CN111426496A - 一种变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，该装置包括：动力装置用于驱动空心钻柱进行旋转；模拟井眼呈空心管；多个变径器设置在模拟井眼的外壁表面，用于对模拟井眼进行扩径和缩径；空心钻柱、钻铤、传感器和钻头均设置在模拟井眼的内部；空心钻柱、钻铤、钻头依次连接，传感器设置在钻头上；岩板设置在模拟井眼的底部；机架设置在模拟井眼的外壁周围，通过机架将动力装置固定在模拟井眼的上方；机架上还设置有控制系统，用于控制多个变径器对模拟井眼的局部进行扩径或缩径。本发明能够实现扩径和缩径井眼中屈曲管柱的转动过程的模拟，得到扩径和缩径对钻井管柱运动状态的影响。

Description

一种变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置

技术领域

本发明涉及钻井工程制造领域，尤其涉及一种变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置。

背景技术

在钻井过程中，钻头转过地层制造井眼，在这一过程中会穿过很多不同类型、不同物理性质的地层。在固井之前，钻井液与裸眼地层充分接触，对一些地层的物理性质产生改变。

此外由于开钻引起的应力变化使井眼周围应力不稳定，以上种种原因使得一些地层的井眼逐渐增大或者缩小，井眼变大的称为扩径，井眼缩小的称为缩径，严重的扩径和缩径都对钻井不利。当井眼发生扩径时，会造成井壁不稳定，严重时甚至出现局部井壁垮塌，出现事故。而发生缩径时(如盐膏层)，会造成井下钻柱不能轻易抬升或者下放，造成卡钻等事故。此外，钻井管柱作用效果复杂，屈曲形状复杂，在井眼内既发生自转也发生公转，扩径和缩径同样会影响钻井管柱的运动状态。

在钻井过程中，钻柱的受力发生变形，当轴向载荷超过某一临界值时，载荷的大小变化引起钻柱的较大变形，即形成钻柱屈曲状态，钻柱屈曲会会钻井作业带来很多不利影响，增加钻柱与井壁之间的接触，使得摩阻、扭矩增加，发生卡钻事故等。对于变径井眼，钻柱在钻进过程中的行进路径可偏离钻孔轨道，呈现侧向或正弦屈曲模态，即钻柱会出现“蛇形前进”的现象。当钻柱处于侧向屈曲模态时，钻柱的进一步压缩可造成钻柱进入螺旋屈曲模态。螺旋屈曲模态也可被称为“螺旋形前进”，但是屈曲可导致钻探操作中的效率损失和一个或多个钻柱组件的过早损坏。

基于上述，现有技术中存在无法获知因扩径或缩径对钻井管柱的运动状态的影响导致发生事故的问题。

上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，解决现有技术中无法获知因扩径或缩径对钻井管柱的运动状态的影响导致发生事故的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，包括：

动力装置(1)、空心钻柱(2)、模拟井眼(3)、变径器(4)、钻铤(5)、传感器(6)、钻头(7)、岩板(8)和机架(11)；

动力装置(1)用于驱动空心钻柱(2)进行旋转；

模拟井眼(3)呈空心管，设置在所述动力装置(1)的下方；

多个变径器(4)设置在所述模拟井眼(3)的外壁表面，用于对所述模拟井眼(3)进行扩径和缩径；

空心钻柱(2)、钻铤(5)、传感器(6)和钻头(7)均设置在所述模拟井眼(3)的内部；空心钻柱(2)、钻铤(5)、钻头(7)依次连接，传感器(6)设置在钻头(7)上，用于实时记录钻头(7)的钻压和扭矩；

岩板(8)设置在所述模拟井眼(3)的底部，与所述钻头(7)接触，且所述钻头(7)能够钻进所述岩板(8)内；

机架(11)设置在所述模拟井眼(3)的外壁周围，通过所述机架(11)将所述动力装置(1)固定在所述模拟井眼(3)的上方；

所述机架(11)上还设置有控制系统，用于控制所述多个变径器(4)对所述模拟井眼(3)的局部进行扩径或缩径，对扩径和缩径的模拟井眼(3)中呈屈曲状的空心管柱(2)的转动过程进行模拟。

