CN110207749A - 顶部压井法压井模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种顶部压井法压井模拟实验装置，其特征在于，该实验装置包括：模拟井筒，用于模拟现场井眼；注气系统，用于将高压气体输送到所述模拟井筒，以模拟不同强度的井喷；注液系统，用于将压井液输送到所述模拟井筒，以模拟不同工况的顶部压井操作；循环系统，用于为压井液和气体循环提供通道；数据采集系统，用于对模拟实验过程的数据进行采集和监控；控制系统，用于控制所述注气系统及注液系统，所述注气系接收所述控制系统指令进行气体排量的控制，所述注液系统接收所述控制系统指令进行液体排量的控制。

Description

顶部压井法压井模拟实验装置

技术领域

本发明是关于一种非常规井控的模拟实验装置，特别是关于一种顶部压井法压井模拟实验装置，涉及石油、天然气井控技术领域。

背景技术

在油气钻探中，井喷是威胁人们生命财产安全的严重钻井事故，往往导致严重的后果。由井喷所引起的有毒气体泄漏有可能会导致现场作业人员以及周围居民的死亡；由井喷导致的火灾也会危害人们的生命和财产安全；由井喷导致的原油泄漏会污染环境，破坏周围的农、林、渔、牧等，严重者甚至会破坏现有的生态平衡。井喷发生的原因多种多样，预测困难。井喷发生后及时有效的井控操作能够极大程度的降低井喷风险，减少环境污染，降低经济损失，减少人员伤亡。

顶部压井法可以应对常规压井方法无法应对钻头不在井底、堵塞、无法关井等复杂工况的井喷，具有多重控井优势：1)适用工况范围广：顶部压井方法对于钻柱与环空连通和不连通的工况都适用；对于井筒喷空与不喷空的工况都适用；对于钻具在井底与不在井底的工况都适用；对于井口承压能力强和承压能力弱都适用。2)压井时间短：顶部压井法直接从井口控制井喷井，不存在等待时间，井控时间较短。3)保护地层：顶部压井法压井过程中通过对井底压力的控制可以有效的保护地层。

但是，顶部压井法尚不成熟，理论建立的模型仍需要实验验证，压井过程中的逆流也需要实验研究，压井材料对于压井成功的规律需要实验探究。因此，一套完善的顶部压井法实验装置对于技术人员研究顶部压井法至关重要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种顶部压井法压井模拟实验装置，能够模拟顶部压井法压井的工况，其特性与实际设备基本一致，能够满足技术人员进行模拟顶部压井的实验要求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种顶部压井法压井模拟实验装置，该实验装置包括：

