CN110702729B - 模拟冻土环境下真空隔热套管隔热性能测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟冻土环境下真空隔热套管隔热性能测试装置及方法。其技术方案是：在密闭装置内装有制冷设备和冻土，待测真空隔热套管的上端通过前密封端密封，并通过钻井液输入管线与密闭装置外部的钻井液循环装置连接，下端通过后密封端密封，并通过钻井液输出管线与密闭装置外部的流量计连接；水泥环与冻土之间安装有外温度传感器，在待测真空隔热套管内壁装有内温度传感器，且三者的数据分别连接到数据采集系统。有益效果是：本发明可用于评价循环不同温度钻井液时套管的隔热性能，也可以评价套管处于不同温度地层条件下的隔热性能，套管隔热性能评价方法不受套管尺寸，套管类型，钻井液温度以及环境温度的限制，适用范围较广。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井工艺领域，特别涉及一种模拟冻土环境下真空隔热套管隔热性能测试装置及方法。
背景技术
21世纪以来，油气能源形势日趋严峻，非常规油气在能源领域内已成为焦点，继2008年美国地质调查局公布北极地区资源评估的结果后，北极油气逐渐成为各国关注的对象。虽然极地冻土地区油气资源丰富，但其恶劣的自然环境和地质条件也给油气资源的钻井和开采带来了巨大的挑战。特别是在钻井过程中，钻遇深部相对高温地层时，随着钻井液的循环，环空钻井液温度增加，钻井液与地层之间大量的热交换易造成井壁周围冻土带融化，地层下沉，甚至引起井口坍塌造成严重的钻井事故。申请号为201711330064.8的发明专利公布了一种针对极地冻土带钻井过程中井口沉降问题的模拟装置，可以模拟出冻土地带钻井时井部下沉的规律。
但是实际上，这种由于井筒与冻土层的热交换导致冻土层融化所带来的井口下沉问题在一定程度上可以通过采用真空隔热套管完井来减缓或避免。真空隔热套管目前主要应用于注蒸汽开发稠油领域，能否适用于极地冻土带的钻采，需要进行评价。同时，由于极地地区恶劣的现场环境，很难在现场开展一系列评价实验，因此，亟需一种模拟极地冻土环境下套管隔热性能测试装置及方法，对真空隔热套管在极地环境下的隔热性能进行评价，为真空隔热套管的选型和应用提供基础依据。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种模拟冻土环境下真空隔热套管隔热性能测试装置及方法，解决了用于极地冻土带钻井过程中真空隔热套管的隔热效果的评价问题。
本发明提到的一种模拟冻土环境下真空隔热套管隔热性能测试装置，其技术方案是：包括恒温加热箱（1）、钻井液循环装置（2）、钻井液输入管线（3）、待测真空隔热套管（4）、水泥环（5）、冻土（6）、密闭装置（7）、制冷设备（8）、钻井液输出管线（9）、外温度传感器（10）、流量计（11）、数据采集系统（12）、阀门（13）、前密封端（14）、后密封端（15）、内温度传感器（16）、内温度传感器数据线（17）、外温度传感器数据线（18）、流量计数据线（19），在密闭装置（7）内装有制冷设备（8）和冻土（6），冻土（6）包裹在水泥环（5）外侧，在水泥环（5）内腔为待测真空隔热套管（4），且待测真空隔热套管（4）的上端通过前密封端（14）密封，并通过钻井液输入管线（3）与密闭装置（7）外部的钻井液循环装置（2）连接，所述待测真空隔热套管（4）的下端通过后密封端（15）密封，并通过钻井液输出管线（3）与密闭装置（7）外部的流量计（11）连接，且流量计（11）连接恒温加热箱（1）；水泥环（5）与冻土（6）之间安装有外温度传感器（10），在待测真空隔热套管（4）内壁装有内温度传感器（16），且外温度传感器（10）、内温度传感器（16）和流量计（11）的数据分别连接到数据采集系统（12）。
