CN111997601B - 测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的装置及方法。该装置由套管14、钻杆13、钻头28、电机6、箱体26、第一增氧泵2、岩屑收集器31、水泵19、储水罐18、第二增氧泵21、三相分离器9、压力传感器4、计算机1组成。该方法包括：电机带动钻杆和钻头旋转，储水罐的水与第二增氧泵产生的气体进入箱体；第一增氧泵产生的气体通过加气口进入套管；打开岩屑收集器出口的开度分别为全开的1/8、3/8、5/8、7/8，岩屑和尼龙颗粒随着水进入箱体，然后从环空上返，混合物流出并进入三相分离器；绘制岩屑收集器出口的不同开度与套管内壁被冲蚀深度的关系曲线。本发明原理可靠，操作简便，为天然气水合物藏的高效和安全钻采提供理论依据和技术指导。

Description

测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的装置及方法

技术领域

本发明属于天然气水合物开采领域，具体涉及一种测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的装置及方法。

背景技术

近年来水合物的勘探开发获得了重大突破，在多年冻土和深海底部都发现了水合物的存在，天然气水合物作为清洁能源之一，受到了越来越广泛的关注。海洋天然气水合物钻水平井过程涉及许多技术难题，其中就包括钻井过程中的设备安全问题，在钻水平井过程所产生的水合物颗粒和岩屑随钻井液从环空往上返出的过程中会冲蚀井筒，严重时会使套管和钻杆发生穿刺，造成井漏等一系列事故，进而影响钻井周期，并对钻井人员造成危险，在垂直段井筒内水合物分解量大，气体含量大，固相含量高时，对钻杆和套管的冲蚀更严重，最终导致套管破裂，钻杆发生腐蚀。因此，对于天然气水合物钻井过程中井筒内的冲蚀机理的研究非常重要。目前亟需能够测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的装置及方法，对钻井过程中井筒内冲蚀规律进行研究，为天然气水合物藏的高效和安全钻采提供理论依据和技术指导，从而为现场防冲蚀工程提供重要保障。

发明内容

本发明的目的在于提供测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的装置，该装置原理可靠，操作简便，用于测量岩屑含量对天然气水合物钻井过程中对套管冲蚀的影响，模拟效果好，数据真实有效。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的方法，为研究不同岩屑含量对天然气水合物钻井过程中套管冲蚀的影响变化规律，提供重要的基础数据和理论指导。

为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的装置，由套管、钻杆、钻头、电机、箱体、第一增氧泵、岩屑收集器、液体流量计、水泵、储水罐、气体流量计、第二增氧泵、三相分离器、压力传感器、计算机组成。

所述套管内有钻杆，钻杆连接钻头，套管顶端通过可拆卸接头固定钻杆，底端通过螺栓固定箱体，钻杆穿过可拆卸接头连接电机，钻头位于箱体内，套管和钻杆之间的环形空间与箱体连通；所述套管侧端设有多个加气口，加气口连接第一增氧泵，每个加气口设有闸阀和气体流量计；所述箱体通过两端的进口既连接岩屑收集器、液体流量计、水泵、储水罐，还连接气体流量计、第二增氧泵，岩屑收集器设有岩屑加入口、尼龙加入口和搅拌混合器；所述套管通过上端的混合物出口连接三相分离器，三相分离器连接储水罐，三相分离器顶部有排气口，底部通过电加热干燥器分别连接尼龙收集桶、岩屑收集桶；所述套管上下两端设置压力传感器，压力传感器连接计算机。

所述套管外径177.8mm,长度2.5m，为碳钢材质，与现场实际采用的材质相同。

所述钻杆外径127mm，长度2.8m。

利用上述装置测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的方法，依次包括以下步骤：

步骤一，打开储水罐、水泵和第二增氧泵，开启电机带动钻杆和钻头旋转，储水罐的水通过水泵加压后与第二增氧泵产生的气体进入箱体；打开第一增氧泵，第一增氧泵产生的气体通过加气口进入套管；

步骤二，打开岩屑收集器出口的开度为全开的1/8，岩屑颗粒和尼龙颗粒随着水进入箱体，然后从环空往上返，气体、水、岩屑颗粒和尼龙颗粒一起从混合物出口流出并进入三相分离器，分离出的气体从顶部排出，分离出的水进入储水罐重复使用，分离出的岩屑颗粒和尼龙颗粒进行干燥后进入岩屑收集桶和尼龙收集桶，压力传感器对套管内的压力进行监测；

