CN107218034B - 一种模拟天然气水合物钻井多种扩径段流动状态变化实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟天然气水合物钻井多种扩径段流动状态变化实验装置，它包括从上往下顺次连接的混合物进口、套管接头A、垂直段外管、法兰接头A、斜井段外管、法兰接头B、水平段外管和套管接头B；它还包括计算机监测系统和气液固三相分离器，计算机监测系统与压力传感器和速度传感器电连接；它还包括电磁式空气泵A、电磁式空气泵B和高速摄像机，所述电磁式空气泵A的输出口连接有分流管。本发明的有益效果是：结构紧凑、能够对岩屑颗粒和天然气水合物颗粒在环空内的运移轨迹、动态悬浮现象有必要进行可视化实验研究、为天然气水合物钻井过程中扩径段流场流动规律的研究提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物钻井技术领域，特别是一种模拟天然气水合物钻井多种扩径段流动状态变化实验装置。
背景技术
目前，随着我国油气资源勘探开发的不断深入，天然气水合物作为一种新型的油气资源目前被许多国家所重视。目前天然气水合物在世界上许多国家都有分布，其主要分布在在北极的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。我国天然气水合物资源约800亿吨油当量，是我国常规天然气资源量的两倍，主要分布在青藏高原冻土带和南海大陆坡及其深海。我国分别于2007年5月、2009年6月、2013年7月和2015年在南海和冻土区成功钻取到天然气水合物样品，目前准备进行实验性开采。在天然气水合物开发过程中采用钻水平井的方式来进行开采能最大限度的暴露并保护储层，同时也能提高开采效率；但在天然气水合物钻水平井过程中会产生环空扩径的情况，环空扩径将会导致流体流场变化，继而引起岩屑颗粒在环空中的动态悬浮、滞留，从而引起井下复杂情况。在天然气水合物钻水平井过程中，环空扩径在钻直井段、斜井段和水平段都可能产生且扩径方式又不一样，其扩径方式主要为直角扩径、45°斜角扩径和圆弧扩径这三种方式，在水平段扩径段大颗粒岩屑将在钻铤与钻杆交界处由于环空面积陡然增加，可能产生大颗粒岩屑堆积。水平段井眼净化效果不好加上天然气水合在上返过程中的不断分解会引发高摩阻、高扭矩、卡钻和固井质量差等一系列工程问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构紧凑、能够对岩屑颗粒和天然气水合物颗粒在环空内的运移轨迹、动态悬浮现象有必要进行可视化实验研究、为天然气水合物钻井过程中扩径段流场流动规律的研究提供依据的模拟天然气水合物钻井多种扩径段流动状态变化实验装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种模拟天然气水合物钻井多种扩径段流动状态变化实验装置，它包括从上往下顺次连接的混合物进口、套管接头A、垂直段外管、法兰接头A、斜井段外管、法兰接头B、水平段外管和套管接头B，所述垂直段外管内设置有垂直段内管，斜井段外管内设置有斜井段内管，水平段外管内设置有水平段内管，水平段内管的一端与钻头连接，其另一端与斜井段内管连接，斜井段内管另一端与垂直段内管连接，垂直段内管的另一端与混合物进口连接，所述的垂直段外管柱面上设置有垂直段直角扩径段和位于垂直段直角扩径段上方的混合物出口，斜井段外管柱面上设置有斜井段直角扩径段，水平段外管柱面上设置有水平段直角扩径段，所述的套管接头A的下部设置有压力传感器，套管接头B的左侧设置有速度传感器，管套接头B上设置有进气口；
