CN110872947A - 一种无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置 - Google Patents

Abstract

一种无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，包括泥浆罐、泥浆泵、泥浆输入管线、水罐、井口吸入模块、水下举升泵、泥浆返回管线和PLC控制系统；所述泥浆罐设有出液口和回液口，其中出液口与泥浆泵的输入端口连接；泥浆泵的输出端口通过泥浆输入管线连接井口吸入模块的进浆口；所述井口吸入模块和水下举升泵置于水罐中，在井口吸入模块上设有出浆口，所述出浆口与水下举升泵的输入端口连接；所述水下举升泵输出端口通过泥浆返回管线和泥浆罐的回液口连通；所述泥浆泵和水下举升泵均由变频电机驱动。本发明通过模拟无隔水管钻进过程，为不同的井口液位识别及控制技术、海底泵举升能力及泥浆循环流体力学等分析提供了实验平台。

Description

一种无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置

技术领域

本发明涉及一种实验装置，尤其是一种适于无隔水管泥浆闭路循环钻井技术的实验装置。

背景技术

海洋钻探是获取海底地层信息最直接的方法，也是海洋资源勘查最主要的手段之一。目前海洋钻探主要分为开路钻井和隔水管钻井两类，开路钻井时，泥浆不实现循环，而是直接排入大海，其缺点是泥浆消耗量巨大，不仅会导致高昂的钻井成本，还会造成对海洋环境的污染；隔水管钻井是通过下入隔水管将海底井口与钻井平台相连，建立泥浆循环通道，其缺点是隔水管造价昂贵，并且易受海浪洋流等因素影响，作业过程中风险较大。

为了解决上述开路钻井和隔水管钻井存在的问题，无隔水管泥浆闭路循环钻井技术作为一种新兴海洋钻探技术被研发，其核心内容是在开路钻井基础上，下放小直径管线连接井口与钻井平台，建立泥浆上返通道，并通过海底泵将泥浆从海底井口举升至钻井平台。虽然从理论上讲，无隔水管泥浆闭路循环钻井技术结合了开路钻井技术与隔水管钻井技术的优点，解决了钻井成本高、污染海洋环境及作业风险大的问题，但是目前针对无隔水管泥浆闭路循环钻井关键技术研究相对较少，使其难以被推广应用，因此亟待研发一种无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置。

发明内容

本发明提供一种无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，旨在通过模拟无隔水管钻进过程，为不同的井口液位识别及控制技术、海底泵举升能力及泥浆循环流体力学等分析提供实验平台。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，包括泥浆罐、泥浆泵、泥浆输入管线、水罐、井口吸入模块、水下举升泵、泥浆返回管线和PLC控制系统；所述泥浆罐和水罐均置于水平面上，泥浆罐设有出液口和回液口，其中出液口与泥浆泵的输入端口连接；所述泥浆泵的输出端口通过泥浆输入管线连接井口吸入模块的进浆口；所述井口吸入模块和水下举升泵置于水罐中，在井口吸入模块上设有出浆口，所述出浆口与水下举升泵的输入端口连接；所述水下举升泵输出端口通过泥浆返回管线和泥浆罐的回液口连通；所述泥浆泵和水下举升泵均由变频电机驱动；所述PLC控制系统包括一组传感器和处理器，所述传感器输出端与处理器的输入端连接，所述处理器的输出端连接泥浆泵和水下举升泵的变频电机控制器。

上述无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，所述井口吸入模块通过底座固定在水罐中，所述进浆口布置在井口吸入模块的底部，所述出浆口布置在井口吸入模块的侧壁上；在进口吸入模块内设有导流罩和传感器支架，所述传感器支架固定在导流罩上，在传感器支架上设置若干传感器安装口。

上述无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，所述导流罩由顶盖、侧壁板和环状底板组成；所述环状底板固定在井口吸入模块底部，沿环状底板周边布置一组侧壁板，相邻两个侧壁板之间形成泥浆流过通道；所述顶盖与侧壁板上端固定装配，在顶盖上设有一组泥浆过流孔。

上述无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，所述井口吸入模块的外侧壁上对称设置两组支臂，在每一组支臂上安装摄像头支架，在摄像头支架上安装水下摄像头。

上述无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，在所述泥浆罐的出液口和回液口处均设置流量阀。

上述无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，在所述泥浆输入管线、泥浆返回管线上均设置流量计。

