CN107882508B - 变温钻井模拟实验设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变温钻井模拟实验设备，包括：动力装置、钻具装置、钻井液注入装置、岩样加压装置和钻井液回收装置；钻具装置包括顺次连接的双壁钻杆、换流接头和钻头，双壁钻杆与动力装置连接，换流接头用于向钻头交替输送高温钻井液、低温钻井液；钻井液注入装置与双壁钻杆连接，用于向双壁钻杆注入高温钻井液和低温钻井液；岩样加压装置位于钻头下方。本发明的变温钻井模拟实验设备可测量钻井液高、低温交替条件下钻头的钻进效率，通过改变高、低温钻井液的温度和井底作用时间，从而模拟不同钻井液工况，可对变温钻井效率进行综合评估，从而为变温钻井技术方案制定提供实验数据。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气勘探设备技术领域，尤其涉及一种变温钻井模拟实验设备。
背景技术
随着常规油气资源的日益萎缩，深部油气和非常规油气资源成为勘探开发的新方向。由此带来了一系列钻井难题，地层可钻性差、钻井效率低是其中的一个突出问题。岩石可钻性由岩石自身的物理力学性质和钻头破岩能力两方面决定。目前，现有高效破岩技术主要集中于提高钻井工具的破岩能力这一途径，被动适应所钻地层的岩石可钻性，提速效果不佳。
岩石作为一种非均质、不连续、各向异性的地质材料，温度对其物理力学性质和变形特征有着显著的影响。利用温度效应，改变岩石原有物理力学性质，可主动降低岩石可钻性，进而在现有钻井条件下实现高效破岩。钻井过程中井底钻井液注入条件是变温钻井的关键技术参数，因此亟待开发一种可以模拟钻井液不同注入温度、井底作用时间等条件的变温钻进模拟实验设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种变温钻井模拟实验设备，通过该设备可以模拟在高、低温钻井液交替作用下岩石钻进过程，从而对不同钻井液温度、井底作用时间等因素下岩石钻进效率进行评价，为变温钻井技术方案的制定提供实验数据。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：变温钻井模拟实验设备，所述变温钻井模拟实验设备包括：动力装置、钻具装置、钻井液注入装置和岩样加压装置；
所述钻具装置包括顺次连接的双壁钻杆、换流接头和钻头，所述双壁钻杆与所述动力装置连接，所述换流接头用于向所述钻头交替输送高温钻井液、低温钻井液；
所述钻井液注入装置与所述双壁钻杆连接，所述钻井液注入装置包括高温钻井液注入装置和低温钻井液注入装置，用于向所述双壁钻杆注入高温钻井液和低温钻井液；
所述岩样加压装置位于所述钻头的下方。
以下是对本发明的变温钻井模拟实验设备的多项进一步改进之处：
其中，所述动力装置包括岩心钻机，所述岩心钻机包括钻机立轴，所述钻机立轴与所述双壁钻杆连接。
其中，所述双壁钻杆包括套装在一起的钻杆内管和钻杆外管，所述钻杆内管与所述钻杆外管之间为钻杆环形通道。
其中，所述换流接头包括接头外管、设置于所述接头外管内腔的接头内管和设置于所述接头内管内腔的阀芯组件，所述接头内管与所述接头外管之间为接头环形通道；
所述接头内管内腔固定设置有阀座，所述阀座设有阀座中心孔和位于所述阀座中心孔侧部的阀座过流孔，所述接头内管的管壁设有管壁过流孔，所述管壁过流孔位于所述阀座下方；
所述阀芯组件包括上阀芯、上阀簧、下阀芯、下阀簧；所述上阀芯包括上限位部、下限位部和连接所述上限位部与下限位部的芯杆部，所述芯杆部安装于所述阀座中心孔，所述上阀簧套设于所述芯杆部外，并位于所述阀座与所述上限位部之间；所述下阀芯位于所述阀座的下方，所述下阀簧抵靠于所述下阀芯下端，所述下阀芯为中空的筒状阀芯，所述筒状阀芯的筒壁设有筒壁过流孔，所述筒壁过流孔与所述接头内管的所述管壁过流孔周期性地接通或者错开。
其中，所述钻井液注入装置还包括双通道水龙头，所述双通道水龙头包括高温钻井液进流口、低温钻井液进流口和一个出流口，所述高温钻井液进流口与所述高温钻井液注入装置连接，所述低温钻井液进流口与所述低温钻井液注入装置连接，所述出流口与所述双壁钻杆的上端连接，所述出流口包括套装在一起的出流内管和出流外管，所述出流内管与所述出流外管之间为出流环形通道。
