CN112145170B - 一种油气井井喷实验模拟装置及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油气井井喷实验模拟装置及操作方法，其特征在于，包括：钻井液支路、岩屑支路、注气支路、井口装置、控制平台、图像采集装置和压力数据采集装置；钻井液支路、岩屑支路、注气支路分别用于提供钻井液、岩屑以及压缩空气，且岩屑支路与钻井液支路的输出端在第一三通处汇合，形成两相井喷流体；两相井喷液体经第一三通的第三端口与注气支路的输出端在第二三通处汇合，形成三相混合井喷流体，共同注入井口装置，进行井喷实验；控制平台用于对钻井液支路、岩屑支路以及注气支路的注入量进行控制；图像采集装置和压力数据采集装置用于对井喷实验过程中的图像和压力数据进行采集。本发明可以广泛应用于井喷实验模拟领域。

Description

一种油气井井喷实验模拟装置及操作方法

技术领域

本发明涉及油气田勘探开发作业井喷事故模拟及井喷参数预测领域，具体涉及一种油气井井喷实验模拟装置及操作方法。

背景技术

在石油钻井过程中，如地层压力预测不准确，或钻遇未知的高压地层，导致钻井液压力不能平衡地层流体压力时，地层流体会大量涌入井筒造成井涌，若这种情况得不到有效控制，就会酿成井喷失控事故。井喷失控事故是最严重的钻井事故之一，陆上油田井喷失控容易造成起火、爆炸、人员伤亡；含硫气井喷失控则容易引起工程人员和附近居民中毒等恶性事件，严重危害人民生命安全；海洋井喷失控则可能更加严重，会造成平台爆炸，井毁人亡和严重的海洋污染。

井喷事故发生后，需尽快进行压井或抢险救援，以减少环境污染和经济损失。在压井方案设计时，需依据该井的井喷参数(井口套压、立压、地层压力等)确定合理的压井液密度，故能否获得准确的井喷参数是压井作业成功的关键。然而，获得井喷参数的途径主要依靠成功关井后的压力表读数，而当井喷失控后，这些压力表可能均已失效，井喷参数将无法获取。

为了能够在井喷失控后获取准确的井喷参数，可以通过模拟不同类型的井喷实验得到，通过实验确定地层压力、井口压力、气液固流体流动形态之间的关系，而开展井喷模拟实验则需要设计满足井喷参数定性和定量测量要求的实验模拟装置。然而，现有的井喷实验模拟装置，多存在以下问题：1、现有井喷实验模拟装置均为储气井供气，在实验过程中不能精细控制气体流量；2、现有井喷实验模拟装置不能进行三相气水砂井喷实验，只能进行气水两相实验；3、现有井喷实验模拟装置并未考虑井口变形对井喷的影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种油气井井喷实验模拟装置及操作方法，用于模拟井喷失控过程，测量井喷失控数据，可以为压井作业提供理论支撑和参考数据。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的第一个方面，是提供一种油气井井喷实验模拟装置，其包括：钻井液支路、岩屑支路、注气支路、井口装置、控制平台、图像采集装置和压力数据采集装置；所述钻井液支路、岩屑支路、注气支路分别用于提供钻井液、岩屑以及压缩空气，且所述岩屑支路与所述钻井液支路的输出端在第一三通处汇合，形成两相井喷流体；所述两相井喷液体经所述第一三通的第三端口与所述注气支路的输出端在第二三通处汇合，形成三相混合井喷流体，之后经所述第二三通的第三端口共同注入所述井口装置，进行井喷实验；所述控制平台用于对所述钻井液支路、岩屑支路以及注气支路中各相流体的注入量和注入速度进行控制；所述图像采集装置和压力数据采集装置用于对井喷实验过程中的图像和压力数据进行采集。

进一步地，所述注气支路包括空气压缩机、储气罐、质量流量计、单向阀、减压阀和截止阀；所述空气压缩机、储气罐、质量流量计、单向阀、减压阀和截止阀依次串联连接，所述截止阀另一端与所述第二三通的一个端口相连；所述空气压缩机、单向阀、减压阀和截止阀均与所述控制平台相连，由所述控制平台控制。