上述无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，在所述泥浆返回管线上设置减压阀。

上述无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，所述PLC控制系统中传感器包括布置在泥浆输入管线和泥浆返回管线中减压阀两侧的压力传感器、布置在井口吸入模块传感器安装口上的液位传感器，通过传感器将采集的泥浆输入管线、泥浆返回管线中压力信息及液位信息传递给处理器。

上述无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，在所述泥浆罐中设置搅拌器，所述搅拌器为电动搅拌器。

上述无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，在所述水罐侧壁上设有用于操作人员进行实验观察和设备检修的梯子，在水罐侧壁底部设有放水口。

本发明为一种无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，它设有泥浆罐、泥浆泵、泥浆输入管线、水罐、井口吸入模块、水下举升泵和泥浆返回管线，通过与PLC控制系统的配合模拟无隔水管泥浆闭路循环钻井过程；本发明将泥浆泵和水下举升泵设计为变频电机驱动模式，并在泥浆输入管线、泥浆返回管线及井口吸入模块筒体侧壁上设置传感器，在泥浆输入管线、泥浆返回管线、泥浆罐的进出液口和井口吸入模块的进出浆口等位置处设有不同类型的控制阀，因此可由PLC控制系统中处理器根据传感器采集的信息，向各控制阀及泥浆泵、水下举升泵发出动作指令，以实现对泥浆泵和水下举升泵流量的控制。由此可见，本发明通过模拟无隔水管钻进过程，为不同的井口液位识别及控制技术、海底泵举升能力及泥浆循环流体力学等分析提供了实验平台。

附图说明

图1是无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置示意图；

图2是井口吸入模块剖面结构示意图；

图3是图2的侧视图；

图4是井口吸入模块中导流罩结构示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置工作状态示意图。

图中各标号清单为：

1、泥浆罐；2、搅拌器；3、流量阀；4、泥浆泵；5、泥浆输入管线；6、井口吸入模块，6-1、传感器支架，6-2、传感器安装口，6-3、出浆口，6-4、导流罩，6-4-1、顶盖，6-4-2、侧壁板，6-4-3、环状底板，6-4-4、泥浆过流孔，6-4-5、泥浆过流通道，6-5、底座，6-6、进浆口，6-7、水下摄像头，6-8、摄像头支架，6-9、支臂；7、水下举升泵；8、水罐；9、放水口；10、处理器；11、梯子；12、流量计；13、压力传感器；14、减压阀；15、泥浆返回管线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

参看图 1、图2，本发明为一种无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，包括泥浆罐1、泥浆泵4、泥浆输入管线5、水罐8、井口吸入模块6、水下举升泵7、泥浆返回管线15和PLC控制系统；所述泥浆罐1和水罐8均置于水平面上，泥浆罐1设有出液口和回液口，其中出液口与泥浆泵4的输入端口连接；所述泥浆泵4的输出端口通过泥浆输入管线5连接井口吸入模块6的进浆口6-6；所述井口吸入模块6和水下举升泵7置于水罐8中，在井口吸入模块6上设有出浆口6-3，所述出浆口6-3与水下举升泵7的输入端口连接；所述水下举升泵7的输出端口通过泥浆返回管线15和泥浆罐1的回液口连通；所述泥浆泵4和水下举升泵7均由变频电机驱动；所述PLC控制系统包括一组传感器和处理器10，所述传感器包括布置在泥浆输入管线5和泥浆返回管线15中的压力传感器13、布置在井口吸入模块6中的液位传感器，传感器输出端与处理器,10的输入端连接，通过传感器将采集的泥浆输入管线5、泥浆返回管线15中压力信息及液位信息传递给处理器10，所述处理器10的输出端连接泥浆泵4和水下举升泵7的变频电机控制器。

参看图1、图2、图3，本发明所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，其井口吸入模块6通过底座6-5固定在水罐8中，所述进浆口6-6布置在井口吸入模块6的底部，所述出浆口6-3布置在井口吸入模块6的侧壁上；在进口吸入模块6内设有导流罩6-4和传感器支架6-1，所述传感器支架6-1固定在导流罩6-4上，在传感器支架6-1上设置若干传感器安装口6-2；本发明还在井口吸入模块6的外侧壁上对称设置两组支臂6-9，在每一组支臂6-9上安装摄像头支架6-8，在摄像头支架6-8上安装水下摄像头6-7，可通过水下摄像头6-7实时观察井口吸入模块6内泥浆液位情况。

