CN110344820A - 一种用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，由方钻杆、脉冲信号发射设备、井下信号生成器组成钻柱系统；由升降导轨、撞击锤和电动机二组成振动系统；由转盘、电动机一组成旋转动力系统；由泥浆池、恒压泵、水龙头、钻柱和高压釜组成钻井液循环系统。本发明中的仿真设备，能够仿真井深达5000m的钻井过程中近钻头位置的温度、压力、振动、冲击、围岩岩性和钻井液循环等参数，可为随钻烃含量测井、声波测井、电阻率测井、核磁共振测井、放射测井和成像测井提供近似真实的井下钻进环境参数，同时可以实现井下设备的检测数据向地面的传输，实现了钻进过程和井下环境的全方法仿真，为验证随钻设备可靠性提供了实验平台。

Description

一种用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备

技术领域

本发明涉及随钻测量技术领域，特别是涉及一种用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备。

背景技术

在当今石油勘探中，广泛应用随钻测量和随钻测井技术，通过随钻测量和随钻测井测得的数据能够更加真实的反映靠近钻头处地层的情况。如今的地层烃类检测技术不能实时分析检测，录井烃类分析滞后于钻井，很难实现烃类的定量检测，这些不足往往会产生严重失真、较质量低的分析结果，导致分析结果不能够准确、真实地描述储层油气信息。从地面转向地下的烃类检测技术是钻井、录井领域的必然趋势，实时、连续定量检测地层烃类，也是随钻检测的当务之急。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，以解决上述现有技术存在的问题，实现了钻井过程和井下环境的全方法仿真，为验证随钻设备可靠性提供了实验平台。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，包括钻井液循环系统、钻柱系统、旋转动力系统、振动系统和控制系统。

所述钻井液循环系统包括泥浆池、恒压泵、水龙头和高压釜，所述钻柱系统包括方钻杆和信号传输装置，所述水龙头通过管线与所述泥浆池连接，所述恒压泵安装在所述管线上，所述高压釜的内侧壁设置有岩石套筒，所述水龙头用于为设置于所述高压釜中的方钻杆提供钻井液，所述高压釜中的钻井液通过回流管线与所述泥浆池连接；安装在所述方钻杆上的信号传输装置与所述控制系统信号链接；

所述旋转动力系统包括转盘和电动机一，所述电动机一驱动的所述转盘用于带动所述方钻杆转动；所述振动系统包括升降导轨、撞击锤和电动机二，所述升降导轨的顶部位于所述高压釜内并与所述方钻杆的底端相接触，所述撞击锤滑动安装在所述升降导轨的顶部并通过连杆与所述电动机二动力连接；所述电动机一、电动机二和升降导轨均与所述控制系统电联接。

进一步地，所述泥浆池为高温高压泥浆池，所述恒压泵用于产生所述高压釜中钻井液的恒定压力。

进一步地，所述水龙头与所述泥浆池连接的管线上还设置有压力传感器，所述压力传感器用于压力脉冲信号的检测，并通过所述控制系统实现信号的解码及噪声压制。

进一步地，所述高压釜中预设定有压力值，且所述高压釜外围设置有加热装置，所述加热装置用于实现所述高压釜内的高温。

进一步地，所述岩石套筒用于模拟井壁岩性，且所述岩石套筒由多个不同岩性的短套筒任意组合而成。

进一步地，所述信号传输装置包括脉冲信号发射器和井下信号生成器，所述井下信号生成器用于检测井下信号，所述脉冲信号发射器用于将检测信号转换为泥浆脉冲压力信号并传输给所述控制系统。

进一步地，所述转盘通过齿轮传动驱动所述方钻杆旋转。

进一步地，所述升降导轨用于实现所述钻柱系统在所述岩石套筒内的升降。

进一步地，所述振动系统还包括有转轮，所述电动机二用于驱动所述转轮转动，所述连杆的一端偏心固定在所述转轮上，另一端与所述撞击锤固定连接。

进一步地，还包括原油注入系统，所述原油注入系统包括用于泵取原油的高压泵，所述高压釜上开设有与所述高压泵连通的原油注入口。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中的用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，对于井下随钻液体检测方法研究，将地层检测从地面转到地下，能够实时掌握井下情况能够判定钻头的运行轨迹是否按着预定方向运行，保证钻井质量，在提高钻井工程的安全和质量的同时，更有利于层细的划分。实现了钻进过程和井下环境的全方法仿真，为验证随钻设备可靠性提供了实验平台。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备的整体结构示意图；

