CN114858981A - 钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气钻井技术领域，公开了钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统，包括井筒模拟系统、流体供给系统、管路系统、数据测量模块和数据采集与处理系统；本发明的目的在于构建综合考虑地层油、气、水侵入井筒过程及其引发的复杂井筒多相流的钻井复杂溢流模拟实验装置，并在此基础上，增加声‑电耦合监测模块，用于研究声‑电场对复杂溢流的响应特性。本发明较现有实验装置比，可大幅提升实验效率和准确性。

Description

钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统

技术领域

本发明涉及油气钻井技术领域，具体涉及一种钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统。

背景技术

深水钻井由于缺乏对深部地层及井下工况的准确预测和监测信息，钻完井过程中井下复杂情况的发生风险大幅增加。其中，溢流是引发井涌甚至井喷的主要诱因，尽早准确发现溢流，是避免井喷的关键之一。目前针对溢流早期监测的关注点，已从地面（如泥浆池液面方法、录井数据分析方法）逐步转移至井下（如隔水管超声波监测方法、基于LWD/PWD等近钻头间接测量方法），其中，在近钻头处利用声-电场耦合对地层侵入流体进行测量是未来发展的方向，其实现的前提条件之一便是探明不同地层及井筒参数条件下复杂溢流的特征及声-电场的响应特性。利用实验模拟井下“看不到、摸不着”的溢流特征及声-电场的响应特性是目前最有效且最接近真实工况的手段。而不同的地层及井筒参数条件下，油、气、水等不同地层流体侵入井筒后的溢流特征复杂多变，目前尚未有实验装置能够较好的对其进行模拟（主要难点在于地层与井筒的耦合，目前常用的实验装置仅能够模拟井筒气液两相流或气液固三相流，无法将地层油气水侵入井筒的过程及其引发的复杂井筒多相流进行有效的模拟），且未见有关声-电耦合监测复杂溢流的实验及相关装置报道。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统，本发明的目的在于构建综合考虑地层油、气、水侵入井筒过程及其引发的复杂井筒多相流的钻井复杂溢流模拟实验装置，并在此基础上，增加声-电耦合监测模块，用于研究声-电场对复杂溢流的响应特性。

本发明解决技术问题的技术方案为：

钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统，包括井筒模拟系统、流体供给系统、管路系统、数据测量模块和数据采集处理系统。

所述井筒模拟系统包括翻转支架、转动设置在翻转支架上的模拟井筒、为模拟井筒翻转提供动力的翻转电机。

模拟井筒包括外部的有机玻璃井筒及设置在有机玻璃井筒内部的钻杆，模拟井筒的上下两端均由烧结板密封，烧结板是一种刚性过滤板，当气体通过时可均匀分布为气泡。有机玻璃井筒的上法兰设有与钻杆内部连通的流体入口、与有机玻璃井筒连通的流体出口和高压密封引线接头，通过所述的压密封引线接头，一方面保证压力容器有一定的内外压差，另一方面将模拟井筒内的测量仪器与外部设备进行连接和通信：内接超声波传感器和电容传感器，外接数据采集模块，模拟井筒的下法兰设有与有机玻璃井筒连通的气体入口、与有机玻璃井筒连通的地层流体入口以及与钻杆内部连通的下放空口。所述的下方空口用于实验结束后，排出模拟井筒内的流体。钻杆底部设有流体循环口，所述的流体循环口连通钻杆的内部空间与有机玻璃井筒的内部空间。

模拟井筒安装在固定支架上，固定支架中部安装翻转轴，翻转轴通过轴承座安装在翻转支架上。翻转轴的一端连接旋转减速机及翻转电机，在翻转电机的带动下可对井筒调整不同角度，方便将上法兰打开安装超声波传感器和电容传感器，以及根据实验需要在有机玻璃井筒和内部钻杆形成的环形空间放入一定直径和密度的塑料小球用来模拟地层岩屑，同时固定不同倾斜角度的井筒还可模拟定向井和水平井。翻转支架底部设有万向轮，通过所述的万向轮便于移动模拟井筒。模拟井筒的上法兰、下法兰处均通过卡箍式快开结构进行连接，钻杆上安装有超声波传感器和电容传感器及模拟钻具稳定器，模拟钻具稳定器主要用于模拟真实钻井中所使用的稳定器，模拟钻具稳定器安装于钻杆上，将超声波传感器和电容传感器安装在模拟钻具稳定器上，可根据实验需要安装超声波传感器和电容传感器，并根据研究不同井深调整超声波传感器或电容传感器在钻杆上的位置，所述的电容传感器也称为介电模块。模拟井筒侧面连接有八个第五压力测试接口，第五压力测试接口可连接实验需要的压力传感器，第五压力测试接口用于监测有机玻璃井筒和内部钻杆形成的环形空间的流体压力。

