CN113063617A - 一种气体钻井模拟卡钻解卡的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气体钻井模拟卡钻解卡的实验装置，包括系统支架8、上安装板3、下安装板6、旋转轴4、模拟井筒12、模拟钻杆10、震击器11、步进电机20、储气罐17、气缸19、数据采集/控制箱26和计算机27，系统支架固定四根导向轴，导向轴穿过上安装板和下安装板，旋转轴位于上下安装板之间，系统支架两个横梁间固定模拟井筒，模拟井筒内有模拟钻杆，模拟钻杆穿过系统支架上端面和旋转轴到达上安装板，下安装板连接步进电机，储气罐分别连接气体入口和气缸。利用该装置进行气体钻井模拟卡钻解卡的方法，包括模拟实际工程中卡钻后上提下放、扭转、注气憋压以及震击等解卡方式。本发明能够定量评价堵塞物与钻具间的力学性质，验证解卡措施的有效性。
Description
技术领域
本发明属于气体钻井领域，具体涉及一种气体钻井模拟卡钻解卡的实验装置及方法。
背景技术
气体钻井技术是指钻进过程中以气体作为循环介质的一种钻井技术，气体钻井拥有大幅度提高机械钻速、延长钻头使用寿命，降低钻井成本，减少地层损害，治理井漏，保护环境等诸多优点，但是气体钻井过程中井壁失稳导致井壁垮塌落块，或者环空循环不畅导致岩屑下落等现象就会导致环空堵塞以及卡钻事故发生。
在世界范围的气体钻井过程中，由于井壁失稳或者携岩不畅导致的环空堵塞现象频繁发生，到目前为止没有较好的方法模拟环空堵塞的特征，无法定量评价堵塞物与钻具间的力学性质，也无法验证解卡措施的有效性，对气体钻井环空堵塞物堆积特征、堵塞物与钻具及井眼的相互作用设计装置并开展实验，有助于钻井过程中防止卡钻以及顺利解除卡钻引起的井下复杂事故。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体钻井模拟卡钻解卡的实验装置，该装置原理可靠，操作简便，利用该装置可研究岩屑在环空中如何堵塞以及堆积物在环空的堆积特征，探索堵塞物与井筒以及钻杆的力学参数，描述不同堆积特征对力学参数的影响。
本发明的另一目的在于提供利用上述装置进行气体钻井模拟卡钻解卡的方法，该方法能够模拟实际工程中卡钻后的上提下放、扭转、注气憋压以及震击等解卡方式，记录岩屑堆积后提拉模拟钻杆的拉力值，扭转模拟钻杆的扭矩，不同注气量、注气压力对堆积物的影响程度以及震击后各力学参数的变化，做到定量评价。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
一种气体钻井模拟卡钻解卡的实验装置，由提拉系统、扭转系统、注气系统、岩屑入料及收集口、模拟井筒、模拟钻杆、模拟钻头、数据采集/控制箱、计算机、震击器、震击器夹持器、系统支架和横梁组成。
所述提拉系统包括气缸、气缸固定结构、上安装板、下安装板、紧固螺丝、导向轴和导向孔。气缸安装在系统支架上，内部可伸缩的金属杆与下安装板固定连接，扭转系统中的旋转轴通过轴承连接在上下安装板之间，由紧固螺丝固定压紧，旋转轴紧紧固定模拟钻杆，实现模拟钻杆沿着导向轴的垂向运动，模拟实际工程中的上提下放解卡。
所述扭转系统包括步进电机、主动轮、从动轮和旋转轴，步进电机固定在下安装板上，步进电机上端与主动轮相连，主动轮通过履带和从动轮相连，从动轮与旋转轴固定，旋转轴紧紧固定模拟钻杆，实现模拟钻杆的轴向旋转，模拟实际工程中的扭转解卡。
所述注气系统包括空气压缩机、储气罐、流量计、压力表、阀门和气体入口，空气压缩机与储气罐相连，储气罐与流量计相连，之间用阀门控制气量，从流量计分出两根管线，一根经过压力表连接气缸，另一根经过压力表连接模拟钻杆上部的气体入口，可以给提拉装置提供动力，也可以使气体经过模拟钻杆内部从下端吹出，模拟实际工程中的注气憋压解卡。