它还包括计算机监测系统和气液固三相分离器，所述计算机监测系统与压力传感器和速度传感器电连接，所述气液固三相分离器的左端口与混合物出口连接，气液固三相分离器的右端口与混合物进口之间顺次连接有贮水槽、水泵、液体流量计和球阀B，所述球阀B与混合物进口之间节点处连接有颗粒储集室，颗粒储集室顶部设置有与其连接的岩屑漏斗和尼龙漏斗，所述气液固三相分离器的下端口连接有流化床干燥器，流化床干燥器的底部连接有尼龙收集桶和岩屑收集桶；
它还包括电磁式空气泵A、电磁式空气泵B和高速摄像机，所述电磁式空气泵A的输出口连接有分流管，所述垂直段直角扩径段的上下端分别连接有气体流动管，斜井段直角扩径段的上、中、下端分别连接有气体流动管，水平段直角扩径段底部的左、右端分别连接有气体流动管，七根气体流动管均与分流管连接，所述的电磁式空气泵B与进气口之间顺次连接有气体流量计B和球阀C。
所述的水平段直角扩径段的底部设置有底座。
所述的气体流动管由顺次连接的球阀A和气体流量计A组成。
所述的球阀A、球阀B和球阀C均为相同规格的球阀，电磁式空气泵A和电磁式空气泵B为两个型号都为ACO-012a的电磁式空气泵。
所述的水平段外管上设置有穿过水平段外管且与水平段内管相连的吊环。
所述的垂直段直角扩径段也可由垂直段圆弧扩径段或垂直段45°斜角扩径段代替。
所述的斜井段直角扩径段也可由斜井段圆弧扩径段或斜井段45°斜角扩径段代替。
所述的水平段直角扩径段也可由水平段圆弧扩径段和水平段45°斜角扩径段代替。本发明具有以下优点：本发明使用方便快捷，整个实验对水、尼龙颗粒和岩屑颗粒进行回收循环利用，节约资源；能很好的模拟天然气水合物钻水平井直井段、斜井段和水平段三种扩径段流场流动变化规律，通过计算机监测系统能实时的监测到整个实验过程中压力和速度变化情况并得到关系曲线图。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2是垂直段圆弧扩径段的结构示意图；
图3是垂直段45°斜角扩径段的结构示意图；
图4是斜井段圆弧扩径段的结构示意图；
图5是斜井段45°斜角扩径段的结构示意图；
图6是水平段圆弧扩径段的结构示意图；
图7是水平段45°斜角扩径段的结构示意图；
图中，1-计算机监测系统，2-电磁式空气泵A，3-球阀A，4-气体流量计A，5-压力传感器，6-套管接头A，7-混合物进口，8-岩屑漏斗，9-尼龙漏斗，10-颗粒储集室，11-球阀B，12-液体流量计，13-水泵，14-贮水槽，15-气液固三相分离器，16-混合物出口，17-垂直段外管，18-垂直段直角扩径段，19-垂直段内管，20-法兰接头A，21-流化床干燥器，22-尼龙收集桶，23-岩屑收集桶，24-高速摄像机，25-斜井段外管，26-斜井段内管，27-斜井段直角扩径段，28-法兰接头B，29-水平段直角扩径段，30-吊环，31-钻头，32-速度传感器，33-进气口，34-球阀C，35-气体流量计B，36-电磁式空气泵B，37-底座，38-垂直段圆弧扩径段，39-垂直段45°斜角扩径段，40-斜井段圆弧扩径段，41-斜井段45°斜角扩径段，42-水平段圆弧扩径段，43-水平段45°斜角扩径段。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1所示，一种模拟天然气水合物钻井多种扩径段流动状态变化实验装置，它包括从上往下顺次连接的混合物进口7、套管接头A6、垂直段外管17、法兰接头A20、斜井段外管25、法兰接头B28、水平段外管和套管接头B，所述垂直段外管17内设置有垂直段内管19，斜井段外管25内设置有斜井段内管26，水平段外管内设置有水平段内管，水平段内管的一端与钻头31连接，其另一端与斜井段内管26连接，斜井段内管26另一端与垂直段内管19连接，垂直段内管19的另一端与混合物进口7连接，所述的垂直段外管17柱面上设置有垂直段直角扩径段18和位于垂直段直角扩径段18上方的混合物出口16，斜井段外管25柱面上设置有斜井段直角扩径段27，水平段外管柱面上设置有水平段直角扩径段29，所述的套管接头A6的下部设置有压力传感器5，套管接头B的左侧设置有速度传感器32，管套接头B上设置有进气口33。