其中，所述高温钻井液注入装置包括：高温钻井液配制池、用于对所述高温钻井液配制池内的钻井液加热的加热装置、用于将加热后的钻井液向所述双壁钻杆输送的高温钻井液输送泵和高温钻井液注入管，所述高温钻井液注入管的一端与所述高温钻井液输送泵连接，所述高温钻井液注入管的另一端与所述双通道水龙头的高温钻井液进流口连接。
其中，所述低温钻井液注入装置包括：低温钻井液配制池、用于对所述低温钻井液配制池内的钻井液制冷的制冷装置、用于将制冷后的钻井液向所述双壁钻杆输送的低温钻井液输送泵和低温钻井液注入管，所述低温钻井液注入管的一端与所述低温钻井液输送泵连接，所述低温钻井液注入管的另一端与所述双通道水龙头的低温钻井液进流口连接。
其中，所述岩样加压装置包括：底槽，所述底槽的上方固定有盖板，所述盖板留有供所述钻头进出的盖板通道，所述底槽相对的两个槽壁分别设置有水平加压机构，所述水平加压机构包括与所述槽壁螺纹连接的丝杆和与所述丝杆连接的压板，所述压板位于所述底槽内并且竖向设置。
其中，所述盖板上设置有竖向加压机构，所述竖向加压机构包括穿过所述盖板并与所述底槽固定的螺纹杆，所述盖板的上表面设有与所述螺纹杆螺纹连接的锁紧螺母。
其中，所述变温钻井模拟实验设备还包括钻井液回收装置，所述钻井液回收装置包括：固定于所述岩样加压装置上部的模拟井筒，所述模拟井筒通过泄流通道与泥浆回收池连通，所述泥浆回收池通过回收输送泵和回收管路与所述钻井液注入装置连通。
由于采用了上述技术方案，本发明的变温钻井模拟实验设备包括动力装置、钻具装置、钻井液注入装置和岩样加压装置；工作时，将岩样放入岩样加压装置，对岩样进行加压；动力装置驱动钻具装置回转，将钻压和扭矩经双壁钻杆、换流接头传递给钻头，钻头在钻压和扭矩的共同作用下破碎岩样，实现钻进；钻进过程中，高温钻井液注入装置配制好的高温钻井液、低温钻井液注入装置配制好的低温钻井液分别进入双壁钻杆内，互不混合，到达换流接头后，被交替输送给下部钻头，并由钻头喷出，满足钻进需要。
由于变温钻井模拟实验设备还包括钻井液回收装置，泥浆回收池内的钻井液经过沉淀后通过回收输送泵和回收管路输送至钻井液注入装置，重新参与高温钻井液、低温钻井液的配制，得以回收，循环利用。
综上所述，本发明的变温钻井模拟实验设备可测量钻井液高、低温交替条件下钻头的钻进效率，通过改变高、低温钻井液的温度和井底作用时间，从而模拟不同钻井液工况，可对变温钻井效率进行综合评估，从而为变温钻井技术方案制定提供实验数据。
附图说明
图1是本发明实施例的变温钻井模拟实验设备结构示意图；
图2是图1中双壁钻杆的A-A剖视图；
图3是图1中岩样加压装置的结构剖视示意图；
图4是图1中双通道水龙头的结构示意图；
图5是图4中的B-B剖视示意图；
图6是图1中换流接头的结构剖视示意图；
图7是图6中换流接头将低温钻井液输送给下部钻头状态图；
图8是图6中换流接头停止向下部钻头输送低温钻井液状态图；
图9是图6中换流接头将高温钻井液输送给下部钻头状态图；
图10是图6中换流接头停止向下部钻头输送高温钻井液状态图；
图中：1-岩心钻机；11-钻机立轴；2-钻具装置；21-双壁钻杆；210-钻杆环形通道；211-钻杆外管；212-钻杆内管；2121-钻杆内管内腔；22-换流接头；220-接头环形通道；221-接头外管；222-接头内管；2221-阀座；22211-阀座过流孔；2222-管壁过流孔；2231-上阀芯；2232-上阀簧；2233-缓冲垫；2234-下阀芯；22341-筒壁过流孔；2235-下阀簧；23-钻头；3-岩样加压装置；31-底槽；32-盖板；321-盖板通道；331-丝杆；332-压板；341-螺纹杆；342-锁紧螺母；4-钻井液注入装置；40-双通道水龙头；401-高温钻井液进流口；402-低温钻井液进流口；403-出流口；4030-出流环形通道；4031-出流内管；40311-出流内管内腔；4032-出流外管；41-高温钻井液注入装置；411-高温钻井液配制池；412-加热装置；413-高温钻井液输送泵；414-高温钻井液注入管；42-低温钻井液注入装置；421-低温钻井液配制池；422-制冷装置；423-低温钻井液输送泵；424-低温钻井液注入管；5-钻井液回收装置；51-模拟井筒；52-泄流通道；53-泥浆回收池；54-回收输送泵；55-回收管路；6-岩样。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的非限制性说明。
