CN109184662A - 透射式超声波气侵监测模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种透射式超声波气侵监测模拟实验装置，包括：模拟井筒，其包括上井段及与之相连的下井段；所述上井段用于模拟隔水管，所述下井段可透视；模拟钻杆，其安装于所述模拟井筒内，所述模拟钻杆与所述模拟井筒形成的环空内填充有钻井液；气体注入装置，其按照预设流量向所述模拟井筒内注入气体；设置于所述模拟井筒底部的发泡筛板，其与所述模拟井筒可拆卸连接，用于使所述气体形成均匀分散的泡状流；超声波探测装置，用于测量超声波对所述泡状流的含气率的响应。本申请实施例可以模拟并测量不同截面含气率条件下钻井过程中气侵情况，从而为后续钻井过程中气侵监测的分析研究提供了支持。
Description
技术领域
本申请涉及石油开采技术领域，尤其是涉及一种透射式超声波气侵监测模拟实验装置。
背景技术
钻井过程中若钻遇高压气层会发生气侵，在气侵的初始阶段很难通过钻井液池流体增量监测、流量差溢流监测等方法检测到，且随着井深的增加，提早发现气侵的难度增大，留给井控的反应时间明显减少，使得气侵的早期监测成为深井井控的重点和难点。对于深水钻井，首先，随着水深的增加钻井液安全密度窗口变窄，更容易发生气侵；其次，在深水高静压环境下，气泡的总体尺度较小，导致气体进入隔水管时钻井液池增量依然不会达到预警值，难以通过常规方法及时检测到气侵。因此，深水钻井中及时准确发现气侵是井控工作的重点。
然而，目前缺少可模拟并测量不同截面含气率条件下钻井过程中气侵情况的技术手段，以用于钻井过程中气侵监测的分析研究。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种透射式超声波气侵监测模拟实验装置，以实现模拟并测量不同截面含气率条件下钻井过程中气侵情况。
为达到上述目的，本申请实施例提供了一种透射式超声波气侵监测模拟实验装置，包括：
模拟井筒，其包括上井段及与之相连的下井段；所述上井段用于模拟隔水管，所述下井段可透视；
模拟钻杆，其安装于所述模拟井筒内，所述模拟钻杆与所述模拟井筒形成的环空内填充有钻井液；
气体注入装置，其按照预设流量向所述模拟井筒内注入气体；
设置于所述模拟井筒底部的发泡筛板，其与所述模拟井筒可拆卸连接，用于使所述气体形成均匀分散的泡状流；
超声波探测装置，用于测量超声波对所述泡状流的含气率的响应。
本申请实施例的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，所述发泡筛板包括端盖，所述端盖的内壁上安装有形状配合的筛网；所述端盖的底部中央安装有与所述气体注入装置相连的喷头；所述喷头与所述筛网相距预设距离。
本申请实施例的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，所述端盖与所述筛网可拆卸连接。
本申请实施例的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，所述可拆卸连接包括以下中的任意一种：
螺纹连接、卡扣连接和销钉连接。
本申请实施例的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，所述超声波探测装置安装于所述上井段的外壁上。
本申请实施例的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，所述超声波探测装置通过延迟模块安装于所述上井段的外壁上。
本申请实施例的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，所述超声波探测装置包括对称设置的超声波发射探头及超声波接收探头；所述超声波发射探头通过第一延迟模块安装于所述上井段的外壁上；所述超声波接收探头通过第二延迟模块安装于所述上井段的外壁上。
本申请实施例的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，所述气体注入装置包括空气压缩机，所述空气压缩机的出口端依次通过调压阀、流量计、节流阀和控制阀与所述发泡筛板的进口端相连。
