CN111456725A - 一种用于模拟起钻灌浆的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于模拟起钻灌浆的实验装置。所述装置包括起钻模拟系统和灌浆模拟系统，起钻模拟系统包括模拟井筒、液位监测单元、模拟钻柱和升降单元，模拟井筒能够模拟钻井井眼，液位监测单元能够监测液位的高度；升降单元能够使模拟钻柱上下移动；灌浆模拟系统包括测速单元、控制单元、钻井液储备单元和灌浆单元，测速单元能测试模拟井筒中的移动速度，控制单元能确定应灌入的液体排量信息；钻井液储备单元能存储用于实验的液体；灌浆单元能根据排量信息将钻井液储备单元的液体输送至模拟井筒。本发明的装置结构简便，制作成本低，具有修正系数和验证功能，有利于减少疏忽带来的风险，减轻人的体力劳动工作量，有利于降低HSE风险。

Description

一种用于模拟起钻灌浆的实验装置
技术领域
本发明涉及钻井技术领域，特别地，涉及一种用于模拟起钻灌浆的实验装置。
背景技术
石油钻井过程中，钻杆起出后，井内泥浆液面降低，如果长时间不向井筒环空中灌入钻井液(俗称灌浆)保持液面高度，就会让井内液柱因为变短而使液柱井底压力变低，同时因为起钻过程中由于抽吸作用会形成负压，两者叠加，就会大大地破坏地底的压力平衡(地层压力和泥浆液柱压力之间的平衡)，若地层压力过大会引发溢流、井涌、井喷。
自动起钻灌泥浆主要是防止溢流发生，用灌入得泥浆来充填减少的钻杆的体积，保持井内有较高钻井液液柱压力，来平衡地层压力，实现一次井控。但是由于钻柱在起钻时，会捎带少量的钻井液出井，并造成一定的钻井液损失，即实际需要灌浆的体积要大于起出的钻柱体积。自动起钻灌浆若无法精确计算实际需要灌入井眼中的钻井液体积，就无法实现自动、及时的进行起钻灌浆，不能及时防止溢流发生，具有一定的井控风险。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够准确计算灌浆排量的用于模拟起钻灌浆的实验装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于模拟起钻灌浆的实验装置。
所述装置可包括起钻模拟系统和灌浆模拟系统，其中，起钻模拟系统能够模拟起钻作业并包括：模拟井筒、液位监测单元、模拟钻柱和钻具升降单元，其中，模拟井筒能够模拟钻井井眼，并能够盛装用于模拟实验的液体；液位监测单元能够监测模拟井筒中液位的高度；模拟钻柱能够放入到模拟井筒中，模拟钻柱包括若干个模拟钻具；钻具升降单元能够使模拟钻柱在模拟井筒中上下移动；灌浆模拟系统能够模拟灌浆，并包括：测速单元、控制单元、钻井液储备单元和灌浆单元，其中，测速单元能够测试模拟钻柱在模拟井筒中的移动速度；控制单元预设有数据库并能够记录模拟钻柱移动的时间，数据库内存储有模拟井筒的尺寸信息、以及实验前模拟井筒内模拟钻具的情况，控制单元还能够确定实验时应向模拟井筒中灌入的液体排量信息；钻井液储备单元能够存储用于实验的液体；实验时，灌浆单元能够根据控制单元确定液体的排量信息将钻井液储备单元中的液体输送至模拟井筒。
根据本发明的一个示例性实施例，在所述模拟钻柱移动一定的高度后，所述控制单元还能够确定出井模拟钻具的体积的步骤，该步骤可包括：根据所述模拟钻柱的移动速度和移动时间，确定模拟钻柱已上提的长度；根据实验前模拟井筒内钻柱的情况和模拟钻柱已上提的长度，确定出井模拟钻具情况；根据出井模拟钻具情况，确定出井模拟钻具的体积。
根据本发明的一个示例性实施例，在所述模拟钻柱移动一定的高度后，所述控制单元还能够确定模拟井筒内剩余液体的体积。
根据本发明的一个示例性实施例，所述控制单元能够向所述灌浆单元发出排量信号；所述灌浆单元可包括伺服器、灌浆管线、灌浆泵、节流阀和节流阀控制器，其中，伺服器与所述控制单元相连接，并能够接收所述排量信号，输出第一控制信号；灌浆管线的一端与灌浆泵连接，另一端与模拟井筒连接；灌浆泵还与钻井液储备单元连接；节流阀设置在灌浆管线上，并与节流阀控制器连接；节流阀控制器还与伺服器连接以接收第一控制信号，节流阀控制器在接收第一控制信号之后，能够调节节流阀的开度。