模拟井筒，用于模拟现场井眼；

注气系统，用于将高压气体输送到所述模拟井筒，以模拟不同强度的井喷；

注液系统，用于将压井液输送到所述模拟井筒，以模拟不同工况的顶部压井操作；

循环系统，用于为压井液和气体循环提供通道；

数据采集系统，用于对模拟实验过程的数据进行采集和监控；

控制系统，用于控制所述注气系统及注液系统，所述注气系接收进行气体排量的控制，所述注液系统进行液体排量的控制。

进一步地，所述模拟井筒包括透明内管和透明外管；

所述透明内管用于模拟现场井眼；

所述透明外管用于保护所述透明内管，防止被高速气体携带出的液体四处飞溅，迫使液体回流，并提供液体回流通道。

进一步地，所述注气系统包括高压空气压缩机、高压气瓶组、减压阀及气体输送管道；

所述高压空气压缩机用于将常压空气压缩成高压气体；

所述高压气瓶组用于存储高压气体；

所述减压阀用于将所述高压氧气瓶组的高压气体进行降压，使气体的压力符合实验的需要；

所述气体输送管道用于将降压后的气体输送到所述透明内管下端。

进一步地，所述注液系统包括冷水储罐、高压液相泵、液体输送管道、注入插头和注入喷嘴；

所述冷水储罐用于存储配置好的压井液；

所述高压液相泵用于将压井液泵入所述透明内筒上端；

所述液体输送管道为压井液提供流动通道；

所述注入插头用于将压井液引流使其进入所述透明内筒；

所述注入喷嘴设置在所述注入插头下端，通过调整所述注入插头的长度以及注入喷嘴的形状大小，模拟不同工况下的顶部压井操作。

进一步地，所述循环系统包括循环管道和背压阀；

所述循环管道的一端连接所述冷水储罐，所述循环管道的另一端连接所述透明外管，用于及时排出所述透明外管及透明内管之间的压井液；

所述背压阀设置在所述循环管道上用于保持所述模拟井筒内的压力。

进一步地，所述控制系统包括气体流量控制器和控制水泵变频器；

所述气体流量控制器用于控制所述减压阀进行气体喷出速度的调整，模拟不同强度的井喷；

所述液体流量控制器用于控制所述高压液相泵进行压井液泵入速度的调整，模拟顶部压井流程。

进一步地，数据采集系统包括实验监控装置、三个压力传感器、气体流量计、液体流量计及高速摄像机；

三个所述压力传感器分别设置在所述透明内管的井口，井中以及井底，分别监测井口、井筒中间位置以及井底的压力数据，并将监测的压力数据发送到所述实验监控装置；

所述气体流量计设置在所述气体输送管道监测气体排量，并将监测到的数据发送到所述实验监控装置；

所述液体流量计设置在所述液体输送管监测压井液排量，并将监测到的数据发送到所述实验监控装置；

所述摄像机用于记录执行顶部压井模拟操作的气液逆流过程。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明模拟钻井过程中发生井喷执行顶部压井操作的工况，将真实顶部压井难以观察的井筒内气液两项逆流变得可视化，满足研究人员进行模拟压井实验的技术要求；

2、本发明考虑到压井现场的实际情况，将井口设计为自由喷出状态，与现场充分一致；另外，本发明能够模拟钻头在井底以及钻头不在井底的工况，也能够模拟喷空及尚未喷空的工况，同样能够探究不同注入管下入深度及喷嘴尺寸、形状等因素的敏感性，注入插头和注入喷嘴结构灵活可变，便于现场安装及变动；

3、本发明数据采集系统包括三个压力传感器、液体流量计和气体流量计，三个压力传感器分别分布在模拟井眼井口，井中间高度位置以及井底，分别监测井口、井筒中间位置以及井底的压力，气体流量计测量传输气体流量，液体流量计测量传输压井液流量，数据采集系统对压力及气液流量数据自动采集记录，节省大量的人力物力；

综上，本发明可以广泛应用于顶部压井法模拟实验中。

附图说明

图1为本发明的顶部压井法压井模拟实验装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的顶部压井法压井模拟实验装置，围绕复杂条件压井，实现钻头不在井底、不关井等复杂井喷的成功压井实验，如图1所示，包括模拟井筒、注气系统、注液系统、循环系统、数据采集系统和控制系统。

模拟井筒包括透明外管11和透明内管12，其中，透明外管11用于保护透明内管12，防止被高速气体携带出的液体四处飞溅，迫使液体回流，并提供了液体回流的通道，透明内管12用于模拟现场井眼，是压井液降落并建立其压井液柱的场所，为实验的主要观察区。

注气系统包括高压空气压缩机21、高压气瓶组22、减压阀23及气体输送管道24，高压空气压缩机21用于将常压空气压缩成高压气体，为实验提供高压气体源，高压气瓶组22用于存储高压气体，减压阀23用于将高压氧气瓶组22的高压气体进行降压，使气体的压力符合实验的需要，降压后的气体通过气体输送管道24输送到透明内管12的下端，直接与压井液对冲。

注液系统包括冷水储罐31、高压液相泵32、液体输送管道33、注入插头34和注入喷嘴35，冷水储罐31用于存储配置好的压井液，高压液相泵32为压井液泵入透明内筒12上端的动力源，为压井液提供输送能量，液体输送管道33为压井液提供流动通道，注入插头34用于将压井液引流使其进入透明内筒，其长度可以改变，注入喷嘴35安装在注入插头34的下端，其形状和大小可以改变，通过调整注入插头34的长度以及注入喷嘴35的形状大小，模拟不同工况下的顶部压井操作。

