CN111272952B - 一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验装置，该装置由储液罐、容积泵、阀门、单向阀、液体流量计、压力表、气泡发生器、钻杆、旋转电机、井筒、气体流量计、电磁阀、空气压缩机、甲烷瓶、氮气瓶、回压阀、气体量筒组成；通过测量气体注入排量和出口排量，利用两者排量之差，可以计算任意时刻的气体溶解速度；气体流动空间为钻杆和井筒组成的环形空间，钻杆在旋转电机带动下以不同转速旋转，模拟钻井时钻杆旋转环境；通过改变从井筒上方注入到井筒内的不溶解于油基钻井液的氮气，可改变井筒中的压力；通过电磁阀在甲烷和氮气注入管线上的同步一开一关，实现甲烷和氮气的切换注入。本发明克服了现有装置不能测量具有环空结构且钻杆旋转及气体流动条件下气体在油基钻井液中溶解速度的问题，具有结构简单，操作方便的优点。

Description

一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验 装置

技术领域

本发明涉及一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验装置，涉及到石油与天然气钻井领域。

背景技术

在钻井过程中，泵失效、套管压力降低或起钻抽吸等都会造成井底压力比地层压力低，使得井筒处于欠平衡状态，可能会引发气侵。若气侵处理不当，会导致井涌或井喷等钻井事故，损失巨大。气侵有效监测及处理的关键在于井筒压力的准确预测及有效控制。对于油基钻井液钻井发生气侵事故时，气体并非瞬时全部溶解于油基钻井液中，而是以一定速度逐渐溶解于油基钻井液中。气体向油基钻井液内的溶解速度影响着不同时刻井筒内自由气和溶解气的比例，从而对井筒内流体重力压降和摩擦压降产生影响，最终影响井筒压力的大小。因此，合理分析钻井过程中侵入气体在油基钻井液中的溶解速度是准确预测气侵后井筒压力的前提。

气体类型、温度、压力、气-液界面大小和扰动程度是影响气体在油基钻井液中溶解速度的重要因素。目前的气体溶解速度测试均是在密闭容器中进行的，依据密闭容器的压力变化，进而测量静态条件下不同气体类型、温度和压力下的气体溶解速度。但是这类装置不能模拟钻井过程中流体在环空中流动条件以及钻柱旋转对气-液界面更新的影响，所得到的气体溶解速度与钻井气侵过程中的实际情况存在差异。为了更准确的测量在钻井气侵过程中的气体溶解速度，就需要设计相应的实验装置。

发明内容

本发明的目的是：为了提供一种可以测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验装置，利用气体注入-出口排量差法，可以有效测定油基钻井液钻井发生气侵时气体在油基钻井液中的溶解速度。

一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验装置，由储液罐(1)、容积泵(2)、阀门一(3)、单向阀一(4)、液体流量计(5)、压力表一(6)、气泡发生器(7)、钻杆(8)、旋转电机(9)、井筒(10)、气体流量计一(11)、单向阀二(12)、电磁阀一(13)、空气压缩机一(14)、甲烷瓶(15)、氮气瓶(16)、空气压缩机二(17)、电磁阀二(18)、阀门二(19)、阀门三(20)、压力表二(21)、回压阀(22)、气体流量计二(23)、气体量筒(24)组成。储液罐(1)、容积泵(2)与井筒(10)连通，容积泵(2)从储液罐(1)中将油基钻井液泵注到井筒(10)中；利用阀门一(3)关闭或打开液体注入线路；利用单向阀一(4)防止井筒(10)中的流体回流到储液罐(1)中；利用液体流量计(5)测量泵注的液体总量；利用压力表一(6)测量井筒中的压力；甲烷瓶(15)、空气压缩机一(14)与井筒(10)连通，空气压缩机(14)从甲烷瓶(15)中将甲烷气体泵注到井筒(10)中，用于模拟气体在油基钻井液中的溶解过程；利用单向阀二(12)防止井筒(10)中的流体回流到甲烷瓶(15)中；利用气体流量计一(11)测量气体的注入排量；氮气瓶(16)、空气压缩机(17)与井筒(10)连通，空气压缩机二(17)从氮气瓶(16)中将氮气泵注到井筒(10)中；利用阀门二(19)和阀门三(20)的开关切换氮气从井筒上方注入和从井筒下方注入线路；利用电磁阀一(13)和电磁阀二(18)同时的一开一关，实现甲烷气体和氮气气体的切换注入；利用气泡发生器(7)将注入井筒的气体分散，形成均匀分布的气泡；钻杆(8)与旋转电机(9)连接，钻杆(8)在旋转电机(9)带动下实现旋转，模拟钻井过程中的钻杆旋转；利用压力表二(21)测量井筒出口的压力；利用回压阀(22)的开度调节维持井筒(10)内的压力恒定；利用气体流量计二(23)测量环空出口的气体排量；通过气体流量计一(11)与气体流量计二(23)分别测量气体注入排量和气体出口排量，根据这两者排量之差即可计算气体溶解速度。