所述流体供给系统包括液体供给部分和气体供给部分。液体供给部分包括地层流体供给系统和泥浆循环系统。

地层流体供给系统包括空压机、配制罐和活塞压力桶，所述的空压机通过管路连接活塞压力桶的气腔，所述的配置罐通过管路连接活塞压力桶的物料腔，所述的活塞压力桶的物料腔通过管路与模拟井筒的地层流体入口连接，且所述的活塞压力桶与地层流体入口之间的管路上设置有第一电磁流量计、第一单向阀和第四压力测试接口。

气体供给部分包括空压机，所述的空压机通过管路与模拟井筒的气体入口连接，所述的空压机与气体入口之间的管路上设置有第二电磁流量计、第二单向阀和第三压力测试接口。

所述的活塞压力桶的物料腔与空压机分别通过管路连接有放空阀门，所述的放空阀门的作用为用于实验结束后，排出活塞压力桶物料腔中的流体与空压机中的气体。

泥浆循环系统包括搅拌罐、泥浆泵和储液罐，所述的搅拌罐通过管路连接泥浆泵，所述的泥浆泵通过管路与模拟井筒的流体入口连接，所述的泥浆泵与流体入口之间的管路上设置有第二压力测试接口，所述的模拟井筒的流体出口与储液罐通过管路连接，所述的流体出口与储液罐之间的管路上设置有第一压力测试接口。

所述活塞压力桶适用于模拟具备一定原始压力的流体，利用活塞压力桶的上部气腔给下部物料腔内的油或盐水（模拟地层原油和盐水）施加恒定的原始压力。

所述管路系统包括管路、球阀、第一单向阀、第二单向阀和放空阀门，所述的每段管路上均设置有球阀，所述的模拟井筒与管路连接处均使用快速接头连接或者耐压卡箍连接。

所述数据测量模块包括压力传感器或压差传感器以及第一电磁流量计、第二电磁流量计，所述的压力传感器或压差传感器设置于第一压力测试接口、第二压力测试接口、第三压力测试接口、第四压力测试接口、第五压力测试接口上，压力测试采用导管引流方式，通过管路将模型内部压力引出到外部的压力测试接口，再连接压力传感器或压差传感器检测压力数据，所述的数据测量模块与监控终端连接，监控终端通过数据采集处理系统输出到计算机上。液体及气体流量测量采用电磁流量计。

所述数据采集处理系统包括采集卡、数据采集处理软件。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

针对在近钻头处利用声-电场耦合监测复杂溢流的实际需求，以及目前实验装置无法综合考虑地层-井筒参数模拟复杂溢流特征和声-电场响应特性的不足，从地层流体侵入井筒、多相流演变以及声-电场监测的基本原理出发，创新设计了钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统，实现了不同类型地层流体侵入井筒过程、复杂溢流井筒多相流特征、声-电场对多相流特征的响应特性等多个单独实验过程的协同，用于开展不同地层-井筒参数条件下复杂溢流特征以及不同声-电场对溢流特征的响应特性的实验研究，较现有实验装置比，可大幅提升实验效率和准确性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的井筒模拟系统的结构示意图；

图3为超声波传感器安装位置的俯视图；

图中，搅拌罐1、监控终端2、泥浆泵3、球阀4、放空阀门5、空压机6、活塞压力桶7、配制罐8、第一单向阀91、第二单向阀92、第一电磁流量计101、第二电磁流量计102、第一压力测试接口111、第二压力测试接口112、第三压力测试接口113、第四压力测试接口114、第五压力测试接口115、电容传感器12、超声波传感器13、储液罐14、流体出口15、烧结板16、钻杆17、固定支架18、轴承座19、翻转轴20、模拟钻具稳定器21、气体入口22、下法兰23、万向轮24、下放空口25、流体循环口27、翻转支架28、旋转减速机29、翻转电机30、有机玻璃井筒31、高压密封引线接头32、流体入口33、地层流体入口34、上法兰35。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

