CN117780278A - 一种基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气钻探技术领域，特别涉及一种基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置。其技术方案是：包括模拟井筒单元和计算机处理系统，其中，还包括模拟地层气侵单元、液相循环系统，模拟地层气侵单元包括空压机、调气阀，空压机通过管线、调气阀连接到三通球阀，三通球阀还通过管线和平衡流量计连接到气液两相流入口，所述液相循环系统包括节流阀、液固混合器、加重剂储罐、降重剂储罐、加黏剂储罐、模拟泥浆池、管路密度计、水泵、平衡流量计。有益效果是：本发明可模拟检测不同井深处由于钻杆震动产生的剪切速率，以及不同井深不同温压条件下的钻井液流变参数变化情况，为及时调整钻井液密度及流变性控制井筒压力提供理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及油气钻探技术领域，特别涉及一种基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置。
背景技术
随着我国油气资源勘探开发规模的不断扩大，钻井技术和工艺水平不断提高，越来越多的深层及超深层、深水及超深水井快速出现在各个勘探区块。而随着井深的增加，钻遇异常地层压力概率就增加，钻井过程中控压难度明显增加，而在微溢流工况下节流阀动作时井筒压力传播规律预测难度增大，井底压力调节难度增大，很难采取有效的井底压力调控策略。而且一旦井底压力不能得到及时控制，溢流状况加剧得不到及时抑制，很有可能导致井喷等事故，因此有必要设计一种模拟调节装置，为实际工况控压钻井提供一定的理论基础，特别是在微溢流工况下，控制井底压力相当重要，然而目前很难发现微溢流工况，当人工发现溢流时就已经很难抑制，导致不能及时控制井底压力导致发生危险事故。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，可以在微溢流工况下不同钻井液物性参数等因素的影响下模拟调节井底压力，并可以实时监控不同井深不同温压条件下钻井液的剪切应力、表观粘度等流变参数以及钻井液实时所受的剪切速率从而及时改变钻井液物性参数，从而控制溢流工况，进而保障钻井安全。
本发明提到的一种基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，其技术方案是：包括模拟井筒单元和计算机处理系统，其中，还包括模拟地层气侵单元、液相循环系统，所述的模拟地层气侵单元包括空压机、调气阀、平衡流量计、气液两相流入口，所述空压机通过管线、调气阀连接到三通球阀的一端进口，三通球阀的出口端通过管线、调液阀和平衡流量计连接到气液两相流入口，所述液相循环系统包括节流阀、液固混合器、加重剂储罐、降重剂储罐、电磁泵、模拟泥浆池、管路密度计、水泵、平衡流量计，所述模拟井筒单元的出液口通过管线连接节流阀、液固混合器和模拟泥浆池，在液固混合器的上端连接加重剂储罐，在液固混合器和模拟泥浆池之间的管线上通过电磁泵连接降重剂储罐，所述模拟泥浆池的另一侧出口通过管线连接管路密度计和水泵，且水泵的输出端连接到三通球阀的另一端进口。
优选的，上述模拟井筒单元包括内外管接头、内管、外管、排气口和出液口，所述外管的内腔设有内管，在外管和内管的上下两端分别安装内外管接头，在上端的内外管接头上设有出液口和排气口，在下端的内外管接头上设有气液两相流入口。
优选的，上述计算机处理系统包括压力传感器、回压传感器、工控机、流变参数检测器，所述工控机通过多条信号线和压力传感器连接到外管上，所述流变参数检测器通过流变参数检测器轨道安装在外管的内壁上，且所述工控机通过信号线连接到流变参数检测器上；所述的回压传感器安装在出液口外侧的管线上，且通过信号线连接到工控机。
优选的，上述流变参数检测器包括不锈钢金属外壳、磁力感应器、磁铁、传动链条、传动电机、传动杆、隔液轴承、悬垂，所述不锈钢金属外壳的上部安装磁力感应器，在磁力感应器的下方安设磁铁，磁铁的下端与传动杆连接，所述传动杆的下端安装隔液轴承，隔液轴承的下端连接悬垂，传动杆的中部通过传动链条连接到传动电机的输出端，通过传动电机带动传动杆转动。