所述一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验装置，其中：钻杆(8)与旋转电机(9)连接，并与井筒(10)位于同心位置；

所述一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验装置，其中：气泡发生器(7)在井筒的最下部，为不同孔隙直径的岩石加工而成的空心圆柱体；

所述一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验装置，其中：氮气注入线路分别连接井筒(10)的上部和下部。

所述一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验装置，其中：电磁阀一(13)和电磁阀二(18)可以实现同时的一开一关。

本发明由于采取以上技术方案，可以达到以下有益效果：

(1)氮气瓶(16)、空气压缩机二(17)与井筒(10)连通，通过从上方注入氮气，可以增加井筒(10)内的压力，从而改变实验测试的压力条件；此外有氮气柱的存在，可以防止钻井液从回压阀(22)溢出，避免影响测量结果；

(2)通过连续测量气体流量计一(11)和气体流量计二(23)的气体排量，计算气体注入-出口排量差随时间的变化关系，可以得到不同时刻下气体溶解速度。

(3)钻杆(8)在旋转电机(9)的带动下可以实现旋转，模拟钻井过程中的钻杆旋转过程及其对气体溶解速度的影响；

(4)利用电磁阀一(13)和电磁阀二(18)同时的一开一关，以实现甲烷气体和氮气气体的同步切换注入；

(5)钻杆(8)可以替换为不同外径的钻杆，从而模拟不同尺寸的环形空间。

附图说明

图1是本发明一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验装置的结构示意图。

图中：储液罐(1)、容积泵(2)、阀门一(3)、单向阀一(4)、液体流量计(5)、压力表一(6)、气泡发生器(7)、钻杆(8)、旋转电机(9)、井筒(10)、气体流量计一(11)、单向阀二(12)、电磁阀一(13)、空气压缩机一(14)、甲烷瓶(15)、氮气瓶(16)、空气压缩机二(17)、电磁阀二(18)、阀门二(19)、阀门三(20)、压力表二(21)、回压阀(22)、气体流量计二(23)、气体量筒(24)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

本发明一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验装置，包括：储液罐(1)、容积泵(2)、阀门一(3)、单向阀一(4)、液体流量计(5)、压力表一(6)、气泡发生器(7)、钻杆(8)、旋转电机(9)、井筒(10)、气体流量计一(11)、单向阀二(12)、电磁阀一(13)、空气压缩机一(14)、甲烷瓶(15)、氮气瓶(16)、空气压缩机二(17)、电磁阀二(18)、阀门二(19)、阀门三(20)、压力表二(21)、回压阀(22)、气体流量计二(23)、气体量筒(24)。

具体实施方式为：

第一步：打开阀门一(3)、电磁阀二(18)、回压阀(22)，关闭电磁阀一(13)、阀门二(19)、阀门三(20)；

第二步：打开容积泵(2)从储液罐(1)中向井筒(10)内注入一定量的油基钻井液，使用液体流量计(5)计量泵注的液体总量，当井筒(10)内的液体总量等于设定的注入量时，液体注入完毕，关闭阀门一(3)、回压阀(22)；