进一步地，所述岩屑支路包括电机、螺杆泵、储砂罐和两截止阀；所述电机的输出端与所述螺杆泵相连，所述螺杆泵的上方吸入端口经一所述截止阀与所述储砂罐相连，所述螺杆泵的右侧物料出口端经另一所述截止阀与所述第一三通的一个端口相连；所述电机的输入端、两所述截止阀均与所述控制平台相连，由所述控制平台控制。

进一步地，所述钻井液支路包括储液罐、变频泵、涡轮流量计、单向阀和截止阀；所述储液罐、变频泵、涡轮流量计、单向阀和截止阀串联连接，所述截止阀的另一端与所述第一三通的一个端口相连；且所述变频泵、单向阀和截止阀均与所述控制平台相连，由所述控制平台控制。

进一步地，所述实验模拟装置中的各连接管线均为高压范围为5～10MPa的高压胶管，且所述高压胶管两端均采用快速接头；所述第二三通与所述井口装置之间的高压胶管长度为5～10m，便于三相流体充分混合。

进一步地，所述钻井液支路与所述岩屑支路的管线直径为2英寸，所述注气支路的管线直径为1英寸。

进一步地，所述井口装置包括基座、支撑臂、喷流管柱、喷流喷口、管夹和PIV系统；所述基座顶部一侧通过螺栓与所述支撑臂底部固定连接；所述支撑臂顶部通过所述管夹固定所述喷流管柱以及设置在所述喷流管柱顶部的所述喷流喷口；所述喷流管柱下部固定设置在所述基座中部，且其入口端与所述第二三通的一个端口相连；所述PIV系统设置在所述喷流管柱下部，用于进行固相颗粒测速。

进一步地，所述基座采用高度可调的框架结构，其包括若干桩腿、围设在桩腿顶部的顶部支架以及围设在桩腿底部的底部支架；所述基座的各桩腿均为可伸缩结构，其内外两层均设有螺丝孔，通过内外两层不同螺丝孔的配合，实现高度调节；各所述桩腿底部还设有福马轮；所述喷流管柱采用高强度高透明有机玻璃管，所述喷流喷口采用不锈钢材质，所述喷流管柱和喷流喷口通过丝扣连接；所述喷流喷口的形状为圆形截面或鼓形截面。

进一步地，所述压力数据采集装置包括若干压力传感器，各所述压力传感器分别设置在所述喷流管柱的入口端和出口端以及所述第二三通的出口端。

本发明的第二个方面，是提供一种油气井井喷实验模拟方法，其包括以下步骤：

1)设置一油气井井喷实验模拟装置，并将注气支路、钻井液支路和岩屑支路与井口装置和控制平台进行连接；

2)对油气井井喷实验模拟装置进行密封性检查，检查完成后进行井喷实验；

3)向钻井液支路的储液罐中加入清水，加重剂，加粘剂，并打开储液罐中的搅拌装置充分混合；在岩屑支路中向储砂罐中加入实验要求的砂颗粒和示踪颗粒；在注气支路中打开空气压缩机进行气体储集；

4)调节井口装置中基座底部的福马轮使喷流管柱竖直，同时调节桩腿至实验高度；

5)打开钻井液支路的所有阀门，由控制平台控制液体流量；再打开岩屑支路的所有阀门，由控制平台控制岩屑加入量，待喷流喷口有流体流出后，打开注气支路的所有阀门，并通过调节减压阀控制气体流量；