优选的，上述流变参数检测器还包括固定金属杆和泄压金属外壳，所述泄压金属外壳为漏斗形结构，且安装在不锈钢金属外壳的内腔下端，所述固定金属杆的一端与不锈钢金属外壳内壁连接，所述固定金属杆的另一端套接在传动杆上。
优选的，上述固定金属杆设有两组，两组固定金属杆分别安装在传动电机的上下两侧。
优选的，上述流变参数检测器轨道包括固定销、固定孔、轨道钢轨，所述外管内壁安装轨道钢轨，且轨道钢轨上设有多组固定销和固定孔，所述流变参数检测器沿着轨道钢轨上下调整位置。
优选的，上述模拟泥浆池的上侧安装加粘剂储罐，在模拟泥浆池内设有搅拌器。
优选的，上述液固混合器包括高速搅拌器、搅拌器三通外壳、振动筛，所述搅拌器三通外壳的中部内腔安装高速搅拌器，在搅拌器三通外壳右侧出口内腔安装振动筛。
优选的，上述搅拌器三通外壳上侧进口通过加重剂管线和阀门连接加重剂储罐，所述加重剂管线内安装螺旋桨。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：
本发明能够模拟发生微溢流的工况，通过改变节流阀开度，可得到不同井深井底压力的变化速度，为实际工况节流调节井底压力提供一定的理论基础；本发明还可以模拟微溢流工况下不同钻井液参数对不同井深时节流调节井底压力的速度，为实际工况中不同钻井液参数调控井底压力提供一定的理论基础；另外，本发明设备简单，易组装，模拟井筒单元采取透明有机玻璃管模拟套管并采取不锈钢管模拟钻杆，最大程度上模拟真实井筒，采用平衡流量计可以精准监测气体流量，以制造微溢流工况；本发明可模拟检测不同井深处由于钻杆震动产生的剪切速率，以及不同井深不同温压条件下的钻井液密度及流变参数等性能参数的变化情况，为及时调整钻井液密度及流变性控制井筒压力提供理论基础。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是固液混合装置的结构示意图；
图3是流变参数检测器的结构示意图
上图中：内外管接头1、气液两相流入口2、平衡流量计3、调液阀4、三通球阀5、调气阀6、空压机7、水泵8、管路密度计9、加粘剂储罐10、模拟泥浆池11、电磁泵12、降重剂储罐13、加重剂储罐14、液固混合器15、节流阀16、回压传感器17、出液口18、排气口19、内管20、外管21、压力传感器22、工控机23、流变参数检测器24、流变参数检测器轨道25；
加重剂管线14.1、螺旋桨14.2、阀门14.3、高速搅拌器15.1、搅拌器三通外壳15.2、振动筛15.3、不锈钢金属外壳24.1、磁力感应器24.2、磁铁24.3、传动链条24.4、传动电机24.5、固定金属杆24.6、传动杆24.7、隔液轴承24.8、泄压金属外壳24.9、悬垂24.10、固定销25.1、固定孔25.2、轨道钢轨25.3。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，参照图1，本发明提到的一种基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，包括模拟井筒单元和计算机处理系统，其中，还包括模拟地层气侵单元、液相循环系统，所述的模拟地层气侵单元包括空压机7、调气阀6、平衡流量计3、气液两相流入口2，所述空压机7通过管线、调气阀6连接到三通球阀5的一端进口，三通球阀5的出口端通过管线、调液阀4和平衡流量计3连接到气液两相流入口2，所述液相循环系统包括节流阀16、液固混合器15、加重剂储罐14、降重剂储罐13、电磁泵12、模拟泥浆池11、管路密度计9、水泵8、平衡流量计3，所述模拟井筒单元的出液口18通过管线连接节流阀16、液固混合器15和模拟泥浆池11，在液固混合器15的上端连接加重剂储罐14，在液固混合器15和模拟泥浆池11之间的管线上通过电磁泵12连接降重剂储罐13，所述模拟泥浆池11的另一侧出口通过管线连接管路密度计9和水泵8，且水泵8的输出端连接到三通球阀5的另一端进口。
其中，模拟井筒单元包括内外管接头1、内管20、外管21、排气口19和出液口18，所述外管21的内腔设有内管20，在外管21和内管20的上下两端分别安装内外管接头1，在上端的内外管接头1上设有出液口18和排气口19，在下端的内外管接头1上设有气液两相流入口2。
另外，本发明提到的计算机处理系统包括压力传感器22、回压传感器17、工控机23、流变参数检测器24，所述工控机23通过多条信号线和压力传感器22连接到外管21上，所述流变参数检测器24通过流变参数检测器轨道25安装在外管21的内壁上，且所述工控机23通过信号线连接到流变参数检测器24上；所述的回压传感器17安装在出液口18外侧的管线上，且通过信号线连接到工控机23。
