CN111997602A - 一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法，包括：一：设置模拟井筒、模拟钻柱和流速计；二：向模拟井筒内注入钻井液，控制模拟钻柱旋转，再注入机构向模拟井筒内注入岩屑，然后分别获取钻井液注入机构的排量和钻井液的流速；三：根据排量和流速计算模拟井筒内流速计所对应环空的截面积；四：根据模拟井筒的内径、模拟钻柱的外径和步骤三得出的截面积计算模拟井筒内流速计所对应区域处岩屑床占模拟井筒的比例；五：根据模拟井筒的内径和步骤四得出的岩屑床占模拟井筒的比例计算得出模拟井筒内流速计所对应区域处岩屑床的厚度。本发明能低成本判别水基/油基钻井液状态下的岩屑床厚度，有效地为水平井岩屑床研究提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法。
背景技术
石油天然气的大斜度井、水平井钻井过程中，常有岩屑运移不畅，形成岩屑床的现象发生，导致摩阻增大、蹩钻等复杂问题，严重时甚至影响钻井安全。随着水平段的不断延伸，长水平段水平井的岩屑床问题变得更加突出，如何有效判别水平段岩屑床的状态，是目前研究的重点和热点。
目前，通过地面模拟实验装置等比例模拟井下水平段岩屑床运移规律是一种有效研究岩屑床的方法，其在利用水基钻井液作为循环介质时，可通过肉眼或者高清摄像机来判别岩屑床的厚度等状态参数。但在实钻中，绝大部分都是采用油基钻井液，由于油基钻井液状态下岩屑床的可视状况极差，因此利用肉眼或高清摄像机无法有效判别油基钻井液里的岩屑床状态。虽然采用光谱等仪器能够有效差别油基钻井液里的岩屑床状态，但这类设备价格昂贵，将导致试验装置的成本大幅增加。因此，就需要建立一种能够低成本的有效判别水基/油基钻井液状态下的岩屑床厚度参数，为水平井岩屑床研究提供指导。
另外，公开号为CN109209337A的文献公开了一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置及实验方法，该方法在评价钻井液润滑性能的过程中，公开了采用超声波探头检测岩屑床厚度的手段，虽然采用超声波探头也能检测岩屑床厚度，但在实际应用中，采用超声波探头检测岩屑床厚度仍然存在如下技术问题：
1、因钻井液添加有各种化学物质，超声波探头工作环境恶劣，易受钻井液的影响，导致信号异常无法工作而失效；
2、受钻井液流动的影响，超声波探头测量精度和灵敏度会降低，导致测量不准确。
3、超声波探头价格较高，相应地导致测量成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述技术问题，提供了一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法，本发明能够低成本准确地判别水基/油基钻井液状态下的岩屑床厚度，从而有效地为水平井岩屑床研究提供指导。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：设置模拟井筒，并在模拟井筒内设置由驱动机构控制的模拟钻柱，在模拟井筒上设置流速计；
步骤二：先通过钻井液注入机构向模拟井筒内注入钻井液，并由驱动机构控制模拟钻柱旋转，再通过岩屑注入机构向模拟井筒内注入岩屑，待钻井液注入机构的排量和模拟钻柱的转速均稳定后，分别通过流量计和流速计获取钻井液注入机构的排量和模拟井筒内钻井液的流速；
步骤三：由服务器根据钻井液注入机构的排量和钻井液的流速计算模拟井筒内流速计所对应环空的截面积；
步骤四：根据模拟井筒的内径、模拟钻柱的外径和步骤三得出的截面积计算模拟井筒内流速计所对应区域处岩屑床占模拟井筒的比例；
步骤五：根据模拟井筒的内径和步骤四得出的岩屑床占模拟井筒的比例计算得出模拟井筒内流速计所对应区域处岩屑床的厚度。
所述步骤三的计算方法为：设流量计获取到钻井液注入机构的排量为Q，流速计获取到钻井液的流速为υ，设模拟井筒内流速计所对应环空的截面积为A，则：