本申请实施例的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，所述下井段的材质包括有机玻璃。
本申请实施例的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，所述上井段与所述下井段的长度之比为1:3。
由以上本申请实施例提供的技术方案可见，在本申请实施例的透射式超声波气侵监测模拟实验装置中，通过气体注入装置可改变和控制气体流量，通过更换发泡筛板可改变气泡密度及大小，从而使得本申请实施例的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，不仅可以模拟并测量不同气体流量条件下钻井过程中的气侵情况，也可以模拟并测量相同体流量在不同气泡密度及大小条件下的钻井过程中的气侵情况，还可以模拟并测量不同体流量在不同气泡密度及大小条件下的钻井过程中的气侵情况，从而实现了模拟并测量不同截面含气率条件下钻井过程中气侵情况。进而为后续钻井过程中气侵监测的分析研究提供了支持。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。在附图中：
图1为本申请一实施例中透射式超声波气侵监测模拟实验装置的结构框图；
图2为本申请一实施例中发泡筛板的结构剖视示意图；
图3为本申请一实施例中发泡筛板的俯视示意图；
图4为本申请一实施例中超声波探测装置的安装示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。例如在下面描述中，在第一部件上方形成第二部件，可以包括第一部件和第二部件以直接接触方式形成的实施例，还可以包括第一部件和第二部件以非直接接触方式(即第一部件和第二部件之间还可以包括额外的部件)形成的实施例等。
而且，为了便于描述，本申请一些实施例可以使用诸如“在…上方”、“在…之下”、“顶部”、“下方”等空间相对术语，以描述如实施例各附图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件之间的关系。应当理解的是，除了附图中描述的方位之外，空间相对术语还旨在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如若附图中的装置被翻转，则被描述为“在”其他元件或部件“下方”或“之下”的元件或部件，随后将被定位为“在”其他元件或部件“上方”或“之上”。
近年来，有不少学者针对深水钻井气侵的早期监测进行了研究。为了实现更准确的气侵早期监测，国内外学者将研究重点逐步转移到隔水管处的气侵早期监测方法上，主要有基于控压钻井技术的隔水管气体风险控制技术和基于隔水管处钻井液密度测定的溢流监测方法等。其中，基于控压钻井技术的隔水管气体风险控制技术是利用控压钻井技术本身的控压优势及流体探测装置对隔水管内的气体进行处理以减小井喷风险。基于隔水管处钻井液密度测定的溢流监测方法通过安装在隔水管底部的流体密度探测装置测量密度的变化情况，由此确定是否有溢流或气侵的发生，但在如何精确确定截面含气率等方面还需进一步研究。
在实现本申请的过程中，本申请的发明人研究发现：深水钻井中的隔水管始终处于承压状态，且由于受到暗流、钻井船漂移等因素的影响而处于复杂力学状态。在此情况下，为了便于精确确定截面含气率，如何在保证隔水管完整性的前提下，模拟不同截面含气率条件下的气侵情况是目前亟待解决的技术问题。而为了解决这一技术问题，本申请实施例提供了一种射式超声波气侵监测模拟实验装置，以实现模拟不同截面含气率条件下的气侵情况。
参考图1所示，本申请实施例的透射式超声波气侵监测模拟实验装置可以包括：模拟井筒、超声波探测装置2、模拟钻杆3、发泡筛板5和气体注入装置6。
在本申请一实施例中，所述模拟井筒可以包括上井段1及与之紧密相连的下井段4。所述上井段1可用于模拟隔水管。所述下井段4可透视，以便于可透过所述下井段4的侧壁观测气泡在所述模拟井筒(具体为下井段4)中的运移情况。