根据本发明的一个示例性实施例，所述伺服器在接收所述排量信号后，还能够输出第二控制信号；所述灌浆单元还包括分别与所述伺服器和灌浆泵连接的灌浆泵控制器，灌浆泵控制器能够接收第二控制信号，在接收第二控制信号之后能够控制灌浆泵本体启动或停止。
根据本发明的一个示例性实施例，所述确定液体排量信息的步骤可包括：根据式1来确定Q1，
式1为：
Figure BDA0002476938860000021
其中，Q1为液体排量，D1为模拟井筒中位于液面位置的钻具的外径，d1为位于模拟井筒中液面位置的钻具的内径，V为钻柱上提的速度，σ为修正系数。
根据本发明的一个示例性实施例，所述若干个模拟钻具包括：钻头、螺杆、钻铤、钻杆和加重钻杆中至少一种，所述模拟钻具的情况包括：模拟钻具的外径、内径和长度。
根据本发明的一个示例性实施例，所述模拟钻柱可包括钻头、螺杆、钻铤、钻杆和加重钻杆中至少一种钻具。
根据本发明的一个示例性实施例，所述模拟井筒的材质可以为透明材料。
根据本发明的一个示例性实施例，所述模拟井筒的内径可变。
根据本发明的一个示例性实施例，所述测速单元可包括雷达电磁波测速仪。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：装置结构简便，制作成本低，能够验证起钻自动灌浆系统的排量准确计算，并具有修正系数和验证功能，有利于减少疏忽带来的风险，减轻人的体力劳动工作量，有利于降低HSE风险。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明的用于模拟起钻灌浆的实验装置的一个结构示意图。
主要附图标记说明：
100-起钻模拟系统，110-模拟井筒，111-排液管线，120-模拟钻柱，130-钻具升降单元，131-电机，132-滑轮，133-拉绳；200-灌浆模拟系统，210-测速单元，220-控制单元，230-钻井液储备单元，240-灌浆单元，241-灌浆系统伺服器，242-灌浆泵控制器，243-灌浆泵，244-节流阀控制器，245节流阀，246-第一流量计，247-第二流量计，248-灌浆管线，249-返流管线。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的用于模拟起钻灌浆的实验装置。
在本发明的一个示例性实施例中，所述装置可包括：钻模拟系统100和灌浆模拟系统200。起钻模拟系统100能够模拟起钻作业，灌浆模拟系统200能够模拟灌浆。
如图1所示，起钻模拟系统100可包括：模拟井筒110、液位监测单元(图中未示出)、模拟钻柱120和钻具升降单元130。其中，模拟井筒110能够模拟钻井井眼。液位监测单元能够测量并显示模拟井筒中液位的高度。模拟钻柱120能够放入到模拟井筒110中。钻具升降单元130能够使模拟钻柱120在模拟井筒110中上下移动，例如上升移动。
如图1所示，灌浆模拟系统200可包括：测速单元210、控制单元220、钻井液储备单元230和灌浆单元240。其中，测速单元210能够测试模拟钻柱120在模拟井筒110中的移动速度，例如上提的速度。控制单元220内预设有数据库并能够记录模拟钻柱移动的时间。数据库内可存储有模拟井筒的尺寸信息、以及实验前模拟井筒内钻具的情况，模拟井筒的尺寸信息可包括内径、高度等。控制单元220还能够确定实验时应向模拟井筒110中灌入的钻井液排量信息。钻井液储备单元230能够存储用于实验的液体。实验时，灌浆单元240能够根据控制单元220确定钻井液的排量信息将钻井液储备单元230中的液体输送至模拟井筒110。
在本实施例中，模拟井筒110的材质为可以为有机玻璃，透明可视。模拟井筒110的内径可变换，即模拟井筒110可具有单一内径，也可具有多级内径，以用于模拟套管和裸眼，在模拟井筒110包括多个不同内径的井筒段的情况下，模拟井筒的尺寸信息可包括各个井筒段的内径和高度大小。