所述步骤四的计算方法为：设模拟井筒的内径为Dj，模拟钻柱的外径为D，模拟井筒内流速计所对应区域处岩屑床占模拟井筒的比例为ψ，则：
所述步骤五的计算方法为：设岩屑床的厚度为h，则：
h＝ψDj。
所述流速计的数量至少为1个。
所述模拟井筒上设置有待测点，流速计安装在待测点上。
所述模拟井筒包括进料端和出料端，钻井液注入机构和岩屑注入机构均设置在模拟井筒的进料端，流量计设置在模拟井筒与钻井液注入机构之间，且模拟井筒的出料端与钻井液注入机构之间设置有回收组件。
所述钻井液注入机构包括钻井液罐和渣浆泵，钻井液罐通过渣浆泵连接在模拟井筒的进料端，流量计设置在渣浆泵与模拟井筒之间，回收组件设置在模拟井筒的出料端与钻井液罐之间。
所述回收组件包括过滤网、带第一阀门的钻井液回流管和带第二阀门的岩屑回收管，过滤网固定在钻井液罐上部，钻井液回流管的一端和岩屑回收管的一端均连接在模拟井筒的出料端，钻井液回流管的另一端和岩屑回收管的另一端均设置在过滤网内。
所述驱动机构包括钻柱旋转设备和电机，电机通过钻柱旋转设备驱动模拟钻柱旋转。
采用本发明的优点在于：
1、本发明采用服务器、模拟井筒、模拟钻柱、驱动机构、流速计、岩屑注入机构、钻井液注入机构和流量计就能够实现岩屑床厚度的差别，在实际使用时，通过将流速计设置在需要测试的位置上，就能够通过建立流速和岩屑床厚度之间的关系来精确计算出水基/油基钻井液状态下所需位置的岩屑床厚度。与现有技术相比，本发明不再需专业的高速成像、光谱分析等昂贵设备，就能够低成本的有效判别水基/油基钻井液状态下的岩屑床厚度，有效地为水平井岩屑床的研究提供了指导。
2、本发明主要利用岩屑床在井筒内将导致流速变化以及环空截面积减少的原理来确定岩屑床的厚度，具有确定方法简单、精确度高等优点。
3本发明还能够开展水基/油基钻井液在不同钻具、不同旋转速度、不同水平段倾角的对比试验，有利于总结出钻井液性能、钻具和钻井参数变化后的岩屑床厚度情况。
4、本发明操作简单，方便，成本低，能实现地面方便的模拟水基/油基钻井液状态下岩屑床厚度准确计算，有利于避免现场岩屑床沉积带来的风险。
5、本发明通过钻井液罐、渣浆泵、模拟井筒和回收组件能够形成循环回路，能够对试验过程中使用的钻井液及岩屑进行重复利用以及有效回收，有利于降低试验成本以及保证试验的环保性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中标记为：1、服务器，2、模拟井筒，3、模拟钻柱，4、流速计，5、岩屑注入机构，6、钻井液罐，7、渣浆泵，8、流量计，9、过滤网，10、钻井液回流管，11、岩屑回收管，12、第一阀门，13、第二阀门，14、第三阀门，14、钻柱旋转设备，15、电机。
具体实施方式
本发明公开了一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法，具体包括以下步骤：
步骤一：设置模拟井筒2，并在模拟井筒2内设置由驱动机构控制的模拟钻柱3，以及在模拟井筒2上设置流速计4。其中，驱动机构包括钻柱旋转设备14和电机15，电机15通过钻柱旋转设备14驱动模拟钻柱3旋转。流速计4用于测量模拟井筒2内钻井液的流速。
步骤二：先通过钻井液注入机构向模拟井筒2内注入钻井液，并由驱动机构控制模拟钻柱3旋转，再通过岩屑注入机构5向模拟井筒2内注入岩屑，岩屑既可定量注入，也可持续注入，根据实验需求确定，待钻井液注入机构的排量和模拟钻柱3的转速均稳定后，分别通过流量计8和流速计4获取钻井液注入机构的排量和模拟井筒2内钻井液的流速。流量计8和流速计4分别获取到排量数据和流速数据后，将排量数据和流速数据发送给服务器1进行处理。
步骤三：由服务器1根据钻井液注入机构的排量和钻井液的流速计4算模拟井筒2内流速计4所对应环空的截面积。
本步骤中，所述的计算方法为：设流量计8获取到钻井液注入机构的排量为Q，流速计4获取到钻井液的流速为υ，设模拟井筒2内流速计4所对应环空的截面积为A，则：
