CN113882826B - 一种同心双层连续管钻抽砂试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种同心双层连续管钻抽砂试验系统及方法，属于模拟钻抽砂试验技术领域。技术方案是：包含油套管模拟模块（2）、高压注液排液系统（3）、低压注水溢液系统（4）、低压洗砂排砂系统（5）和供电系统（6），油套管模拟模块（2）分别与高压注液排液系统（3）、低压注水溢液系统（4）和低压洗砂排砂系统（5）连接，形成三条通路，供电系统（6）为三条通路提供动力电源。本发明实现钻抽砂工具系统井下/地面装置与工具的功能原理演示、性能参数测量、清砂效果测量，为钻抽砂工艺参数优化调整提供模拟实验平台，能为钻抽砂工具系统运行提供操作、演练、培训等模拟平台，为钻抽砂工具系统产品的性能检验与推广应用提供强有力支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种同心双层连续管钻抽砂试验系统及方法，属于模拟钻抽砂试验技术领域。
背景技术
同心双层连续管钻抽砂是一种针对气井钻抽砂，出现堵砂时，需将砂排出所设计的一种钻抽砂工具。针对气井出砂、堵砂影响气井生产，需要将砂排出气井的问题，为开发和验证钻抽砂工具等做技术支持，本领域亟待设计开发一套地面模拟同心连续管过油管钻抽砂工具及液固分离地面的试验系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种同心双层连续管钻抽砂试验系统及方法，模拟高压下钻砂、采砂与分砂功能；完成高压液注入、完成砂注入、水平衡注入以及完成试验后砂的排出的基础上，实现对完成钻砂、采砂等的压力、流量计量，钻砂、采砂效能评价，解决背景技术存在的上述问题。
本发明的技术方案是：
一种同心双层连续管钻抽砂试验系统，包含油套管模拟模块、高压注液排液系统、低压注水溢液系统、低压洗砂排砂系统和供电系统，油套管模拟模块分别与高压注液排液系统、低压注水溢液系统和低压洗砂排砂系统连接，形成三条通路，供电系统为三条通路提供动力电源； 所述油套管模拟模块包含工具升降机构、钻抽砂工具、模拟油管、模拟套管、注砂斗、注水口、溢水口、排砂口和洗砂口；模拟套管套设在模拟油管外，模拟套管与模拟油管之间充有砂液，钻抽砂工具垂直设置在模拟油管内，工具升降机构带动钻抽砂工具在模拟油管内上下移动，模拟油管底部设有进砂缝，砂液可由进砂缝进入到模拟油管内，模拟套管管壁上从上至下依次设有溢水口、注水口、注砂斗、排砂口和洗砂口；
所述高压注液排液系统包含启停开关及变频器一、高压往复泵、压力监测装置一、节流阀一、流量监测装置一、双层连续管、节流器、采出存储箱、压力监测装置二和流量监测装置二；
在高压注液排液系统形成的通路中，供电线路一将供电系统与启停开关及变频器一和高压往复泵串连，高压往复泵出水端泵口通过高压注液管与压力监测装置一、节流阀一、流量监测装置一和双层连续管的内管依次串连后连接到钻抽砂工具，双层连续管的内管和外管之间的环状空间通过高压排液管与压力监测装置二、流量监测装置二、节流器和采出存储箱依次串连；
所述低压注水溢液系统和低压洗砂排砂系统共用启停开关及变频器二、水泵、压力监测装置三、三通阀、溢液排砂箱和流量监测装置三；
在低压注水溢液系统形成的通路中，供电线路二将启停开关及变频器二和水泵串连，水泵泵口通过低压注水管与压力监测装置三、流量监测装置三和三通阀阀口一依次串连，三通阀的阀口二与油套管模拟模块的注水口连接，油套管模拟模块的溢水口通过低压溢液管与溢液排砂箱连接；
在低压洗砂排砂系统形成的通路中，三通阀的阀口三通过低压洗砂管与油套管模拟模块的洗砂口连接，油套管模拟模块的排砂口通过低压排砂管与溢液排砂箱连接。