步骤三，循环一段时间，将套管取出，观察并测量套管内壁被冲蚀的深度，然后更换套管，依次将岩屑收集器出口的开度按照全开的3/8、5/8、7/8进行调节，重复上述步骤；

步骤四，绘制岩屑收集器出口的不同开度与套管内壁被冲蚀深度的关系曲线。

所述岩屑颗粒用于模拟实际工况下钻井过程中产生的岩屑，尼龙颗粒用于模拟实际工况下的天然气水合物颗粒，驱动电机带动减速器和钻杆转动，模拟实际工况下的钻杆转动过程，套管、钻杆模拟实际工况下的套管、钻杆，储水罐内的水模拟实际工况下的海水，增氧机产生的气体模拟实际工况下钻井过程中产生的天然气，箱体模拟实际工况的储层。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

（1）通过设置两个压力传感器对套管内的压力进行监测，通过计算机能实时得知测量过程中压力变化情况；

（2）采用尼龙颗粒模拟天然气水合物，设置第一增氧泵和跟它相连的多个相同的闸阀模拟实际钻井过程中天然气逐步分解，更接近于实际工况；

（3）本发明模拟效果好，能准确得到不同岩屑含量对天然气水合物钻井过程中套管冲蚀的影响变化情况。

附图说明

图1是测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的装置结构示意图。

图中：1.计算机，2.第一增氧泵，3.闸阀，4.压力传感器，5.可拆卸接头，6.电机，7.混合物出口，8、23、24.球阀，9.三相分离器，10.电加热干燥器，11.尼龙收集桶，12.岩屑收集桶，13.钻杆，14.套管，15.岩屑加入口，16.尼龙加入口，17.搅拌混合器，18.储水罐，19.水泵，20.液体流量计，21.第二增氧泵，22、32.气体流量计，25、29.进口，26.箱体，27.螺栓，28.钻头，30.加气口，31.岩屑收集器。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

参见图1。

测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的装置，由套管14、钻杆13、钻头28、电机6、箱体26、第一增氧泵2、岩屑收集器31、液体流量计20、水泵19、储水罐18、气体流量计22、第二增氧泵21、三相分离器9、压力传感器4、计算机1组成。

所述套管14内有钻杆13，钻杆连接钻头28，套管顶端通过可拆卸接头5固定钻杆，底端通过螺栓27固定箱体26，钻杆穿过可拆卸接头连接电机6，钻头位于箱体内，套管和钻杆之间的环形空间与箱体连通；所述套管侧端设有多个（5～9个）加气口30，加气口连接第一增氧泵2，每个加气口设有闸阀3和气体流量计32；所述箱体通过两端的进口（25、29）既连接岩屑收集器31、液体流量计20、水泵19、储水罐18，还连接气体流量计22、第二增氧泵21，岩屑收集器设有岩屑加入口15、尼龙加入口16和搅拌混合器17；所述套管通过上端的混合物出口7连接三相分离器9，三相分离器连接储水罐，三相分离器顶部有排气口，底部通过电加热干燥器10分别连接尼龙收集桶11、岩屑收集桶12；所述套管上下两端设置压力传感器4，压力传感器连接计算机1。

利用上述装置测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀的影响，通过以下步骤进行：

步骤一，检查整个装置的气密性，确保完好。

步骤二，依次打开储水罐18、水泵19、液体流量计20、第二增氧泵21、气体流量计22、球阀23、球阀24、球阀8，接着打开电机6，使电机6带动钻杆13和钻头28一起旋转，储水罐18内的水通过水泵19加压后与第二增氧泵21产生的气体从进口25、29进入箱体26内部；打开第一增氧泵2并调节闸阀3为相同的开度，第一增氧泵2产生的气体通过加气口30进入套管14，模拟实际钻井过程中天然气水合物在上返时不断分解，循环10分钟。

步骤三，打开岩屑收集器出口的开度为全开的1/8，岩屑颗粒和尼龙颗粒随着水一起进入箱体内部，然后从环空往上返，接着气体、水、岩屑颗粒和尼龙颗粒从混合物出口7流出后进入三相分离器9进行分离，分离出的气体排入大气，分离出的水进入储水罐18进行重复使用，分离出的岩屑颗粒和尼龙颗粒进入电加热干燥器10进行干燥后分别进入岩屑收集桶12和尼龙收集桶11。循环3小时后，通过打开可拆卸接头5和螺栓27，把套管14取出，观察并测量套管内壁被冲蚀的深度。