步骤四：由服务器1根据模拟井筒2的内径、模拟钻柱3的外径和步骤三得出的截面积计算模拟井筒2内流速计4所对应区域处岩屑床占模拟井筒的比例。
本步骤中，所述的计算方法为：设模拟井筒2的内径为Dj，模拟钻柱3的外径为D，模拟井筒2内流速计4所对应区域处岩屑床占模拟井筒的比例为ψ，则：
步骤五：由服务器1根据模拟井筒2的内径和步骤四得出的岩屑床占模拟井筒2的比例计算得出模拟井筒2内流速计4所对应区域处岩屑床的厚度。
本步骤中，所述的计算方法为：设岩屑床的厚度为h，则：
h＝ψDj。
本发明中，所述流速计4的数量至少为1个，优选流速计4的数量为3-5个。具体可在模拟井筒2上设置待测点，将流速计4安装在待测点上。其中，待测点的数量可为多个，当待测点的数量为多个时，可仅在其中一个待测点上安装流速计4或每个待测点上均安装流速计4，当仅在其中一个待测点上安装流速计4时，可将该流速计4分别设置在不同待测点上进行测试。当每个待测点上均安装流速计4时，可同时对多个待测点处进行测试。
本发明中，所述模拟井筒2的长度可设为10-20米，其包括进料端和出料端，流速计4设置在进料端与出料端之间，钻井液注入机构和岩屑注入机构5均设置在模拟井筒2的进料端，流量计8设置在模拟井筒2与钻井液注入机构之间，且模拟井筒2的出料端与钻井液注入机构之间设置有回收组件。
进一步的，所述钻井液注入机构包括钻井液罐6和渣浆泵7，钻井液罐6通过渣浆泵7连接在模拟井筒2的进料端，流量计8设置在渣浆泵7与模拟井筒2之间，回收组件设置在模拟井筒2的出料端与钻井液罐6之间。连接后钻井液罐6、渣浆泵7、模拟井筒2和回收组件能够形成循环回路。
更进一步的，所述回收组件包括过滤网9、带第一阀门12的钻井液回流管10和带第二阀门13的岩屑回收管11，过滤网9固定在钻井液罐6上部，钻井液回流管10的一端和岩屑回收管11的一端均连接在模拟井筒2的出料端，钻井液回流管10的另一端和岩屑回收管11的另一端均设置在过滤网9内。具体的，钻井液回流管10的进液端可连接在模拟井筒2出料端的中部，岩屑回收管11的岩屑进入端可连接在模拟井筒2出料端的底部，钻井液回流管10的出液端和岩屑回收管11的岩屑排出端可通过三通接头汇合后设置在过滤网9内，第一阀门12和第二阀门13分别用于控制钻井液回流管10和岩屑回收管11的通断。所述岩屑注入机构5可通过带第三阀门14的管道连接在模拟井筒2进料端的上部，第三阀门14用于控制岩屑的进入量。
下面对本发明所涉及各组成进行具体说明。
模拟井筒2：材质为有机玻璃，透明可视，用于模拟钻井井眼，模拟井筒2内径可变换，内径可单一，可多级内径，用于模拟套管和裸眼。
模拟钻柱3：钻柱即为现场所用钻柱，长度和内径外径参数可变，但模拟钻柱3总长度小于模拟井筒2的长度。
钻柱旋转设备14：包含启动器，变频控制器，滑轮，拉绳、传动轴等设备，用于开关电机15、控制电机15转速，并带动模拟钻柱3旋转。
电机15：用于给实验装置提供动力。
服务器1：安装数据库和分析软件，用于接收流速计4、流量计8等数据，计算数据、发送数据、存储数据。
渣浆泵7：用于从钻井液罐6中抽取钻井液注入模拟井筒2。
岩屑注入机构5：用于向模拟井筒2内注入岩屑，可模拟控制不同转速下的模拟井筒2内的岩屑量。
流速计4：测量模拟井筒2内的流体速度。
流量计8：用于测量渣浆泵7的排量。
阀门：开启和关闭钻井液循环通道。
本发明的具体实施过程为：
(1)根据图1建立模拟井筒2，连接模拟钻柱3，在钻井液罐6中调整钻井液性能。
(2)将模拟钻柱3放入模拟井筒2内并连接钻柱旋转设备14。
(3)预设服务器1，在服务器1上预设数据库，按照模拟井筒2和模拟钻柱3的参数，记录包括模拟井筒2的内径参数和模拟钻柱3的外径参数。
(4)当实验开始时，开启第一阀门12，关闭第二阀门13，开启渣浆泵7，用渣浆泵7向模拟井筒2内灌注油基/水基钻井液，开启钻柱旋转设备14，调整模拟钻柱3转速。开启第二阀门13，利用岩屑注入机构5向模拟井筒2内注入一定量的岩屑，加注岩屑完毕后，可关闭第二阀门13。