优选的，上述的冻土（6）由取自高纬度地区的土样或极地钻井现场土样制备，冻土（6）包裹在水泥环（5）外侧，所述的水泥环（5）为圆筒形结构。
优选的，上述待测真空隔热套管（4）一端用前密封盖（14）密封，并通过钻井液输入管线（3）与密闭装置（7）外部的钻井液循环装置（2）连接；待测真空隔热套管（4）的另一端用后密封盖（15）密封，并通过钻井液输出管线（3）与密闭装置（7）外部的流量计（11）连接；待测真空隔热套管（4）内壁装有内温度传感器（16）。
优选的，上述制冷设备（8）、冻土（6）、水泥环（5）、待测真空隔热套管（4）均放置于密闭装置（7）中，且冻土（6）的外径为待测真空隔热套管（4）内径的5-10倍。
优选的，上述恒温加热箱（1）内装有钻井液，一端通过钻井液输入管线（3）与待测真空隔热套管（4）的一端相连，钻井液输入管线（3）上装有阀门（13）和钻井液循环装置（2）；恒温加热箱（1）的另一端通过钻井液输出管线（9）与待测真空隔热套管（4）的另一端相连，钻井液输出管线（9上装有流量计（11）。
优选的，内温度传感器数据线（17）的一端穿过后密封盖（15）与内温度传感器（16）相连，另一端与数据采集系统（12）相接；外温度传感器数据线（18）的一端与外温度传感器（10）相连，另一端与数据采集系统（12）相接；流量计数据线（19）的一端与流量计（11）相连，另一端与数据采集系统（12）相接。
本发明提到的一种模拟冻土环境下真空隔热套管隔热性能测试装置的使用方法，包括以下过程：
（1）先根据待测真空隔热套管（4）的尺寸准备足够量的模拟冻土土样，保证冻土（6）外径为待测真空隔热套管（4）内径的5-10倍；
（2）实验开始前，先设置恒温加热箱（1）的温度达到预定的模拟钻井液温度，同时，设置制冷设备（8）的温度使密闭装置（7）的温度达到模拟冻土层环境温度；
（3）待恒温加热箱（1）中的钻井液温度和密闭装置（7）温度达到预定值后，保持温度稳定10分钟后，打开恒温加热器（1）后面的阀门（13），使钻井液按照一定流量开始循环；
（4）钻井液通过钻井液输入管线（3），流经待测真空隔热套管（4）后进入钻井液输出管线（9），返回到恒温加热箱（1）内，在钻井液循环过程中，始终保持恒温加热箱（1）内钻井液温度和密闭装置（7）内温度不变；
（5）待钻井液循环稳定之后，通过数值采集系统（12）分别记录待测真空隔热套管内壁温度和模拟水泥环和冻土交界处的温度，同时记录注入钻井液的流量；
（6）按照不同组合，改变恒温加热箱（1）中钻井液温度和密闭装置（7）温度，以及钻井液流量大小，重复上述实验（2）—（5），利用实验结果计算待测真空隔热套管的视导热系数，分析待测真空隔热套管在模拟冻土层环境下的隔热性能。
本发明的有益效果是：（1）本发明可用于评价循环不同温度钻井液时套管的隔热性能，也可以评价套管处于不同温度地层条件下的隔热性能，套管隔热性能评价方法不受套管尺寸，套管类型，钻井液温度以及环境温度的限制，适用范围较广；（2）本发明中所采用的数据采集系统，能够自动录取钻井液、冻土以及真空套管内壁温度变化，操作简单，成本低。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是前密封端盖的示意图；
附图3是后密封端盖的示意图；
附图4是温度与位置的变化图；
附图5是视导热系数与位置的变化图；
附图6是温度与位置的第二种变化图；
附图7是视导热系数与位置的第二种变化图；
附图8是温度与位置的第三种变化图；
附图9是视导热系数与位置的第三种变化图；