为了便于区分，图中高温钻井液的流向用实心箭头表示，低温钻井液的流向用空心箭头表示。
如图1所示，本发明的变温钻井模拟实验设备，包括：动力装置、钻具装置2、钻井液注入装置4、岩样加压装置3以及钻井液回收装置5。其中，动力装置优选采用岩心钻机1。
钻具装置2包括顺次连接的双壁钻杆21、换流接头22和钻头23，双壁钻杆21与岩心钻机1的钻机立轴11连接，换流接头22用于向钻头23交替输送高温钻井液、低温钻井液。钻井液注入装置4包括高温钻井液注入装置41和低温钻井液注入装置42，用于向双壁钻杆21注入高温钻井液和低温钻井液。岩样加压装置3位于钻头23的下方，用于对待钻岩样6进行加压。
如图2所示，其中，双壁钻杆21包括套装在一起的钻杆外管211和钻杆内管212，钻杆内管212与钻杆外管211之间为钻杆环形通道210；为便于传递钻压和扭矩，钻杆外管211为方管。
如图6所示，其中，换流接头22包括接头外管221、设置于接头外管221内腔的接头内管222和设置于接头内管222内腔的阀芯组件，接头内管222与接头外管221之间为接头环形通道220。
在接头内管222内腔固定设置有阀座2221，阀座2221设有阀座中心孔和位于阀座中心孔侧部的阀座过流孔22211，在接头内管222的管壁设有管壁过流孔2222，管壁过流孔2222位于阀座2221下方。
其中，阀芯组件包括上阀芯2231、上阀簧2232、下阀芯2234、下阀簧2235；上阀芯2231大致呈“工”字形，包括上限位部、下限位部和连接上限位部与下限位部的芯杆部，芯杆部可滑动地安装于阀座中心孔，上阀簧2232套设于芯杆部外，并位于阀座2221与上限位部之间；下阀芯2234位于阀座2221的下方，下阀簧2235抵靠于下阀芯2234下端面，下阀芯2234为中空的筒状阀芯，在筒状阀芯的筒壁设有筒壁过流孔22341，工作时，筒壁过流孔22341与接头内管222的管壁过流孔2222周期性地接通或者错开。为降低阀芯组件上行时对阀座2221造成的冲击，在芯杆部外还套设有缓冲垫2233，缓冲垫2233位于下限位部与阀座2221之间。
如图1、图4和图5所示，其中，钻井液注入装置4还包括双通道水龙头40，双通道水龙头40包括高温钻井液进流口401、低温钻井液进流口402和一个出流口403，高温钻井液进流口401与高温钻井液注入装置41连接，低温钻井液进流口402与低温钻井液注入装置42连接，出流口403与双壁钻杆21的上端连接，出流口403包括套装在一起的出流内管4031和出流外管4032，出流内管4031与出流外管4032之间为出流环形通道4030。
如图1所示，其中，高温钻井液注入装置41包括：高温钻井液配制池411、用于对高温钻井液配制池411内的钻井液加热的加热装置412、用于将加热后的钻井液向双壁钻杆21输送的高温钻井液输送泵413和高温钻井液注入管414，高温钻井液注入管414的一端与高温钻井液输送泵413连接，高温钻井液注入管414的另一端与高温钻井液进流口401连接。加热装置412可以采用公知的电加热装置，或者热交换器等方式。
如图1所示，其中，低温钻井液注入装置42包括：低温钻井液配制池421、用于对低温钻井液配制池421内的钻井液制冷的制冷装置422、用于将制冷后的钻井液向双壁钻杆21输送的低温钻井液输送泵423和低温钻井液注入管424，低温钻井液注入管424的一端与低温钻井液输送泵423连接，低温钻井液注入424管的另一端与低温钻井液进流口402连接。制冷装置422可以采用公知的制冷换热器，或者冰块制冷等方式。