所述高压注液排液系统、低压注水溢液系统和低压洗砂排砂系统共用清水箱，形成封闭循环系统，清水箱提供动力液、平衡液和洗砂液；其中高压注液排液系统中高压往复泵进水端泵口通过高压进水管将可调式节流阀和清水箱串连；低压注水溢液系统中水泵与清水箱连接。
所述模拟油管和模拟套管上部均为钢结构，两者上端通过法兰盘连接，模拟油管和模拟套管下部均为透明有机玻璃，便于试验观察。
所述钻抽砂工具由相互连接的钻杆和钻具组成，为本领域公知公用的设备。
还包含框架升降模块，框架升降模块至少包含启停开关及变频器三、起下电机及减速器和链轮链条机构，工具升降机构与链轮链条机构连接，供电线路三将供电系统与启停开关及变频器三和起下电机及减速器串连，链轮链条机构的链轮轴与起下电机及减速器连接，油套管模拟模块中的钻抽砂工具顶部与工具升降机构连接，起下电机及减速器驱动链轮链条机构转动，工具升降机构带动钻抽砂工具在模拟油管内上下移动。
所述三通阀的阀口一、阀口二和阀口三分别与节流阀A、节流阀B和节流阀C连接。
所述起下电机为升降电机。
一种同心双层连续管钻抽砂试验方法，采用上述试验系统，步骤如下：
①在开始钻抽砂实验之前，工具升降机构带动钻抽砂工具下降到合适位置；
②供电系统供电，启动启停开关及变频器一控制高压往复泵工作，通过压力监测装置一和流量监测装置一获取和传输压力和流量数据，高压往复泵通过高压注液管将动力液注入双层连续管的内管中，双层连续管的内管与钻抽砂工具的驱动马达连接，动力液驱动马达带动钻抽砂工具转动，同时工具升降机构带动钻抽砂工具上下移动，系统开始模拟钻抽；
钻抽砂工具抽出的砂液通过双层连续管内外管之间的环空部分进入到高压排液管，排入采出存储箱进行砂处理，完成抽砂；同时压力监测装置二和流量监测装置二进行流量和压力数据的获取和调节；
③在钻抽砂的同时，由供电系统供电，启动启停开关及变频器二控制水泵工作，通过压力监测装置三和流量监测装置三获取管路中压力和流量数据， 同时通过注水口向模拟套管中注入平衡液，平衡液保持钻抽时的液体压力平衡，当液体过多时，会通过溢水口排出进入溢液排砂箱；
④在钻抽砂结束后，关闭三通阀的阀口二，模拟套管的注水口不再进平衡液，打开三通阀的阀口三，启动水泵抽取洗砂液，洗砂液经洗砂口将入到模拟套管底部，对油套管模拟模块中的砂进行清洗，并通过排砂口及低压排砂管排出到溢液排砂箱，将模拟油套管模块清洗干净，以便于下次实验使用。
本发明的积极效果：本发明实现钻抽砂工具系统井下/地面装置与工具的功能原理演示、性能参数测量、清砂效果测量，为钻抽砂工艺参数优化调整提供模拟实验平台，能为钻抽砂工具系统运行提供操作、演练、培训等模拟平台，为钻抽砂工具系统产品的性能检验与推广应用提供强有力支撑。
附图说明
图1为本发明总体控制框架结构示意图；
图2为本发明总体结构示意图；
图3为本发明油套管模拟模块结构示意图；
图4为本发明系统组成示意图；
图中：框架升降模块1、启停开关及变频器三11、起下电机及减速器12、链轮链条机构13、外架14、胎架15；油套管模拟模块2、钻杆201、钻具202、模拟油管203、模拟套管204、注砂斗205、注水口206、溢水口207、排砂口208、洗砂口209、模拟套管底部固定块210、法兰盘211、工具升降机构212、进砂缝213；高压注液排液系统3、启停开关及变频器一301、高压往复泵302、压力监测装置一303、节流阀一304、流量监测装置一305、双层连续管306、节流器307、采出存储箱308、压力监测装置二309、流量监测装置二310、高压注液管311、高压排液管312、可调式节流阀313、高压进水管314；低压注水溢液系统4、启停开关及变频器二401、水泵402、压力监测装置三403、三通404、溢液排砂箱405、低压注水管406、流量监测装置三407、节流阀A408、节流阀B409、节流阀C410、低压溢液管411、供水管路412；低压洗砂排砂系统5、低压洗砂管501、低压排砂管502、节流阀二503、供电系统6、供电线路一61、供电线路二62、供电线路三63、清水箱7、水平轨道8。