进一步地，模拟钻头采用3d打印技术打印，还原真实钻头形状。
进一步地，数据采集/控制箱控制各用电器电源的开关，并且记录步进电机的扭矩值和气缸的压力值，在计算机存储处理。
进一步地，震击器用于实验过程中岩屑卡死在模拟井筒中时，震动解卡，也可一直接通震击器作为对比试验，对比震击器接通电源持续震动和关闭电源静止不动的提拉力、扭矩以及注气量、注气压力的数值。
进一步地，模拟井筒和模拟钻杆与工程中的实际井筒与钻具成比例缩小，模拟井筒采用透明材质，做到实验现象可视化，模拟钻杆采用不锈钢材质。
本发明的技术原理如下：
将岩屑在岩屑入料及收集口倒入模拟井筒中，可以观察岩屑在模拟钻头与模拟钻杆处的自然堆积状态，当测量岩屑堆积后模拟钻杆扭转过程的扭矩时，通过数据采集/控制箱接通电源，步进电机开始工作，步进电机连接主动轮，主动轮带动从动轮，从动轮又与模拟钻杆紧紧固定，实现步进电机带动模拟钻杆的扭转，捕捉模拟钻杆由静止到运动的瞬时扭矩，扭矩参数同时又被数据采集/控制箱记录，传输到计算机存储；当测量岩屑堆积后模拟钻杆拉力时，通过空气压缩机给储气罐注气，储气罐经过压力表与流量计给气缸注气，气缸的内部伸缩杆与提拉系统的下安装板固定，通过阀门控制注气，气缸的气压顶起整个提拉系统，模拟钻杆会沿着导向轴方向运动，捕捉模拟钻杆由静止到运动的瞬时压力，压力参数同时又被数据采集/控制箱记录，传输到计算机存储，这里压力即是提拉力；当观测不同注气量、注气压力对堆积物的影响程度时，储气罐经过压力表与流量计与气体入口相连，通过阀门控制注气，气体从模拟钻杆底部吹出，气体经过模拟钻头向外扩散，吹动岩屑运移，捕捉堆积岩屑颗粒大量吹出井口的压力和注气量，压力参数同时又被数据采集/控制箱记录，传输到计算机存储，注气量可从流量计读取；当岩屑不能顺利从模拟井筒底部倾泻或者顶部井口处吹出时，通过数据采集/控制箱给震击器通电，震击器固定在模拟钻杆内部，通电后高频率震动会使岩屑松动掉落，也可一直接通震击器作为对比试验，对比震击器接通电源持续震动和关闭电源静止不动的时候的提拉力、扭矩以及注气量、注气压力的数值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过气缸注气的压力监测，步进电机的扭矩监测，注入模拟钻杆的压力、流量监测，可评价当不同质量、不同粒径岩屑在井底堆积后由静态到动态瞬间模拟钻杆所受的扭矩、拉力值，多大注气量、注气压力可以将堆积岩屑颗粒大量吹出井口，全程可视化，通过透明模拟井筒直接观察。本发明原理可靠，操作简便，可模拟环空堵塞的特征，定量评价堵塞物与钻具间的力学性质，并验证解卡措施的有效性。
附图说明
图1为一种气体钻井模拟卡钻解卡的实验装置的结构示意图主视图。
图2为一种气体钻井模拟卡钻解卡的实验装置的结构示意图俯视图。
图3为一种气体钻井模拟卡钻解卡的实验装置局部安装示意图。
图中：1-震击器夹持器，2-导向轴，3-上安装板，4-旋转轴，5-从动轮，6-下安装板，7-岩屑入料及收集口，8-系统支架，9-上部横梁，10-模拟钻杆，11-震击器，12-模拟井筒，13-模拟钻头，14-下部横梁，15-空气压缩机，16、18、22、25-阀门，17-储气罐，19-气缸，20-步进电机，21-流量计，23、28-压力表，24-主动轮，26-数据采集/控制箱，27-计算机，29-气体入口，30-导向孔，31-紧固螺丝，32-气缸固定结构。
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。
参看图1、图2、图3。