所述的垂直段内管19、斜井段内管26和水平段内管用于模拟实际工况下的钻杆；所述的垂直段直角扩径段18、斜井段直角扩径段27和水平段直角扩径段29用于模拟实际工况下产生扩径后的扩径段。所述的钻头31的直径为0.1524m；所述的扩径段扩径率都为1.5，扩径段长度都为3m，所有内管直径都为0.127m，外管未扩径段直径为0.2159m，扩径段直径为0.32385m。整个实验装置的高15m，长10m，垂直段外管17、垂直段内管19、斜井段内管26、水平段内管与外管都采用高强度耐高压PC管制作而成，承压能力10MPa；只有斜井段外管25采用耐高压聚酯软管制作而成，承压能力15Mpa。
如图1所示，它还包括计算机监测系统1和气液固三相分离器15，所述计算机监测系统1与压力传感器5和速度传感器32电连接，压力传感器5能够实时将流体压力信号转换为电信号传递给计算机监测系统1，速度传感器32能够实时将从钻头31流出流体的速度信号转换为电信号传递给计算机监测系统1。
所述气液固三相分离器15的左端口与混合物出口16连接，气液固三相分离器15的右端口与混合物进口7之间顺次连接有贮水槽14、水泵13、液体流量计12和球阀B11，所述球阀B11与混合物进口7之间节点处连接有颗粒储集室10，颗粒储集室10顶部设置有与其连接的岩屑漏斗8和尼龙漏斗9，所述气液固三相分离器15的下端口连接有流化床干燥器21，流化床干燥器21的底部连接有尼龙收集桶22和岩屑收集桶23。所述的岩屑漏斗8内盛装有岩屑颗粒，用于模拟实际工况下钻井过程中产生的岩屑；所述的尼龙漏斗9内盛装有尼龙颗粒，用于模拟实际工况下的天然气水合物颗粒；所述的贮水槽14内的水用于模拟实际工况下的钻井液；尼龙和岩屑颗粒平均粒径可为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm这五种直径颗粒。
如图1所示，它还包括电磁式空气泵A2、电磁式空气泵B36和高速摄像机24，所述电磁式空气泵A2的输出口连接有分流管，所述垂直段直角扩径段18的上下端分别连接有气体流动管，斜井段直角扩径段27的上、中、下端分别连接有气体流动管，水平段直角扩径段29底部的左、右端分别连接有气体流动管，七根气体流动管均与分流管连接，气体流动管由顺次连接的球阀A3和气体流量计A4组成，所述的电磁式空气泵B36与进气口33之间顺次连接有气体流量计B35和球阀C34。所述的电磁式空气泵B36提供的气体模拟实际工况下钻水平井过程中天然气水合物分解出的气体；电磁式空气泵A2提供的气体模拟实际工况下天然气水合物随钻井液环空上返过程中分解出的气体；不同高度的气体流动管用于模拟实际工况下天然气水合物随着钻井液环空上返分解量的不断增加。
如图1所示，所述的水平段直角扩径段29的底部设置有底座37。所述的球阀A3、球阀B11和球阀C34均为相同规格的球阀，电磁式空气泵A2和电磁式空气泵B36为两个型号都为ACO-012a的电磁式空气泵。所述的水平段外管上设置有穿过水平段外管且与水平段内管相连的吊环30。
如图2~3所示，所述的垂直段直角扩径段18也可由垂直段圆弧扩径段38或垂直段45°斜角扩径段39代替。如图4~5所示，所述的斜井段直角扩径段27也可由斜井段圆弧扩径段40或斜井段45°斜角扩径段41代替。如图6~7所示，所述的水平段直角扩径段29也可由水平段圆弧扩径段42和水平段45°斜角扩径段43代替。
本发明的工作过程如下：它包括以下步骤：