6)控制平台实时采集钻井液支路、注气支路和岩屑支路的注入量，同时对压力数据和图像数据进行采集；

7)一组实验数据收集完毕后，先关闭变频泵，螺杆泵电机，空气压缩机，再关闭各支路阀门，然后更换实验材料、喷流喷口或改变喷口高度，进行下一组实验；

8)实验完毕后，放空各支路管线中的全部流体，拆卸连接管线，实验仪器按要求回归原位，整理打扫实验场地。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明中的油气井井喷实验模拟装置可以实现固液、固液气油井井喷实验模拟，能够定量的观察各节点位置的压力变化关系，不同组分下流动形态分布规律，为油气井井喷提供一种实验方法和研究手段。2、本发明中的油气井井喷实验模拟装置可以在任意时刻连续控制泵排量，气排量，砂注入速度以反映不同井喷情况对流动过程的影响。3、本发明中油气井井喷实验模拟装置中压缩机，变频泵，填砂螺杆泵集中控制与同一操作平台，阀门开关集中于同一实验架，便于操作调节，各仪表参数实时返回至中央电脑，提高了数据录入精度，大大减少人员投入。4、本发明中的井口装置中的喷口设计为多种形状多种开度，用于实现各种不同类型防喷器关井后形成的井口形状与关井程度的实验要求。因此，本发明可以广泛应用于油气田勘探开发作业井喷事故模拟及井喷参数预测领域。

附图说明

图1是本发明实施例的井喷装置结构示意图；

图2是本发明实施例的井口装置结构示意图；

图3a～图3c是本发明实施例的喷口形状示意图。

图中各标记如下：1、钻井液支路；2、岩屑支路；3、注气支路；4、井口装置；5、控制平台；6、图像采集装置；7、压力数据采集装置；8、第一三通；9、第二三通；11、储液罐；12、变频泵；13、涡轮流量计；14、单向阀；15、截止阀；21、储砂罐；22、电机；23、螺杆泵；24、截止阀；25、截止阀；31、空气压缩机；32、储气罐；33、质量流量计；34、单向阀；35、减压阀；36、截止阀；41、基座；42、支撑臂；43、喷流管柱；44、喷流喷口；45、管夹；46、PIV系统；47、模拟井壁；48、关井位置；71～73、压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供的一种油气井井喷实验模拟装置，其包括：钻井液支路1、岩屑支路2、注气支路3、井口装置4、控制平台5、图像采集装置6和压力数据采集装置7。其中，钻井液支路1、岩屑支路2、注气支路3分别用于提供钻井液、岩屑以及压缩空气，且钻井液支路1与岩屑支路2的输出端在第一三通8处汇合，形成两相井喷流体；两相井喷液体经第一三通8的第三端口与注气支路3的输出端在第二三通9处汇合，形成三相混合井喷流体，之后经第二三通9的第三端口共同注入井口装置4，进行井喷实验；控制平台5用于对钻井液支路1、岩屑支路2以及注气支路3的各相流体的注入量和注入速度进行控制；图像采集装置6和压力数据采集装置7用于对井喷实验过程中的图像和压力数据进行采集。

上述实施例中，钻井液支路1包括储液罐11、变频泵12、涡轮流量计13、单向阀14和截止阀15。其中，储液罐11、变频泵12、涡轮流量计13、单向阀14和截止阀15串联连接，变频泵12与控制平台5相连，由控制平台5控制；截止阀15的另一端与第一三通8的一个端口相连；单向阀14和截止阀15与控制平台5相连，由控制平台5控制。其中，钻井液支路1中采用涡街流量计13进行计量，涡街流量计13内部采用压电应力式传感器，输出模拟标准信号与计算机配套使用，另外其使用寿命长，便于安装调试，工作稳定。设置单向阀14可以防止气体侵入变频泵12，造成变频泵12空转，影响使用寿命。

上述各实施例中，储液罐11中装配有搅拌装置，可预先在储液罐11中进行不同浓度，不同粘度钻井液的配置，模拟井下钻井液实际情况进行实验。

上述各实施例中，岩屑支路2包括储砂罐21，电机22，螺杆泵23和两截止阀24、25。其中，电机22的控制端与控制平台5相连，电机22的输出端与螺杆泵23相连，螺杆泵23的上方吸入端口经一截止阀24与储砂罐21相连，螺杆泵23的右侧物料出口端经另一截止阀25与第一三通8的一个端口相连。岩屑支路2中，储砂罐21中的岩屑(砂)颗粒由于重力作用进入螺杆泵23中，螺杆泵23由电机22驱动，可根据电机22转速控制和计算单位时间加砂量，从而精确获得井喷流体中砂含量百分比。