循环系统包括循环管道41和背压阀42，循环管道41的一端连接冷水储罐31，循环管道的另一端连接透明外管11提供压井液回流的通道，并及时排出透明外管11及透明内管12之间的压井液，背压阀42设置在循环管道41上用于保持井筒内的压力，满足实验原理需求，当模拟井筒内压力大于背压阀42设定压力时，背压阀42打开，气液混合物经过背压阀42经分流装置，气体排入大气，液体经循环管道41返回冷水储罐31。

数据采集系统包括实验监控装置51、第一压力传感器52、第二压力传感器53、第三压力传感器54、气体流量计55、液体流量计55及高速摄像机57，实验监控装置51是实验数据采集存储的核心器件，第一压力传感器52设置在透明内管12上端出口用于监测透明内管12上端出口的压力，并将监测到的数据以设定的时间间隔发送到实验监控装置51，第二压力传感器53设置在透明内管12中部用于监测透明内管12中部的压力，并将监测到的数据以设定时间间隔发送到实验监控装置51，第三压力传感器54设置在透明内端下端出口用于监测透明内管12底部的压力，并将监测到的数据以设定的时间间隔传输到实验监控装置51，气体流量计55设置气体输送管道24监测气体排量，并将监测到的数据以设定的时间间隔传输到实验监控装置51，液体流量计55设置在液体输送管道33监测压井液排量，并将监测到的数据以设定时间间隔传输到实验监控装置51，高速摄像机57用于记录执行顶部压井模拟操作的气液逆流过程。

控制系统控制注气系统及注液系统，注气系统接收控制系统的命令进行气体排量的控制，注液系统接收控制系统的命令进行液体排量的控制。具体地，控制系统包括气体流量控制器61和控制水泵变频器62。其中，气体流量控制器61控制实验过程中气体排量大小以模拟不同强度的井喷，控制水泵变频器62控制液体排量的大小以模拟不同压井液排量条件下的顶部压井过程。

下面通过具体实施例详细说明采用本发明的顶部压井法压井模拟实验装置进行顶部压井实验的具体过程。

实施例1：井筒内无钻具并喷空的顶部压井法实验

注入插头34安装在透明内管12上端出口处，透明内管12内被气体充满，无积液，无其他杆管。在此工况下执行顶部压井操作，将冷水储罐31中的压井液经高压液相泵32增加能量，由液体输送管道33输送至注入插头34，经注入喷嘴35注入透明内管12，透明内管12下端连接注气系统，气体经过高压空气压缩机21压缩成高压气体并存储在高压气瓶组22中，高压气体经减压阀23减压并由气体输送管道24输送至透明内管12下端，直接与压井液对冲。实验中的压力及流量、流动状态信息分别由各压力传感器、流量计和高速摄像机57采集。

实施例2：井筒内无钻具且未喷空的顶部压井法实验

注入插头34安装在透明内管12上端出口处，透明内管12下端存有一定积液，无其他杆管。在此工况下执行顶部压井操作，将冷水储罐31中的压井液经高压液相泵32增加能量、由液体输送管道33输送至注入插头34，经注入喷嘴35注入透明内管12，透明内管12下端连接注气系统，气体经过高压空气压缩机21压缩成高压气体并存储在高压气瓶组22中、高压气体经减压阀23减压并由气体输送管道24输送至透明内管12下端，穿过下端积液与上部压井液对冲。实验中的压力及流量，流动状态信息分别由各压力传感器、流量计和高速摄像机57采集。