S1、初始状态下所有阀门处于关闭状态，打开球阀B11和水泵13，贮水槽14内的水流出后依次通过水泵13加压、液体流量计12计量后从混合物进口7进入垂直段内管19，水顺次流经垂直段内管19、斜井段内管26、水平段内管，最终从钻头31流出；
S2、水从钻头31中流出后，环空往上经混合物出口16流出，流出后进入气液固三相分离器15内，当计算机监测系统1检测到压力传感器5上显示的压力数值趋于稳定时，打开颗粒储集室10，平均粒径为1mm的岩屑颗粒和尼龙颗粒一起随步骤S1中的水从混合物进口7进入垂直段内管19中，岩屑颗粒、尼龙颗粒和水组成的混合料从钻头31流出；
S3、打开电磁式空气泵B36，电磁式空气泵B36产生的气体经气体流量计B35、球阀C34进入水平段直角扩径段29中，随后调节球阀C34开度的大小，使进气量保持在0.05 m3/h，观察实验现象，调节球阀B11开度的大小观察水平段直角扩径段29内在何时形成岩屑床，当形成岩屑床时，立刻在计算机监测系统1上记录混合料的压力值和速度值，所记录的流速值即为水平段直角扩径形成岩屑床的临界流速；
S4、调节球阀B11开度的大小，观察水平段直角扩径段29内在何时岩屑床被携带完全，当岩屑床被携带完全时，立刻在计算机监测系统1上记录混合料的压力值和速度值，所记录的流速值即为水平段直角扩径不会形成形岩屑床的临界流速；
S5、步骤S3和S4中的水、岩屑颗粒、尼龙颗粒和气体一起从环空往上流动，当混合料和气体顺次经过斜井段直角扩径段27和垂直段直角扩径段18后，混合料和气体从混合物出口16流出并进入气液固三相分离器15，气液固三相分离器15对混合料和气体进行分离，分离出的气体流入大气，分离出的水流入贮水槽14进行重新循环使用，分离出的固体进入流化床干燥器21进行干燥，干燥后进入尼龙收集桶22和岩屑收集桶23内，实现对岩屑和尼龙的重新循环使用；
S6、更换颗粒储集室10内岩屑颗粒和尼龙颗粒的粒径，岩屑颗粒和尼龙颗粒的平均粒径为2mm，重复步骤S1~S5，并分别记录水平段直角扩径形成岩屑床的临界流速和岩屑床被携带完全时的临界流速；依次更换颗粒储集室10内岩屑颗粒和尼龙颗粒的平均粒径，用平均粒径分别为3mm、4mm、5mm进行实验，最终把不同粒径的岩屑颗粒和尼龙颗粒对应的水平段直角扩径形成岩屑床的临界流速和岩屑床被携带完全时的临界流速，绘制不同粒径岩屑颗粒和尼龙颗粒与水平段直角扩径形成岩屑床的临界流速和岩屑床被携带完全临界流速的关系曲线；
S7、将垂直段直角扩径段18分别更换为垂直段圆弧扩径段38和垂直段45°斜角扩径段39进行重复以上实验，可观察到垂直段不同扩径方式内的流场流动状态变化规律；将斜井段直角扩径段27分别更换为斜井段圆弧扩径段40和斜井段45°斜角扩径段41进行重复以上实验，可观察到斜井段不同扩径方式内的流场流动状态变化规律；将水平段直角扩径段29分别更换为水平段圆弧扩径段42和水平段45°斜角扩径段43进行重复以上实验，可观察到水平段不同扩径方式内的流场流动状态变化规律；将直井段、斜井段和水平段的三种扩径方式进行两两组合，可得到27种组合，对这27种组合分别进行重复以上实验并记录实验数据，最终可得到不同扩径组合方式下水平段不同扩径形式形成岩屑床的临界流速和岩屑床被携带完全时的临界流速关系曲线，共27个关系曲线图。
本实验装置在实验过程中通过压力传感器5和速度传感器32的电信号传回计算机监测系统1，对整个实验过程中的压力和速度进行实时监测并记录实验数据，对绘制关系曲线提供依据；实验过程中对水、尼龙和岩屑都进行回收重复使用，不会对水资源和实验材料造成浪费，节约资源；整个实验通过高速摄像机24对实验过程中产生的实验现象进行记录，其实验结果与实验现象将对天然气水合物钻井过程中扩径段流场流动规律的研究提供依据。
Claims (8)