如图1所示，模拟井筒110的底部还可设置有排液管线111，排液管线111设置有阀门。
在本实施例中，液位监测单元可包括液位计。液位计能够用于显示模拟井筒110内的液位。
在本实施例中，模拟钻柱120可以为现场所用钻柱，包括各类型的钻具。模拟钻柱120长度和内径外径参数可变。模拟钻柱120的总长度需小于模拟井筒110的深度。
在本实施例中，模拟钻柱120可包括若干个模拟钻井进，例如多了个模拟钻具，模拟钻具可以为现场所用的钻具，例如钻头、螺杆、钻铤、钻杆或加重钻杆。
在本实施例中，钻具升降单元130可包括升降机构。如图1所示，升降机构可包含电机131、滑轮132、拉绳133、启动器(图中未示出)和变频控制器(图中未示出)等设备。通过开关电机、控制电机转速能够控制模拟钻柱110上体和下放，进一步地，还可控制上体和/或下放的速度。
在本实施例中，测速单元210可包括雷达电磁波测速仪。雷达电磁波测速仪可包含耿氏振荡器和混频二极管，用于发射雷达电磁波并计算出钻柱起钻上提移动的速度。
在本实施例中，控制单元220可包括服务器。服务器可安装有数据库和分析软件，用于接收数据，计算数据，发送数据，存储数据。服务器可包括计算机。
在本实施例中，钻井液储备单元230可包括钻井液罐。
在本实施例中，灌浆单元240可包括：
灌浆系统伺服器241：用于接收雷达电磁波测速仪数据，向灌浆泵控制器、节流阀控制器发送并接受信号，控制灌浆泵的开关，控制节流阀的开关。
灌浆泵控制器242：可以控制灌浆泵243的启停。
灌浆泵243：用于从钻井液罐中抽取钻井液。
节流阀控制器244：能够控制节流阀245。
节流阀245：可调节阀门的开关大小，以控制灌浆管线248中钻井液的排量(即流量)。
第一流量计246和第二流量计247：第一流量计246能够计量灌浆管线248的流量，第二流量计247能够计量返流管线249的流量。
灌浆管线248：提供钻井液进入模拟井筒110的通道。
返流管线249：提供钻井液从模拟井筒110进入钻井液罐的通道。
在本实施例中，所述液体可包括钻井液。
本发明的用于模拟起钻灌浆的实验装置的工作原理可以为：建立模拟井筒110，将模拟钻柱120放入模拟井筒110内，利用钻柱提升装置(即升降机构)实现模拟钻柱的上体和下放，利用测速单元210自动实时识别钻柱上提的速度，建立钻杆上提速度和所需灌浆的排量之间的关系。利用液位计实时显示模拟钻柱上体后模拟井筒110内钻井液的液位，服务器计算出需要灌入钻井液的体积，利用灌浆系统向模拟井筒内补充钻井液，并记录补充的钻井液体积，通过对比实际灌入井筒的钻井液体积和模拟井筒液位计显示的体积变化，修正自动灌浆系统真实的灌浆排量，即修正模拟钻柱120上提速度和所需灌浆的排量之间的关系公式。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合本发明实验装置的工作流程对其进行进一步说明。
本发明的基于雷达电磁波的用于模拟起钻灌浆的实验装置工作流程包括：
(1)建立模拟井筒和110连接模拟钻柱120，在钻井液罐中调整钻井液性能，或者可将调整好性能的钻井液装入钻井液罐中。
(2)将模拟钻柱120放入模拟井筒110内，连接钻柱提升装置130和模拟钻柱110，用灌浆泵243向模拟井筒110内灌注钻井液至合适位置，确保钻井液液面不超过井筒最高处并和钻柱最高处持平，记录此时井筒内钻井液液位高度H0。
(3)预设服务器，在服务器上预设数据库，数据库记录有模拟井筒110和模拟钻柱120的参数，包括模拟井筒110内径和不同内径长度参数，钻头、螺杆、钻铤、钻杆、加重钻杆等钻具的外径、内径和长度参数。服务器能够根据井内模拟钻柱120的长度情况生成井内钻柱的容积Qzz；服务器还根据此时模拟井筒110内钻井液高度H0，计算井筒内钻井液体积Qzjy0。
在模拟井筒110包括多个内径不同的井筒段的情况下，
Figure BDA0002476938860000061
其中，m为液面以下井筒段的数量，Li为第i个井筒段内腔的高度，对于接触液面井筒段，Li为井筒段位于液面之下的高度。