参照图3，本发明提到的流变参数检测器24包括不锈钢金属外壳24.1、磁力感应器24.2、磁铁24.3、传动链条24.4、传动电机24.5、传动杆24.7、隔液轴承24.8、悬垂24.10，所述不锈钢金属外壳24.1的上部安装磁力感应器24.2，在磁力感应器24.2的下方安设磁铁24.3，磁铁24.3的下端与传动杆24.7连接，所述传动杆24.7的下端安装隔液轴承24.8，隔液轴承24.8的下端连接悬垂24.10，传动杆24.7的中部通过传动链条24.4连接到传动电机24.5的输出端，通过传动电机24.5带动传动杆24.7转动。
其中，传动电机24.5可检测钻杆的剪切速率，并带动传动杆24.7以与该剪切速率相对应的转速进行转动进而带动悬垂24.10对钻井液进行轴向剪切以达到和钻杆震动相同的剪切效果，进而对钻井液流变参数进行收集。
其中，流变参数检测器24还包括固定金属杆24.6和泄压金属外壳24.9，所述泄压金属外壳24.9为漏斗形结构，且安装在不锈钢金属外壳24.1的内腔下端，所述固定金属杆24.6的一端与不锈钢金属外壳24.1内壁连接，所述固定金属杆24.6的另一端套接在传动杆24.7上。
本发明提到模拟井筒单元采取透明有机玻璃管模拟套管，采取不锈钢管模拟钻杆，最大程度上模拟真实井筒，全长可以设为40m，外管21的管径为40cm，内管20的管径为10cm，在外管21的外侧每隔5m设置一个压力传感器22，可监测不同井深处的压力随节流阀16动作的变化情况；本发明通过改变节流阀16的初始开度以及开度的变化，导致回压发生改变，回压变化情况通过回压传感器17显示，回压的改变会导致井筒内不同井深的压力发生改变。
另外，本发明提到的流变参数检测器轨道25包括固定销25.1、固定孔25.2、轨道钢轨25.3，所述外管21内壁安装轨道钢轨25.3，且轨道钢轨25.3上设有多组固定销25.1和固定孔25.2，所述流变参数检测器24沿着轨道钢轨25.3上下调整位置。
本发明提到的模拟泥浆池11的上侧安装加粘剂储罐10，用于向钻井液中添加加粘剂CMC增稠剂，加粘剂可防止固相的加重剂在低粘度的钻井液中无法稳定悬浮，可根据固相的加重剂在液相中的悬浊效果加入适量加粘剂以达到固相的加重剂在液相中稳定分散；另外，在模拟泥浆池11内设有搅拌器，用于搅拌均匀。
参照图2，本发明提到的液固混合器15包括高速搅拌器15.1、搅拌器三通外壳15.2、振动筛15.3，所述搅拌器三通外壳15.2的中部内腔安装高速搅拌器15.1，在搅拌器三通外壳15.2右侧出口内腔安装振动筛15.3，可以将结块的加重剂硫酸钡拦下并震碎成粉末流入液相循环系统；高速搅拌器15.1可以将加重剂硫酸钡与钻井液混合搅拌均匀。
另外，搅拌器三通外壳15.2上侧进口通过加重剂管线14.1和阀门14.3连接加重剂储罐14，所述加重剂管线14.1内安装螺旋桨14.2，通过螺旋桨14.2的旋转可形成一定的风力将加重剂储罐14中的表层的加重剂硫酸钡带动起来并吹入管道中，可初步防止大量硫酸钡一同进入钻井液中而导致出现结块。
另外，硫酸钡悬浊气体进入到液固混合器15内，由于防止钻井液由于气压原因流入加重剂储罐中，故阀门14.3顶部可以设有通气孔，当添加硫酸钡调节密度时处于泄压状态不可改变回压，待密度调节完毕，阀门14.3完全关闭时方可调节回压，硫酸钡进入液固混合器15后由高速搅拌器15.1将其与钻井液搅拌均匀，可再次防止硫酸钡结块进入液相循环系统。
本发明提到的基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，具体使用方法如下：
首先，打开水泵8，关闭空压机7，使钻井液从模拟泥浆池11中经过管路密度计9被泵入管线，钻井液经过三通球阀5、调液阀4、平衡流量计3，然后从气液两相流入口2进入内管20和外管21之间的环空中，钻井液在环空中向上运动，模拟钻井过程中钻井液沿环空上返，随后从顶部的出液口18排出，经过节流阀16、液固混合器15，最终回到模拟泥浆池11；
其中，可以通过加重剂储罐14向钻井液中加入硫酸钡提高泥浆密度，常用固体硫酸钡粉作为加重剂；也可以通过降重剂储罐13向钻井液中添加降重剂降低泥浆密度来制造不同钻井液参数，其中，降重剂可以使用发泡剂。