(5)待渣浆泵7的排量、模拟钻柱3旋转稳定后，服务器1获取渣浆泵7的排量和流速计4的读数，然后根据获取的数据和其它相关参数，分别按步骤三、步骤四和步骤五的计算方法即能够得出流速计4所对应区域处岩屑床的厚度。
(6)实验结束后，关闭渣浆泵7，关闭钻柱旋转设备14，关闭第一阀门12，开启第二阀门13，将模拟井筒2内的钻井液和岩屑排出，并通过过滤网9筛选分离钻井液和岩屑。
(7)实验结束。
(8)若需进行不同钻井液体系、不同钻具下的对比实验，则重复上述步骤。
下面结合具体数据对本发明的工作流程进行详细说明。
1、设模拟井筒2的内径Dj为0.216m，模拟钻柱3的外径D为0.127m，渣浆泵7的排量Q为0.025m3/s，调整模拟钻柱3转速到100RPM，向模拟井筒2内注入80L岩屑。
2、设共有三个流速计4，分别设置在模拟井筒2的不同处，三个流速计4的读数分别为υ1＝1.04m/s，υ2＝1.8m/s，υ3＝2.00m/s。
在上述条件下，通过步骤三的计算方法得出三个流速计4处的环空的截面积为：
再根据步骤四的计算方法得出三个流速计4处岩屑床占模拟井筒2的比例为：
最后根据步骤五的计算方法即能够得出三个流速计4所对应模拟井筒2内岩屑床的厚度为：
h1＝0.216m*0＝0
h2＝0.216m*42％＝0.092m
h3＝0.216m*48％＝0.103m。
进一步的，申请人对该结果进行了验证，验证方法为：
停止实验装置运行，排出钻井液，因为模拟井筒2是有机透明玻璃，在强光照射下，可以清晰看到岩屑床的厚度状态，以此进行人工测量标定，分别得出三个流速计4处所对应模拟井筒2内岩屑床的厚度为0、0.09m和0.101m。由此可知，两者之间的误差极小。因此，本发明能够准确地测量出流速计4对应处的岩屑床厚度，能够有效地为水平井岩屑床的研究提供指导。
本发明可以开展油基、水基钻井液体系、不同钻井液密度和性能下岩屑床的对比试验，可以对模拟钻柱3进行修改，加入岩屑床清除装置，研究岩屑床清除工具对岩屑床的影响，利于总结出钻井液性能、岩屑床清除工具变化后的岩屑床的状态，还可以开展改变模拟井筒2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岩屑床研究工作。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (10)
1.一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：设置模拟井筒，并在模拟井筒内设置由驱动机构控制的模拟钻柱，在模拟井筒上设置流速计；
步骤二：先通过钻井液注入机构向模拟井筒内注入钻井液，并由驱动机构控制模拟钻柱旋转，再通过岩屑注入机构向模拟井筒内注入岩屑，待钻井液注入机构的排量和模拟钻柱的转速均稳定后，分别通过流量计和流速计获取钻井液注入机构的排量和模拟井筒内钻井液的流速；
步骤三：由服务器根据钻井液注入机构的排量和钻井液的流速计算模拟井筒内流速计所对应环空的截面积；
步骤四：根据模拟井筒的内径、模拟钻柱的外径和步骤三得出的截面积计算模拟井筒内流速计所对应区域处岩屑床占模拟井筒的比例；
步骤五：根据模拟井筒的内径和步骤四得出的岩屑床占模拟井筒的比例计算得出模拟井筒内流速计所对应区域处岩屑床的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法，其特征在于：所述步骤三的计算方法为：设流量计获取到钻井液注入机构的排量为Q，流速计获取到钻井液的流速为υ，设模拟井筒内流速计所对应环空的截面积为A，则：
3.根据权利要求2所述的一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法，其特征在于：所述步骤四的计算方法为：设模拟井筒的内径为Dj，模拟钻柱的外径为D，模拟井筒内流速计所对应区域处岩屑床占模拟井筒的比例为ψ，则：