实施例3：井筒内有钻具但钻具不在井底的顶部压井法实验

注入插头34安装在透明内管12中(可以设计注入插头的不同长度)，透明内管12内被气体充满，无积液。在此工况下执行顶部压井操作，将冷水储罐31中的压井液经高压液相泵32增加能量、由液体输送管道33输送至注入插头34，经注入喷嘴35注入透明内管12，透明内管12下端连接注气系统，气体经过高压空气压缩机21压缩成高压气体并存储在高压气瓶组22中、高压气体经减压阀23减压并由气体输送管道24输送至透明内管12下端，与压井液对冲。实验中的压力及流量，流动状态信息分别由各压力传感器、流量计和高速摄像机57采集。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (7)

1.一种顶部压井法压井模拟实验装置，其特征在于，该实验装置包括：

模拟井筒，用于模拟现场井眼；

注气系统，用于将高压气体输送到所述模拟井筒，以模拟不同强度的井喷；

注液系统，用于将压井液输送到所述模拟井筒，以模拟不同工况的顶部压井操作；

循环系统，用于为压井液和气体循环提供通道；

数据采集系统，用于对模拟实验过程的数据进行采集和监控；

控制系统，用于控制所述注气系统及注液系统，所述注气系接收进行气体排量的控制，所述注液系统进行液体排量的控制。

2.根据权利要求1所述的顶部压井法压井模拟实验装置，其特征在于，所述模拟井筒包括透明内管和透明外管；

所述透明内管用于模拟现场井眼；

所述透明外管用于保护所述透明内管，防止被高速气体携带出的液体四处飞溅，迫使液体回流，并提供液体回流通道。

3.根据权利要求2所述的顶部压井法压井模拟实验装置，其特征在于，所述注气系统包括高压空气压缩机、高压气瓶组、减压阀及气体输送管道；

所述高压空气压缩机用于将常压空气压缩成高压气体；

所述高压气瓶组用于存储高压气体；

所述减压阀用于将所述高压氧气瓶组的高压气体进行降压，使气体的压力符合实验的需要；

所述气体输送管道用于将降压后的气体输送到所述透明内管下端。

4.根据权利要求3所述的顶部压井法压井模拟实验装置，其特征在于，所述注液系统包括冷水储罐、高压液相泵、液体输送管道、注入插头和注入喷嘴；

所述冷水储罐用于存储配置好的压井液；

所述高压液相泵用于将压井液泵入所述透明内筒上端；

所述液体输送管道为压井液提供流动通道；

所述注入插头用于将压井液引流使其进入所述透明内筒；

所述注入喷嘴设置在所述注入插头下端，通过调整所述注入插头的长度以及注入喷嘴的形状大小，模拟不同工况下的顶部压井操作。

5.根据权利要求4所述的顶部压井法压井模拟实验装置，其特征在于，所述循环系统包括循环管道和背压阀；

所述循环管道的一端连接所述冷水储罐，所述循环管道的另一端连接所述透明外管，用于及时排出所述透明外管及透明内管之间的压井液；

所述背压阀设置在所述循环管道上用于保持所述模拟井筒内的压力。

6.根据权利要求4所述的顶部压井法压井模拟实验装置，其特征在于，所述控制系统包括气体流量控制器和控制水泵变频器；

所述气体流量控制器用于控制所述减压阀进行气体喷出速度的调整，模拟不同强度的井喷；

所述液体流量控制器用于控制所述高压液相泵进行压井液泵入速度的调整，模拟不同压井液排量条件下的顶部压井过程。

7.根据权利要求4～6任一项所述的顶部压井法压井模拟实验装置，其特征在于，数据采集系统包括实验监控装置、三个压力传感器、气体流量计、液体流量计及高速摄像机；

三个所述压力传感器分别设置在所述透明内管的井口，井中以及井底，分别监测井口、井筒中间位置以及井底的压力数据，并将监测的压力数据发送到所述实验监控装置；

所述气体流量计设置在所述气体输送管道监测气体排量，并将监测到的数据发送到所述实验监控装置；

所述液体流量计设置在所述液体输送管监测压井液排量，并将监测到的数据发送到所述实验监控装置；

所述摄像机用于记录执行顶部压井模拟操作的气液逆流过程。