实施例1

一种针对循环钻进工况下的固-液两相流气侵监测模拟方案，包括通过管路依次连接的搅拌罐1、泥浆泵3、井筒模拟系统和储液罐14以及通过管路依次连接的空压机6、活塞压力桶7和配置罐8，所述的泥浆泵3通过管路与流体入口33连接，所述的储液罐14与流体出口15通过管路连接。在井筒模拟系统的有机玻璃井筒31和内部钻杆17形成的环形空间中加入一定直径和密度的塑料小球模拟岩屑。钻井液经搅拌罐1由泥浆泵3从流体入口33泵入内部钻杆17，由流体循环口27流入环形空间再由流体出口15流入储液罐14，构成钻井液循环系统。在此基础上，通过调节空压机6压力控制活塞压力桶7气腔里的压力，利用活塞压力桶7将配置罐8中不同性质的地层流体（主要是地层油和水）通过第一单向阀91经地层流体入口34后再通过烧结板16均匀的注入有机玻璃井筒31和内部钻杆17形成的环形空间。

如图1所示，第一压力测试接口111和第二压力测试接口112分别接压力传感器，可监测钻井液流经模拟井筒的压力情况，第四压力测试接口114接压力传感器可监测注入不同性质的地层流体（主要是地层油和水）的压力情况，第一电磁流量计101可记录注入地层流体流量情况，内部钻杆外超声波传感器13和电容传感器12可监测环形空间的声波信号和电磁波信号。预留八个第五压力测试接口115，可接压力传感器或者差压传感器以显示井筒内竖向压力情况，这些测量仪表均连接在监控终端2，通过数据采集处理系统输出到计算机上。

实施例2

一种针对停钻气侵工况下的气-液两相流气侵监测模拟方案，包括通过管路依次连接的搅拌罐1、泥浆泵3、井筒模拟系统和储液罐14以及通过管路依次连接的空压机6、活塞压力桶7和配置罐8。钻井液经搅拌罐1由泥浆泵3从流体入口33泵入内部钻杆17，由流体循环口27流入有机玻璃井筒31和内部钻杆17形成的环形空间，再由流体出口15流入储液罐14，构成钻井液循环系统。在此基础上，通过调节空压机6压力控制活塞压力桶7气腔里的压力，利用活塞压力桶7将配置罐8中不同性质的地层流体（主要是地层油和水）通过第一单向阀91经地层流体入口34后再通过烧结板16均匀的注入有机玻璃井筒31和内部钻杆17形成的环形空间。同时直接利用空压机6依次通过球阀4、第二单向阀92经气体入口22后再通过烧结板16均匀地向环形空间内注入一定量气泡。

如图1所示，第一压力测试接口111和第二压力测试接口112分别接压力传感器，可监测钻井液流经模拟井筒的压力情况，第四压力测试接口114和第三压力测试接口113接压力传感器可分别监测注入地层流体和气体的压力情况，第一电磁流量计101和第二电磁流量计102可分别记录注入地层流体和气体的流量情况，内部钻杆17外侧的超声波传感器13和电容传感器12可监测环形空间的声波信号和电磁波信号。预留八个第五压力测试接口115，可接压力传感器或者差压传感器以显示井筒内竖向压力情况，这些测量仪表均连接在监控终端2，通过数据采集处理系统输出到计算机上。

实施例3

一种针对循环钻进气侵和停钻气侵工况下的气-液-固多相流气侵监测模拟方案，包括通过管路依次连接的搅拌罐1、泥浆泵3、井筒模拟系统和储液罐14以及通过管路依次连接的空压机6、活塞压力桶7和配置罐8。在井筒模拟系统的有机玻璃井筒31和内部钻杆17形成的环形空间中加入一定直径和密度的塑料小球模拟岩屑。钻井液经搅拌罐1由泥浆泵3从流体入口33泵入内部钻杆17，由流体循环口27流入环形空间再由流体出口15流入储液罐14，构成钻井液循环系统。通过调节空压机6压力控制活塞压力桶7气腔里的压力，利用活塞压力桶7将配置罐8中不同性质的地层流体（主要是地层油和水）通过第一单向阀91经地层流体入口34后再通过烧结板16均匀的注入环形空间。同时直接利用空压机6依次通过球阀4、第二单向阀92经气体入口22后再通过烧结板16均匀地向环形空间内注入一定量气泡。