4.根据权利要求3所述的一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法，其特征在于：所述步骤五的计算方法为：设岩屑床的厚度为h，则：
h＝ψDj。
5.根据权利要求1所述的一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法，其特征在于：所述流速计的数量至少为1个。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法，其特征在于：所述模拟井筒上设置有待测点，流速计安装在待测点上。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法，其特征在于：所述模拟井筒包括进料端和出料端，钻井液注入机构和岩屑注入机构均设置在模拟井筒的进料端，流量计设置在模拟井筒与钻井液注入机构之间，且模拟井筒的出料端与钻井液注入机构之间设置有回收组件。
8.根据权利要求7所述的一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法，其特征在于：所述钻井液注入机构包括钻井液罐和渣浆泵，钻井液罐通过渣浆泵连接在模拟井筒的进料端，流量计设置在渣浆泵与模拟井筒之间，回收组件设置在模拟井筒的出料端与钻井液罐之间。
9.根据权利要求8所述的一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法，其特征在于：所述回收组件包括过滤网、带第一阀门的钻井液回流管和带第二阀门的岩屑回收管，过滤网固定在钻井液罐上部，钻井液回流管的一端和岩屑回收管的一端均连接在模拟井筒的出料端，钻井液回流管的另一端和岩屑回收管的另一端均设置在过滤网内。
10.根据权利要求1所述的一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法，其特征在于：所述驱动机构包括钻柱旋转设备和电机，电机通过钻柱旋转设备驱动模拟钻柱旋转。
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|---|---|---|---|
| CN202011049623.XA Pending CN111997602A (zh) | 2020-09-29 | 2020-09-29 | 一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111997602A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112647848A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-04-13 | 中海石油（中国）有限公司天津分公司 | 深井钻井过程模拟实验装置以及实验方法 |
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2020
- 2020-09-29 CN CN202011049623.XA patent/CN111997602A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112647848A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-04-13 | 中海石油（中国）有限公司天津分公司 | 深井钻井过程模拟实验装置以及实验方法 |
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Legal Events
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