在本发明的一种示例性实施例中，所述动力装置(1)为纵向动力装置，工作时向所述空心钻柱(2)施加沿纵向的压力或拉力。

在本发明的一种示例性实施例中，还包括：

底座(9)，设置在所述机架(11)的底部，用于支撑所述机架(11)和所述岩板(8)。

在本发明的一种示例性实施例中，所述模拟井眼(3)与所述机架(11)为平行设置，且所述模拟井眼(3)的外壁表面与所述机架(11)之间具有间隙。

在本发明的一种示例性实施例中，还包括：

一个或多个固定器(12)，设置在所述间隙中，用于固定所述模拟井眼(3)。

在本发明的一种示例性实施例中，所述多个固定器(12)为三个，分别设置在所述模拟井眼(3)和所述机架(11)的间隙中高度不同的位置。

在本发明的一种示例性实施例中，还包括：

多个控制线(10)，设置在所述间隙中，用于将所述控制系统与所述多个变径器(4)连接。

在本发明的一种示例性实施例中，所述空心钻柱(2)为空心管。

在本发明的一种示例性实施例中，所述多个变径器(4)之间的间距均匀分布。

在本发明的一种示例性实施例中，所述空心钻柱(2)、钻铤(5)和钻头(7)组成钻进部，所述钻进部位于所述模拟井眼(3)内的长度大于所述模拟井眼(3)的长度。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明实施例提供的变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，通过变径器对模拟井眼的直径大小进行调整，能够实现扩径和缩径井眼中屈曲管柱的转动过程的模拟，得到扩径和缩径对钻井管柱运动状态的影响，对于钻井过程中预防卡钻等事故的发生具有重要作用。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置的示意图。

附图标记说明：

1：动力装置；

2：空心钻柱；

3：模拟井眼；

4：变径器；

5：钻铤；

6：传感器；

7：钻头；

8：岩板；

9：底座；

10：控制线；

11：机架；

12：固定器。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供一种变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，通过变径器对模拟井眼的直径大小进行调整，能够实现扩径和缩径井眼中屈曲管柱的转动过程的模拟，得到扩径和缩径对钻井管柱运动状态的影响，对于钻井过程中预防卡钻等事故的发生具有重要作用。

图1为本发明一实施例提供的一种变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置的示意图，如图1所示，该装置包括：动力装置1、空心钻柱2、模拟井眼3、变径器4、钻铤5、传感器6、钻头7、岩板8和机架11。

如图1所示，该装置的结构为：机架11设置在所述模拟井眼3的外壁周围，且所述模拟井眼3与所述机架11为平行设置，机架11的顶部高于模拟井眼3的顶部，并通过所述机架11将所述动力装置1固定在所述模拟井眼3的上方。例如，将动力装置1的侧面通过安装结构固定在机架11上，具体的安装结构的形式可以根据需要选择，此处不做赘述。

在本发明的一种示例性实施例中，动力装置1用于驱动空心钻柱2进行旋转并记录扭矩，例如，所述动力装置1可以为纵向动力装置，工作时向所述空心钻柱2施加沿纵向的压力或拉力。

在本发明的一种示例性实施例中，该装置中需要使用多个变径器4用于对所述模拟井眼3进行扩径和缩径。例如，可以按照预设间距将多个变径器4均匀地设置在模拟井眼3的外壁表面，通过变径器4的内径大小的变化对模拟井眼3的管壁直径的大小进行局部调整，达到扩径或缩径的目的。

在本发明的一种示例性实施例中，所述变径器4为环状结构，根据控制系统提供的信号对环状结构的大小进行调整，该多个变径器4均设置在所述模拟井眼3的外壁表面，即可以将变径器套装在模拟井眼3的外壁。