参看图2、图4、图5，本发明所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，所述导流罩6-4由顶盖6-4-1、侧壁板6-4-2和环状底板6-4-3组成；所述环状底板6-4-3固定在井口吸入模块6底部，沿环状底板6-4-3周边布置一组侧壁板6-4-2，相邻两个侧壁板6-4-2之间形成泥浆流过通道6-4-5；所述顶盖6-4-1与侧壁板6-4-2上端固定装配，在顶盖6-4-1上设有一组泥浆过流孔6-4-4；可通过导流罩6-4侧壁上的泥浆流过通道6-4-5和顶盖6-4-1上泥浆过流孔6-4-4配合防止泥浆在井口吸入模块6内出现过度紊流。

参看图1，本发明所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，在所述泥浆罐1的出液口和回液口处均设置流量阀3；在所述泥浆输入管线5、泥浆返回管线15上均设置流量计12；在所述泥浆返回管线15上设置减压阀14；在所述泥浆罐1中设置搅拌器2，所述搅拌器2为电动搅拌器；在所述水罐8侧壁上设有用于操作人员进行实验观察和设备检修的梯子11，在水罐8侧壁底部设有放水口9。

参看图6，本发明所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，主要用于为无隔水管泥浆闭路循环钻井中不同的井口液位识别及控制技术、海底泵举升能力及泥浆循环流体力学等分析提供实验平台，该实验装置可检测泥浆泵4出口压力及流量，井口吸入模块6内泥浆液位信息，水下举升泵7出口压力及流量，减压阀14出口压力。进行实验时，首先在泥浆罐1内配好泥浆，在水罐8内充满清水，开启泥浆罐1的出液口和回液口处流量阀3；然后开启泥浆泵4，泥浆通过泥浆输入管线5进入井口吸入模块6中，此时井口吸入模块6内泥浆上升并将清水从井口吸入模块6内顶替出来；启动水下举升泵7将井口吸入模块6内的泥浆吸出并举升，通过泥浆返回管线15返回至泥浆罐1中。

参看图6，在上述实验过程中，通过井口吸入模块6内部的液位传感器来检测泥浆液位，PLC控制系统中处理器10根据传感器数据做出相应判断，并通过对水箱举升泵7变频电机的控制，使水下举升泵7流量满足井口吸入模块6内部泥浆液位相对静止稳定的要求，因此泥浆不会因为水下举升泵7流量小而溢出井口吸入模块6，也不会因为水下举升泵7流量过大而导致水罐8内清水被吸入井口吸入模块6内。

参看图6，在无隔水管钻井正常钻进时，要时刻控制举升泵排量以保证吸入模块内部泥浆液位稳定在某一位置上，因此使用该实验装置模拟无隔水管钻进工况时，在水罐8内充满清水，井口吸入模块6内注入泥浆，这样便在井口吸入模块6顶部有清水和泥浆混合段，可准确模拟实际钻井工况。由于在井口吸入模块6中设置了液位传感器（液位传感器可采用光纤传感器、电阻率传感器、波速传感器等）来检测泥浆液位，当传感器检测的液位值高于预设值时，控制系统会增大水下举升泵7排量，以降低井口吸入模块6内泥浆液位；当传感器检测的液位值低于预设值时，控制系统会减小水下举升泵7排量，以增大井口吸入模块6内泥浆液位。同时，PLC控制系统会比对泥浆泵4及水下举升泵7的出口压力及流量值，通过预设算法，可快速调整水下举升泵7排量到达合适值附近，再进行精准微调。因此该实验台架可检验泥浆液位识别技术，也可检验泥浆液位控制技术。

参看图6，本发明所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，不但可模拟正常钻进工况，也可模拟井涌、井漏等特殊工况。钻井井涌时，井底压力低于地层压力，地层内流体进入井内，上返泥浆增多，通过该实验装置可人工干预调大泥浆泵4流量，此时井口吸入模块6内泥浆液位升高，液位传感器会检测到井口吸入模块6中液位值变大，PLC控制系统会自动增大水下举升泵7排量，以降低井口吸入模块6内泥浆液位值。钻井井漏时，井底压力大于地层压力，泥浆进入地层内部，上返泥浆减小，通过该实验装置可人工干预降低泥浆泵4流量，此时井口吸入模块6内泥浆液位降低，液位传感器会检测到井口吸入模块6中液位值变小，PLC控制系统会自动降低水下举升泵7排量，以降低井口吸入模块6内泥浆液位值。

