CN109556981A - 一种水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验装置及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验装置及实验方法，包括存储有流体介质的储液池、平行设置的模拟井筒，模拟井筒内设有外钻杆、可旋转设在外钻杆内的内钻杆以及连接在外钻杆前端的钻头，模拟井筒后端管路连接有向外钻杆与内钻杆之间的环空内打入压缩气体的空压机，储液池与模拟井筒之间设有联动将流体介质打入或排出模拟井筒内的第一活塞缸和第二活塞缸，模拟井筒外侧设有用于测定所述环空内的流体介质在流动过程中对外钻杆前端部产生的冲刷磨损量的检测系统。本发明可以模拟水平井钻井过程中流体介质的流动过程，以此测定在外钻杆偏心情况下的流体介质对外钻杆底部的冲刷磨损情况，为延长外钻杆使用寿命提供研究的理论依据。

Description

一种水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及油井开采设备技术领域，尤其是一种水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验装置及实验方法。
背景技术
气体反循环钻井技术是一种利用双壁钻具及纯气相流体的反循环钻井技术。我国自20世纪80年代从国外引进该技术以来，在地矿系统进行了较为广泛的应用，其显著的优势就是与相同井眼尺寸气体正循环钻井技术相比，该技术需要的气量只有正循环的1/5-1/3,因此具有巨大经济性优势。但由于此钻井技术常用于含砂油井、深井及复杂井况下的钻井过程，因此井底流体介质会在流经管体与杆体时对管杆造成机械性的冲刷和电化学腐蚀的交互作用，这严重影响着钻杆的使用寿命。
同时，由于实验装置所模拟的是双壁钻杆气体反循环系统应用在水平井中的情况，就需要考虑到水平井中钻杆由于重力作用而产生的偏心现象。钻杆与下部井筒的环空间隙过小，使得此处的流体介质流速加快，冲刷腐蚀更为严重，所以着重观察钻杆底部的冲刷磨损现象，这对延长钻杆使用寿命、评价双壁钻杆系统性能好坏以及优化气体反循环钻井技术都具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，延长钻杆使用寿命、评价双壁钻杆系统性能好坏以及优化气体反循环钻井技术，本发明提供一种水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验装置及实验方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验装置，包括存储有流体介质的储液池、位于储液池上方平行设置的模拟井筒，所述的模拟井筒内设有外钻杆、可旋转设在外钻杆内的内钻杆以及连接在外钻杆前端的钻头，模拟井筒后端管路连接有向外钻杆与内钻杆之间的环空内打入压缩气体的空压机，储液池与模拟井筒之间设有联动将流体介质打入或排出模拟井筒内的第一活塞缸和第二活塞缸，模拟井筒外侧设有用于测定所述环空内的流体介质在流动过程中对外钻杆前端部产生的冲刷磨损量的检测系统。
为防止产生喷液现象，便于监控模拟井筒内的气体压力，所述的外钻杆前端设有转换接头，转换接头与钻头之间连接有井下随钻仪；所述的模拟井筒后端安装有防喷阀，防喷阀通过防喷器与空压机管路连接，模拟井筒上管路连接有用于压力检测的压力传感器和压力表。
具体说，为实现第一活塞缸和第二活塞缸的联动，所述的第一活塞缸和第二活塞缸的上方设有轴杆控制装置，轴杆控制装置与第一活塞缸之间设有推动第一活塞缸的柱塞作上下运动的第一联动轴杆，轴杆控制装置与第二活塞缸之间设有推动第二活塞缸的柱塞作上下运动的第二联动轴杆，第一活塞缸、第二活塞缸通过四通阀控制连通方式实现对储液池内流体介质的抽取并将抽取的流体介质打入模拟井筒内。
进一步地，所述的四通阀与模拟井筒之间连接有第一管道、与第一活塞缸之间连接有第二管道、与第二活塞缸之间连接有第三管道、与储液池之间连接有第四管道，模拟井筒与储液池之间连接有排液管。
优选地，所述的检测系统包括排列在模拟井筒外侧的高速摄影机、对采集信息进行储存与计算的工控计算机，高速摄影机与工控计算机通过数据线连接。