上述各实施例中，注气支路3包括空气压缩机31、储气罐32、质量流量计33、单向阀34、减压阀35和截止阀36。其中，空气压缩机31、储气罐32、质量流量计33、单向阀34、减压阀35和截止阀36依次串联连接，空气压缩机31与控制平台5相连，由控制平台5控制；截止阀36另一端与第二三通9的一个端口相连；单向阀34、减压阀35和截止阀36均采用电控阀门，与控制平台5相连，由控制平台5控制。注气支路中采用质量流量计33进行计量，是由于空气压缩机31产出的气体为高温气体，若采用普通的流量计因为温度原因会带来较大的流量误差，采用质量流量计33将大大避免这一问题。支路中设有减压阀35，其可以对注气支路的压力进行精细化调节，有利于实验的数据采集。而设置单向阀34，可以防止因一侧压力过大，造成流体回流事故。如液体进入储气罐32，会形成堵塞和腐蚀。

上述各实施例中，各实验装置连接管线均为高压胶管(高压范围为5～10MPa)，高压胶管两端为快速接头，可以完成实验仪器的快速拆装。

上述各实施例中，钻井液支路1与岩屑支路2的管线直径为2英寸，注气支路3的管线直径为1英寸。这是由于，钻井液支路1的管线沿程摩阻较大，若采用1英寸管线将大大增加变频泵12的负担，故采用较大的2英寸管线，而注气支路3沿程摩阻小，采用1英寸管线可降低成本。

上述各实施例中，三条支路中的所有阀门与开关均集中于同一实验台架上，既便于管理，又方便操作，大大节省人工成本。

上述各实施例中，第二三通9与井口装置4之间设有长度为5～10m的长直管线，用于进行气水砂三相充分混合，降低实验误差。

上述各实施例中，如图2所示，井口装置4包括基座41、支撑臂42、喷流管柱43、喷流喷口44、管夹45和PIV系统46。其中，基座41采用高度可调的框架结构，基座41顶部一侧通过螺栓与支撑臂42底部固定连接；支撑臂42顶部通过管夹45固定喷流管柱43以及设置在喷流管柱153顶部的喷流喷口44；喷流管柱43下部固定设置在基座41中部，且其入口端与第二三通9的第三端口相连；PIV系统46设置在喷流管柱43下部，用于进行固相颗粒测速。由于井喷实验过程中会发生剧烈震动，可能造成喷流管柱43的损害，本发明采用支撑臂42和管夹45对喷流管柱43进行固定，既可以保护实验仪器，又可以保障实验精度。

上述各实施例中，基座41采用高度可调的框架结构，其包括若干桩腿、围设在桩腿顶部的顶部支架以及围设在桩腿底部的底部支架。其中，基座41的各桩腿均为可伸缩结构，其内外两层均设有螺丝孔，通过内外不同螺丝孔的配合，可以实现高度调节，以便调节喷流喷口44的高度，进行不同高度井喷实验。位于底部支架下方的各桩腿底部还设有福马轮，既方便装置移动，又可进行喷口水平调节。

上述各实施例中，喷流管柱43采用高强度高透明有机玻璃管，喷流喷口44采用不锈钢材质，两者通过丝扣连接。

上述各实施例中，如图3a～图3c所示，喷流喷口44的形状设计为圆形截面和鼓形截面(阴影为喷口形状)，图3a所示为井口全开状态，图3b所示为环形防喷器未完全关井状态，图3c所示为闸板防喷器未完全关井状态。当井喷事故发生时，首先应关闭防喷器防止事故恶化，但是严重井喷事故中，防喷器由于多种原因往往会失效，不能完全关井，故设计多种喷口形状，更接近于现场实际。在此基础上，每种关井方式还设计多种不同关井程度48(阴影部分面积不同)的喷口，进行多组实验。