在本发明的一种示例性实施例中，所述模拟井眼3的外壁表面与所述机架11之间具有间隙。

在本发明的一种示例性实施例中，该装置中还包括一个或多个固定器12，设置在所述间隙中，用于固定所述模拟井眼3。如果是一个固定器12，则将其设置在间隙靠近上半段的位置，下半段通过底座也可以实现固定的作用；如果所述多个固定器12为两个，则分别设置在间隙的上半段和下半段；如果所述多个固定器12为三个，则分别设置在所述模拟井眼3和所述机架11的间隙中高度不同的位置，如图1所示。通过在不同高度设置固定器，可以在模拟井眼被扩径或缩径后仍可以对模拟井眼整体起到良好的固定作用，防止模拟井眼发生歪斜。

在本发明的一种示例性实施例中，模拟井眼3具有一定的厚度且呈空心管，设置在所述动力装置1的下方。模拟井眼3可以采用与地层材质相同或相类似的材质。

在本发明的一种示例性实施例中，空心钻柱2、钻铤5、传感器6和钻头7均设置在所述模拟井眼的内部，且空心钻柱2、钻铤5和钻头7依次连接组成钻进部，所述钻进部位于所述模拟井眼3内的长度大于所述模拟井眼3本身的长度，可以达到模拟管柱的屈曲状态的目的。

随着模拟装置工作在不同的阶段，施加钻压的增大，屈曲状态发生变化：首先是空心钻柱在自重作用下处于受拉而成直线状态；其次钻进岩板过程中，空心钻柱的下部处于受压缩状态，钻压比较小时，空心钻柱也会在垂直的模拟井眼中呈直线状态；但是当钻压达到某一临界弯曲值时，空心钻柱会发生弯曲，并在某个点与模拟井眼的内壁发生接触，该点即为接触支点，此处钻柱发生第一次弯曲；随着钻压继续加大，空心钻柱的弯曲状态进一步发生变化，接触支点逐渐下移，此时钻柱出现第二次弯曲；……继续重复，如果继续加压，钻柱还会继续发生三次甚至多次弯曲。

当出现多个弯曲之后，屈曲状态的变化分为开始出现正弦屈曲状态、开始出现螺旋屈曲状态和完全螺旋屈曲三个阶段，如果在发生完全螺旋屈曲之后，如果施加的钻压继续增大的话，则钻柱会发生自锁状态，因此本发明利用模拟装置进行模拟的过程中，当空心钻柱的屈曲状态发生自锁的预设要求后，则关闭动力装置，停止模拟。

在本发明的一种示例性实施例中，所述空心钻柱2为采用无缝钢管制成的空心管，其主要作用是传递扭矩。

如图1所示，连接关系为：空心钻柱2的上部与所述动力装置1连接；钻铤5的上部与空心钻柱2的下部连接，钻铤5的下部与钻头7连接；传感器6设置在钻头7上，用于实时记录钻头7的钻压和扭矩。钻铤5的直径大于空心钻柱2的直径，钻头7的直径大于钻铤5的直径，以便利于钻进过程的进行。

在本发明的一种示例性实施例中，该装置中还包括岩板8，设置在所述模拟井眼3的底部，与所述钻头7接触，且所述钻头7能够钻进所述岩板8内，实现对钻进过程的模拟。

在本发明的一种示例性实施例中，所述机架11上还设置有控制系统，用于控制所述多个变径器4对所述模拟井眼的局部进行扩径或缩径，对扩径和缩径的模拟井眼中呈屈曲状的空心管柱的转动过程进行模拟。其中控制系统可以用PLC等实现，通过控制线向变径器发出控制信号，进而控制变径器的内径大小发生变化。

在本发明的一种示例性实施例中，该装置中还包括底座9，设置在所述机架11的底部，用于支撑所述机架11和所述岩板8。进一步的，该底座9可以根据需要固定在相应的位置，防止模拟钻进过程中发生晃动或移位，可以保证模拟过程的稳定实施。

在本发明的一种示例性实施例中，该装置中还包括多个控制线10，设置在所述间隙中，控制线10的个数与变径器4一一对应，用于将所述控制系统与所述多个变径器4连接，从而根据控制系统的控制信号使变径器4的内径发生改变，通过人为控制的方式实现对真实井眼中发生的扩径和缩径进行模拟。