实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：
一种同心双层连续管钻抽砂试验系统，包含油套管模拟模块2、高压注液排液系统3、低压注水溢液系统4、低压洗砂排砂系统5和供电系统6，油套管模拟模块2分别与高压注液排液系统3、低压注水溢液系统4和低压洗砂排砂系统5连接，形成三条通路，供电系统6为三条通路提供动力电源；
所述油套管模拟模块2包含工具升降机构212、钻抽砂工具、模拟油管203、模拟套管204、注砂斗205、注水口206、溢水口207、排砂口208和洗砂口209；模拟套管204套设在模拟油管203外，模拟套管204与模拟油管203之间充有砂液，钻抽砂工具垂直设置在模拟油管203内，工具升降机构212带动钻抽砂工具在模拟油管203内上下移动，模拟油管203底部设有进砂缝，砂液可由进砂缝进入到模拟油管203内，模拟套管204管壁上从上至下依次设有溢水口207、注水口206、注砂斗205、排砂口208和洗砂口209；
所述高压注液排液系统包含启停开关及变频器一301、高压往复泵302、压力监测装置一303、节流阀一304、流量监测装置一305、双层连续管306、节流器307、采出存储箱308、压力监测装置二309、流量监测装置二310、高压注液管311和高压排液管312；
在高压注液排液系统形成的通路中，供电线路一61将供电系统与启停开关及变频器一301和高压往复泵302串连，高压往复泵302出水端泵口通过高压注液管311与压力监测装置一303、节流阀一304、流量监测装置一305和双层连续管306的内管依次串连后连接到钻抽砂工具，双层连续管的内管和外管之间的环状空间通过高压排液管312与压力监测装置二309、流量监测装置二310、节流器307和采出存储箱308依次串连；
所述低压注水溢液系统和低压洗砂排砂系统共用启停开关及变频器二401、水泵402、压力监测装置三403、三通阀404、溢液排砂箱405和流量监测装置二407；
在低压注水溢液系统4形成的通路中，供电线路二62将启停开关及变频器二401和水泵402串连，水泵402泵口通过低压注水管406与压力监测装置三403、流量监测装置三407和三通阀404阀口一依次串连，三通阀的阀口二与油套管模拟模块的注水口206连接，油套管模拟模块的溢水口207通过低压溢液管411与溢液排砂箱405连接；
在低压洗砂排砂系统5形成的通路中，三通阀的阀口三通过低压洗砂管501与油套管模拟模块的洗砂口209连接，油套管模拟模块的排砂口208通过低压排砂管502和节流阀二503与溢液排砂箱405连接。
所述高压注液排液系统3、低压注水溢液系统4和低压洗砂排砂系统5共用清水箱7，形成封闭循环系统。其中高压注液排液系统中高压往复泵302出水端泵口通过高压进水管314将可调式节流阀313和清水箱串连；低压注水溢液系统中水泵通过供水管路412与清水箱7连接。
所述模拟油管203和模拟套管204上部均为钢结构，两者上端通过法兰盘211连接，模拟油管203和模拟套管204下部均为透明有机玻璃，便于试验观察。
所述钻抽砂工具由相互连接的钻杆201和钻具202组成，为本领域公知公用的设备。
还包含框架升降模块1，框架升降模块1至少包含启停开关及变频器三11、起下电机及减速器12和链轮链条机构13，工具升降机构212与链轮链条机构13连接，供电线路三63将供电系统与启停开关及变频器三11和起下电机及减速器12串连，链轮链条机构13的链轮轴与起下电机及减速器12连接，油套管模拟模块2中的钻抽砂工具顶部与工具升降机构212连接，起下电机及减速器12驱动链轮链条机构13转动，工具升降机构212带动钻抽砂工具在模拟油管203内上下移动。
