CN111175539A - 一种高温高压旋转条件下钻井液中气泡上升速度测试装置和方法 - Google Patents

一种高温高压旋转条件下钻井液中气泡上升速度测试装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温高压旋转条件下钻井液中气泡上升速度测试装置和方法。所述测试装置包括一模拟井筒和一模拟钻柱，模拟钻柱设于模拟井筒内，且两者形成环形空间；模拟井筒的底部连接液相储罐和气相储集瓶，气相储集瓶还通过一管线与模拟井筒的顶部相连通；模拟井筒的外壁设有可视窗口；测试装置还包括摄像机。本发明测试装置可以模拟真实钻井过程中的环空结构，因此可以分析气泡在不同环空空间内上升时壁面对气泡上升速度的影响；还可以模拟钻柱旋转引起环空流体螺旋流动的现象，因此可以分析钻柱旋转对气体螺旋上升速度的影响规律；同时可以模拟高温高压环境，因此实验装置中的气体性质更接近实际钻井时侵入井筒中的气体性质。

Description

一种高温高压旋转条件下钻井液中气泡上升速度测试装置和 方法
技术领域
本发明涉及一种高温高压旋转条件下钻井液中气泡上升速度测试装置和方法，属于石油钻井和开采领域。
背景技术
深层油气勘探开发是国家油气发展的重大需求，但深层多处于高温高压等复杂环境，且安全压力窗口窄，钻井过程中易发生气侵。若气侵处理不当，会导致井涌或井喷等钻井事故，损失巨大。气侵监测及处理技术一直被石油公司列为优先发展技术以防止特大井喷事故发生。气侵有效处理的关键在于井筒压力的准确预测和有效控制，而井筒压力的准确预测和有效控制依赖于井筒中气体上升速度的特性。
由于气体在井筒中的上升速度受多种环境因素影响，与传统的气泡在无限大流体区域中的上升存在以下区别：1)受限的窄环空空间；2)深部地层的高温高压环境；3)钻井过程中钻柱旋转改变气体上升规律。如果能够有效测量气泡在高温高压旋转条件下气泡的上升速度，那么就可以有效预测不同时刻侵入气体在井筒中的位置以及气相体积分数，从而可以有效预测井底压力，对于深部地层安全有效钻井具有非常大的意义，但是目前针对气泡上升速度的测量多是针对于常温常压且无钻柱旋转的管形空间中，无法反映真实钻井过程中的气体上升过程。为了更加准确的测定气体在钻井液中的上升速度，就需要设计相应的实验装置和测量方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温高压旋转条件下钻井液中气泡上升速度的测试装置及方法，使用多台高速摄影联合测量气泡在钻柱旋转条件下引起的螺旋上升速度，可以研究温度、压力、气泡直径、钻柱旋转速度和环空尺寸等因素对气泡上升速度的影响规律，克服了现有测量方法不能对真实钻井环境模拟的局限性，可以有效捕捉气体在环空内流体旋转条件下的上升特性。
本发明所提供的高温高压旋转条件下钻井液中气泡上升速度的测试装置，包括一模拟井筒和一模拟钻柱，所述模拟钻柱设于所述模拟井筒内，且两者形成环形空间；
所述模拟井筒的底部连接液相储罐和气相储集瓶，所述气相储集瓶还通过一管线与所述模拟井筒的顶部相连通，以模拟真实钻井时的高压情况；
所述模拟井筒的外壁设有可视窗口；
所述测试装置还包括摄像机。
上述的测试装置中，所述模拟井筒的外壁上沿其周向设有一个或多个所述可视窗口，优选所述可视窗口设于同一水平面上。
所述摄像机的数量与所述可视窗口的数量相等。
上述的测试装置中，所述储液罐和所述气相储集瓶与所述模拟井筒连通的管线上设有流体泵和阀门。
上述的测试装置中，所述模拟井筒的顶部连接一出口管线，所述出口管线上设有阀门，通过所述出口管线排出多余的气体来保证所述模拟井筒内的压力恒定。
上述的测试装置中，所述模拟井筒上连接有温度计和压力计，以监测所述模拟井筒内的温度和压力。
上述的测试装置中，所述测试装置还包括计算机，所述计算机接收所述摄像机通过所述可视窗口捕捉到的所述环形空间内气泡的上升过程，并得到气泡的上升速度。
利用所述测试装置，可实现对高温高压旋转条件下钻井液中气泡上升速度的测定，即利用一对或多个高速摄影机同时捕捉气泡在旋转流体流动条件下的气泡螺旋上升过程，通过两台或多个高速摄影机捕捉的画面的处理，可以得到气泡在井筒中的螺旋上升特征。使用分析处理软件(如PCC软件)，可以测量得到气泡在旋转条件下的上升速度；具体包括如下步骤：
1)连通所述测试装置中的所述液相储罐和所述模拟井筒，使所述模拟井筒内的钻井液注入至所述环形空间中；
2)连通所述气相储集瓶与所述模拟井筒的顶部之间的管线，从所述模拟井筒的顶部注入气体使所述模拟井筒内的压力达到要求；
3)控制所述模拟钻柱旋转，模拟钻井过程中钻柱旋转过程；
4)关闭所述气相储集瓶与所述模拟井筒的顶部之间的管线，连通所述气相储集瓶与所述模拟井筒的底部之间的管线，使气体从所述模拟井筒的底部注入所述环形空间中；
5)利用所述摄像机通过所述可视窗口记录所述环形空间内气泡的上升过程，即得到高温高压旋转条件下钻井液中气泡的上升速度。
上述的测试方法，其特征在于：步骤5)中，所述计算机中的分析软件处理所述计算机从所述摄像机接收的气泡上升过程，得到气泡的上升速度。
所述分析软件可为PCC软件；