上述各实施例中，图像采集装置6采用高速相机，用于捕捉喷流流体的流动形态，流动形态的明确有利于后期进行喷流流体流动计算。

上述各实施例中，压力数据采集装置7包括压力传感器71～73，压力传感器71和压力传感器72分别设置在喷流管柱43的入口端和出口端；压力传感器73设置在第二三通9和井口装置4之间的管线上。压力采集包括井喷出口压力采集，喷流管柱底部压力采集和三相喷流流体混合初期压力采集，这三点是最具代表性的压力节点，可以反映整个喷流过程的压力变化，绘制压力时间曲线，总结喷流特性。

基于上述油气井井喷实验模拟装置，本发明还提供一种油气井井喷实验模拟装置的操作方法，其包括以下步骤：

1)如图1所示，进行油气井井喷实验模拟装置的连接；

2)密封性检查：关闭各支路上的所有阀门，向储液罐11中注满清水，打开钻井液支路1上的所有阀门，并打开变频泵12循环，观察有无漏水点；若存在漏水点则关闭所有阀门，放空清水，检查修理，重复密封性检查，若无漏水点即可进行井喷实验；

3)物料填充：在钻井液支路1中向储液罐11中加入清水，加重剂(例如盐)，加粘剂(例如黄原胶、cmc)，并打开储液罐11中的搅拌装置充分混合；在岩屑支路2中向储砂罐21中加入实验要求的砂颗粒和示踪颗粒；在注气支路3中打开空气压缩机31进行气体储集；

4)井口装置调节：调节井口装置4中基座41底部的福马轮使喷流管柱43竖直，同时调节桩腿至实验高度；

5)井喷实验：先打开钻井液支路1的所有阀门，由控制平台5控制液体流量；再打开岩屑支路2的所有阀门，由控制平台5控制岩屑加入量，待喷流喷口44有流体流出后，打开注气支路3的所有阀门，并通过调节减压阀35精确控制气体流量；

6)数据采集：钻井液支路流量，注气支路流量，加砂量，压力传感器示数，PIV系统数据，实时传回控制平台5，同时高速相机进行实时拍摄，用于流形判别；

7)一组实验数据收集完毕后，先关闭变频泵12，螺杆泵电机22，空气压缩机31，再关闭各支路阀门，然后更换实验材料、喷流喷口或改变喷口高度，进行下一组实验；

8)实验完毕后，放空各支路管线中的全部流体，拆卸连接管线，实验仪器按要求回归原位，整理打扫实验场地。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种油气井井喷实验模拟装置，其特征在于，包括：钻井液支路、岩屑支路、注气支路、井口装置、控制平台、图像采集装置和压力数据采集装置；所述钻井液支路、岩屑支路、注气支路分别用于提供钻井液、岩屑以及压缩空气，且所述岩屑支路与所述钻井液支路的输出端在第一三通处汇合，形成两相井喷流体；所述两相井喷流体经所述第一三通的第三端口与所述注气支路的输出端在第二三通处汇合，形成三相混合井喷流体，之后经所述第二三通的第三端口共同注入所述井口装置，进行井喷实验；所述控制平台用于对所述钻井液支路、岩屑支路以及注气支路中各相流体的注入量和注入速度进行控制；所述图像采集装置和压力数据采集装置用于对井喷实验过程中的图像和压力数据进行采集；

所述井口装置包括基座、支撑臂、喷流管柱、喷流喷口、管夹和PIV系统；所述基座顶部一侧通过螺栓与所述支撑臂底部固定连接；所述支撑臂顶部通过所述管夹固定所述喷流管柱以及设置在所述喷流管柱顶部的所述喷流喷口；所述喷流管柱下部固定设置在所述基座中部，且其入口端与所述第二三通的一个端口相连；所述PIV系统设置在所述喷流管柱下部，用于进行固相颗粒测速；

所述基座采用高度可调的框架结构，其包括若干桩腿、围设在桩腿顶部的顶部支架以及围设在桩腿底部的底部支架；所述基座的各桩腿均为可伸缩结构，其内外两层均设有螺丝孔，通过内外两层不同螺丝孔的配合，实现高度调节；各所述桩腿底部还设有福马轮；