所述链轮链条机构13和工具升降机构212为本领域公知公用的传动机构，结合附图2，本实施例中：所述框架升降模块1还包含胎架15和试验装置外架16，试验装置外架16设置在胎架15外，保护胎架和油套管模拟模块2，胎架15上设置链轮链条机构13，链轮链条机构13由上下设置的链轮和围绕设置在两个链轮上的链条组成，位于下部的链轮的链轮轴与起下电机及减速器12连接，起下电机及减速器12带动底部的链轮转动，位于上部的链轮在链条的带动下也开始转动，工具升降机构212为端部带有齿轮的平台，该齿轮插入到链条内，工具升降机构212跟随链条的移动而上下移动。链轮链条机构13上设有限位开关。所述胎架15为工字钢，工字钢两侧的凹槽内设有导向轮，链轮链条机构13的链条沿导向轮运动，防止链条偏移。
所述三通阀404的阀口一、阀口二和阀口三分别与节流阀A408、节流阀B409和节流阀C410连接。
一种同心双层连续管钻抽砂试验方法，采用上述试验系统，步骤如下：
①在开始钻抽砂实验之前，工具升降机构212带动钻抽砂工具下降到合适位置；
②供电系统供电，启动启停开关及变频器一301控制高压往复泵302工作，通过压力监测装置一303和流量监测装置一305获取和传输压力和流量数据，高压往复泵302通过高压注液管311将动力液注入双层连续管的内管中，双层连续管的内管与钻抽砂工具的驱动马达连接，动力液驱动马达带动钻抽砂工具转动，同时工具升降机构212带动钻抽砂工具上下移动，系统开始模拟钻抽；
钻抽砂工具抽出的砂液通过双层连续管内外管之间的环空部分进入到高压排液管312，排入采出存储箱308进行砂处理，完成抽砂；同时压力监测装置二309和流量监测装置二310进行流量和压力数据的获取和调节；
③在钻抽砂的同时，由供电系统供电，启动启停开关及变频器二401控制水泵402工作，通过压力监测装置三403和流量监测装置三407获取管路中压力和流量数据， 同时通过注水口206向模拟套管204中注入平衡液，平衡液保持钻抽时的液体压力平衡，当液体过多时，会通过溢水口207排出进入溢液排砂箱405；
④在钻抽砂结束后，供电系统供电使在关闭三通阀的阀口二，模拟套管204的注水口不再进平衡液，打开三通阀的阀口三，启动水泵402抽取洗砂液，洗砂液经洗砂口209将入到模拟套管204底部，对油套管模拟模块2中的砂进行清洗，并通过排砂口208及低压排砂管502排出到溢液排砂箱，将模拟油套管模块清洗干净，以便于下次实验使用。
结合附图2～3所示，本实施例，供电系统通过相应的供电线路分别并行连接高压注液排液系统3、低压注水溢液系统4、低压洗砂排砂系统5和框架升降模块1，为其提供动力电源。
油套管模拟模块中的模拟油管和模拟套管为双套管结构，将模拟油管设置于模拟套管内，模拟油管顶部通过法兰盘连接于模拟套管内部上沿。模拟套管底部设有模拟套管底部固定块210，模拟套管底部固定块210使用法兰盘和卡箍固定在胎架的底座上，胎架15底部设有车轮，车轮设置在水平轨道8内，运动实现限位。模拟套管分为上下两部分，上部要采用钢结构焊接注砂斗205、注水口206和溢水口207，下部采用透明有机玻璃制作以便于试验观察，底部设置排砂口208和洗砂口209。钻抽砂工具垂直安装在模拟油管内部。模拟套管上部1/4左右位置开溢流孔防止液体中油管顶部漏出；模拟油管下端位置设有一定宽度直缝，保障砂进入油管内部，同时便于观察。
本发明设置清水箱以暂存与缓冲三种泵送系统的泵入水，供动力液、平衡液和洗砂液。本发明设置采出存储箱以存储试验过程中从双层连续管的内管和外管之间的环状空间抽出的砂液混合物，还可以存储实验中溢液和试验结束后清洗油套管模拟模块内砂时产生的液体，与各对应功能口接头通过管汇连接，连接管汇按工作压力匹配选择。
工具升降机构起到下部连接钻抽砂工具，上部通过高压注液管和高压排液管与双层连续管连接。采用链轮链条机构实现上下运动，链轮链条机构的链轮轴通过起下电机及减速器（高传动比减速箱-电机）连接，以满足从输出高速转动到低速链条上下移动的运动、动力匹配。通过工具升降机构实现钻抽砂工具在油套管模拟模块内上下运动。