步骤四，更换相同的套管，然后依次将岩屑收集器出口的开度按照全开的3/8、5/8、7/8进行调节，重复上述步骤进行实验。

步骤五，将上述数据进行整理，绘制出岩屑收集器下部出口的不同开度与套管内壁被冲蚀深度的关系曲线。

本发明通过改变不同岩屑含量条件下环空流体对套管内的冲蚀情况，能准确得到岩屑收集器下部出口的不同开度与套管内壁被冲蚀深度的关系曲线，将为现场实际工况下天然气水合物钻井过程提供指导。

Claims (5)

1.测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的装置，由套管（14）、钻杆（13）、钻头（28）、电机（6）、箱体（26）、第一增氧泵（2）、岩屑收集器（31）、液体流量计（20）、水泵（19）、储水罐（18）、气体流量计（22）、第二增氧泵（21）、三相分离器（9）、压力传感器（4）、计算机（1）组成，其特征在于，所述套管（14）内有钻杆（13），钻杆连接钻头（28），套管顶端通过可拆卸接头（5）固定钻杆，底端通过螺栓（27）固定箱体（26），钻杆穿过可拆卸接头连接电机（6），钻头位于箱体内，套管和钻杆之间的环形空间与箱体连通；所述套管侧端设有多个加气口（30），加气口连接第一增氧泵（2）；所述箱体通过两端的进口既连接岩屑收集器（31）、液体流量计（20）、水泵（19）、储水罐（18），还连接气体流量计（22）、第二增氧泵（21），岩屑收集器设有岩屑加入口（15）、尼龙加入口（16）和搅拌混合器（17）；所述套管通过上端的混合物出口连接三相分离器（9），三相分离器连接储水罐，三相分离器顶部有排气口，底部通过电加热干燥器（10）分别连接尼龙收集桶（11）、岩屑收集桶（12）；所述套管上下两端设置压力传感器（4），压力传感器连接计算机（1）；

应用所述装置测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的方法，依次包括以下步骤：

步骤一，打开储水罐、水泵和第二增氧泵，开启电机带动钻杆和钻头旋转，储水罐的水通过水泵加压后与第二增氧泵产生的气体进入箱体；打开第一增氧泵，第一增氧泵产生的气体通过加气口进入套管；

步骤二，打开岩屑收集器出口的开度为全开的1/8，岩屑颗粒和尼龙颗粒随着水进入箱体，然后从环空往上返，气体、水、岩屑颗粒和尼龙颗粒一起从混合物出口流出并进入三相分离器，分离出的气体从顶部排出，分离出的水进入储水罐重复使用，分离出的岩屑颗粒和尼龙颗粒进行干燥后进入岩屑收集桶和尼龙收集桶，压力传感器对套管内的压力进行监测；

步骤三，循环一段时间，将套管取出，观察并测量套管内壁被冲蚀的深度，然后更换套管，依次将岩屑收集器出口的开度按照全开的3/8、5/8、7/8进行调节，重复上述步骤；

步骤四，绘制岩屑收集器出口的不同开度与套管内壁被冲蚀深度的关系曲线。

2.如权利要求1所述的测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的装置，其特征在于，所述套管侧端设有5～9个加气口，每个加气口设有闸阀和气体流量计。

3.如权利要求1所述的测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的装置，其特征在于，所述套管外径177.8mm,长度2.5m，为碳钢材质。

4.如权利要求1所述的测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的装置，其特征在于，所述钻杆外径127mm，长度2.8m。

5.利用权利要求1、2、3或4所述的装置测量岩屑含量对天然气水合物钻井冲蚀影响的方法，依次包括以下步骤：

步骤一，打开储水罐、水泵和第二增氧泵，开启电机带动钻杆和钻头旋转，储水罐的水通过水泵加压后与第二增氧泵产生的气体进入箱体；打开第一增氧泵，第一增氧泵产生的气体通过加气口进入套管；

步骤二，打开岩屑收集器出口的开度为全开的1/8，岩屑颗粒和尼龙颗粒随着水进入箱体，然后从环空往上返，气体、水、岩屑颗粒和尼龙颗粒一起从混合物出口流出并进入三相分离器，分离出的气体从顶部排出，分离出的水进入储水罐重复使用，分离出的岩屑颗粒和尼龙颗粒进行干燥后进入岩屑收集桶和尼龙收集桶，压力传感器对套管内的压力进行监测；

步骤三，循环一段时间，将套管取出，观察并测量套管内壁被冲蚀的深度，然后更换套管，依次将岩屑收集器出口的开度按照全开的3/8、5/8、7/8进行调节，重复上述步骤；

步骤四，绘制岩屑收集器出口的不同开度与套管内壁被冲蚀深度的关系曲线。

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