其次，当模拟微溢流工况时，将空压机7和调气阀6打开，通过改变调气阀6的开度，压缩气体沿着管线进入到三通球阀5的一端进口，并与钻井液一起混合，再经过调液阀4、平衡流量计3和气液两相流入口2进入到内管20和外管21之间的环空中，平衡流量计3能检测到微小含气率的多相流，能够模拟发生微溢流的工况，并且可以实现在模拟微溢流工况下预测井底压力并及时调控，从而防止溢流加重并导致井喷井涌等危险事故，为控制井底压力安全钻井提供一定的理论基础。
另外，流变参数检测器24设置在外管21内壁上安装的轨道钢轨25.3上，通过调节流变参数检测器24沿着环空上下移动位置，便于检测不同井深，不同温压条件下的钻井液流变参数，便于及时添加材料改变钻井液的流变性，压力传感器22能及时检测井底压力以及井筒不同井深处压力，并反馈给工控机23，进而实现了自反馈调节钻井液流变参数。
还有，轨道钢轨25.3上设有多个固定孔25.2，可在流变参数检测器24调整好位置后通过固定销25.1进行二次加固；流变参数检测器24的外部为不锈钢外壳24.1，下部为泄压金属外壳24.9可以防止钻井液的冲击力破坏悬垂24.10，在不锈钢外壳24.1的内部设有磁力感应器24.2，可感应磁铁24.3旋转所受的阻力从而测量出钻井液在该工况下的剪切应力，传动电机24.5的外侧设有感应器，可感应钻杆震动的剪切速率并以相同剪切速率的转速带动传动链条24.4为传动杆24.7提供动力带动悬垂24.10转动，悬垂24.10按照一定转速转动剪切钻井液，以达到和钻杆震动相同速率的剪切，受钻井液的阻力可由磁铁24.3传递给磁力感应器24.2，磁力感应器24.2将信号传递给工控机23可直接计算出表观粘度、塑性粘度、动切力、流性指数、稠度系数，可为钻井液的物理性质下一步调整做准备。
实施例2，本发明提到的一种基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，包括模拟井筒单元和计算机处理系统，其中，还包括模拟地层气侵单元、液相循环系统，所述的模拟地层气侵单元包括空压机7、调气阀6、平衡流量计3、气液两相流入口2，所述空压机7通过管线、调气阀6连接到三通球阀5的一端进口，三通球阀5的出口端通过管线、调液阀4和平衡流量计3连接到气液两相流入口2，所述液相循环系统包括节流阀16、液固混合器15、加重剂储罐14、降重剂储罐13、电磁泵12、模拟泥浆池11、管路密度计9、水泵8、平衡流量计3，所述模拟井筒单元的出液口18通过管线连接节流阀16、液固混合器15和模拟泥浆池11，在液固混合器15的上端连接加重剂储罐14，在液固混合器15和模拟泥浆池11之间的管线上通过电磁泵12连接降重剂储罐13，所述模拟泥浆池11的另一侧出口通过管线连接管路密度计9和水泵8，且水泵8的输出端连接到三通球阀5的另一端进口。
与实施例1不同之处是：
其中，流变参数检测器24中的固定金属杆24.6设有两组，两组固定金属杆24.6分别安装在传动电机24.5的上下两侧，用于起到对传动杆24.7的扶正与防止松动的作用。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，包括模拟井筒单元和计算机处理系统，其特征是：还包括模拟地层气侵单元、液相循环系统，所述的模拟地层气侵单元包括空压机（7）、调气阀（6）、平衡流量计（3）、气液两相流入口（2），所述空压机（7）通过管线、调气阀（6）连接到三通球阀（5）的一端进口，三通球阀（5）的出口端通过管线、调液阀（4）和平衡流量计（3）连接到气液两相流入口（2），所述液相循环系统包括节流阀（16）、液固混合器（15）、加重剂储罐（14）、降重剂储罐（13）、电磁泵（12）、模拟泥浆池（11）、管路密度计（9）、水泵（8）、平衡流量计（3），所述模拟井筒单元的出液口（18）通过管线连接节流阀（16）、液固混合器（15）和模拟泥浆池（11），在液固混合器（15）的上端连接加重剂储罐（14），在液固混合器（15）和模拟泥浆池（11）之间的管线上通过电磁泵（12）连接降重剂储罐（13），所述模拟泥浆池（11）的另一侧出口通过管线连接管路密度计（9）和水泵（8），且水泵（8）的输出端连接到三通球阀（5）的另一端进口。