一种气体钻井模拟卡钻解卡的实验装置，包括系统支架8、导向轴2、上安装板3、下安装板6、旋转轴4、上部横梁9、下部横梁14、模拟井筒12、岩屑入料及收集口7、模拟钻杆10、模拟钻头13、震击器夹持器1、震击器11、气体入口29、步进电机20、主动轮24、从动轮5、空气压缩机15、储气罐17、流量计21、气缸19、数据采集/控制箱26和计算机27。
所述系统支架8上端面固定四根导向轴2，导向轴通过导向孔30穿过上安装板3和下安装板6，旋转轴4位于上安装板和下安装板之间，旋转轴为中空；所述系统支架上部、下部分别设置横梁9、横梁14，在两个横梁之间固定模拟井筒12，模拟井筒顶部设置岩屑入料及收集口7，模拟井筒内有模拟钻杆10，所述模拟钻杆底部连接模拟钻头13，顶部穿过系统支架上端面和旋转轴的中空部分，到达上安装板；所述上安装板有一个凸起的空腔，夹持器1位于空腔内，夹持器夹持并固定震击器11，使震击器位于模拟钻杆10内，该空腔设置气体入口29，使气体能够从模拟钻杆上端流入、下端吹出；所述下安装板固定并连接步进电机20，步进电机的主动轮24通过履带和从动轮5相连，从动轮5固定于旋转轴上，旋转轴内固定模拟钻杆，通过步进电机实现模拟钻杆的轴向旋转。
所述空气压缩机15依次连接储气罐17、流量计21，从流量计21分出两根管线，一根管线经过阀门25、压力表28连接气体入口29，另一根管线经过阀门22、压力表23连接气缸19，所述气缸通过气缸固定结构32固定在系统支架的顶端、上部横梁和下部横梁，气缸内部可伸缩的金属杆与下安装板连接，注气后气缸的气压使模拟钻杆沿着导向轴方向运动。
所述震击器、步进电机、压力表均连接数据采集/控制箱26和计算机27。
所述上安装板与下安装板之间有两根金属杆用于支撑，金属杆上端穿过上安装板3通过紧固螺丝31向下固定压紧，下端穿过下安装板6通过紧固螺丝31向上固定压紧。
所述岩屑入料及收集口7处设置收集袋，当岩屑颗粒从模拟井筒12上部大量吹出，收集袋可以做到收集并防尘。
所述模拟井筒12的底部可拆卸，便于岩屑颗粒的倾泻与重新收集。
所述数据采集/控制箱26控制震击器11、步进电机20的电源开关，收集步进电机20的扭矩数据、注入气缸19的压力数据和进入模拟钻杆10的压力数据，并传输到计算机27中储存处理。
利用上述装置进行气体钻井模拟卡钻解卡的方法，过程如下：
（1）当测量岩屑堆积后模拟钻杆扭转过程的扭矩时，通过数据采集/控制箱接通电源，步进电机开始工作，步进电机通过主动轮带动从动轮，旋转轴通过固定模拟钻杆，实现步进电机带动模拟钻杆的扭转，捕捉模拟钻杆由静止到运动的瞬时扭矩，扭矩参数同时又被数据采集/控制箱记录，传输到计算机存储；
（2）当测量岩屑堆积后模拟钻杆的提拉力时，通过空气压缩机给储气罐注气，储气罐经过压力表与流量计给气缸注气，通过阀门控制注气，气缸的气压会顶起整个提拉系统，使模拟钻杆沿着导向轴方向运动，捕捉模拟钻杆由静止到运动的瞬时压力即提拉力，压力参数同时又被数据采集/控制箱记录，传输到计算机存储；
（3）当观测不同注气量、注气压力对堆积物的影响程度时，储气罐经过压力表与流量计与气体入口相连，通过阀门控制向气体入口注气，气体从模拟钻杆底部吹出，气体经过模拟钻头向外扩散，吹动岩屑运移，捕捉堆积岩屑颗粒大量吹出井口的压力和注气量，压力参数同时又被数据采集/控制箱记录，传输到计算机存储，注气量从流量计读取；
（4）当岩屑不能顺利从模拟井筒底部倾泻或者顶部井口处吹出时，通过数据采集/控制箱给震击器通电，震击器通电后高频率震动使岩屑松动掉落，对比震击器接通电源持续震动和关闭电源静止不动的时候的提拉力、扭矩以及注气量、注气压力的数值。
Claims (5)