为便于拍摄模拟井筒内流体介质对对外钻杆的冲刷腐蚀状况，所述的内钻杆、外钻杆及模拟井筒均采用透明PC管材料制作。
一种采用上述实验装置进行水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验的方法，包含以下步骤：
a、实验准备：检查实验管道与第一活塞缸和第二活塞缸之间连接的气密性，储液池内准备好实验所需流体介质，开启空压机，第一活塞缸和第二活塞缸动作，进行实验装置试运行；通过抽吸作用将储液池中的流体介质储存在第一活塞缸中，关闭空压机，第一活塞缸和第二活塞缸停止动作，完成实验准备工作；
b、实验过程：打开空压机，进行模拟井筒内的气体反循环过程，将第一活塞缸中的流体介质打入模拟井筒内，同时将模拟井筒内排出到储液池中的流体介质抽吸到第二活塞缸中，当第一活塞缸内的流体介质全部排出至模拟井筒后，进行第二活塞缸内流体介质的排出，同时进行第一活塞缸吸入流体介质的过程，以此循环往复，使得第一活塞缸与第二活塞缸轮流给模拟井筒内供液，并实现流体介质的循环利用；
c、实验完成：关闭空压机、第一活塞缸和第二活塞缸，排空模拟井筒内的废液，结束实验。
本发明的有益效果是：本发明可以模拟水平井钻井过程中钻杆与套管环空中的流体介质的流动过程，以此测定存在钻杆偏心情况下的流体介质对钻杆底部的冲刷磨损情况，为延长钻杆使用寿命提供研究的理论依据。除了研究流体介质中固相颗粒对钻杆的冲刷磨损情况外，还可进一步分析各种因素变量对冲刷磨损效果的影响程度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明所述第一活塞缸排液、第二活塞缸吸液时的管道连接图。
图3是本发明所述第二活塞缸排液、第一活塞缸吸液时的管道连接图。
图中：1.空压机 2.防喷器 3.防喷阀 4.外钻杆 5.内钻杆 6.压力传感器 7.压力表 8.转换接头 9.模拟井筒 10.井下随钻仪 11.钻头 12.高速摄像机 13.数据线 14.工控计算机 15.轴杆控制装置 16-1.第一联动轴杆 16-2.第二联动轴杆 17-1.第一活塞缸17-2.第二活塞缸 18-1.第一管道 18-2.第二管道 18-3.第三管道 18-4.第四管道 19.四通阀 20.流体介质 21.储液池 22.排液管
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1、图2、图3所示，一种水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验装置，包括存储有流体介质20的储液池21、位于储液池21上方平行设置的模拟井筒9，所述的模拟井筒9内设有外钻杆4、可旋转设在外钻杆4内的内钻杆5以及连接在外钻杆4前端的钻头11，所述的外钻杆4前端设有转换接头8，转换接头8与钻头11之间连接有井下随钻仪10，外钻杆4、内钻杆5、转换接头8、井下随钻仪10及钻头11是构成所述双壁钻杆的主要组成部分。
所述的模拟井筒9后端安装有防喷阀3，防喷阀3通过防喷器2管路连接有空压机1，模拟井筒9上管路连接有用于压力检测的压力传感器6和压力表7。其中，空压机1用于将反循环过程所需气体加压打入外钻杆4与内钻杆5之间的环空内；防喷器2、防喷阀3、压力传感器6以及压力表7用于防喷控制与压力检测，确保实验装置处在安全可控范围内。
所述储液池21与模拟井筒9之间设有联动将流体介质20打入或排出模拟井筒9内的第一活塞缸17-1和第二活塞缸17-2，所述的第一活塞缸17-1和第二活塞缸17-2的上方设有轴杆控制装置15，轴杆控制装置15与第一活塞缸17-1之间设有推动第一活塞缸17-1的柱塞作上下运动的第一联动轴杆16-1，轴杆控制装置15与第二活塞缸17-2之间设有推动第二活塞缸17-2的柱塞作上下运动的第二联动轴杆16-2，第一活塞缸17-1、第二活塞缸17-2通过四通阀19控制连通方式实现对储液池21内流体介质20的抽取并将抽取的流体介质20打入模拟井筒9内。
所述的四通阀19与模拟井筒9之间连接有第一管道18-1、与第一活塞缸17-1之间连接有第二管道18-2、与第二活塞缸17-2之间连接有第三管道18-3、与储液池21之间连接有第四管道18-4，模拟井筒9与储液池21之间连接有排液管22。