1.一种模拟天然气水合物钻井多种扩径段流动状态变化实验装置，其特征在于：它包括从上往下顺次连接的混合物进口（7）、套管接头A（6）、垂直段外管（17）、法兰接头A（20）、斜井段外管（25）、法兰接头B（28）、水平段外管和套管接头B，所述垂直段外管（17）内设置有垂直段内管（19），斜井段外管（25）内设置有斜井段内管（26），水平段外管内设置有水平段内管，水平段内管的一端与钻头（31）连接，其另一端与斜井段内管（26）连接，斜井段内管（26）另一端与垂直段内管（19）连接，垂直段内管（19）的另一端与混合物进口（7）连接，所述的垂直段外管（17）柱面上设置有垂直段直角扩径段（18）和位于垂直段直角扩径段（18）上方的混合物出口（16），斜井段外管（25）柱面上设置有斜井段直角扩径段（27），水平段外管柱面上设置有水平段直角扩径段（29），所述的套管接头A（6）的下部设置有压力传感器（5），套管接头B的左侧设置有速度传感器（32），管套接头B上设置有进气口（33）；
它还包括计算机监测系统（1）和气液固三相分离器（15），所述计算机监测系统（1）与压力传感器（5）和速度传感器（32）电连接，所述气液固三相分离器（15）的左端口与混合物出口（16）连接，气液固三相分离器（15）的右端口与混合物进口（7）之间顺次连接有贮水槽（14）、水泵（13）、液体流量计（12）和球阀B（11），所述球阀B（11）与混合物进口（7）之间节点处连接有颗粒储集室（10），颗粒储集室（10）顶部设置有与其连接的岩屑漏斗（8）和尼龙漏斗（9），所述气液固三相分离器（15）的下端口连接有流化床干燥器（21），流化床干燥器（21）的底部连接有尼龙收集桶（22）和岩屑收集桶（23）；
它还包括电磁式空气泵A（2）、电磁式空气泵B（36）和高速摄像机（24），所述电磁式空气泵A（2）的输出口连接有分流管，所述垂直段直角扩径段（18）的上下端分别连接有气体流动管，斜井段直角扩径段（27）的上、中、下端分别连接有气体流动管，水平段直角扩径段（29）底部的左、右端分别连接有气体流动管，七根气体流动管均与分流管连接，所述的电磁式空气泵B（36）与进气口（33）之间顺次连接有气体流量计B（35）和球阀C（34）。
2.根据权利要求1所述的一种模拟天然气水合物钻井多种扩径段流动状态变化实验装置，其特征在于：所述的水平段直角扩径段（29）的底部设置有底座（37）。
3.根据权利要求1所述的一种模拟天然气水合物钻井多种扩径段流动状态变化实验装置，其特征在于：所述的气体流动管包括顺次连接的球阀A（3）和气体流量计A（4）。
4.根据权利要求3所述的一种模拟天然气水合物钻井多种扩径段流动状态变化实验装置，其特征在于：所述的球阀A（3）、球阀B（11）和球阀C（34）均为相同规格的球阀，电磁式空气泵A（2）和电磁式空气泵B（36）为两个型号都为ACO-012a的电磁式空气泵。
5.根据权利要求1所述的一种模拟天然气水合物钻井多种扩径段流动状态变化实验装置，其特征在于：所述的水平段外管上设置有穿过水平段外管且与水平段内管相连的吊环（30）。
6.根据权利要求1所述的一种模拟天然气水合物钻井多种扩径段流动状态变化实验装置，其特征在于：所述的垂直段直角扩径段（18）也可由垂直段圆弧扩径段（38）或垂直段45°斜角扩径段（39）代替。
7.根据权利要求1所述的一种模拟天然气水合物钻井多种扩径段流动状态变化实验装置，其特征在于：所述的斜井段直角扩径段（27）也可由斜井段圆弧扩径段（40）或斜井段45°斜角扩径段（41）代替。
8.根据权利要求1所述的一种模拟天然气水合物钻井多种扩径段流动状态变化实验装置，其特征在于：所述的水平段直角扩径段（29）也可由水平段圆弧扩径段（42）和水平段45°斜角扩径段（43）代替。
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