CN118065867A - 一种控压钻井中井筒和地层耦合流动模拟测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种控压钻井中井筒和地层耦合流动模拟测试装置，包括，模拟井筒、模拟地层、过滤管和数据采集处理系统；所述模拟井筒和模拟地层通过过滤管连接，所述数据采集处理系统接收模拟井筒压力传感器信息和模拟地层压力传感器信息，并控制模拟测试装置。有益效果是，通过过滤管连接地层和井筒装置，在地层和井筒两侧分别通过泵控制产生不同压力，在井筒－地层模拟装置中注入气或液分别模拟流体从井筒入侵地层和地层入侵井筒的情况，通过回路中压力、温度和流量监测得到在考虑回压控制影响的情况下控压钻井井筒‑地层耦合流动的参数及其变化，为控压钻井中水力学参数计算提供更加贴近实际的试验模拟。
Description
技术领域
本发明属于油气钻井工程领域；特别是涉及一种考虑回压影响的控压钻井井筒-地层耦合流动模拟监测装置。
背景技术
控制压力钻井(Managed Pressure Drilling，MPD)技术是一种用于控制井筒环空压力的钻井技术，主要通过控制钻井液密度，当量循环密度和井口回压实现对井底压力相对稳定的控制。
在控压钻井的过程中，通过调节钻井液密度实现控压，具有延时作用的特点，在正常钻进过程中可以起到调节作用，但并不能及时且有效的应对可能出现的复杂的钻井工况，此时通过在井口施加回压来进行井控的手段便可以做到迅速调整钻井过程中的井筒压力，其基本原理便是利用封闭的压力循环系统，通过调节节流管汇系统，实现控压钻井的回压控制。
控压钻井在应用到实际工作过程中，必须得将地层情况也考虑进去，这就需要到地层和井筒的耦合理论模型。井筒流体流动属于流体力学的研究范畴，地层中的流体流动属于渗流力学的研究范畴，故井筒与地层的耦合理论的关键在于明确井筒流动过程的数学描述以及井筒与地层交界面的耦合方式。目前针对耦合处流动已有不少理论研究，其流动特征的常用表示方法有经验公式法、简化流体力学法和等效渗流法等，但为了评判理论的可行性，还需要充足的实验进行有效的佐证。
根据已知的研究可知，控压钻井动态井控在处理中小规模的气侵和溢流有很大的优势，目前主要使用软件模拟的方法对井控中的水力学参数进行理论研究，而实际井控中气侵或溢流的时间和量以及井筒和地层相关参数等都无法直接测量。因此，需要进一步开展实验研究，为井控关键控制参数的优化设计提供准确的依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种针对带有回压的控压钻井中井筒和地层耦合流动模拟测试装置。
本发明所采用的技术方案是，一种控压钻井中井筒和地层耦合流动模拟测试装置，包括，模拟井筒、模拟地层、过滤管和数据采集处理系统；所述模拟井筒和模拟地层通过过滤管连接，所述数据采集处理系统接收模拟井筒压力传感器信息和模拟地层压力传感器信息，并控制模拟测试装置。
所述模拟井筒为透明体，井筒立管垂向分布有测压口和压力传感器，井筒内置有穿孔泡沫浮板分割气液两相，井筒下部连接有气体流量计、液体流量计、安全阀和阀门，所述阀门控制流体回路，管道下部开有出水口，出水口处安装有阀门和井底压力表，出水管路连接至水槽；所述模拟井筒上端开有注水口，注水管路通过水泵连接至水槽。
所述模拟地层包括水平岩心段、氮气瓶和管路；所述水平岩心段的出口通过管路与氮气瓶连接，氮气瓶通过管路与模拟井筒连接。
所述水平岩心段包括岩心夹持器；所述岩心夹持器内置岩心，岩心夹持器外部分布有测压口、压力传感器和围压表，监测压力分布；
岩心夹持器出口管路一路通过气体流量计、岩心加压气泵与氮气瓶连接，或通过井口回压气泵、气体流量计进入模拟井筒，沿途管路上安装有岩心压力表、卸压阀、温度计、回路压力表、安全阀和井口压力表，管路节点均安装有阀门；
岩心夹持器出口管路另一路经液体流量计和岩心加压液压泵连接至水槽，管路上安装有安全阀。