如图1、4所示，本实施例，供电系统供电，启停开关控制高压往复泵工作从清水箱抽水，高压往复泵通过自带的调控装置选配合适的变频器，调节高压往复泵电机转速来适应流量变化，通过压力监测装置一、流量监测装置一以及节流阀一客观、准确、及时地获取和传输管路中压力、流量和物位等数据，已达到调节系统流量、压力，保证系统正常工作，同时通过高压进水管从清水箱抽水并将动力液通过高压注液管注入双层连续管的内管中，然后将动力液注入钻抽砂工具的液压马达内，动力液驱动液压马达带动钻抽砂工具工作，同时工具升降机构通过链轮链条机构实现上下运动，双层连续管通过卡定机构与工具升降机构进行卡定，从而跟随工具升降机构共同上下移动。抽出的砂液通过压力监测装置二、流量监测装置二以及节流器实现流量、压力数据的获取和调节，同时通过高压排液管排入采出存储箱进行砂处理。
在钻抽砂的同时，由供电系统供电，启动启停开关控制水泵402工作，并通过自带的调控装置选择合适的变频器来调节流量大小，通过压力监测装置三403和流量监测装置三407以及节流阀B409客观、准确、及时地获取管路中压力、流量和物位等数据，通过信息传输系统将数据及时有效地传输到接收端，并进行数据处理和分析，已达到调节系统流量、压力，帮助现场进行决策，保证系统正常工作，同时通过注水口206向模拟套管204中注入平衡液，平衡液保持钻抽时的液体压力平衡，当液体过多时，会通过溢水口207排出进入溢液排砂箱405。
在钻抽砂结束后，供电系统供电关闭三通阀的阀口二，模拟套管204的注水口不再进平衡液，打开三通阀的阀口三，启动水泵402抽取洗砂液，洗砂液经洗砂口209将入到模拟套管204底部，对油套管模拟模块2中的砂进行清洗，并通过排砂口208及低压排砂管502排出到溢液排砂箱，将模拟油套管模块清洗干净，以便于下次实验使用。
Claims (7)
1.一种同心双层连续管钻抽砂试验系统，其特征在于：包含油套管模拟模块（2）、高压注液排液系统（3）、低压注水溢液系统（4）、低压洗砂排砂系统（5）和供电系统（6），油套管模拟模块（2）分别与高压注液排液系统（3）、低压注水溢液系统（4）和低压洗砂排砂系统（5）连接，形成三条通路，供电系统（6）为三条通路提供动力电源；
所述油套管模拟模块（2）包含工具升降机构（212）、钻抽砂工具、模拟油管（203）、模拟套管（204）、注砂斗（205）、注水口（206）、溢水口（207）、排砂口（208）和洗砂口（209）；模拟套管（204）套设在模拟油管（203）外，模拟套管（204）与模拟油管（203）之间充有砂液，钻抽砂工具垂直设置在模拟油管（203）内，工具升降机构（212）带动钻抽砂工具在模拟油管（203）内上下移动，模拟油管（203）底部设有进砂缝（213），砂液可由进砂缝进入到模拟油管（203）内，模拟套管（204）管壁上从上至下依次设有溢水口（207）、注水口（206）、注砂斗（205）、排砂口（208）和洗砂口（209）；
在高压注液排液系统形成的通路中，供电线路一（61）将供电系统与启停开关及变频器一（301）和高压往复泵（302）串连，高压往复泵（302）出水端泵口通过高压注液管（311）与压力监测装置一（303）、节流阀一（304）、流量监测装置一（305）和双层连续管（306）的内管依次串连后连接到钻抽砂工具，双层连续管的内管和外管之间的环状空间通过高压排液管（312）与压力监测装置二（309）、流量监测装置二（310）、节流器（307）和采出存储箱（308）依次串连；
