上设置有偏摆单元11，偏摆单元11能够控制调节面板1在一定的偏摆角度内进行偏摆，通过偏摆控制件112和偏摆轨道111的配合，实现调节空间姿态的调节面板1偏摆位置的锁定，从而实现高度模拟定向钻井过程，保证实验效果的有效性，在综合考虑各项因素的前提下，在室内定性及定量研究不同钻具组合改变井眼趋势的机理。
为了能够顺利进行上述实验，继续参见图1，调节面板1上部设置有钻进状态控制单元12,钻进状态控制单元12一端连接模拟钻柱13，模拟钻柱13外部套设有模拟井筒14，模拟钻柱13和模拟井筒14的下端连接模拟地层17，所述模拟井筒14的下端还连接有侧向力施加单元18，所述模拟地层17一侧连接有地层受力测试单元19。通过上述设置，在上述调节面板1可调节的基础上，钻进状态控制单元12控制模拟钻柱13的钻进状态，侧向力施加单元18施加侧向力，模拟钻柱13下端与模拟地层17直接接触，模拟钻头的破岩过程。通过地层受力测试单元19测试受力情况，上述操作单元相互配合，通过简单的操作和状态改变，可以验证新型定向工具原理，优化结构，同时可长时间演示和研究定向钻井过程。
作为优选的实施例，模拟井筒14为透明圆管，材料为有机玻璃，安装于调节面板1上，可在调节面板1平面上实现沿平面的任意曲率弯曲；模拟钻柱13为实际钻具组合的等比例缩小，材料为ABS工程塑料，具体实验过程中，根据研究或演示的具体需要，可以根据调节模拟钻柱13的具体的结构以及材料。
作为优选的实施例，模拟地层17的具体为材质可以为均匀的或者带有不同层理、不同层理角度的岩石块或者水泥块等材料，用来模拟均匀地层、非均匀地层及带有倾角地层工况，具体实验过程中可以根据实验需要，替换为模拟地层程度高的材料。
继续参见图1，钻进状态控制单元12包括设置于调节面板1表面的电机提升轨道121，电机提升轨道121上设置有用于带动模拟钻柱13旋转的电机122，电机122上部设置有钻压施加器123，钻压施加器123一侧连接有钻压控制器124，电机122一侧还连接有电机转速控制器125。电机122设置于电机提升轨道121上，可通过电机提升轨道121相对于调节面板1进行上下活动，钻压施加器123用于为模拟钻柱13施加钻压，钻压控制器124用于控制钻压施加器123施加钻压的大小，电机122可带动模拟钻柱13进行旋转，电机转速控制器125可以控制电机122的转速和扭矩的大小。上述装置的设置可以保证模拟实验过程中，通过改变最为关键的两个实验参数来控制钻进状态，完成钻井过程的模拟和研究。
具体的，钻压和转速是最关键的两个实验参数。转速Ω和钻压P的相似变换式为：
式中：cΩ为实验装置和实际工况的转速比；cw为实验装置和实际工况的轴向力之比；cl为实验装置和实际工况的几何尺寸比；cE为实验装置和实际工况的弹性模量比；cρ为实验装置和实际工况的密度比；Ωm为实验装置转速；Ω为实际工况转速；Pm为实验装置钻压；P为实际工况钻压。
继续参见图1，模拟井筒14上端设置有井筒定位总成15，模拟井筒14下端设置有井筒曲率调节总成16，调节面板1表面还设置有可滑动上述井筒曲率调节总成16的井筒曲率调节轨道183。井筒定位总成15和井筒曲率调节总成16共同作用，控制模拟井筒14，优选的，模拟井筒14固定于调节面板表面，井筒曲率调节总成16位于井筒曲率调节轨道183上活动，从而实现模拟井筒14的弯曲程度的调节。
继续参见图1，地层受力测试单元19包括与模拟地层连接的受力测试仪191和与受力测试仪191连接的受力显示器，地层受力测试单元19还包括设置于所述井筒曲率调节轨道183下方用于滑动上述模拟地层17的位置调节轨道192和姿态调节轨道193，所述模拟地层17上设置有配合上述位置调节轨道192和姿态调节轨道193的位置调节滑道173和姿态调节滑道174。优选的，所述模拟地层17上位置调节滑道173和姿态调节滑道174的两端设置有位置调节总成171和姿态调节总成172。通过调节总成的控制，模拟地层17可沿位置调节轨道192和姿态调节轨道193进行滑动和锁定，模拟地层17安装于受力测试仪191的测力传感器之间，能够及时地测试模拟地层17的受力情况并进行显示和统计，获取数据高效，实验操作简便。
作为优选的实施例，井筒曲率调节轨道183、位置调节轨道192和姿态调节轨道193均为圆弧形轨道，圆弧的圆心位于调节面板中部，通过上述操作可以模拟地层钻进的常规状态。
继续参见图1，所述侧向力施加单元18包括用于施加侧向力的磁性施力体181和与磁性施力体181连接的角度测试器182。本发明的侧向力施加单元18安装于模拟钻柱13的钻头上部，安装在模拟井筒14外部，通过与模拟钻柱13中的磁性短接作用，产生不同性质的侧向作用力。