所述喷流管柱采用高强度高透明有机玻璃管，所述喷流喷口采用不锈钢材质，所述喷流管柱和喷流喷口通过丝扣连接；

所述喷流喷口的形状为圆形截面或鼓形截面。

2.如权利要求1所述的一种油气井井喷实验模拟装置，其特征在于：所述注气支路包括空气压缩机、储气罐、质量流量计、单向阀、减压阀和截止阀；所述空气压缩机、储气罐、质量流量计、单向阀、减压阀和截止阀依次串联连接，所述截止阀另一端与所述第二三通的一个端口相连；所述空气压缩机、单向阀、减压阀和截止阀均与所述控制平台相连，由所述控制平台控制。

3.如权利要求1所述的一种油气井井喷实验模拟装置，其特征在于：所述岩屑支路包括电机、螺杆泵、储砂罐和两截止阀；所述电机的输出端与所述螺杆泵相连，所述螺杆泵的上方吸入端口经一所述截止阀与所述储砂罐相连，所述螺杆泵的右侧物料出口端经另一所述截止阀与所述第一三通的一个端口相连；所述电机的输入端、两所述截止阀均与所述控制平台相连，由所述控制平台控制。

4.如权利要求1所述的一种油气井井喷实验模拟装置，其特征在于：所述钻井液支路包括储液罐、变频泵、涡轮流量计、单向阀和截止阀；所述储液罐、变频泵、涡轮流量计、单向阀和截止阀串联连接，所述截止阀的另一端与所述第一三通的一个端口相连；且所述变频泵、单向阀和截止阀均与所述控制平台相连，由所述控制平台控制。

5.如权利要求1所述的一种油气井井喷实验模拟装置，其特征在于：所述实验模拟装置中的各连接管线均为高压范围为5～10MPa的高压胶管，且所述高压胶管两端均采用快速接头；所述第二三通与所述井口装置之间的高压胶管长度为5～10m，便于三相流体充分混合。

6.如权利要求1所述的一种油气井井喷实验模拟装置，其特征在于：所述钻井液支路与所述岩屑支路的管线直径为2英寸，所述注气支路的管线直径为1英寸。

7.如权利要求1所述的一种油气井井喷实验模拟装置，其特征在于：所述压力数据采集装置包括若干压力传感器，各所述压力传感器分别设置在所述喷流管柱的入口端和出口端以及所述第二三通的出口端。

8.一种采用如权利要求1～7任一项所述装置的油气井井喷实验模拟方法，其特征在于包括以下步骤：

1)设置一油气井井喷实验模拟装置，并将注气支路、钻井液支路和岩屑支路与井口装置和控制平台进行连接；

2)对油气井井喷实验模拟装置进行密封性检查，检查完成后进行井喷实验；

3)向钻井液支路的储液罐中加入清水，加重剂，加粘剂，并打开储液罐中的搅拌装置充分混合；在岩屑支路中向储砂罐中加入实验要求的砂颗粒和示踪颗粒；在注气支路中打开空气压缩机进行气体储集；

4)调节井口装置中基座底部的福马轮使喷流管柱竖直，同时调节桩腿至实验高度；

5)打开钻井液支路的所有阀门，由控制平台控制液体流量；再打开岩屑支路的所有阀门，由控制平台控制岩屑加入量，待喷流喷口有流体流出后，打开注气支路的所有阀门，并通过调节减压阀控制气体流量；

6)控制平台实时采集钻井液支路、注气支路和岩屑支路的注入量，同时对压力数据和图像数据进行采集；

7)一组实验数据收集完毕后，先关闭变频泵、与螺杆泵连接的电机、空气压缩机，再关闭各支路阀门，然后更换实验材料、喷流喷口或改变喷口高度，进行下一组实验；

8)实验完毕后，放空各支路管线中的全部流体，拆卸连接管线，实验仪器按要求回归原位，整理打扫实验场地。