CN108798638A - 一种用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置 - Google Patents

一种用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其包括：套管；钻进装置，包括伸入套管内的钻柱、以及位于套管内并与钻柱连接的钻头；用于驱动钻柱旋转的驱动装置，驱动装置设于套管外并与钻柱连接；用于向钻柱内注入钻井液的钻井液注入装置，钻井液注入装置设于套管外，并与钻柱连接；用于向套管内注入浅层流体的浅层流体注入装置，浅层流体注入装置设于套管外，并与套管连通；用于检测套管内压力的压力检测装置，压力检测装置与套管连接。本发明能真实模拟钻进条件下钻遇浅层地质灾害的工况，并能监测浅层地质灾害流体侵入时井筒内部的压力变化。

Description

一种用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置
技术领域
本发明涉及海洋浅层钻井技术领域，尤其是一种用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置。
背景技术
随着海上油气资源的深入开发，油气勘探开发重点区域逐渐由近海浅水区域转向远海深水区域。一方面，远海深水区域泥线以下约400米左右常存在浅层水、浅层气等浅层地质灾害流体，在表层钻进过程中，浅层流由于压力较井筒内高，在钻遇之后通常会涌入井筒内部，导致井筒内压力发生复杂的变化；另一方面，由于海洋深水区块水深较深，海底浅层土压实作用较差，导致浅层土破裂压力低、压力窗口小，为了保障深水区域浅层钻井的安全高效，进行海洋深水钻井时常使用双梯度或多梯度钻井技术，以保证井筒内液柱压力在平衡各个层位地层压力的同时不压漏上部薄弱地层，但双梯度或多梯度钻井技术通常又受到井筒内复杂压力情况的影响。
为了摸清在钻遇浅层地质灾害时井筒内压力的变化规律，并揭示灾害流体在井筒内的运移机理，同时为多梯度钻井技术提供水力基础，亟需研制一套经济、有效、方便的实验装置来真实的模拟现场钻进条件下钻遇浅层地质灾害工况时井筒内的压力变化，以为现场的高效安全作业提供理论指导，并为后续海洋深水高效钻井技术的发展提供理论基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其能真实模拟钻进条件下钻遇浅层地质灾害的工况，并能监测浅层地质灾害流体侵入时井筒内部的压力变化。
为达到上述目的，本发明提出一种用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其包括：套管；钻进装置，包括伸入所述套管内的钻柱、以及位于所述套管内并与所述钻柱连接的钻头；用于驱动所述钻柱旋转的驱动装置，所述驱动装置设于所述套管外并与所述钻柱连接；用于向所述钻柱内注入钻井液的钻井液注入装置，所述钻井液注入装置设于所述套管外，并与所述钻柱连接；用于向所述套管内注入浅层流体的浅层流体注入装置，所述浅层流体注入装置设于所述套管外，并与所述套管连通；用于检测所述套管内压力的压力检测装置，所述压力检测装置与所述套管连接。
如上所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其中，所述钻进装置还包括位于所述套管内并与所述钻柱连接的第一单向阀、以及位于所述套管外的钻井水龙头，所述钻井水龙头连接在所述钻柱与所述钻井液注入装置之间。
如上所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其中，所述驱动装置包括：蜗轮，与所述钻柱固定连接；蜗杆，与所述蜗轮啮合；电机，与所述蜗杆连接，并能驱动所述蜗杆旋转。
如上所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其中，所述钻井液注入装置包括用于容纳钻井液的钻井液池、以及连接在所述钻井液池与所述钻进装置之间的泵。
如上所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其中，所述实验装置还包括钻井液返出装置，所述钻井液返出装置包括返液管线，所述返液管线的一端与所述套管连接并连通，所述管线的另一端与所述钻井液池连接。
如上所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其中，所述浅层流体注入装置包括浅层水注入装置和浅层气注入装置；所述浅层水注入装置包括蓄水池、以及连接在所述蓄水池与所述套管之间的第一阀门、第二单向阀和水泵；所述浅层气注入装置包括气体压缩机、以及连接在所述气体压缩机与所述套管之间的第二阀门和第三单向阀。