具体地，可首先所述分析软件根据标定尺度条确定气泡上升过程中的一段距离代表的真实距离；然后，将气泡刚开始出现在所述可视窗口中的位置作为气泡的起始位置进行标定；然后，将气泡开始离开所述可视窗口的位置作为气泡的终止位置进行标定；最后，所述分析软件根据标定的距离计算出起始位置和终止位置之间的实际距离和上升所用时间，将距离除以时间得到气泡的上升速度(取由多个可视窗口计算得到的平均值)。
还可通过改变气体注入管线的直径、温度、压力和钻柱旋转速度，测试不同条件下的气泡上升速度，进而可以研究温度、压力、气泡直径、钻杆旋转速度和环空尺寸等因素对气泡上升速度的影响规律；基于实验数据分析可以得到的气泡上升速度变化规律和气泡上升速度预测模型，有助于准确预测钻井过程中发生气侵时的井筒多相流动规律和井筒压力变化规律，对于安全有效钻井具有重要的意义。
本发明测试装置可以模拟真实钻井过程中的环空结构，因此可以分析气泡在不同环空空间内上升时壁面对气泡上升速度的影响。
本发明测试装置可以模拟钻柱旋转引起环空流体螺旋流动的现象，因此可以分析钻柱旋转对气体螺旋上升速度的影响规律。
本发明测试装置可以模拟高温高压环境，因此实验装置中的气体性质更接近实际钻井时侵入井筒中的气体性质。
附图说明
图1为本发明高温高压旋转条件下钻井液中气泡上升速度的测试装置的结构示意图；
图中各标记如下：
1液相储罐，2，12流体泵，3，13，14管线阀门，4压力计，5，10高速摄影机，6温度计，7模拟井筒，8模拟钻柱，9压力计，11气相储集瓶，15，16可视窗口，17回压阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，为本发明提供的高温高压旋转条件下钻井液中气泡上升速度的测试装置的结构示意图，包括模拟井筒7和模拟钻柱2，模拟钻柱2设于模拟井筒7内，且两者形成环形空间，模拟钻柱8的旋转模拟钻井过程中的环空流动结构和钻柱旋转条件。模拟井筒7的底部连接液相储罐1和气相储集瓶11，连通的管线上设有流体泵2(12)和管线阀门3(14)，通过流体泵2将钻井液从液相储罐1注入到模拟井筒7中，通过流体泵12将气体从气相储集瓶11注入到模拟井筒7中，利用管线阀门3关闭或打开钻井液注入线路，利用管线阀门14关闭或打开气体注入管路(连接模拟井筒7的底部)。气相储集瓶11还通过一管线与模拟井筒7的顶部相连通，以模拟真实钻井时的高压情况，该连通的管线上设有管线阀门13，利用管线阀门13的关闭或打开从模拟井筒7的上部注入气体。模拟井筒7的顶部连接一出口管线，该出口管线上设有回压阀17和压力计9，通过该出口管线排出多余的气体来保证模拟井筒7内的压力恒定；并利用回压阀17控制模拟井筒7中流体的排出，利用压力计9测量出口压力。模拟井筒7的外壁上沿其周向的同一水平面设有4个可视窗口15(16，图中只示出2个)(可视窗口的周围贴有刻度条是为了PCC软件处理气泡上升速度的时候有尺寸标定的依据)以及对应数量的高速摄像机10，用于捕捉气泡上升的过程。
本发明测试装置中，模拟井筒上连接有温度计6和压力计4，以监测模拟井筒内的温度和压力。
利用本发明测试装置测试高温高压旋转条件下钻井液中气泡上升速度时，可按照如下步骤进行：
(1)打开管线阀门3，通过流体泵2将液相储罐1中的一定质量的钻井液注入到模拟井筒7的环形空间中，打开气相储集瓶11(甲烷气瓶)、流体泵12和管线阀门13，从模拟井筒7的上方注入甲烷直到模拟井筒7内压力等于实验所需压力。
(2)打开旋转电机使得模拟钻柱8进行旋转，模拟钻井过程中钻柱旋转过程。
(3)切换甲烷注入路线的阀门(管线阀门14)开关，注入甲烷气泡进入模拟井筒7中的环空中。
(4)利用高速摄影机5和10通过可视窗15和16记录气泡上升过程，拍摄的视频储存于计算机中。
(5)用计算机上的PCC软件处理高速摄影机5和10拍摄的气泡螺旋上升过程，通过PCC软件分析和计算气泡的上升速度。
通过改变模拟钻柱和模拟井筒的直径，可以分析不同环空尺寸也即壁面对气泡上升过程的影响规律。
通过上述方法还可以分析温度、压力、气泡直径、钻柱旋转速度等因素对气泡上升速度的影响规律。
以羧甲基纤维素(CMC)高分子聚合物配置的液体模拟钻井液，其CMC粉末的质量浓度为2.5wt％，实验过程中的井筒温度和压力分别为50℃和20MPa。该钻井液在井筒温度和压力条件下的流体性质通过高温高压流变仪(Haake Mars III)进行测得，如表1所示。
表1钻井液的性质
Figure BDA0002386132270000041
按照上述步骤研究气泡在CMC水溶液模拟的水溶液中的上升速度，高速摄影机5和10拍摄记录好的气泡上升过程保存于电脑上，并利用PCC软件进行气泡上升速度的计算：首先，利用PCC软件根据标定尺度条确定视频中的一段距离代表的真实距离。然后，将气泡刚开始出现在可视窗口中的位置作为气泡的起始位置进行标定；然后，将气泡开始离开可视窗口的位置作为气泡的终止位置进行标定；最后，PCC软件根据标定的距离计算出起始位置和终止位置之间的实际距离和上升所用时间，将距离除以时间得到气泡的上升速度(取由多个可视窗口计算得到的平均值)。在本实验中，气泡的上升速度为0.2219m/s。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合使用，因此本发明当然地涵盖了与本案发明点有关的其他组合及具体应用。