上图中：恒温加热箱（1）、钻井液循环装置（2）、钻井液输入管线（3）、待测真空隔热套管（4）、水泥环（5）、冻土（6）、密闭装置（7）、制冷设备（8）、钻井液输出管线（9）、外温度传感器（10）、流量计（11）、数据采集系统（12）、阀门（13）、前密封端（14）、后密封端（15）、内温度传感器（16）、内温度传感器数据线（17）、外温度传感器数据线（18）、流量计数据线（19）。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，本发明提到的一种模拟冻土环境下真空隔热套管隔热性能测试装置，其技术方案是：包括恒温加热箱（1）、钻井液循环装置（2）、钻井液输入管线（3）、待测真空隔热套管（4）、水泥环（5）、冻土（6）、密闭装置（7）、制冷设备（8）、钻井液输出管线（9）、外温度传感器（10）、流量计（11）、数据采集系统（12）、阀门（13）、前密封端（14）、后密封端（15）、内温度传感器（16）、内温度传感器数据线（17）、外温度传感器数据线（18）、流量计数据线（19），在密闭装置（7）内装有制冷设备（8）和冻土（6），冻土（6）包裹在水泥环（5）外侧，在水泥环（5）内腔为待测真空隔热套管（4），且待测真空隔热套管（4）的上端通过前密封端（14）密封，并通过钻井液输入管线（3）与密闭装置（7）外部的钻井液循环装置（2）连接，所述待测真空隔热套管（4）的下端通过后密封端（15）密封，并通过钻井液输出管线（3）与密闭装置（7）外部的流量计（11）连接，且流量计（11）连接恒温加热箱（1）；水泥环（5）与冻土（6）之间安装有外温度传感器（10），在待测真空隔热套管（4）内壁装有内温度传感器（16），且外温度传感器（10）、内温度传感器（16）和流量计（11）的数据分别连接到数据采集系统（12），用于采集实验过程中的各项参数。
其中，冻土（6）由取自高纬度地区的土样或极地钻井现场土样制备，最大程度地模拟极地冻土的性质，冻土（6）包裹在水泥环（5）外侧，所述的水泥环（5）为圆筒形结构。
另外，待测真空隔热套管（4）一端用前密封盖（14）密封，并通过钻井液输入管线（3）与密闭装置（7）外部的钻井液循环装置（2）连接；待测真空隔热套管（4）的另一端用后密封盖（15）密封，并通过钻井液输出管线（3）与密闭装置（7）外部的流量计（11）连接；待测真空隔热套管（4）内壁装有内温度传感器（16）。
制冷设备（8）、冻土（6）、水泥环（5）、待测真空隔热套管（4）均放置于密闭装置（7）中，且冻土（6）的外径为待测真空隔热套管（4）内径的5-10倍；其中，密闭装置要求具有良好的保温性，制冷设备为变频恒温装置，能自动保持密闭装置温度在预设值。
恒温加热箱（1）内装有钻井液，一端通过钻井液输入管线（3）与待测真空隔热套管（4）的一端相连，钻井液输入管线（3）上装有阀门（13）和钻井液循环装置（2）；恒温加热箱（1）的另一端通过钻井液输出管线（9）与待测真空隔热套管（4）的另一端相连，钻井液输出管线（9上装有流量计（11）。
优选的，内温度传感器数据线（17）的一端穿过后密封盖（15）与内温度传感器（16）相连，另一端与数据采集系统（12）相接；外温度传感器数据线（18）的一端与外温度传感器（10）相连，另一端与数据采集系统（12）相接；流量计数据线（19）的一端与流量计（11）相连，另一端与数据采集系统（12）相接。另外，数据采集系统12包括：钻井液温度监测模块，用于监测所述钻井液的温度；套管内壁温度监测模块，用于监测套管内壁温度；模拟水泥环-冻土交界温度监测模块，用于监测模拟水泥环和冻土交界处的温度；循环注入流量监测模块，用于监测注入钻井液的流量。
如图2所示，前密封盖14的中间设有圆形通道，用于连接钻井液输入管线3和待测真空隔热套管4。
如图3所示，后密封盖15的中间设有两个圆形通道，其中，中心处的圆形通道用于连接钻井液输入管线3与待测真空隔热套管4，另一个圆形通道用于插内温度传感器数据线17。
本发明提到的一种模拟冻土环境下真空隔热套管隔热性能测试装置的使用方法，包括以下过程：
（1）先根据待测真空隔热套管（4）的尺寸准备足够量的模拟冻土土样，保证冻土（6）外径为待测真空隔热套管（4）内径的5-10倍；