本实验所涉及的双壁钻杆气体反循环技术是一种基于双壁钻杆并利用气体反循环过程将井底流体介质20循环带出的钻井工艺。主要过程为气体通过空压机1加压打入双壁钻杆的外钻杆4，向下运移至外钻杆4端部的钻头11输出，输出后的气体在压差的作用下从内钻杆5流入，最终携带流体介质20从连接于模拟井筒9的排液管22排出。这里的流体介质20可选用油煤浆、水煤浆或水砂浆中的一种或几种的混合物。
轴杆控制装置15控制第一联动轴杆16-1和第二联动轴杆16-2动作，对应带动第一活塞缸17-1和第二活塞缸17-2内的柱塞上下移动，并通过由四通阀19控制连通方式的第一管道18-1、第二管道18-2、第三管道18-3、第四管道18-4完成第一活塞缸17-1和第二活塞缸17-2对储液池21中流体介质20的抽吸或排出。具体过程为：轴杆控制装置15同步控制第一联动轴杆16-1与第二联动轴杆16-2，并使得第一联动轴杆16-1下移，即第一活塞缸17-1排出流体介质20时，第二联动轴杆16-2上提，使第二活塞缸17-2吸入流体介质20；当第一活塞缸17-1内的流体介质20全部排空后，再上提第一联动轴杆16-1，并下放第二联动轴杆16-2，进行第一活塞缸17-1抽吸流体介质20、第二活塞缸17-2的排出流体介质20过程，依次循环。
考虑到实验装置所模拟的是双壁钻杆气体反循环系统在水平井中应用情况，而外钻杆4在水平井中由于重力的影响会出现偏心现象，因此外钻杆4下侧面与模拟井筒9下壁之间的间隙过小，在输入相同流量的流体介质20时，外钻杆4下侧面与模拟井筒9下壁之间的间隙内流体介质20的流速更大、冲刷磨损现象也更加严重，因此实验需主要观察流体介质20对于外钻杆4下侧面与模拟井筒9下壁之间的环空部分的磨损冲刷情况。
所述模拟井筒9外侧设有检测系统。所述的检测系统包括沿模拟井筒9轴向排列的五台高速摄影机12、对采集信息进行储存与计算的工控计算机14，高速摄影机12与工控计算机14通过数据线13连接。通过高速摄影12机对流体介质20中的固体颗粒在外钻杆4表面的滑动痕迹，以及外钻杆4表面的粗糙度进行记录，用于测定流体介质20在流动过程中对外钻杆4前端部产生的冲刷磨损量，并将记录结果通过数据线13传输到工控计算机14进行储存与计算，以评估出外钻杆4材料的磨损程度。
为便于高速摄像机12拍摄和记录流体介质20对于外钻杆4底部的冲刷磨损过程，所述的内钻杆5、外钻杆4、模拟井筒9以及相应的连接管道均采用透明PC管材料制作。
一种采用上述实验装置进行水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验的方法，包含以下步骤：
a、实验准备：检查实验管道与第一活塞缸17-1和第二活塞缸17-2之间连接的气密性，储液池21内准备好实验所需流体介质20，开启空压机1，轴杆控制装置15动作而驱动第一活塞缸17-1和第二活塞缸17-2动作，进行实验装置试运行；来回转动四通阀19的阀芯，监测第一通道18-1、第二通道18-2、第三通道18-3、第四通道18-4的连接是否完好；然后转动四通阀19的阀芯使得第二通道18-2与第四通道18-4相连，通过抽吸作用将储液池21中的流体介质20储存在第一活塞缸17-1中，关闭空压机1与轴杆控制装置15，完成实验准备工作。
b、实验过程：打开空压机1，进行模拟井筒9内的气体反循环过程，启动轴杆控制装置15并转动四通阀19的阀芯，使得第一通道18-1与第二通道18-2相连，通过第一联动轴杆16-1下移，将第一活塞缸17-1中的流体介质20打入模拟井筒9内，同时接通第三通道18-3与第四通道18-4，将储液池21内的流体介质20抽吸到第二活塞缸17-2中，当第一活塞缸17-1内的流体介质20全部排出后，转动四通阀19阀芯，分别连通第一管道18-1与第三管道18-3，进行第二活塞缸17-2排出流体介质20过程，同时连通第二管道18-2与第四管道18-4进行第一活塞缸17-1吸入流体介质20的过程，以此循环往复，使得第一活塞缸17-1与第二活塞缸17-2轮流给模拟井筒9内供液，并实现流体介质20的循环利用。
