CN107217989B - 深水喷射钻进过程模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种深水喷射钻进过程模拟实验装置。该深水喷射钻进过程模拟实验装置包括：导管，其具有沿纵向延伸的腔室；压盖，其套设在导管的上端；压盖上设置有排液孔，排液孔与腔室连通，供腔室内的液体排出；钻井组件，其包括：马达，其设置有传动轴；钻杆，其穿设在导管内，其下端设置有钻头，其上端与传动轴连接；注液头，其设置在传动轴的上端，供液体注入钻杆内；配重块，其位于注液头的上部，用于调节钻杆组件的钻井压力。本申请可以在实验室中进行各参数的调节，分析深水喷射钻井导管的喷射下入工艺中各参数对下入过程的影响。

Description

深水喷射钻进过程模拟实验装置

技术领域

本发明涉及深水钻井中的导管喷射下入技术领域，尤其涉及一种深水喷射钻进过程模拟实验装置。

背景技术

深水喷射钻井导管下入技术是在喷射钻井以及应用泥浆马达的基础上发展起来的新工艺。它将钻头、泥浆马达、导管构件以及导管下入专门工具一起组成喷射下入管柱串。其中，钻头的主要作用是破碎和清除导管管鞋前的泥土以及岩屑，再通过钻柱泵把泥土以及岩屑从导管内壁与钻柱之间的环形空间携带出井底，钻头进而能向地层的设计深度钻进。导管在其自重以及钻柱等的重力作用下随钻头下沉并挤压周围地层直至设计深度。

深水喷射钻井导管下入过程中导管与海床以下地层土质情况之间的为非线性响应过程。比如，海底地层的土质条件以及下入控制性参数(钻压、钻井液排量、钻杆转速、钻头伸长量、钻头尺寸、导管下入速度等)等都影响着深水导管的下入深度及下入过程中的施工参数。

发明内容

深水喷射钻井导管下入设计过程中，若深水喷射钻井导管的设计下入深度过大，则可造成经济上的浪费，更甚至造成导管下不进去，海底井口出露泥面线过高而造成井眼报废；若深水喷射钻井导管的设计下入深度过小，则可能造成导管管柱承载力不足、井口下陷失稳等安全事故，同样造成巨大经济浪费。因此，在进行深水喷射钻井导管下入设计时，需对深水喷射钻井导管下入的过程进行模拟与设计计算，以研究海底地层的土质条件以及下入控制性参数(钻压、钻井液排量、钻杆转速、钻头伸长量、钻头尺寸、导管下入速度等)的复杂非线性关系。进而，针对不同地层优选钻头类型、优选钻井参数，实现水力喷射辅助破土的能力，不仅能极大地节约时间，而且还节省昂贵的深水钻井费用，提高钻井效率。

因此，如何设计出一种能在实验室中使用的深水喷射钻井导管是亟需解决的问题。

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种深水喷射钻进过程模拟实验装置，用于解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种深水喷射钻进过程模拟实验装置，所述实验室用深水喷射钻井导管包括：

导管，其具有沿纵向延伸的腔室；

压盖，其套设在所述导管的上端；所述压盖上设置有排液孔，所述排液孔与所述腔室连通，供所述腔室内的液体排出；

钻井组件，其包括：

马达，其设置有传动轴；

钻杆，其穿设在所述导管内，其下端设置有钻头，其上端与所述传动轴连接；

注液头，其设置在所述传动轴的上端，供液体注入所述钻杆内；

配重块，其位于所述注液头的上部，用于调节所述钻杆组件的钻井压力。

优选的，还包括用于调节所述钻头相对所述导管的下端伸出程度的调节机构。

优选的，所述调节机构设置在所述压盖和所述导管之间。

优选的，所述调节机构为调节螺栓和螺纹孔的配合机构。

优选的，所述压盖上形成有沿纵向延伸的第一延伸部，所述第一延伸部套设在所述导管的上端，所述第一延伸部上沿周向或纵向分布有多个螺纹孔，所述调节螺栓能穿设在所述螺纹孔上。