（2）实验开始前，先设置恒温加热箱（1）的温度达到预定的模拟钻井液温度，同时，设置制冷设备（8）的温度使密闭装置（7）的温度达到模拟冻土层环境温度；
（3）待恒温加热箱（1）中的钻井液温度和密闭装置（7）温度达到预定值后，保持温度稳定10分钟后，打开恒温加热器（1）后面的阀门（13），使钻井液按照一定流量开始循环；
（4）钻井液通过钻井液输入管线（3），流经待测真空隔热套管（4）后进入钻井液输出管线（9），返回到恒温加热箱（1）内，在钻井液循环过程中，始终保持恒温加热箱（1）内钻井液温度和密闭装置（7）内温度不变；
（5）待钻井液循环稳定之后，通过数值采集系统（12）分别记录待测真空隔热套管内壁温度和模拟水泥环和冻土交界处的温度，同时记录注入钻井液的流量；
（6）按照不同组合，改变恒温加热箱（1）中钻井液温度和密闭装置（7）温度，以及钻井液流量大小，重复上述实验（2）—（5），利用实验结果计算待测真空隔热套管的视导热系数，分析待测真空隔热套管在模拟冻土层环境下的隔热性能。
本发明的优点是：
（1）本发明可用于评价循环不同温度钻井液时套管的隔热性能，也可以评价套管处于不同温度地层条件下的隔热性能，套管隔热性能评价方法不受套管尺寸，套管类型，钻井液温度以及环境温度的限制，适用范围较广；（2）本发明中所采用的数据采集系统，能够自动录取钻井液、冻土以及真空套管内壁温度变化，操作简单，成本低。
另外，经过内部实验，具体数据参照下表：
| 恒温加热箱温度 | 制冷装置温度 | 内壁温度 | 外壁温度 |
| 40 | -3 | 39.8 | -0.5 |
| 50 | -3 | 49.7 | 0.2 |
| 60 | -3 | 59.6 | 0.9 |
| 70 | -3 | 69.4 | 1.7 |
| 40 | -8 | 39.7 | -4.1 |
| 50 | -8 | 49.6 | -3.3 |
| 60 | -8 | 59.6 | -2.5 |
| 70 | -8 | 69.2 | -1.8 |
| 40 | -20 | 39.6 | -12.5 |
| 50 | -20 | 49.4 | -11.8 |
| 60 | -20 | 59.3 | -11 |
| 70 | -20 | 69.2 | -10.3 |
上表中的实验数据即通过所述模拟冻土环境下真空隔热套管隔热性能测试装置测得，第一列数据为恒温加热箱的设置温度，第二列数据为制冷设备的设置温度，第三列，第四列为在不同实验条件下，实验稳定时测得的内壁温度和外壁温度。从表中可以看出制冷装置的温度变化对外壁温度的影响大于恒温加热箱的设置温度变化对外壁温度的的影响。
另外，参照附图4，本发明在恒温加热箱温度70℃，制冷装置-3℃时，测试套管外壁不同位置处温度和同一位置处的内壁温度。
参照附图5，本发明为恒温加热箱温度70℃，制冷装置-3℃时，测试套管外壁不同位置处的视导热系数。
参照附图6，本发明在恒温加热箱温度70℃，制冷装置-8℃时，测试套管外壁不同位置处温度和同一位置处的内壁温度。
参照附图7，本发明为恒温加热箱温度70℃，制冷装置-8℃时，测试套管外壁不同位置处的视导热系数。
参照附图8，本发明在恒温加热箱温度70℃，制冷装置-20℃时，测试套管外壁不同位置处温度和同一位置处的内壁温度。
参照附图9，本发明为恒温加热箱温度70℃，制冷装置-20℃时，测试套管外壁不同位置处的视导热系数。
从上述图4、6、8中的温度-位置变化图片可以看出，制冷装置的温度对外壁温度的影响较大，对内壁温度的影响较小；其中外壁温度曲线之所以呈先下降再平衡最后又上升的趋势,是受到端部效应的影响。从图5、7、9中的视导热系数-位置变化图片可以看出，恒温加热箱温度与制冷装置温度的差值越大，所得到的视导热系数会在一定范围内变小，因此要尽量保证实验过程中温差的一致性。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。