其中，1控制系统；2泥浆池；3恒压泵；4压力传感器；5水龙头；6方钻杆；7转盘；8密封盖；9岩石套筒；10脉冲信号发射器；11井下信号生成器；12撞击锤；13升降导轨；14电动机二；15转轮；16电动机一；17高压釜；18顶柱；19加热装置；20原油注入口；21高压泵；22原油。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明的目的是提供一种用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，以解决上述现有技术存在的问题，实现了钻井过程和井下环境的全方法仿真，为验证随钻设备可靠性提供了实验平台。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，包括钻井液循环系统、钻柱系统、旋转动力系统、振动系统、原油注入系统和控制系统1。

钻井液循环系统包括泥浆池2、恒压泵3、水龙头5和高压釜17，钻柱系统包括方钻杆6和信号传输装置，水龙头5通过管线与泥浆池2连接，恒压泵3安装在管线上，高压釜17的内侧壁设置有岩石套筒9，高压釜17中预设定有压力值，且高压釜17外围设置有加热装置19，加热装置19用于实现高压釜17内的高温；水龙头5用于为设置于高压釜17中的方钻杆6提供钻井液，且方钻杆6与高压釜17的顶部连接处设置有密封盖8，高压釜17中的钻井液通过回流管线与泥浆池2连接；安装在方钻杆6上的信号传输装置与控制系统1信号链接；其中泥浆池2为高温高压泥浆池，用于储存钻井液并保持钻井液的高温(防止高温钻井液沸腾)，恒压泵3用于产生高压釜17中钻井液的恒定压力，恒压泵3的注入压力大于20Mpa，高压釜17的压力大于25Mpa，高压釜17内部温度在20-150℃。

进一步地，水龙头5与泥浆池2连接的管线上还设置有压力传感器4，压力传感器4用于压力脉冲信号的检测，并通过控制系统1实现信号的解码及噪声压制；压力传感器4的量程为0-25Mpa。岩石套筒9用于模拟井壁岩性，且岩石套筒9由多个不同岩性的短套筒任意组合而成，可实现地下不同岩性地层的模拟，高压釜17顶部设置有用于抵接岩石套筒9的顶柱18。

更进一步地，信号传输装置包括脉冲信号发射器10和井下信号生成器11，井下信号生成器11用于检测井下信号，脉冲信号发射器10用于将检测信号转换为泥浆脉冲压力信号并传输给控制系统1。井下信号生成器11可拆卸后安装其他设备，如电阻率随钻测径仪、自然伽马测径仪，通过高温、高压和振动系统，检测上述设备的可靠性。

旋转动力系统包括转盘7和电动机一16，电动机一16驱动的转盘7通过齿轮传动带动方钻杆6转动；振动系统包括升降导轨13、撞击锤12和电动机二15，升降导轨13的顶部位于高压釜17内并与方钻杆6的底端相接触，升降导轨13用于实现钻柱系统在岩石套筒9内的升降，撞击锤12滑动安装在升降导轨13的顶部并通过连杆与电动机二15动力连接；电动机一16、电动机二15和升降导轨13均与控制系统1电联接；振动系统还包括有转轮15，电动机二15用于驱动转轮15转动，连杆的一端偏心固定在转轮15上，另一端与撞击锤12固定连接。

原油注入系统包括用于泵取原油22的高压泵21，高压釜17上开设有与高压泵21连通的原油注入口20。

本发明中的用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备的主要功能为(1)仿真井下高温、高压、振动环境；(2)仿真井下检测信号向泥浆脉冲信号的转换；(3)仿真地面泥浆脉冲信号的检测与解码；(4)检测其他井下设备可靠性。

本发明中的用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备的工作流程如下：

1.按测量需要选定不同类型岩性组合的岩石套筒9，原油槽中注入待测原油。

2.按图1所示组装好设备，其中井下信号生成器11部分可按需由其他设备替换。

3.将泥浆池2中注满钻井液。

4.打开电脑系统。

5.启动恒压泵3，形成钻井液循环，并设置高压釜17内压力值。

6.打开温度设置开关，实现高压釜17内钻井液的加温，并设定好温度值。

7.对电机一通电，转盘7带动方钻杆6转动，模拟钻柱系统的旋转。

8.对电机二通电，钻电机带动撞击锤12，模拟钻井过程中的振动环境。

9.设置升降导轨13的下降速度，模拟钻进速度。

10.井下信号生成器11按一定的编码方式产生随机编码信号，信号脉冲发射设备接收到脉冲信号后由步进电机带动叶轮转达从而在钻井液中产生压力脉冲信号。

11.压力传感器4实现压力脉冲信号的检测，并通过电脑软件实现信号的解码及噪声压制。

原油注入系统为预留系统，可将原油22注入到钻井液中，为后续开发的钻井液烃类检测设备的原油检测功能。

本发明中仿真设备的优点在于：

(1)在密闭钻井液循环系统中通过恒压泵3在高压釜17中实现大于20Mpa高压环境。

(2)通过密闭高压钻井液系统实现150℃高温环境模拟。

(3)通岩石套筒9模拟井壁岩性，岩石套筒9由多个不同岩性的短套筒任意组合而成，可实验井下不同岩性地层的模拟。

(4)井下信号生成器11可拆卸后安装其他设备，如电阻率随钻测径仪、自然伽马测径仪，通过高温、高压和振动系统，测量以上设备的可靠性。同时可通过脉冲信号发射器10将检测信号转换为泥浆脉冲压力信号，实现信号传输的模拟。