2.根据权利要求1所述的基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，其特征是：所述模拟井筒单元包括内外管接头（1）、内管（20）、外管（21）、排气口（19）和出液口（18），所述外管（21）的内腔设有内管（20），在外管（21）和内管（20）的上下两端分别安装内外管接头（1），在上端的内外管接头（1）上设有出液口（18）和排气口（19），在下端的内外管接头（1）上设有气液两相流入口（2）。
3.根据权利要求2所述的基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，其特征是：所述计算机处理系统包括压力传感器（22）、回压传感器（17）、工控机（23）、流变参数检测器（24），所述工控机（23）通过多条信号线和压力传感器（22）连接到外管（21）上，所述流变参数检测器（24）通过流变参数检测器轨道（25）安装在外管（21）的内壁上，且所述工控机（23）通过信号线连接到流变参数检测器（24）上；所述的回压传感器（17）安装在出液口（18）外侧的管线上，且通过信号线连接到工控机（23）。
4.根据权利要求3所述的基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，其特征是：所述流变参数检测器（24）包括不锈钢金属外壳（24.1）、磁力感应器（24.2）、磁铁（24.3）、传动链条（24.4）、传动电机（24.5）、传动杆（24.7）、隔液轴承（24.8）、悬垂（24.10），所述不锈钢金属外壳（24.1）的上部安装磁力感应器（24.2），在磁力感应器（24.2）的下方安设磁铁（24.3），磁铁（24.3）的下端与传动杆（24.7）连接，所述传动杆（24.7）的下端安装隔液轴承（24.8），隔液轴承（24.8）的下端连接悬垂（24.10），传动杆（24.7）的中部通过传动链条（24.4）连接到传动电机（24.5）的输出端，通过传动电机（24.5）带动传动杆（24.7）转动。
5.根据权利要求4所述的基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，其特征是：所述流变参数检测器（24）还包括固定金属杆（24.6）和泄压金属外壳（24.9），所述泄压金属外壳（24.9）为漏斗形结构，且安装在不锈钢金属外壳（24.1）的内腔下端，所述固定金属杆（24.6）的一端与不锈钢金属外壳（24.1）内壁连接，所述固定金属杆（24.6）的另一端套接在传动杆（24.7）上。
6.根据权利要求5所述的基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，其特征是：所述固定金属杆（24.6）设有两组，两组固定金属杆（24.6）分别安装在传动电机（24.5）的上下两侧。
7.根据权利要求6所述的基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，其特征是：所述流变参数检测器轨道（25）包括固定销（25.1）、固定孔（25.2）、轨道钢轨（25.3），所述外管（21）内壁安装轨道钢轨（25.3），且轨道钢轨（25.3）上设有多组固定销（25.1）和固定孔（25.2），所述流变参数检测器（24）沿着轨道钢轨（25.3）上下调整位置。
8.根据权利要求7所述的基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，其特征是：所述模拟泥浆池（11）的上侧安装加粘剂储罐（10），在模拟泥浆池（11）内设有搅拌器。
9.根据权利要求8所述的基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，其特征是：所述液固混合器（15）包括高速搅拌器（15.1）、搅拌器三通外壳（15.2）、振动筛（15.3），所述搅拌器三通外壳（15.2）的中部内腔安装高速搅拌器（15.1），在搅拌器三通外壳（15.2）右侧出口内腔安装振动筛（15.3）。
10.根据权利要求9所述的基于自反馈调节钻井液性能参数的井底压力调节装置，其特征是：所述搅拌器三通外壳（15.2）上侧进口通过加重剂管线（14.1）和阀门（14.3）连接加重剂储罐（14），所述加重剂管线（14.1）内安装螺旋桨（14.2）。
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