如图3所示，其中，岩样加压装置3包括：底槽31，在底槽31的上方固定有盖板32，盖板32留有供钻头23进出的盖板通道321，在底槽31相对的两个槽壁分别设置有水平加压机构，水平加压机构包括与槽壁螺纹连接的丝杆331和与丝杆331连接的压板332，压板332位于底槽31内并且竖向设置。进一步地，还在盖板32上设置有竖向加压机构，竖向加压机构包括穿过盖板32并与底槽31固定的螺纹杆341，盖板32的上表面设有与螺纹杆341螺纹连接的锁紧螺母342。
如图1所示，其中，钻井液回收装置5包括：固定于岩样加压装置3上部的模拟井筒51，模拟井筒51上部设有排流口，排流口与泄流通道52相连，泄流通道52通至泥浆回收池53，泥浆回收池53通过回收输送泵54和回收管路55分别与高温钻井液配制池411、低温钻井液配制池421连通。
本发明的变温钻井模拟实验设备工作过程如下：
将岩样6放入岩样加压装置3的底槽31内，通过水平加压机构对岩样6施加侧向围压，优选水平加压范围在0-30MPa，利用盖板32及竖向加压机构对岩样6施加垂向压力，实现岩样6三向受压；开动岩心钻机1，岩心钻机1施加的钻压范围在5-15KN，施加的转速范围在60-200r/min，岩心钻机1通过钻机立轴11将钻压和扭矩经方形的双壁钻杆21、换流接头22传递给钻头23，钻头23在钻压和扭矩的共同作用下破碎岩样6，实现钻进；钻进过程中，借助加热装置412配制高温钻井液，其加热范围在100-200℃，借助制冷装置422配制低温钻井液，其制冷范围为0-5℃，配制好的高温钻井液由高温钻井液输送泵413经高温钻井液注入管414、双通道水龙头40的高温钻井液进流口401泵入出流内管4031的出流内管内腔40311，配制好的低温钻井液由低温钻井液输送泵423经低温钻井液注入管424、双通道水龙头40的低温钻井液进流口402泵入出流内管4031与出流外管4032之间的出流环形通道4030；高温钻井液、低温钻井液经双通道水龙头40的出流口403进入双壁钻杆21内，其中，高温钻井液进入钻杆内管212的钻杆内管内腔2121，低温钻井液进入钻杆内管212与钻杆外管211之间的钻杆环形通道210；高温钻井液、低温钻井液到达换流接头22后，被交替输送给下部钻头23，并由钻头喷嘴喷出，满足岩样钻进需要。模拟井筒51内的钻井液携带岩屑自模拟井筒51底部沿钻具与模拟井筒51之间的环空上返，经泄流道52到达泥浆回收池53，沉淀后，经回收输送泵54和回收管路55分别输送至高温钻井液配制池411、低温钻井液配制池421，重新利用。
换流接头22向钻头23交替输送高温钻井液、低温钻井液的过程如下：
如图7所示，阀芯组件在上死点，由双壁钻杆21输送来的低温钻井液进入接头环形通道220，并经接头内管222的管壁过流孔2222、下阀芯2234的筒壁过流孔22341进入到接头内管222的内腔下部，再由换流接头22的下部排出，将低温钻井液供给钻头23；如图8所示，由于接头内管222的内腔上部封闭，进入接头内管222上腔的高温钻井液压力逐渐升高，上阀芯2231和下阀芯2234在高压的共同作用下一同下行，筒壁过流孔22341与管壁过流孔2222错开，管壁过流孔2222逐渐关闭，停止向下部钻头23输送低温钻井液；如图9所示，受阀座2221限制，上阀芯2231下行一段距离后停止，下阀芯2234在高压和惯性作用下继续下行，上阀芯2231与下阀芯2234分离，高温钻井液经阀座过流孔22211、筒状的下阀芯2234进入到接头内管222的内腔下部，再由换流接头22的下部排出，将高温钻井液供给钻头23；如图10所示，接头内管222上腔压力逐渐降低，下阀芯2234、上阀芯2231在下阀簧2235、上阀簧2232的作用下上行，阀芯组件重新回到上死点，开始下一循环，如此周而复始，将高温钻井液、低温钻井液交替输送给下部钻头23；通过改变换流接头的上阀芯2231、下阀芯2234长度和过流孔位置可以调节高、低温钻井液切换频率，优选高温钻井液与低温钻井液的切换频率范围在1-30次/分钟。
以上优选方式为，高温钻井液走各内管内腔，低温钻井液走内外管之间的环形通道；当然，使用过程中，钻井液流道也可以互换，即高温钻井液走内外管之间的环形通道，低温钻井液走各内管内腔。在此不做限制。