作为最优选的实施例，结合图2所示，图2为定向钻井过程模拟实验装置的底座和调节面板连接示意图，调节面板1的中心通过安装销钉4安装于控制轴中部并且所述调节面板1可以安装销钉4为轴进行偏摆。通过上述设置，调节面板1不仅可以以控制轴3为轴进行旋转，还可以安装销钉4为轴进行偏摆旋转。在最优选的实施例中，偏摆轨道111为以安装销钉4为圆心的半圆弧形轨道，通过该设置，可控制调节面板1的偏摆在左右各90°的范围内进行偏摆，并通过偏摆控制件112进行偏摆位置的锁定。具体的实验装置中，偏摆控制件112可以为偏摆控制销，但是可以理解的是，上述安装销钉4和偏摆控制件112可以为本领域常用的其它固定件，例如铆钉，螺钉等。
进一步结合图2，为了固定控制轴3的旋转角度，所述控制轴3的一端或两端设置有用于定位控制轴的定位件5，具体的，所述的定位件5位定位销钉，但是可以理解的是，其它的用于固定控制轴的固定件例如铆钉、螺钉等也可以用于此处。通过定位件5的使用，可以使得调节面板1能够固定在一定位置，方便实验的进行。
综上所述，本发明的定向钻井过程模拟实验装置，底座2与调节面板1配合进行空间姿态调整，调节面板1上的各个实验单元配合进行模拟实验，能够完成实钻工况下钻柱静态屈曲实验研究、钻柱动力学行为实验研究，工况参数对钻进趋势影响规律研究、钻具组合性能评价及优化研究、新型导向工具设计及功能特征研究等研究目标，实现井下各因素联合作用下钻井过程模拟及研究的目的。该装置整体占用空间小，功能齐全，维修简单，安全性好且成本较低，能够演示和研究长时间的定向钻井过程。

Claims (9)

1.定向钻井过程模拟实验装置，其特征在于，包括底座(2)，底座(2)上可转动地架设有控制轴(3)，控制轴(3)可偏摆地连接有调节面板(1)，控制轴(3)和调节面板(1)的偏摆轴相对设置；
所述调节面板(1)中部设置有偏摆单元(11)，所述偏摆单元(11)包括用于控制调节面板(1)偏摆角度的偏摆轨道(111)，偏摆轨道(111)内设置有可与偏摆轨道(111)配合的偏摆控制件(112)，偏摆控制件(112)固定于控制轴(3)上；
所述调节面板(1)上部设置有钻进状态控制单元(12),钻进状态控制单元(12)一端连接模拟钻柱(13)，模拟钻柱(13)外部套设有模拟井筒(14)，模拟钻柱(13)和模拟井筒(14)的下端连接模拟地层(17)，所述模拟井筒(14)的下端还连接有侧向力施加单元(18)，所述模拟地层(17)一侧连接有地层受力测试单元(19)。
2.根据权利要求1所述的定向钻井过程模拟实验装置，其特征在于，所述钻进状态控制单元(12)包括设置于调节面板(1)表面的电机提升轨道(121)，电机提升轨道(121)上设置有用于带动模拟钻柱(13)旋转的电机(122)，电机(122)上部设置有钻压施加器(123)，钻压施加器(123)一侧连接有钻压控制器(124)，电机一侧还连接有电机转速控制器(125)。
3.根据权利要求1所述的定向钻井过程模拟实验装置，其特征在于，所述模拟井筒(14)上端设置有井筒定位总成(15)，所述模拟井筒(14)下端设置有井筒曲率调节总成(16)，所述调节面板(1)表面还设置有可滑动上述井筒曲率调节总成(16)的井筒曲率调节轨道(183)。
4.根据权利要求1所述的定向钻井过程模拟实验装置，其特征在于，所述地层受力测试单元(19)包括与模拟地层(17)连接的受力测试仪(191)和与受力测试仪(192)连接的受力显示器，以及设置于所述井筒曲率调节轨道(183)下方用于滑动上述模拟地层(17)的位置调节轨道(192)和姿态调节轨道(193)；所述模拟地层(17)上设置有配合上述位置调节轨道(192)和姿态调节轨道(193)的位置调节滑道(173)和姿态调节滑道(174)。
5.根据权利要求4所述的定向钻井过程模拟实验装置，其特征在于，所述模拟地层(17)上位置调节滑道(173)和姿态调节滑道(174)的两端设置有位置调节总成(171)和姿态调节总成(172)。
6.根据权利要求5所述的定向钻井过程模拟实验装置，其特征在于，所述井筒曲率调节轨道(183)、位置调节轨道(192)和姿态调节轨道(193)均为圆弧形轨道，圆弧的圆心位于调节面板中部。
7.根据权利要求1所述的定向钻井过程模拟实验装置，其特征在于，所述侧向力施加单元(18)包括用于施加侧向力的磁性施力体(181)和与磁性施力体(181)连接的角度测试器(182)。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的定向钻井过程模拟实验装置，其特征在于，所述调节面板(1)中心通过安装销钉(4)安装于控制轴(3)中部并且所述调节面板(1)以安装销钉(4)为轴进行偏摆，所述偏摆轨道(111)为以安装销钉(4)为圆心的半圆弧形轨道。
9.根据权利要求1-7任意一项所述的定向钻井过程模拟实验装置，其特征在于，所述控制轴(3)的一端或两端设置有用于定位控制轴(3)的定位件(5)。
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