(5)原油注入系统能够实现烃类检测设备有效性及检测精度的仿真模拟。

(6)压力传感器4及噪声分析系统能够进行有效脉冲信号及钻进过程中振动脉冲压力的识别。

(7)由升降导轨13模拟钻进过程，结合岩石筒和原油注入系统实现随钻测量设备岩性、含油性参数的测量。

本发明中的用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，通过实验能够模拟井下5000m钻井过程中近钻头位置的温度、压力、振动、冲击、围岩岩性和钻井液循环等参数，在该环境下对设备的功能和性能进行验证，能够保证设备在该条件下具有耐压、抗震和耐高温的性能，通过密封测试能够保证检测设备工作环境的密封性，通过压力测试能够保证该设备能够承受25Mpa的压力。通过实验证明能够实现数据从检测装置通过信号传输装置传输到井上进行分析，实现随钻测量设备岩性、含油性参数测量的功能，并且可为随钻烃含量测井、声波测井、电阻率测井、核磁共振测井、放射测井和成像测井提供近似真实的井下钻进环境参数。实现了钻进过程和井下环境的全方法仿真，为验证随钻设备可靠性提供了实验平台。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，其特征在于：包括钻井液循环系统、钻柱系统、旋转动力系统、振动系统和控制系统，

所述钻井液循环系统包括泥浆池、恒压泵、水龙头和高压釜，所述钻柱系统包括方钻杆和信号传输装置，所述水龙头通过管线与所述泥浆池连接，所述恒压泵安装在所述管线上，所述高压釜的内侧壁设置有岩石套筒，所述水龙头用于为设置于所述高压釜中的方钻杆提供钻井液，所述高压釜中的钻井液通过回流管线与所述泥浆池连接；安装在所述方钻杆上的信号传输装置与所述控制系统信号链接；

所述旋转动力系统包括转盘和电动机一，所述电动机一驱动的所述转盘用于带动所述方钻杆转动；所述振动系统包括升降导轨、撞击锤和电动机二，所述升降导轨的顶部位于所述高压釜内并与所述方钻杆的底端相接触，所述撞击锤滑动安装在所述升降导轨的顶部并通过连杆与所述电动机二动力连接；所述电动机一、电动机二和升降导轨均与所述控制系统电联接。

2.根据权利要求1所述的用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，其特征在于：所述泥浆池为高温高压泥浆池，所述恒压泵用于产生所述高压釜中钻井液的恒定压力。

3.根据权利要求1所述的用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，其特征在于：所述水龙头与所述泥浆池连接的管线上还设置有压力传感器，所述压力传感器用于压力脉冲信号的检测，并通过所述控制系统实现信号的解码及噪声压制。

4.根据权利要求1所述的用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，其特征在于：所述高压釜中预设定有压力值，且所述高压釜外围设置有加热装置，所述加热装置用于实现所述高压釜内的高温。

5.根据权利要求1所述的用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，其特征在于：所述岩石套筒用于模拟井壁岩性，且所述岩石套筒由多个不同岩性的短套筒任意组合而成。

6.根据权利要求1所述的用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，其特征在于：所述信号传输装置包括脉冲信号发射器和井下信号生成器，所述井下信号生成器用于检测井下信号，所述脉冲信号发射器用于将检测信号转换为泥浆脉冲压力信号并传输给所述控制系统。

7.根据权利要求1所述的用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，其特征在于：所述转盘通过齿轮传动驱动所述方钻杆旋转。

8.根据权利要求1所述的用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，其特征在于：所述升降导轨用于实现所述钻柱系统在所述岩石套筒内的升降。

9.根据权利要求1所述的用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，其特征在于：所述振动系统还包括有转轮，所述电动机二用于驱动所述转轮转动，所述连杆的一端偏心固定在所述转轮上，另一端与所述撞击锤固定连接。

10.根据权利要求1所述的用于井下环境模拟与随钻信号传递的仿真设备，其特征在于：还包括原油注入系统，所述原油注入系统包括用于泵取原油的高压泵，所述高压釜上开设有与所述高压泵连通的原油注入口。