优选的，在所述压盖上且位于所述第一延伸部的内侧还设置有第二延伸部，所述第一延伸部和第二延伸部形成同心圆环腔，所述导管的上端能卡入所述第一延伸部与所述第二延伸部形成的同心圆环腔内。

优选的，所述注液头与所述传动轴之间设置有转动密封球形头，所述注液头与所述转动密封球形头固定连接，所述传动轴与所述转动密封球形头转动连接。

优选的，所述马达设置在所述压盖上，所述马达为电动马达或者液动马达。

优选的，所述导管构件内设置有扶正件，用于对所述钻杆进行扶正。

优选的，所述注液头上固定有用于设置配重块的限位部，所述限位部的上端设置有吊环。

利用本申请提供的深水喷射钻进过程模拟实验装置，可以在实验室中进行各参数的调节，分析深水喷射钻井导管的喷射下入工艺中各参数对下入过程的影响。配重块的设计可模拟并分析不同的钻井压力对钻井导管下入的影响分析；马达可模拟并分析钻杆转速对钻井导管下入过程的影响；排液孔的设计，可模拟井底返出钻井液排出通道，进而确定钻井液排出的流量对钻井导管下入过程的影响；注液头可控制钻井液的注入量，可分析钻井液的注入量对钻井过程的影响，进而进行上述参数的优化，从而提高在实际施工过程中的施工效率。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请的实施方式中的深水喷射钻进过程模拟实验装置结构示意图。

以上附图说明：

1、导管；11、压盖；111、第一延伸部；112、第二延伸部；13、腔室；2、钻杆；21、钻头；3、马达；4、配重块；5、排液孔；6、调节件；7、转动密封球形头；8、注液头；9、吊环；10、扶正件。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参照图1所示，本发明申请公开了一种深水喷射钻进过程模拟实验装置，该喷射钻进过程模拟实验装置包括：导管1，其具有沿纵向延伸的腔室13；压盖11，其套设在导管1的上端；在导管1上端的压盖11上设置有排液孔5，排液孔5与腔室13连通，供腔室13内的液体排出；钻井组件，其包括：马达3，其设置有传动轴；钻杆2，其至少部分穿设在导管1内，钻杆2的下端设置有钻头21，其上端与传动轴连接；配重块4，其设置在导管1的上部，其用于调节钻杆2的钻井压力；注液头8，其设置在传动轴的上端，供液体注入钻杆2内。

利用本申请提供的深水喷射钻进过程模拟实验装置，可以在实验室中进行各参数的调节，分析深水喷射钻井导管的喷射下入工艺中各参数对下入过程的影响。其中，配重块4的设计可模拟并分析不同的钻井压力对钻井导管下入的影响分析；马达3可模拟并分析钻杆2转速对钻井导管下入过程的影响；排液孔5的设计，可模拟井底返出钻井液排出通道，进而确定钻井液排出的流量对钻井导管下入过程的影响；注液头8可控制钻井液的注入量，可分析钻井液的注入量对钻井过程的影响，通过上述的各部件可以进行各参数的优化，从而提高钻井导管在实际施工过程中的施工效率。

在本实施方式中，导管1可以具有一沿纵向延伸的腔室13(在工作状态下)。其中，该腔室13可以为圆柱形的腔室13，使得钻杆2能穿设在导管1内并能相对导管1转动。压盖11可以为上端封闭且下端敞开的盖体。压盖11的内径和导管1的外径可以相适配，使得压盖11可以套设在导管1上，进而将导管1的上端封堵。其中，压盖11的套设方式可以包括螺纹连接、卡接或者焊接。当然，导管1还可以为其它结构，并不限于本实施方式限制的结构。