在本申请一实施例中，所述模拟钻杆3可安装于所述模拟井筒内，且所述模拟钻杆3与所述模拟井筒4之间形成的环空内可填充有钻井液，以模拟钻杆的钻井环境。
在本申请一实施例中，所述气体注入装置6可按照预设流量向所述模拟井筒内注入气体。通过调整所述气体注入装置6中的预设流量，可实现不同气体流量下的气侵模拟研究。
在本申请一实施例中，所述发泡筛板5可设置于所述模拟井筒底部，且其与所述模拟井筒可拆卸连接；所述可拆卸连接例如可以是螺纹连接、卡扣连接或销钉连接等。所述发泡筛板5可用于使注入所述模拟井筒内的气体形成均匀分散的泡状流，从而模拟钻井过程中的气侵。由于所述发泡筛板5与所述模拟井筒为可拆卸连接。因此，通过更换不同的孔目数及孔径尺寸的发泡筛板5，可以模拟井筒内气侵中气泡在不同密度及大小情况下的气侵。
在本申请一实施例中，所述超声波探测装置2可安装于所述上井段1的外壁上。所述超声波探测装置2可用于测量超声波对所述泡状流的含气率的响应，以便于后续用于分析研究超声波信号特征参数与井筒截面含气率的定量关系，从而用于钻井过程中气侵监测的分析研究。
由此可见，本申请上述实施例的透射式超声波气侵监测模拟实验装置不仅可以模拟并测量不同气体流量条件下钻井过程中的气侵情况，也可以模拟并测量相同体流量在不同气泡密度及大小条件下的钻井过程中的气侵情况，还可以模拟并测量不同体流量在不同气泡密度及大小条件下的钻井过程中的气侵情况，从而实现了模拟并测量不同截面含气率条件下钻井过程中气侵情况。
结合图2和图3所示，在本申请一实施例中，所述发泡筛板5可包括端盖51，所述端盖51的内壁上可安装有形状配合的筛网52，所述筛网52起到使注入所述模拟井筒内的气体形成均匀分散的泡状流作用；所述端盖51的底部中央可安装有与所述气体注入装置6相连的喷头53；所述喷头53可与所述筛网52相距预设距离，从而通过喷头53可使得来自气体注入装置6的气体形成面积更广且更加均匀的泡状流。
此外，在本申请另一实施例中，所述端盖与所述筛网可以是可拆卸连接。在本申请实施例中，所述可拆卸连接例如可以是螺纹连接、卡扣连接或销钉连接等。如此，可以实现一个发泡筛板5配置多个筛网52，从而通过更换发泡筛板5内的筛网52也可以达到改变模拟井筒内气侵中气泡的密度和大小的目的。因此，与发泡筛板5配置一个筛网52相比，这种方式实现成本更低。
在本申请一实施例中，所述超声波探测装置2还可以通过延迟模块安装于所述上井段1的外壁上，如此，通过加装延迟块可以实现模拟井筒环空位置处超声波探测装置的对位安装。结合图4所示，在一示例性实施例中，所述超声波探测装置2可包括对称设置的超声波发射探头21及超声波接收探头22；所述超声波发射探头21可通过第一延迟模块23固定安装于所述上井段1的外壁上；所述超声波接收探头22可通过第二延迟模块24固定安装于所述上井段1的外壁上。其中，所述超声波发射探头21可采用900V高电压超声波发射装置激励产生超声波，使得不同频率的超声波能够穿透气液两相流，以便研究频率对超声波衰减规律的影响，从而有利于选择出最优超声波频率。需要注意的是，所述超声波发射探头21与所述超声波接收探头22之间应尽量避开所述模拟钻杆3，以免过多的影响所述超声波接收探头22的信号接收。
在本申请一实施例中，所述透射式超声波气侵监测模拟实验装置6可以包括空气压缩机61，所述空气压缩机61的出口端可依次通过调压阀62(可选)、流量计63、节流阀64和控制阀65与所述发泡筛板5的进口端相连。其中，空气压缩机61提供高压气源的输出。所述调压阀62可用于气体压力开控制。所述节流阀64可用于调节输入至所述模拟井筒的气体流量。相应的，所述流量计63可用于计量输入至所述模拟井筒的气体流量。所述控制阀65用于开启或关闭输入至所述模拟井筒的气体。
在本申请一实施例中，所述上井段1和所述下井段4可具有相同形状和规格。例如在本申请一示例性实施例中，所述上井段1和所述下井段4均为具有相同内径和外径的圆筒。所述上井段1与所述下井段4的长度之比可以为1:3。例如在本申请一示例性实施例中，所述上井段1的长度可以为0.5米，所述下井段4的长度可以为1.5米。在本申请一实施例中，所述下井段4可优选满足预设强度要求的透明材质，例如有机玻璃、钢化玻璃等。