Figure BDA0002476938860000062
其中，n为模拟井筒内钻具的数量，Dj为第j个钻具的外径，dj为第j个钻具的内径，li为第j个钻具的长度。
Figure BDA0002476938860000063
其中，Ei为第i个井筒段的内径。
(4)当实验开始时，启动升降机构，上提模拟钻柱120，服务器开始计时，雷达电磁波测速仪210开始工作获取钻柱上提移动的速度V，并将速度V发送给服务器。
(5)当模拟钻柱120上提至某一高度后关闭升降机构，钻柱停止运动。记录此时井筒内钻井液体积高度H1，发送给服务器。同时，服务器记录钻柱运动的总时间T，根据速度V和时间T的变化，服务器计算出当前已经上提出井的钻柱长度Lout，依据Lout数值，对比起钻前井内的钻具情况，服务器获取已出井的钻具的外径、内径和长度参数，计算出当前已出井钻柱体积Qout。
Figure BDA0002476938860000071
其中，s为出井钻具的数量，Dk、dk、lk分别为为第k个出井钻具的外径，内径和长度，对于正在出井的钻井，lk为钻具位于液面之上的长度。
(6)服务器计算此时模拟井筒110内钻井液的剩余体积Qzjy1，其中
Figure BDA0002476938860000072
Figure BDA0002476938860000073
其中，M为模拟钻柱120提升一定高度之后位于液面以下井筒段的数量，Lp为第p个井筒段内腔的高度，对于接触液面井筒段，Lp为井筒段位于液面之下的高度，n为出井钻具的数量，Dq、dq和lq分别为第q个位于液面以上钻具的外径、内径和长度，对于接触液面的钻具，Lq为钻具位于液面之上的长度。
(7)服务器计算实际应灌浆的体积Qin，Qin＝Qzjy0-Qzjy1。
由于起钻时，钻柱会携带一部分钻井液出井，特别是螺杆、止回阀等钻具上提，造成井内钻井液的损耗。因此，实际灌入的钻井液Qin应大于实际出井的钻柱体积Qout，即Qin-Qout>0，可通过修正系数σ来校正灌浆泵所需排量，
Figure BDA0002476938860000074
(8)计算出修正系数σ后，服务器按照上述数据建立出钻杆上提速度和所需灌浆的排量之间的关系，并输出结果Q1。Q1为液体排量，即单位时间内向模拟井筒110内灌入液体的体积。
Figure BDA0002476938860000075
D1为位于液面位置钻具的外径，d1为位于液面位置钻具的内径，V为模拟钻柱上提的速度。
(9)若需进行不同速度的实验，需开启升降机构，下放钻柱，重复步骤(4)～(8)。
(10)实验结束。
本发明的装置还能够进行反推验算修正系数σ的实验，步骤如下：
(1)模拟钻柱120复位放置于模拟井筒110内，钻井液液面和钻柱最高处持平。
(2)服务器根据修正系数，计算出Q1，服务器将Q1发送给灌浆泵伺服器241，灌浆泵伺服器241接收到排量数据后，向节流阀控制器244发送排量数据，节流阀控制器244依据排量数据调节节流阀245开度大小。
(3)开启升降机构，按照同样的速度，上提模拟钻柱120；同时灌浆泵伺服器241向灌浆泵243发送启动指令，抽取钻井液罐的钻井液，控制排量为Q1，向模拟井筒110内灌注钻井液。
(4)停止起钻，查看第二流量计247和钻井液液面情况。
(5)第二流量计247监测返流管线249的流量，若无返流，且钻井液液面高度H1与初始位置H0相等，则修正系数σ计算正确；若无返流，但H1<H0，说明灌浆排量Q1偏小，修正系数σ计算错误；若有返流，则说明灌浆排量Q1偏大，修正系数σ计算错误。
(6)当起钻暂停或终止时，Q1为0，灌浆泵伺服器241关闭灌浆泵243，关闭节流阀245，灌浆系统210结束工作，等待下一次起钻开始。
综上所述，本发明的用于模拟起钻灌浆的实验装置的优点可包括：
(1)本发明的装置可以开展不同钻井液体系、不同钻井液密度和性能的对比试验，利于总结出钻井液性能变化后的钻杆上提速度和所需灌浆的排量之间的关系公式。