Claims (1)
1.一种模拟冻土环境下真空隔热套管隔热性能测试方法，其特征是：该方法使用模拟冻土环境下真空隔热套管隔热性能测试装置，该装置包括恒温加热箱（1）、钻井液循环装置（2）、钻井液输入管线（3）、待测真空隔热套管（4）、水泥环（5）、冻土（6）、密闭装置（7）、制冷设备（8）、钻井液输出管线（9）、外温度传感器（10）、流量计（11）、数据采集系统（12）、阀门（13）、前密封端（14）、后密封端（15）、内温度传感器（16）、内温度传感器数据线（17）、外温度传感器数据线（18）、流量计数据线（19），在密闭装置（7）内装有制冷设备（8）和冻土（6），冻土（6）包裹在水泥环（5）外侧，在水泥环（5）内腔为待测真空隔热套管（4），且待测真空隔热套管（4）的上端通过前密封端（14）密封，并通过钻井液输入管线（3）与密闭装置（7）外部的钻井液循环装置（2）连接，所述待测真空隔热套管（4）的下端通过后密封端（15）密封，并通过钻井液输出管线（3）与密闭装置（7）外部的流量计（11）连接，且流量计（11）连接恒温加热箱（1）；水泥环（5）与冻土（6）之间安装有外温度传感器（10），在待测真空隔热套管（4）内壁装有内温度传感器（16），且外温度传感器（10）、内温度传感器（16）和流量计（11）的数据分别连接到数据采集系统（12）；
所述的冻土（6）由取自高纬度地区的土样或极地钻井现场土样制备，冻土（6）包裹在水泥环（5）外侧，所述的水泥环（5）为圆筒形结构；
所述制冷设备（8）、冻土（6）、水泥环（5）、待测真空隔热套管（4）均放置于密闭装置（7）中，且冻土（6）的外径为待测真空隔热套管（4）内径的5-10倍；
所述恒温加热箱（1）内装有钻井液，一端通过钻井液输入管线（3）与待测真空隔热套管（4）的一端相连，钻井液输入管线（3）上装有阀门（13）和钻井液循环装置（2）；恒温加热箱（1）的另一端通过钻井液输出管线（9）与待测真空隔热套管（4）的另一端相连，钻井液输出管线（9）上装有流量计（11）；
内温度传感器数据线（17）的一端穿过后密封端（15）与内温度传感器（16）相连，另一端与数据采集系统（12）相接；外温度传感器数据线（18）的一端与外温度传感器（10）相连，另一端与数据采集系统（12）相接；流量计数据线（19）的一端与流量计（11）相连，另一端与数据采集系统（12）相接；
其中，模拟冻土环境下真空隔热套管隔热性能测试装置的使用方法，包括以下过程：
（1）先根据待测真空隔热套管（4）的尺寸准备足够量的模拟冻土土样，保证冻土（6）外径为待测真空隔热套管（4）内径的5-10倍；
（2）实验开始前，先设置恒温加热箱（1）的温度达到预定的模拟钻井液温度，同时，设置制冷设备（8）的温度使密闭装置（7）的温度达到模拟冻土层环境温度；
（3）待恒温加热箱（1）中的钻井液温度和密闭装置（7）温度达到预定值后，保持温度稳定10分钟后，打开恒温加热箱（1）后面的阀门（13），使钻井液按照一定流量开始循环；
（4）钻井液通过钻井液输入管线（3），流经待测真空隔热套管（4）后进入钻井液输出管线（9），返回到恒温加热箱（1）内，在钻井液循环过程中，始终保持恒温加热箱（1）内钻井液温度和密闭装置（7）内温度不变；
（5）待钻井液循环稳定之后，通过数据采集系统（12）分别记录待测真空隔热套管内壁温度和模拟水泥环和冻土交界处的温度，同时记录注入钻井液的流量；
（6）按照不同组合，改变恒温加热箱（1）中钻井液温度和密闭装置（7）温度，以及钻井液流量大小，重复上述实验步骤（2）—（5），利用实验结果计算待测真空隔热套管的视导热系数，分析待测真空隔热套管在模拟冻土层环境下的隔热性能。
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