如上所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其中，所述浅层流体注入装置还包括气液输入装置，所述气液输入装置包括输入管线、连接在所述输入管线上的多个第一接头、以及至少一个高压软管，所述输入管线与所述浅层水注入装置和所述浅层气注入装置连接，各所述高压软管的一端能与所述第一接头连接，且另一端能与所述套管连接并连通。
如上所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其中，所述实验装置包括多组所述压力检测装置，每组所述压力检测装置包括连接在所述套管的外侧壁上且沿所述套管的轴向间隔排列的多个压力传感器，多组所述压力检测装置沿所述套管的周向间隔排列。
如上所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其中，所述实验装置还包括多组连接件，每组所述连接件包括连接在所述套管的外侧壁上且沿所述套管的轴向间隔排列的多个第二接头，多组所述连接件沿所述套管的周向间隔排列，各所述第二接头能与所述浅层流体注入装置连接。
如上所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其中，所述第二接头为快速接头。
本发明的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置的特点和优点是：
1、采用本发明的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，开启钻进装置，通过钻进液注入装置向套管内注入钻井液，并通过浅层流体注入装置向套管内注入浅层流体，能真实模拟钻进条件下钻遇浅层地质灾害的工况，通过设置压力检测装置，还能监测浅层地质灾害流体侵入时井筒内部的压力变化；
2、本发明的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，通过设置钻井液返出装置，能实现钻井液的循环，实验时，同时开启钻进装置、钻井液注入装置和钻井液返出装置，能模拟钻柱旋转情况下泥浆循环的工况；关闭钻进装置，并开启钻井液注入装置和钻井液返出装置，能模拟钻柱不旋转情况下泥浆循环的工况，从而能研究这两种不同工况下灾害流体侵入导致的井筒压力变化；
3、本发明的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，结构简单，对实验场地无特定要求，实验装置能放置在地面以上，操作简单方便。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是本发明的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置的示意图；
图2是图1中套管、第二接头和压力传感器组合部件的组合示意图。
主要元件标号说明：
1套管
2钻进装置
21钻柱 22钻头 23第一单向阀
24钻井水龙头
3驱动装置 31蜗轮 32蜗杆
4钻井液注入装置 41钻井液池 42泵
5浅层流体注入装置
51浅层水注入装置 511蓄水池 512第一阀门
513第二单向阀 514水泵
52浅层气注入装置 521气体入口槽 522气体压缩机
523第二阀门 524第三单向阀
53气液输入装置 531输入管线 532第一接头
533高压软管
6压力检测装置 61压力传感器
7壳体
8机械密封件
9钻井液返出装置 91返液管线 92出口接头
10连接件 101第二接头
11支架 111立柱 112钢板
113螺柱
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供一种用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其包括套管1、钻进装置2、驱动装置3、钻井液注入装置4、浅层流体注入装置5、以及压力检测装置6，套管1用于模拟井筒；
钻进装置2包括伸入套管1内的钻柱21、以及位于套管1内并与钻柱21连接的钻头22，钻柱21内具有供钻井液流过的钻井液流动通道；驱动装置3设于套管1外并与钻柱21连接，用于驱动钻柱21旋转；
钻井液注入装置4设于套管1外，并与钻柱21连接，钻井液注入装置4用于向钻柱21内注入钻井液(或称为泥浆)，例如钻井液为清水，钻井液经由钻柱21和钻头22进入套管1内部，并能经由钻柱21与套管1之间的环形空间循环上返至套管1上端；
浅层流体注入装置5设于套管1外，并与套管1连通，浅层流体注入装置5用于向套管1内注入浅层流体(即灾害流体)，浅层流体为浅层气或浅层水；