在低压注水溢液系统（4）形成的通路中，供电线路二（62）将启停开关及变频器二（401）和水泵（402）串连，水泵（402）泵口通过低压注水管（406）与压力监测装置三（403）、流量监测装置三（407）和三通阀（404）阀口一依次串连，三通阀的阀口二与油套管模拟模块的注水口（206）连接，油套管模拟模块的溢水口（207）通过低压溢液管（411）与溢液排砂箱（405）连接；
在低压洗砂排砂系统（5）形成的通路中，三通阀的阀口三通过低压洗砂管（501）与油套管模拟模块的洗砂口（209）连接，油套管模拟模块的排砂口（208）通过低压排砂管（502）与溢液排砂箱（405）连接。
2.根据权利要求1所述的一种同心双层连续管钻抽砂试验系统，其特征在于：所述高压注液排液系统（3）、低压注水溢液系统（4）和低压洗砂排砂系统（5）共用清水箱（7），形成封闭循环系统。
3.根据权利要求1或2所述的一种同心双层连续管钻抽砂试验系统，其特征在于：所述模拟油管（203）和模拟套管（204）上部均为钢结构，两者上端通过法兰盘（211）连接，模拟油管（203）和模拟套管（204）下部均为透明有机玻璃。
4.根据权利要求1或2所述的一种同心双层连续管钻抽砂试验系统，其特征在于：所述钻抽砂工具由相互连接的钻杆（201）和钻具（202）组成。
5.根据权利要求1所述的一种同心双层连续管钻抽砂试验系统，其特征在于：还包含框架升降模块（1），框架升降模块（1）至少包含启停开关及变频器三（11）、起下电机及减速器（12）和链轮链条机构（13），工具升降机构（212）与链轮链条机构（13）连接，供电线路三（63）将供电系统与启停开关及变频器三（11）和起下电机及减速器（12）串连，链轮链条机构（13）的链轮轴与起下电机及减速器（12）连接，油套管模拟模块（2）中的钻抽砂工具顶部与工具升降机构（212）连接，起下电机及减速器（12）驱动链轮链条机构（13）转动，工具升降机构（212）带动钻抽砂工具在模拟油管（203）内上下移动。
6.根据权利要求1所述的一种同心双层连续管钻抽砂试验系统，其特征在于：所述三通阀（404）的阀口一、阀口二和阀口三分别与节流阀A（408）、节流阀B（409）和节流阀C（410）连接。
7.一种同心双层连续管钻抽砂试验方法，采用权利要求1-6中任意一项所限定的试验系统，其特征在于如下步骤：
①在开始钻抽砂实验之前，工具升降机构（212）带动钻抽砂工具下降到合适位置；
②供电系统供电，启动启停开关及变频器一（301）控制高压往复泵（302）工作，通过压力监测装置一（303）和流量监测装置一（305）获取和传输压力和流量数据，高压往复泵（302）通过高压注液管（311）将动力液注入双层连续管的内管中，双层连续管的内管与钻抽砂工具的驱动马达连接，动力液驱动马达带动钻抽砂工具转动，同时工具升降机构（212）带动钻抽砂工具上下移动，系统开始模拟钻抽；
钻抽砂工具抽出的砂液通过双层连续管内外管之间的环空部分进入到高压排液管（312），排入采出存储箱（308）进行砂处理，完成抽砂；同时压力监测装置二（309）和流量监测装置二（310）进行流量和压力数据的获取和调节；
③在钻抽砂的同时，由供电系统供电，启动启停开关及变频器二（401）控制水泵（402）工作，通过压力监测装置三（403）和流量监测装置三（407）获取管路中压力和流量数据， 同时通过注水口（206）向模拟套管（204）中注入平衡液，平衡液保持钻抽时的液体压力平衡，当液体过多时，会通过溢水口（207）排出进入溢液排砂箱（405）；
④在钻抽砂结束后，关闭三通阀的阀口二，模拟套管（204）的注水口不再进平衡液，打开三通阀的阀口三，启动水泵（402）抽取洗砂液，洗砂液经洗砂口（209）将入到模拟套管（204）底部，对油套管模拟模块（2）中的砂进行清洗，并通过排砂口（208）及低压排砂管（502）排出到溢液排砂箱(405)，将模拟油套管模块清洗干净，以便于下次实验使用。
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