钻井组件可以包括钻杆2以及与钻杆2传动连接的马达3。钻杆2用于钻入地层(实验室的实验地层，其中实验地层的参考也可以调整)。具体的，钻杆2可以至少部分套设在导管1内。钻杆2的上端可以与压盖11转动连接。钻杆2的下端可以设置有钻头21。钻头21在钻杆2的带动下向下钻进。为了方便马达3带动钻杆2转动，马达3可以设置在压盖11上。马达3与钻杆2之间可以通过传动轴的方式进行传动连接，使得马达3能带动钻杆2进行转动。马达3可模拟并分析钻杆2转速对钻井导管下入过程的影响，分析深水喷射钻井导管的喷射下入工艺中转速对钻井导管下入过程的影响，从而进行参数的优化，进而提高在实际施工过程中的施工效率。其中，马达3可以包括电动马达3以及液动马达3中的至少一种。马达3与钻杆2之间的传动方式也不限于传动轴连接的方式，还可以为齿轮连接或者链条连接，本申请对此不作限制。

在一可选的实施方式中，导管1内还可以设置有扶正件10，其用于对钻杆2进行扶正。

在本实施方式中，传动轴的上端可以设置有注液头8，注液头8与钻杆2连通，其用于向钻杆2内注入液体。液体进入钻杆2后，钻头21钻出的地层组分能在液体的携带下从排液孔5不断地排出，进而能保证钻头21持续地向下钻入。

在本实施方式中，排液孔5可以设置在压盖11上，排液孔5与腔室13连通，供腔室13内的液体排出。具体的，排液孔5可以设置在压盖11的上端或者沿周向设置在压盖11的侧壁上。较佳的，排液孔5可以设置在压盖11的侧壁上，且沿周向等间隔设置。排液孔5与腔室13连通，进而形成能供腔室13内的钻井液排出的通道，确定钻井液排出的流量对钻井导管下入过程的影响，进而进行参数的优化，从而提高在实际施工过程中的施工效率。其中，排液孔5的数量越多，钻井液排出的流量就越大。

配重块4可以设置在压盖11的上部，其通过改变自身的重量或者改变施加给导管1的压力的值，调节钻杆2的钻井压力。配重块4能向压盖11施加一压力，该压力可以作用于钻杆2上，使得钻杆2具有朝向钻入方向的钻井压力，进而使钻杆2能持续地向下钻进。其中，配重块4为可以为能通过调节自重或者通过液压调节的方式调节对压盖11的压力，使得实验者在实验室中通过调节配重块4施加给压盖11的压力，分析深水喷射钻井导管的喷射下入工艺中钻井压力对钻井导管下入过程的影响，进而进行参数的优化，从而提高在实际施工过程中的施工效率。

在一可选的实施方式中，注液头8以上位置固定有用于设置配重块4的限位部，限位部81的上端设置有吊环9。限位部上可以套设有多个不同质量的配重块4，进而使配重块4向钻杆2提供不同的钻井压力。

在本实施方式中，深水喷射钻进过程模拟实验装置还包括有调节件6。调节件6用于调节钻杆2的下端伸出导管1的部分的长度。具体的，调节件6可以设置在压盖11和导管1之间，使得调节件6可以调节导管1相对于压盖11的位置，即导管1的上端和压盖11的底壁之间的距离可以调节，当距离缩短时，钻杆2下端伸出导管1的部分的长度变长，当距离增大时，钻杆2下端(钻头21)伸出导管1的部分的长度减小。本申请的该种设计方式可以实现在实验室中通过模拟钻井导管下入过程中的不同钻头21伸出量，以研究不同钻头21伸出量对特定海底土质条件的破土效率，进而进行参数的优化，从而提高在实际施工过程中的施工效率。

在一具体的实施方式中，调节件6可以为调节螺栓和螺纹孔的配合机构。调节螺栓可以设置在压盖11和导管1之间。例如，调节螺栓可以与导管1螺纹连接，调节螺栓的端部再与导管1的外壁相抵。当进行钻头21伸出量的调节时，操作人员可以先拧松调节螺栓，然后调整压盖11和导管1之间的相对位置，使钻头21的伸出符合要求的长度，然后再拧紧调节螺栓。当然，本实施方式并不对本申请中的调节件6作具体的限制，只要满足调节件6能调节钻头21的伸出量，都是符合本申请的要求。