压力检测装置6与套管1连接，用于检测套管1内的压力。
采用本发明的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置进行实验时，开启钻进装置2，通过钻进液注入装置向套管1内注入钻井液，并通过浅层流体注入装置5向套管1内注入浅层流体，能真实模拟钻进条件下钻遇浅层地质灾害的工况，通过设置压力检测装置6，还能监测浅层地质灾害流体侵入时井筒内部的压力变化。
具体是，套管1的底端封闭，且顶端具有开口，套管1的顶端开口处设有一壳体7，壳体7中部设有穿孔，钻柱21穿过壳体7的穿孔，钻柱21与壳体7之间通过机械密封件8密封，可确保钻柱21旋转的同时，套管1内的钻井液不从钻柱21与壳体7之间泄露。
如图1、图2所示，进一步，本发明的实验装置包括多组压力检测装置6，每组压力检测装置6包括连接在套管1的外侧壁上且沿套管1的轴向间隔排列的多个压力传感器61，多组压力检测装置6沿套管1的周向间隔排列。通过设置多组压力检测装置6，可以检测套管1内部不同位置处的压力。
例如，压力传感器61为存储式压力传感器61，可连续记录套管1内部相应位置处的压力值并随时可以读取压力数据。
进一步，钻进装置2还包括位于套管1内并与钻柱21连接的第一单向阀23、以及位于套管1外的钻井水龙头24，钻井水龙头24连接在钻柱21与钻井液注入装置4之间。通过设置单向阀，可以确保钻井液在钻柱21内由上至下单向流动。
更进一步，钻进装置2包括多节钻柱21，多节钻柱21依次连接，钻头22连接在最下方的一节钻柱21的底部，任意相邻的两节钻柱21之间均连接有第一单向阀23。例如钻头22通过螺纹与钻柱21连接，可以随钻柱21一起旋转，第一单向阀23通过螺纹与钻柱21连接。
进一步，驱动装置3包括蜗轮31、蜗杆32和电机(图未示出)，蜗轮31与钻柱21固定连接，例如蜗轮31内部与钻柱21外壁过盈配合，蜗杆32与蜗轮31啮合，电机与蜗杆32连接，并能驱动蜗杆32旋转，蜗杆32带动与之啮合的蜗轮31一起旋转，蜗轮31带动钻柱21旋转。但本发明并不限于此，驱动装置3还可以是齿轮与电机相配合的结构。
如图1所示，在一个具体实施例中，钻井液注入装置4包括用于容纳钻井液的钻井液池41、以及连接在钻井液池41与钻进装置2之间的泵42。
具体是，泵42连接在钻井液池41与钻井水龙头24之间，钻井液池41与泵42之间、以及泵42与钻进装置2之间均通过管线连接，并通过螺纹连接，为方便连接钻井水龙头24，可以在钻井水龙头24上方连接一个管柱，并采用软管将管柱与钻井液注入装置4的管线连接起来。
进一步，实验装置还包括钻井液返出装置9，钻井液返出装置9包括返液管线91，返液管线91的一端与套管1连接并连通，管线的另一端与钻井液池41连接，套管1内的钻井液能通过钻井液返出装置9返回钻井液池41内。
具体是，套管1的上端侧壁上连接有出口接头92，出口接头92与套管1内部连通，返液管线91连接在出口接头92与钻井液池41之间，为便于套管1内的钻井液在重力作用下返回至钻井液池41，将钻井液池41安装在低于出口接头92的位置，例如放置在水平地面上。
通过设置钻井液返出装置9，能实现钻井液的循环，即开启泵92后，钻井液池41中的钻井液进入钻柱21与套管1之间的环形空间内，再经由返液管线91返回至钻井液池41内，完成一次循环。
在进行实验时，同时开启钻进装置2、钻井液注入装置4和钻井液返出装置9，能模拟钻柱21旋转情况下泥浆循环的工况；关闭钻进装置2，并开启钻井液注入装置4和钻井液返出装置9，能模拟钻柱21不旋转情况下泥浆循环的工况，从而能研究这两种不同工况下灾害流体侵入导致的井筒压力变化。
在另一个具体实施例中，浅层流体注入装置5包括浅层水注入装置51和浅层气注入装置52，浅层水注入装置51包括用于容纳水的蓄水池511、以及连接在蓄水池511与套管1之间的第一阀门512、第二单向阀513和水泵514，例如，蓄水池511、水泵514、第二单向阀513和第一阀门512依次连接，水泵514用于输送水，蓄水池511内的水被水泵514抽送，经由打开的第二单向阀513和第一阀门512进入套管1内，第一单向阀23能控制水由蓄水池511向套管1单向流动，第一阀门512能打开或关闭注水管路；
浅层气注入装置52包括气体入口槽521、气体压缩机522、以及连接在气体压缩机522与套管1之间的第二阀门523和第三单向阀524，气体入口槽521、气体压缩机522、第二阀门523和第三单向阀524依次连接，气体经由外界大气中的空气从气体入口槽521进入，之后被气体压缩机522压缩为高压气体，高压气体再通过打开的第二阀门523和第三单向阀524进入套管1内，第三单向阀524能控制气体由气体压缩机522向套管1单向流动，第二阀门523能打开或关闭注气管路。