Claims (9)
1.变温钻井模拟实验设备，其特征在于，所述变温钻井模拟实验设备包括：动力装置、钻具装置、钻井液注入装置和岩样加压装置；
所述钻具装置包括顺次连接的双壁钻杆、换流接头和钻头，所述双壁钻杆与所述动力装置连接，所述换流接头用于向所述钻头交替输送高温钻井液、低温钻井液；
所述钻井液注入装置与所述双壁钻杆连接，所述钻井液注入装置包括高温钻井液注入装置和低温钻井液注入装置，用于向所述双壁钻杆注入高温钻井液和低温钻井液；所述钻井液注入装置还包括双通道水龙头，所述双通道水龙头包括高温钻井液进流口、低温钻井液进流口和一个出流口，所述高温钻井液进流口与所述高温钻井液注入装置连接，所述低温钻井液进流口与所述低温钻井液注入装置连接，所述出流口与所述双壁钻杆的上端连接，所述出流口包括套装在一起的出流内管和出流外管，所述出流内管与所述出流外管之间为出流环形通道；
所述岩样加压装置位于所述钻头的下方。
2.如权利要求1所述的变温钻井模拟实验设备，其特征在于，所述动力装置包括岩心钻机，所述岩心钻机包括钻机立轴，所述钻机立轴与所述双壁钻杆连接。
3.如权利要求1所述的变温钻井模拟实验设备，其特征在于，所述双壁钻杆包括套装在一起的钻杆内管和钻杆外管，所述钻杆内管与所述钻杆外管之间为钻杆环形通道。
4.如权利要求1所述的变温钻井模拟实验设备，其特征在于，所述换流接头包括接头外管、设置于所述接头外管内腔的接头内管和设置于所述接头内管内腔的阀芯组件，所述接头内管与所述接头外管之间为接头环形通道；
所述接头内管内腔固定设置有阀座，所述阀座设有阀座中心孔和位于所述阀座中心孔侧部的阀座过流孔，所述接头内管的管壁设有管壁过流孔，所述管壁过流孔位于所述阀座下方；
所述阀芯组件包括上阀芯、上阀簧、下阀芯、下阀簧；所述上阀芯包括上限位部、下限位部和连接所述上限位部与下限位部的芯杆部，所述芯杆部安装于所述阀座中心孔，所述上阀簧套设于所述芯杆部外，并位于所述阀座与所述上限位部之间；所述下阀芯位于所述阀座的下方，所述下阀簧抵靠于所述下阀芯下端，所述下阀芯为中空的筒状阀芯，所述筒状阀芯的筒壁设有筒壁过流孔，所述筒壁过流孔与所述接头内管的所述管壁过流孔周期性地接通或者错开。
5.如权利要求1所述的变温钻井模拟实验设备，其特征在于，所述高温钻井液注入装置包括：高温钻井液配制池、用于对所述高温钻井液配制池内的钻井液加热的加热装置、用于将加热后的钻井液向所述双壁钻杆输送的高温钻井液输送泵和高温钻井液注入管，所述高温钻井液注入管的一端与所述高温钻井液输送泵连接，所述高温钻井液注入管的另一端与所述双通道水龙头的高温钻井液进流口连接。
6.如权利要求1所述的变温钻井模拟实验设备，其特征在于，所述低温钻井液注入装置包括：低温钻井液配制池、用于对所述低温钻井液配制池内的钻井液制冷的制冷装置、用于将制冷后的钻井液向所述双壁钻杆输送的低温钻井液输送泵和低温钻井液注入管，所述低温钻井液注入管的一端与所述低温钻井液输送泵连接，所述低温钻井液注入管的另一端与所述双通道水龙头的低温钻井液进流口连接。
7.如权利要求1所述的变温钻井模拟实验设备，其特征在于，所述岩样加压装置包括：底槽，所述底槽的上方固定有盖板，所述盖板留有供所述钻头进出的盖板通道，所述底槽相对的两个槽壁分别设置有水平加压机构，所述水平加压机构包括与所述槽壁螺纹连接的丝杆和与所述丝杆连接的压板，所述压板位于所述底槽内并且竖向设置。
8.如权利要求7所述的变温钻井模拟实验设备，其特征在于，所述盖板上设置有竖向加压机构，所述竖向加压机构包括穿过所述盖板并与所述底槽固定的螺纹杆，所述盖板的上表面设有与所述螺纹杆螺纹连接的锁紧螺母。
9.如权利要求1所述的变温钻井模拟实验设备，其特征在于，所述变温钻井模拟实验设备还包括钻井液回收装置，所述钻井液回收装置包括：固定于所述岩样加压装置上部的模拟井筒，所述模拟井筒通过泄流通道与泥浆回收池连通，所述泥浆回收池通过回收输送泵和回收管路与所述钻井液注入装置连通。
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