在本发明的一种示例性实施例中，所述多个变径器之间的间距可以均匀分布，或者根据需要将最后一个变径器(即靠近岩板的变径器)与岩板8的距离(即到模拟井眼3边缘的距离)设置为适当地略大于其他变径器之间的间距。

在图1所示的装置中，通过改变变径器的内径，造成人为的扩径和缩径，进而模拟真实井眼中的扩径和缩径。真实的钻井管柱在工作时，既有绕其自身旋转的自转，也有绕井眼旋转的公转，支点和应力非常复杂。管柱的内力、应力和变形状态不仅与最终的受力状态有关，而且与载荷的变化历史有关，而井眼的扩径和缩径会改变钻井管柱与井壁的接触支点位置，进而影响钻井管柱摩阻，最终可能影响机械钻速。在本发明的钻进模拟装置中，通过控制变量法，改变多种条件参数，可以实现不同扩径/缩径程度下进行钻进，观测空心钻柱的变形情况，进而计算单位时间内的机械钻速，最终达到井眼变径(扩径或缩径)条件下对钻进的模拟。

综上所述，采用本发明实施例提供的一种变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，具有以下效果：

该装置结构简单，通过控制系统对变径器的参数进行调整即可实现不同程度的扩径或缩径的模拟，操作简便，可行性良好，能够简便、快速、定量地评价井眼变径对钻进过程的影响。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，其特征在于，包括：动力装置(1)、空心钻柱(2)、模拟井眼(3)、变径器(4)、钻铤(5)、传感器(6)、钻头(7)、岩板(8)和机架(11)；

动力装置(1)用于驱动空心钻柱(2)进行旋转；

模拟井眼(3)呈空心管，设置在所述动力装置(1)的下方；

多个变径器(4)设置在所述模拟井眼(3)的外壁表面，用于对所述模拟井眼(3)进行扩径和缩径；

空心钻柱(2)、钻铤(5)、传感器(6)和钻头(7)均设置在所述模拟井眼的内部；空心钻柱(2)、钻铤(5)、钻头(7)依次连接，传感器(6)设置在钻头(7)上，用于实时记录钻头(7)的钻压和扭矩；

岩板(8)设置在所述模拟井眼(3)的底部，与所述钻头(7)接触，且所述钻头(7)能够钻进所述岩板(8)内；

机架(11)设置在所述模拟井眼(3)的外壁周围，通过所述机架(11)将所述动力装置(1)固定在所述模拟井眼(3)的上方；

所述机架(11)上还设置有控制系统，用于控制所述多个变径器(4)对所述模拟井眼(3)的局部进行扩径或缩径，对扩径和缩径的模拟井眼(3)中呈屈曲状的空心管柱(2)的转动过程进行模拟。

2.如权利要求1所述的变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，其特征在于，所述动力装置(1)为纵向动力装置，工作时向所述空心钻柱(2)施加沿纵向的压力或拉力。

3.如权利要求1所述的变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，其特征在于，还包括：

底座(9)，设置在所述机架(11)的底部，用于支撑所述机架(11)和所述岩板(8)。

4.如权利要求1所述的变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，其特征在于，所述模拟井眼(3)与所述机架(11)为平行设置，且所述模拟井眼(3)的外壁表面与所述机架(11)之间具有间隙。

5.如权利要求4所述的变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，其特征在于，还包括：

一个或多个固定器(12)，设置在所述间隙中，用于固定所述模拟井眼(3)。

6.如权利要求5所述的变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，其特征在于，所述多个固定器(12)为三个，分别设置在所述模拟井眼(3)和所述机架(11)的间隙中高度不同的位置。

7.如权利要求4所述的变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，其特征在于，还包括：

多个控制线(10)，设置在所述间隙中，用于将所述控制系统与所述多个变径器(4)连接。

8.如权利要求1所述的变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，其特征在于，所述空心钻柱(2)为空心管。

9.如权利要求1所述的变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，其特征在于，所述多个变径器(4)之间的间距均匀分布。

10.如权利要求1所述的变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置，其特征在于，所述空心钻柱(2)、钻铤(5)和钻头(7)组成钻进部，所述钻进部位于所述模拟井眼(3)内的长度大于所述模拟井眼(3)的长度。

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