具体的，压盖11上可以形成有沿纵向延伸的第一延伸部111。第一延伸部111套设在导管1的上端，第一延伸部111上沿周向或纵向分布有多个螺纹孔，调节螺栓能穿设在螺纹孔上。第一延伸部111可以为一直径大于导管1的圆筒状结构，使得第一延伸部111可以套设在导管1上，螺纹孔可以设置在第一延伸部111上，进而使调节螺栓能将导管1与压盖11相固定。

在一可选的实施方式中，在压盖上且位于第一延伸部111的内侧还设置有第二延伸部112，第一延伸部111和第二延伸部112之间形成同心圆环腔，导管1的上端能卡入第一延伸部111与第二延伸部112之间形成的同心圆环腔内，进而保证导管1与压盖11之间能稳定地连接。

在一可选的实施方式中，压盖11上还可以设置有转动密封球形头7，转动密封球形头7与钻杆2的上端转动连接，以使钻杆2能相对导管1转动。其中，转动密封球形头7位于注液头8和压盖11之间，转动密封球形头7的一端与注液头8连通，转动密封球形头7的另一端与压盖11相连接。转动密封球形头7内可以设置有能与马达3的驱动轴传动连接的传动件，钻杆2可以伸入到转动密封球形头7内并与传动件转动连接，马达3进而能带动钻杆2转动。同时，钻杆能通过转动密封球形头7与注液头8连通，钻井液能通过转动密封球形头7注入到钻杆7内。其中，转动密封球形头7、配重块4以及压盖11可以同轴设置。当然的，在其它的实施方式中，配重块4和转动密封球形头7也可以并列设置在压盖11上，本申请对此不作限制。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (9)

1.一种深水喷射钻进过程模拟实验装置，其特征在于，所述深水喷射钻进过程模拟实验装置包括：

导管，其具有沿纵向延伸的腔室；

压盖，其套设在所述导管的上端；所述压盖上设置有排液孔，所述排液孔与所述腔室连通，供所述腔室内的液体排出；

钻井组件，其包括：

马达，其设置有传动轴，所述马达设置在所述压盖上；

钻杆，其穿设在所述导管内，其下端设置有钻头，其上端与所述传动轴连接；

注液头，其设置在所述传动轴的上端，供液体注入所述钻杆内，所述注液头与所述传动轴之间设置有转动密封球形头，所述注液头与所述转动密封球形头固定连接，所述传动轴与所述转动密封球形头转动连接，转动密封球形头与钻杆的上端转动连接，以使钻杆能相对导管转动；

配重块，其位于所述注液头的上部，用于调节所述钻杆的钻井压力。

2.根据权利要求1所述的深水喷射钻进过程模拟实验装置，其特征在于，还包括用于调节所述钻头相对所述导管的下端伸出程度的调节机构。

3.根据权利要求2所述的深水喷射钻进过程模拟实验装置，其特征在于，所述调节机构设置在所述压盖和所述导管之间。

4.根据权利要求3所述的深水喷射钻进过程模拟实验装置，其特征在于，所述调节机构为调节螺栓和螺纹孔的配合机构。

5.根据权利要求4所述的深水喷射钻进过程模拟实验装置，其特征在于，所述压盖上形成有沿纵向延伸的第一延伸部，所述第一延伸部套设在所述导管的上端，所述第一延伸部上沿周向或纵向分布有多个螺纹孔，所述调节螺栓能穿设在所述螺纹孔上。

6.根据权利要求5所述的深水喷射钻进过程模拟实验装置，其特征在于，在所述压盖上且位于所述第一延伸部的内侧还设置有第二延伸部，所述第一延伸部和第二延伸部形成同心圆环腔，所述导管的上端能卡入所述第一延伸部与所述第二延伸部形成的同心圆环腔内。

7.根据权利要求1所述的深水喷射钻进过程模拟实验装置，其特征在于，所述马达为电动马达或者液动马达。

8.根据权利要求1所述的深水喷射钻进过程模拟实验装置，其特征在于，所述导管构件内设置有扶正件，用于对所述钻杆进行扶正。

9.根据权利要求1所述的深水喷射钻进过程模拟实验装置，其特征在于，所述注液头上固定有用于设置配重块的限位部，所述限位部的上端设置有吊环。

Images