1.一种气体钻井模拟卡钻解卡的实验装置，包括系统支架（8）、导向轴（2）、上安装板（3）、下安装板（6）、旋转轴（4）、模拟井筒（12）、岩屑入料及收集口（7）、模拟钻杆（10）、模拟钻头（13）、夹持器（1）、震击器（11）、气体入口（29）、步进电机（20）、主动轮（24）、从动轮（5）、空气压缩机（15）、储气罐（17）、流量计（21）、气缸（19）、数据采集/控制箱（26）和计算机（27），其特征在于，所述系统支架（8）上端面固定四根导向轴（2），导向轴通过导向孔（30）穿过上安装板（3）和下安装板（6），旋转轴（4）位于上安装板和下安装板之间，旋转轴为中空；所述系统支架上部、下部分别设置横梁，在两个横梁之间固定模拟井筒（12），模拟井筒顶部设置岩屑入料及收集口（7），模拟井筒内有模拟钻杆（10），所述模拟钻杆底部连接模拟钻头（13），顶部穿过系统支架上端面和旋转轴的中空部分，到达上安装板；所述上安装板有一个凸起的空腔，夹持器（1）位于空腔内，夹持器夹持并固定震击器（11），使震击器位于模拟钻杆内，该空腔设置气体入口（29），使气体能够从模拟钻杆上端流入、下端吹出；所述下安装板固定并连接步进电机（20），步进电机的主动轮（24）通过履带和从动轮（5）相连，从动轮固定于旋转轴上，旋转轴内固定模拟钻杆，通过步进电机实现模拟钻杆的轴向旋转；所述空气压缩机（15）依次连接储气罐（17）、流量计（21），从流量计分出两根管线，一根管线经过压力表（28）连接气体入口（29），另一根管线经过另一压力表（23）连接气缸（19），所述气缸固定在系统支架上，气缸内部可伸缩的金属杆与下安装板连接，注气后气缸的气压使模拟钻杆沿导向轴方向运动；所述震击器、步进电机、压力表均连接数据采集/控制箱（26）和计算机（27）。
2.如权利要求1所述的一种气体钻井模拟卡钻解卡的实验装置，其特征在于，所述上安装板与下安装板之间有两根金属杆用于支撑，金属杆上端穿过上安装板通过紧固螺丝向下固定压紧，下端穿过下安装板通过紧固螺丝向上固定压紧。
3.如权利要求1所述的一种气体钻井模拟卡钻解卡的实验装置，其特征在于，所述岩屑入料及收集口处设置收集袋。
4.如权利要求1所述的一种气体钻井模拟卡钻解卡的实验装置，其特征在于，所述模拟井筒的底部可拆卸，便于岩屑颗粒的倾泻与收集。
5.利用权利要求1、2、3或4所述的装置进行气体钻井模拟卡钻解卡的方法，过程如下：
（1）当测量岩屑堆积后模拟钻杆扭转过程的扭矩时，通过数据采集/控制箱接通电源，步进电机开始工作，步进电机通过主动轮带动从动轮，旋转轴通过固定模拟钻杆，实现步进电机带动模拟钻杆的扭转，捕捉模拟钻杆由静止到运动的瞬时扭矩，扭矩参数被数据采集/控制箱记录，传输到计算机存储；
（2）当测量岩屑堆积后模拟钻杆的提拉力时，通过空气压缩机给储气罐注气，储气罐给气缸注气，气缸的气压使模拟钻杆沿着导向轴方向运动，捕捉模拟钻杆由静止到运动的瞬时压力即提拉力，压力参数被数据采集/控制箱记录，传输到计算机存储；
（3）当观测不同注气量、注气压力对堆积物的影响程度时，储气罐向气体入口注气，气体从模拟钻杆底部吹出，气体经过模拟钻头向外扩散，吹动岩屑运移，捕捉堆积岩屑颗粒大量吹出井口的压力和注气量，压力参数被数据采集/控制箱记录，传输到计算机存储，注气量从流量计读取；
（4）当岩屑不能顺利从模拟井筒底部倾泻或者顶部井口处吹出时，通过数据采集/控制箱给震击器通电，震击器通电后高频率震动使岩屑松动掉落，对比震击器接通电源持续震动和关闭电源静止不动时的提拉力、扭矩以及注气量、注气压力的数值。
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