参看图6，本发明所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置还可检验水下举升泵7举升能力，通过调节减压阀14，为水下举升泵7增加工作负载，以检验水下举升泵7的举升扬程能力。

Claims (10)

1.一种无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，其特征是，它包括泥浆罐（1）、泥浆泵（4）、泥浆输入管线（5）、水罐（8）、井口吸入模块（6）、水下举升泵（7）、泥浆返回管线（15）和PLC控制系统；所述泥浆罐（1）和水罐（8）均置于水平面上，泥浆罐（1）设有出液口和回液口，其中出液口与泥浆泵（4）的输入端口连接；所述泥浆泵（4）的输出端口通过泥浆输入管线（5）连接井口吸入模块（6）的进浆口（6-6）；所述井口吸入模块（6）和水下举升泵（7）置于水罐（8）中，在井口吸入模块（6）上设有出浆口（6-3），所述出浆口（6-3）与水下举升泵（7）的输入端口连接；所述水下举升泵（7）的输出端口通过泥浆返回管线（15）和泥浆罐（1）的回液口连通；所述泥浆泵（4）和水下举升泵（7）均由变频电机驱动；所述PLC控制系统包括一组传感器和处理器（10），所述传感器输出端与处理器（10）的输入端连接，所述处理器（10）的输出端连接泥浆泵（4）和水下举升泵（7）的变频电机控制器。

2.根据权利要求1所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，其特征是，所述井口吸入模块（6）通过底座（6-5）固定在水罐（8）中，所述进浆口（6-6）布置在井口吸入模块（6）的底部，所述出浆口（6-3）布置在井口吸入模块（6）的侧壁上；在进口吸入模块（6）内设有导流罩（6-4）和传感器支架（6-1），所述传感器支架（6-1）固定在导流罩（6-4）上，在传感器支架（6-1）上设置若干传感器安装口（6-2）。

3.根据权利要求2所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，其特征是，所述导流罩（6-4）由顶盖（6-4-1）、侧壁板（6-4-2）和环状底板（6-4-3）组成；所述环状底板（6-4-3）固定在井口吸入模块（6）底部，沿环状底板（6-4-3）周边布置一组侧壁板（6-4-2），相邻两个侧壁板（6-4-2）之间形成泥浆流过通道（6-4-5）；所述顶盖（6-4-1）与侧壁板（6-4-2）上端固定装配，在顶盖（6-4-1）上设有一组泥浆过流孔（6-4-4）。

4.根据权利要求3所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，其特征是，所述井口吸入模块（6）的外侧壁上对称设置两组支臂（6-9），在每一组支臂（6-9）上安装摄像头支架（6-8），在摄像头支架（6-8）上安装水下摄像头（6-7）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，其特征是，在所述泥浆罐（1）的出液口和回液口处均设置流量阀（3）。

6.根据权利要求5所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，其特征是，在所述泥浆输入管线（5）、泥浆返回管线（15）上均设置流量计（12）。

7.根据权利要求6所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，其特征是，在所述泥浆返回管线（15）上设置减压阀（14）。

8.根据权利要求7所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，其特征是，所述PLC控制系统中传感器包括布置在泥浆输入管线（5）和泥浆返回管线（15）中减压阀（14）两侧的压力传感器（13）、布置在井口吸入模块（6）的传感器安装口（6-2）上的液位传感器，通过传感器将采集的泥浆输入管线（5）、泥浆返回管线（15）中压力信息及液位信息传递给处理器（10）。

9.根据权利要求1所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，其特征是，在所述泥浆罐（1）中设置搅拌器（2），所述搅拌器（2）为电动搅拌器。

10.根据权利要求1所述的无隔水管泥浆闭路循环钻井技术实验装置，其特征是，在所述水罐（8）侧壁上设有用于操作人员进行实验观察和设备检修的梯子（11），在水罐（8）侧壁底部设有放水口（9）。

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