(2)本发明的装置还可以变化模拟井筒的内径尺寸和钻柱的尺寸，进行不同井眼条件下不同钻柱的起钻钻柱上提速度和所需灌浆的排量之间关系公式的总结。
(3)本发明的装置结构简便，能够实现地面模拟验证起钻自动灌浆系统的排量准确计算，且具有修正系数验证功能，有利于减少疏忽带来的风险，减轻人的体力劳动工作量，有利于降低HSE风险。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种用于模拟起钻灌浆的实验装置，其特征在于，所述装置包括起钻模拟系统和灌浆模拟系统，其中，
起钻模拟系统能够模拟起钻作业并包括：模拟井筒、液位监测单元、模拟钻柱和钻具升降单元，其中，
模拟井筒能够模拟钻井井眼，并能够盛装用于模拟实验的液体；
液位监测单元能够监测模拟井筒中液位的高度；
模拟钻柱能够放入到模拟井筒中，模拟钻柱包括若干个模拟钻具；
钻具升降单元能够使模拟钻柱在模拟井筒中上下移动；
灌浆模拟系统能够模拟灌浆，并包括：测速单元、控制单元、钻井液储备单元和灌浆单元，其中，
测速单元能够测试模拟钻柱在模拟井筒中的移动速度；
控制单元预设有数据库并能够记录模拟钻柱移动的时间，数据库内存储有模拟井筒的尺寸信息、以及实验前模拟井筒内模拟钻具的情况，控制单元还能够确定实验时应向模拟井筒中灌入的液体排量信息；
钻井液储备单元能够存储用于实验的液体；
实验时，灌浆单元能够根据控制单元确定液体的排量信息将钻井液储备单元中的液体输送至模拟井筒。
2.根据权利要求1所述的用于模拟起钻灌浆的实验装置，其特征在于，在所述模拟钻柱移动一定的高度后，所述控制单元还能够确定出井模拟钻具的体积的步骤，该步骤包括：
根据所述模拟钻柱的移动速度和移动时间，确定模拟钻柱已上提的长度；
根据实验前模拟井筒内钻柱的情况和模拟钻柱已上提的长度，确定出井模拟钻具情况；
根据出井模拟钻具情况，确定出井模拟钻具的体积。
3.根据权利要求1所述的用于模拟起钻灌浆的实验装置，其特征在于，在所述模拟钻柱移动一定的高度后，所述控制单元还能够确定模拟井筒内剩余液体的体积。
4.根据权利要求1所述的用于模拟起钻灌浆的实验装置，其特征在于，所述控制单元能够向所述灌浆单元发出排量信号；
所述灌浆单元包括伺服器、灌浆管线、灌浆泵、节流阀和节流阀控制器，其中，
伺服器与所述控制单元相连接，并能够接收所述排量信号，输出第一控制信号；
灌浆管线的一端与灌浆泵连接，另一端与模拟井筒连接；
灌浆泵还与钻井液储备单元连接；
节流阀设置在灌浆管线上，并与节流阀控制器连接；
节流阀控制器还与伺服器连接以接收第一控制信号，节流阀控制器在接收第一控制信号之后，能够调节节流阀的开度。
5.根据权利要求4所述的用于模拟起钻灌浆的实验装置，其特征在于，所述伺服器在接收所述排量信号后，还能够输出第二控制信号；
所述灌浆单元还包括分别与所述伺服器和灌浆泵连接的灌浆泵控制器，灌浆泵控制器能够接收第二控制信号，在接收第二控制信号之后能够控制灌浆泵本体启动或停止。
6.根据权利要求1所述的用于模拟起钻灌浆的实验装置，其特征在于，所述确定液体排量信息的步骤包括：根据式1来确定，
式1为：
Figure FDA0002476938850000021
其中Q1为液体排量，D1为模拟井筒中位于液面位置的钻具的外径，d1为位于模拟井筒中液面位置的钻具的内径，V为钻柱上提的速度，σ为修正系数。
7.根据权利要求2所述的用于模拟起钻灌浆的实验装置，其特征在于，所述若干个模拟钻具包括：钻头、螺杆、钻铤、钻杆和加重钻杆中至少一种，所述模拟钻具的情况包括：模拟钻具的外径、内径和长度。
8.根据权利要求1所述的用于模拟起钻灌浆的实验装置，其特征在于，所述模拟井筒的材质为透明材料。
9.根据权利要求1所述的用于模拟起钻灌浆的实验装置，其特征在于，所述模拟井筒的内径可变。
10.根据权利要求1所述的用于模拟起钻灌浆的实验装置，其特征在于，所述测速单元包括雷达电磁波测速仪。
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