Claims (9)

1.一种高温高压旋转条件下钻井液中气泡上升速度的测试装置，包括一模拟井筒和一模拟钻柱，所述模拟钻柱设于所述模拟井筒内，且两者形成环形空间；
所述模拟井筒的底部连接液相储罐和气相储集瓶，所述气相储集瓶还通过一管线与所述模拟井筒的顶部相连通；
所述模拟井筒的外壁设有可视窗口；
所述测试装置还包括摄像机。
2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述模拟井筒的外壁上沿其周向的同一水平面设有一个或多个所述可视窗口；
所述摄像机的数量与所述可视窗口的数量相等。
3.根据权利要求1或2所述的测试装置，其特征在于：所述储液罐和所述气相储集瓶与所述模拟井筒连通的管线上设有流体泵和阀门。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的测试装置，其特征在于：所述模拟井筒的顶部连接一出口管线，所述出口管线上设有阀门。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的测试装置，其特征在于：所述模拟井筒上连接有温度计和压力计。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的测试装置，其特征在于：所述测试装置还包括计算机，所述计算机接收所述摄像机通过所述可视窗口捕捉到的所述环形空间内气泡的上升过程，并得到气泡的上升速度。
7.一种高温高压旋转条件下钻井液中气泡上升速度的测试方法，包括如下步骤：
1)连通权利要求1-6中任一项所述测试装置中的所述液相储罐和所述模拟井筒，使所述模拟井筒内的钻井液注入至所述环形空间中；
2)连通所述气相储集瓶与所述模拟井筒的顶部之间的管线，从所述模拟井筒的顶部注入气体使所述模拟井筒内的压力达到要求；
3)控制所述模拟钻柱旋转；
4)关闭所述气相储集瓶与所述模拟井筒的顶部之间的管线，连通所述气相储集瓶与所述模拟井筒的底部之间的管线，使气体从所述模拟井筒的底部注入所述环形空间中；
5)利用所述摄像机通过所述可视窗口记录所述环形空间内气泡的上升过程，即得到高温高压旋转条件下钻井液中气泡的上升速度。
8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于：步骤5)中，所述计算机中的分析软件处理所述计算机从所述摄像机接收的气泡上升过程，得到气泡的上升速度。
9.权利要求1-6中任一项所述测试装置在测定高温高压旋转条件下钻井液中气泡上升速度中的应用。
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