第三步：打开阀门二(19)，打开空气压缩机二(17)从氮气瓶(16)中抽取氮气，沿井筒(10)上方注入氮气，使用压力表一(6)测定井筒压力，当井筒(10)内压力等于预定压力时，氮气注入完毕，关闭阀门二(19)；

第四步：打开阀门三(20)，打开空气压缩机二(17)从氮气瓶(16)中抽取氮气，沿井筒(10)下方以设定排量向井筒(10)内注入氮气，打开回压阀(22)并调节阀门的开度以维持井筒(10)内的压力恒定，使用气体流量计一(11)和气体流量计二(23)监测氮气注入排量和氮气出口排量，当注入排量和出口排量相等时，表示气体达到稳定流动阶段；

第五步：打开旋转电机(9)，按照设定转速带动钻杆(8)旋转；

第六步：同时打开电磁阀一(13)和关闭电磁阀二(18)，打开空气压缩机一(14)从甲烷瓶(15)中抽取甲烷，以和氮气相同的注入排量向井筒(10)内注入甲烷，调节回压阀(22)的开度以维持井筒(10)内的压力恒定，利用气体流量计一(11)和气体流量计二(23)测量甲烷气体的注入排量和出口排量；

第七步：当气体流量计二(23)测量得到的甲烷气体出口排量不再变化时，实验测试结束，关闭电磁阀一(13)，打开回压阀(22)，将井筒(10)内的全部流体排出；

第八步：通过绘制甲烷注入排量-出口排量差和时间的关系曲线，得到甲烷在油基钻井液中的溶解速度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验装置，其特征在于，包括储液罐(1)，储液罐(1)的出口管路上依次安装有容积泵(2)、阀门一(3)、单向阀一(4)、液体流量计(5)，所述液体流量计(5)和井筒(10)的底部相连通，所述井筒(10)中部位置设有压力表一(6)、底部位置设有气泡发生器(7)、居中轴线位置设有钻杆(8)，所述钻杆(8)与旋转电机(9)相连接；

甲烷瓶(15)的出口管路上依次安装有空气压缩机一(14)、电磁阀一(13)、单向阀二(12)、气体流量计一(11)，所述气体流量计一(11)和井筒(10)的底部相连通，所述电磁阀一(13)通过三通分别连接单向阀二(12)和阀门三(20)；

氮气瓶(16)的出口管路上依次安装有空气压缩机二(17)、电磁阀二(18)、阀门二(19)，所述阀门二(19)和井筒(10)的顶部侧面相连通，所述电磁阀二(18)通过三通分别连接阀门二(19)和阀门三(20)；

所述井筒(10)的顶部出口管路上依次安装有压力表二(21)、回压阀(22)、气体流量计二(23)、气体量筒(24)；

气体溶解于钻井液后，气体流量计二(23)测得的气体出口排量小于气体流量计一(11)测得的气体注入排量，通过连续测量气体注入排量和气体出口排量，得到排量差随时间的关系，即可计算气体溶解速度；通过将不溶解于钻井液的氮气从井筒(10)上部注入，从而调节井筒(10)内的压力，并防止气体从井筒(10)下部注入时钻井液从出口流出；通过气泡发生器(7)，将由注入管线从井筒(10)底部进入的甲烷气体转变为甲烷气泡，提高气体的分散程度。

2.如权利要求1所述的一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验装置，其特征在于有气体流量计一(11)和气体流量计二(23)，利用气体注入排量和气体出口排量差来表征气体溶解速度，可以连续测量气体溶解速度随时间的变化关系。

3.如权利要求1所述的一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液中溶解速度的实验装置，其特征在于可以将氮气从氮气瓶(16)沿井筒(10)上部注入到井筒中，在井筒(10)上部注入一定量不溶解于油基钻井液的氮气，一方面是为了保证环空达到所需的测试压力，另一方面是为了防止气体注入和钻杆 (8)旋转过程中油基钻井液从回压阀(22)溢出而引起的测量误差。

4.如权利要求1所述的一种测定钻井气侵时气体在油基钻井液溶解速度的实验装置，其特征在于井筒(10)底部安装有气泡发生器(7)，将注入到井筒(10)中的气体分散为均匀的气泡，以模拟气侵时地层气体渗流进入井筒的过程。

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