进一步，浅层流体注入装置5还包括气液输入装置53，气液输入装置53包括输入管线531、连接在输入管线531上的多个第一接头532、以及至少一个高压软管533，输入管线531与浅层水注入装置51和浅层气注入装置52连接，各高压软管533的一端能与第一接头532连接，且另一端能与套管1连接并连通。在注入浅层气和/或浅层水时，将高压软管533的两端分别与气液输入装置53的第一接头532和套管1连接起来，浅层气和/或浅层水经由气液输入装置53和高压软管533流入套管1内部。
具体是，输入管线531的一端均与浅层水注入装置51的管线和浅层气注入装置52的管线连接。
如图1、图2所示，进一步，实验装置还包括多组连接件10，每组连接件10包括连接在套管1的外侧壁上且沿套管1的轴向间隔排列的多个第二接头101，多组连接件10沿套管1的周向间隔排列，各第二接头101能与浅层流体注入装置5连接，也就是与气液输入装置53连接。具体是，在进行实验时，将高压软管533的一端与套管1上的第二接头101连接，将高压软管533的另一端与气液输入装置53的第一接头532连接。
例如，连接件10为三组，压力检测装置6为三组，在套管1的圆周方向上，连接件10与压力检测装置6交替排列，并成60度夹角间隔均匀布置。
进一步，第一接头532和第二接头101均为快速接头，采用快速接头，在不与高压软管533连接时，快速接头能阻断流体流出，在与高压软管533连接时，能将管路连通，高压软管533的两端也可以连接有快速接头，以便于将高压软管533与套管1和气液输入装置53快速连接起来。
本实施例设置有多组连接件10，通过将浅层流体注入装置5与套管1外壁上不同深度处的第二接头101连接，能模拟浅层流体侵入的不同深度，例如，通过连接钻头22深度处的第二接头101，能模拟刚好钻遇浅层流体，通过连接钻头22深度以上处的第二接头101，能模拟钻过之后遭遇浅层流体，通过同时连接钻头22深度及其以上深度处的第二接头101，能模拟钻遇深度及钻过深度处同时发生浅层流体侵入；
另外，通过将浅层流体注入装置5与套管1外壁周向上不同位置处的第二接头101连接，能模拟浅层流体从不同方位侵入，通过将浅层流体注入装置5连接不同数量的第二接头101，能模拟浅层流体的不同侵入量。
在如图1所示的实施例中，本发明的实验装置还包括支架11，支架11包括四根立柱111、钢板112和螺柱113，四根立柱111呈方形排列，四根立柱111的顶端设有钢板112，套管1、钻进装置2、驱动装置3、钻井液注入装置4、浅层流体注入装置5、以及压力检测装置6均设置在四根立柱111内侧，并位于钢板112下方，其中蓄水池511也可以放置在钢板112上，以便在重力作用下流入套管1内部，在钢板112与旋转系统之间通过四根螺柱113连接，以将旋转系统悬挂固定在钢板112下方，但本发明并不以此为限，旋转系统还可以通过其他方式固定。
进一步，本发明还包括连接在支架11底部的滑轮(图未示出)，以便于对实验装置进行转移。
本发明的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置的使用方法为：
1、模拟钻柱21旋转且泥浆循环工况下灾害流体侵入工况的操作步骤：
(1)检查各连接处的密封性能；
(2)开动旋转装置，使钻柱21开始缓慢旋转；
(3)开动泵，使钻井液池41中的泥浆以一定流速流至钻柱21及套管1内部，并建立泥浆的循环，即可模拟钻柱21旋转情况下泥浆循环的工况；
(4)将高压软管533连接在第一接头532与第二接头101之间，打开浅层水注入装置51的第一阀门512和/或浅层气注入装置52的第二阀门523，浅层水和/或浅层气经由气液输入装置53注入套管1内，即可模拟泥浆循环工况下的灾害流体侵入工况。
2、模拟钻柱21不旋转且泥浆循环工况下灾害流体侵入工况的操作步骤：
(1)检查各连接处的密封性能；
(2)开动泵，使钻井液池41中的泥浆以一定流速流至钻柱21及套管1内部，即可模拟钻柱21不旋转情况下泥浆、循环的工况；
(3)将高压软管533连接在第一接头532与第二接头101之间，打开浅层水注入装置51的第一阀门512和/或浅层气注入装置52的第二阀门523，浅层水和/或浅层气经由气液输入装置53注入套管1内，即可模拟钻柱21不旋转且泥浆循环工况下的灾害流体侵入工况。
3、模拟浅层流体侵入的深度
在模拟钻柱21旋转情况下泥浆循环工况的步骤(4)和模拟钻柱21不旋转情况下泥浆循环工况的步骤(3)中，通过将高压软管533连接套管1外壁上不同深度处的第二接头101，能模拟浅层流体侵入的深度，例如，通过连接与钻头22相同深度处的第二接头101，模拟刚好钻遇浅层流体；通过连接钻头22上方位置处的第二接头101，模拟钻过之后遭遇浅层流体侵入；通过同时连接与钻头22相同深度处及钻头22上方位置处的第二接头101，模拟钻遇深度及钻过深度处同时发生浅层流体侵入。