如图1所示，第一压力测试接口111和第二压力测试接口112分别接压力传感器，可监测钻井液流经模拟井筒的压力情况，第四压力测试接口114和第三压力测试接口113接压力传感器可分别监测注入地层流体和气体的压力情况，第一电磁流量计101和第二电磁流量计102可分别记录注入地层流体和气体的流量情况，内部钻杆17外侧的超声波传感器13和电容传感器12可监测环形空间的声波信号和电磁波信号。右侧预留八个第五压力测试接口115，可接压力传感器或者差压传感器以显示井筒内竖向压力情况，这些测量仪表均连接在监控终端2，通过数据采集处理系统输出到计算机上。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统，其特征在于，包括井筒模拟系统、流体供给系统、管路系统、数据测量模块和数据采集处理系统；

所述井筒模拟系统包括模拟井筒，模拟井筒包括外部的有机玻璃井筒及设置在有机玻璃井筒内部的钻杆，模拟井筒的上下两端均由烧结板密封，有机玻璃井筒的上法兰设有与钻杆内部连通的流体入口、与有机玻璃井筒连通的流体出口和高压密封引线接头，模拟井筒的下法兰设有与有机玻璃井筒连通的气体入口、与有机玻璃井筒连通的地层流体入口以及与钻杆内部连通的下放空口，钻杆底部设有流体循环口，所述的流体循环口连通钻杆的内部空间与有机玻璃井筒的内部空间，钻杆上安装有超声波传感器和电容传感器及模拟钻具稳定器；

所述流体供给系统包括液体供给部分和气体供给部分，液体供给部分包括地层流体供给系统和泥浆循环系统；

地层流体供给系统包括空压机、配制罐和活塞压力桶，所述的空压机通过管路连接活塞压力桶的气腔，所述的配置罐通过管路连接活塞压力桶的物料腔，所述的活塞压力桶的物料腔通过管路与模拟井筒的地层流体入口连接，且所述的活塞压力桶与地层流体入口之间的管路上设置有第一电磁流量计、第一单向阀和第四压力测试接口；

泥浆循环系统包括搅拌罐、泥浆泵和储液罐，所述的搅拌罐通过管路连接泥浆泵，所述的泥浆泵通过管路与模拟井筒的流体入口连接，所述的泥浆泵与流体入口之间的管路上设置有第二压力测试接口，所述的模拟井筒的流体出口与储液罐通过管路连接，所述的流体出口与储液罐之间的管路上设置有第一压力测试接口；

气体供给部分包括空压机，所述的空压机通过管路与模拟井筒的气体入口连接，所述的空压机与气体入口之间的管路上设置有第二电磁流量计、第二单向阀和第三压力测试接口；

所述管路系统包括管路、球阀、第一单向阀、第二单向阀，所述的每段管路上均设置有球阀；

所述数据测量模块包括压力传感器或压差传感器以及第一电磁流量计、第二电磁流量计，所述的压力传感器或压差传感器设置于第一压力测试接口、第二压力测试接口、第三压力测试接口、第四压力测试接口、第五压力测试接口上，所述的数据测量模块与监控终端连接，监控终端通过数据采集处理系统输出到计算机上；

所述数据采集处理系统包括采集卡、数据采集处理软件。

2.如权利要求1所述的钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统，其特征在于，所述井筒模拟系统包括还包括翻转支架、为模拟井筒翻转提供动力的翻转电机，模拟井筒转动设置在翻转支架上。

3.如权利要求2所述的钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统，其特征在于，模拟井筒安装在固定支架上，固定支架中部安装翻转轴，翻转轴通过轴承座安装在翻转支架上，翻转轴的一端连接旋转减速机及翻转电机。

4.如权利要求3所述的钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统，其特征在于，翻转支架底部设有万向轮。

5.如权利要求1-4任一项所述的钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统，其特征在于，模拟井筒的上法兰、下法兰处均通过卡箍式快开结构进行连接。

6.如权利要求1-4任一项所述的钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统，其特征在于，超声波传感器或电容传感器在钻杆上的位置可调整。

7.如权利要求1-4任一项所述的钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统，其特征在于，所述管路系统还包括放空阀门，所述的活塞压力桶的物料腔与空压机分别通过管路连接有放空阀门。

8.如权利要求1-4任一项所述的钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统，其特征在于，所述的模拟井筒与管路连接处均使用快速接头连接或者耐压卡箍连接。

9.如权利要求1-4任一项所述的钻井复杂溢流模拟及声电耦合溢流监测实验系统，其特征在于，模拟井筒侧面连接有八个第五压力测试接口，第五压力测试接口用于监测有机玻璃井筒和内部钻杆形成的环形空间的流体压力。

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