改变流体介质20流量、注入速度以及空压机1压力等参数，重复以上实验，通过高速摄像机12拍摄流体介质20在以上影响因素改变的情况下，对外钻杆4的冲刷磨损过程有哪些变化，以此为各因素对冲刷程度的影响判断提供理论依据。
为避免压力过大对实验装置造成损害，在实验过程中应时刻注意压力传感器6与压力表7的读数，控制实验压力在安全范围内。
c、实验完成：关闭空压机1和轴杆控制装置15，第一活塞缸17-1和第二活塞缸17-2停止，并排空模拟井筒9内的废液，结束实验。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验装置，包括存储有流体介质的储液池、位于储液池上方平行设置的模拟井筒，其特征是：所述的模拟井筒内设有外钻杆、可旋转设在外钻杆内的内钻杆以及连接在外钻杆前端的钻头，模拟井筒后端管路连接有向外钻杆与内钻杆之间的环空内打入压缩气体的空压机，储液池与模拟井筒之间设有联动将流体介质打入或排出模拟井筒内的第一活塞缸和第二活塞缸，模拟井筒外侧设有用于测定所述环空内的流体介质在流动过程中对外钻杆前端部产生的冲刷磨损量的检测系统。
2.如权利要求1所述的水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验装置，其特征是：所述的外钻杆前端设有转换接头，转换接头与钻头之间连接有井下随钻仪。
3.如权利要求1所述的水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验装置，其特征是：所述的模拟井筒后端安装有防喷阀，防喷阀通过防喷器与空压机管路连接，模拟井筒上管路连接有用于压力检测的压力传感器和压力表。
4.如权利要求1所述的水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验装置，其特征是：所述的第一活塞缸和第二活塞缸的上方设有轴杆控制装置，轴杆控制装置与第一活塞缸之间设有推动第一活塞缸的柱塞作上下运动的第一联动轴杆，轴杆控制装置与第二活塞缸之间设有推动第二活塞缸的柱塞作上下运动的第二联动轴杆，第一活塞缸、第二活塞缸通过四通阀控制连通方式实现对储液池内流体介质的抽取并将抽取的流体介质打入模拟井筒内。
5.如权利要求4所述的水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验装置，其特征是：所述的四通阀与模拟井筒之间连接有第一管道、与第一活塞缸之间连接有第二管道、与第二活塞缸之间连接有第三管道、与储液池之间连接有第四管道，模拟井筒与储液池之间连接有排液管。
6.如权利要求1所述的水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验装置，其特征是：所述的检测系统包括排列在模拟井筒外侧的高速摄影机、对采集信息进行储存与计算的工控计算机，高速摄影机与工控计算机通过数据线连接。
7.如权利要求1所述的水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验装置，其特征是：所述的内钻杆、外钻杆及模拟井筒均采用透明PC管材料制作。
8.一种采用如权利要求1所述的实验装置进行水平井双壁钻杆系统冲刷腐蚀实验的方法，其特征是：包含以下步骤：
a、实验准备：检查实验管道与第一活塞缸和第二活塞缸之间连接的气密性，储液池内准备好实验所需流体介质，开启空压机，第一活塞缸和第二活塞缸动作，进行实验装置试运行；通过抽吸作用将储液池中的流体介质储存在第一活塞缸中，关闭空压机，第一活塞缸和第二活塞缸停止动作，完成实验准备工作；
b、实验过程：打开空压机，进行模拟井筒内的气体反循环过程，将第一活塞缸中的流体介质打入模拟井筒内，同时将模拟井筒内排出到储液池中的流体介质抽吸到第二活塞缸中，当第一活塞缸内的流体介质全部排出至模拟井筒后，进行第二活塞缸内流体介质的排出，同时进行第一活塞缸吸入流体介质的过程，以此循环往复，使得第一活塞缸与第二活塞缸轮流给模拟井筒内供液，并实现流体介质的循环利用；
c、实验完成：关闭空压机、第一活塞缸和第二活塞缸，排空模拟井筒内的废液，结束实验。
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