4、模拟浅层流体侵入的方位与流量
通过连接不同数量的第二接头101来模拟浅层流体侵入的方位及侵入量：当在同一深度的水平圆周方向上间隔120度均匀布置有3个第二接头101时，通过连接1个、2个或3个第二接头101的方式来模拟浅层流体的不同侵入方位及不同侵入量。
由上述可知，采用本发明的试验装置，能改变实验条件进行实验模拟。
本发明的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，能够精确的控制浅层地质灾害流体侵入的时间和侵入条件，可以揭示灾害流体在井筒中的运移机理以及浅层流侵入后井筒内的压力变化规律，从而为深水多梯度钻井提供水力基础。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (10)

1.一种用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：
套管；
钻进装置，包括伸入所述套管内的钻柱、以及位于所述套管内并与所述钻柱连接的钻头；
用于驱动所述钻柱旋转的驱动装置，所述驱动装置设于所述套管外并与所述钻柱连接；
用于向所述钻柱内注入钻井液的钻井液注入装置，所述钻井液注入装置设于所述套管外，并与所述钻柱连接；
用于向所述套管内注入浅层流体的浅层流体注入装置，所述浅层流体注入装置设于所述套管外，并与所述套管连通；
用于检测所述套管内压力的压力检测装置，所述压力检测装置与所述套管连接。
2.如权利要求1所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其特征在于，所述钻进装置还包括位于所述套管内并与所述钻柱连接的第一单向阀、以及位于所述套管外的钻井水龙头，所述钻井水龙头连接在所述钻柱与所述钻井液注入装置之间。
3.如权利要求1所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其特征在于，所述驱动装置包括：
蜗轮，与所述钻柱固定连接；
蜗杆，与所述蜗轮啮合；
电机，与所述蜗杆连接，并能驱动所述蜗杆旋转。
4.如权利要求1所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其特征在于，所述钻井液注入装置包括用于容纳钻井液的钻井液池、以及连接在所述钻井液池与所述钻进装置之间的泵。
5.如权利要求4所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括钻井液返出装置，所述钻井液返出装置包括返液管线，所述返液管线的一端与所述套管连接并连通，所述管线的另一端与所述钻井液池连接。
6.如权利要求1所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其特征在于，所述浅层流体注入装置包括浅层水注入装置和浅层气注入装置；
所述浅层水注入装置包括蓄水池、以及连接在所述蓄水池与所述套管之间的第一阀门、第二单向阀和水泵；
所述浅层气注入装置包括气体压缩机、以及连接在所述气体压缩机与所述套管之间的第二阀门和第三单向阀。
7.如权利要求6所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其特征在于，所述浅层流体注入装置还包括气液输入装置，所述气液输入装置包括输入管线、连接在所述输入管线上的多个第一接头、以及至少一个高压软管，所述输入管线与所述浅层水注入装置和所述浅层气注入装置连接，各所述高压软管的一端能与所述第一接头连接，且另一端能与所述套管连接并连通。
8.如权利要求1至7任一项所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括多组所述压力检测装置，每组所述压力检测装置包括连接在所述套管的外侧壁上且沿所述套管的轴向间隔排列的多个压力传感器，多组所述压力检测装置沿所述套管的周向间隔排列。
9.如权利要求1至7任一项所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括多组连接件，每组所述连接件包括连接在所述套管的外侧壁上且沿所述套管的轴向间隔排列的多个第二接头，多组所述连接件沿所述套管的周向间隔排列，各所述第二接头能与所述浅层流体注入装置连接。
10.如权利要求9所述的用于模拟浅层流体侵入井筒的实验装置，其特征在于，所述第二接头为快速接头。
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