本申请一实施例中，使用时，开启控制阀65，空气压缩机61产生的高压气体依次通过调压阀62、流量计63、节流阀64、控制阀65进入模拟井筒，经由模拟井筒底部的发泡筛板5形成均匀的泡状流侵入模拟井筒内的钻井液，从而形成多相流体。此时，利用所述超声波探测装置2的超声波发射探头21产生超声波，超声波经由第一延迟块23、一侧隔水管壁(即模拟井筒的筒壁)、多相流体、另一侧隔水管壁、第二延迟块23到达超声波接收探头22，并可由所述超声波探测装置2的高速数据采集系统对声波信号进行实时采集。通过调节节流阀64可以改变注入至模拟井筒的气体流量，从而实现不同气体流量条件下的气侵模拟。而通过更换发泡筛板5或更换发泡筛板5内的筛网52，可以改变模拟井筒内气泡的密度和大小，从而实现不同气泡密度及大小条件下的气侵模拟。通过上述实验条件的变化，最终可实现模拟并测量不同截面含气率条件下钻井过程中气侵情况。
综上所述，本申请上述实施例的透射式超声波气侵监测模拟实验装置不仅能够模拟并测量不同截面含气率条件下钻井过程中气侵情况，而且结构简单，使用方便，适用性强。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种透射式超声波气侵监测模拟实验装置，其特征在于，包括：
模拟井筒，其包括上井段及与之相连的下井段；所述上井段用于模拟隔水管，所述下井段可透视；
模拟钻杆，其安装于所述模拟井筒内，所述模拟钻杆与所述模拟井筒形成的环空内填充有钻井液；
气体注入装置，其按照预设流量向所述模拟井筒内注入气体；
设置于所述模拟井筒底部的发泡筛板，其与所述模拟井筒可拆卸连接，用于使所述气体形成均匀分散的泡状流；
超声波探测装置，用于测量超声波对所述泡状流的含气率的响应。
2.如权利要求1所述的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，其特征在于，所述发泡筛板包括端盖，所述端盖的内壁上安装有形状配合的筛网；所述端盖的底部中央安装有与所述气体注入装置相连的喷头；所述喷头与所述筛网相距预设距离。
3.如权利要求2所述的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，其特征在于，所述端盖与所述筛网可拆卸连接。
4.如权利要求1或3所述的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，其特征在于，所述可拆卸连接包括以下中的任意一种：
螺纹连接、卡扣连接和销钉连接。
5.如权利要求1所述的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，其特征在于，所述超声波探测装置安装于所述上井段的外壁上。
6.如权利要求5所述的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，其特征在于，所述超声波探测装置通过延迟模块安装于所述上井段的外壁上。
7.如权利要求6所述的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，其特征在于，所述超声波探测装置包括对称设置的超声波发射探头及超声波接收探头；所述超声波发射探头通过第一延迟模块安装于所述上井段的外壁上；所述超声波接收探头通过第二延迟模块安装于所述上井段的外壁上。
8.如权利要求1所述的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，其特征在于，所述气体注入装置包括空气压缩机，所述空气压缩机的出口端依次通过调压阀、流量计、节流阀和控制阀与所述发泡筛板的进口端相连。
9.如权利要求1所述的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，其特征在于，所述下井段的材质包括有机玻璃。
10.如权利要求1所述的透射式超声波气侵监测模拟实验装置，其特征在于，所述上井段与所述下井段的长度之比为1:3。
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