所述井筒立管高5m，内径0.5m。
本发明的有益效果是，通过过滤管连接地层和井筒装置，在地层和井筒两侧分别通过泵控制产生不同压力，在井筒－地层模拟装置中注入气或液分别模拟流体从井筒入侵地层和地层入侵井筒的情况，通过回路中压力、温度和流量监测得到在考虑回压控制影响的情况下控压钻井井筒-地层耦合流动的参数及其变化，为控压钻井中水力学参数计算提供更加贴近实际的试验模拟。
附图说明
图1为本发明模拟监测装置平面示意图；
图2为本发明井筒-地层耦合气体流动图；
图3为本发明回路注水过程图；
图4为本发明筒-地层耦合液体流动图。
其中，
1.岩心夹持器 2.岩心 3.过滤管 4.出水口 5.井底压力表
6.井筒立管 7.浮板 8.注水口 9.井口压力表 10.井口回压气泵 11.回路压力表12.温度计 13.卸压阀 14.氮气瓶 15.岩心加压气泵 16.岩心加压液压泵 17.岩心压力表18.围压表 19.水槽
20.水泵 21-23.安全阀 24.测压口 25.压力传感器
26-28.气体流量计 29-30.液体流量计 31-39.阀门
40.数据采集处理系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1至图4所示，本发明一种控压钻井中井筒和地层耦合流动模拟测试装置，包括，模拟井筒、模拟地层、过滤管3和数据采集处理系统40；所述模拟井筒和模拟地层通过过滤管3连接，所述数据采集处理系统40接收模拟井筒压力传感器信息和模拟地层压力传感器信息，并控制模拟测试装置。
所述模拟井筒为透明体，井筒立管6高5m，内径0.5m，井筒立管6垂向分布有测压口24和压力传感器25，井筒内置有穿孔泡沫浮板7分割气液两相，井筒下部连接有气体流量计26、液体流量计29、安全阀21和阀门，阀门控制流体回路，管道下部开有出水口4，出水口4处安装有安全阀门31和井底压力表5，出水管路连接至水槽。模拟井筒上端开有注水口8，注水管路通过水泵20连接至水槽。
所述模拟地层包括水平岩心段和氮气瓶14；所述水平岩心段的出口通过管路与氮气瓶14连接，氮气瓶14通过管路与模拟井筒连接；
所述水平岩心段包括岩心夹持器1；所述岩心夹持器1内置岩心2，岩心夹持器1外部分布测压口监测压力分布、压力传感器和围压表18；岩心夹持器1出口管路一路通过气体流量计28、岩心加压气泵15与氮气瓶14连接，或通过井口回压气泵10、气体流量计27进入模拟井筒，沿途管路上安装有岩心压力表17、卸压阀13、温度计12、回路压力表11、安全阀22和井口压力表9，管路节点均安装有阀门；
岩心夹持器出口管路另一路经液体流量计30和岩心加压液压泵16连接至水槽19，构成液相流体的井筒-地层耦合流动模拟，管路上安装有安全阀23。
岩心夹持器出口施加压力模拟地层压力，该压力根据流体不同由通过阀门控制液压泵和气泵施加，并分别安装气体流量计和液体流量计。其中液泵接到水槽，构成液相流体的井筒-地层耦合流动模拟，气泵接到氮气瓶出口，氮气瓶另一侧接温度计、压力表、气泵和气体流量计，回注到井筒上部，通过气泵产生并控制井口回压，如此便实现了测量装备内流体回路。
该系统分为气体和液体两种流动耦合模拟模式
当模拟气体在回路中耦合流动过程时，氮气瓶作为气源，开启阀门33、阀门35、阀门36、阀门37、阀门38，关闭阀门31、阀门32、阀门34、阀门39，关闭卸压阀13，此时实验装置形成一个封闭系统，井筒上部和岩心非耦合一侧分别通过井口回压气泵10和岩心加压气泵15加压，通过调节两泵施加的压力进而模拟气体从井筒侵入地层和从地层侵入井筒两种情况，最终通过气体流量计、压力表及压力传感器等监测设备得到流体在井筒-地层耦合流动的相关参数等。
当模拟液体在井筒-地层耦合流动过程时，打开阀门34，从进水口泵入足量水，然后关闭阀门31、阀门33、阀门34、阀门37、阀门38，打开阀门32、阀门35、阀门36、阀门39，先通过井口回压气泵10加压使井筒内液体润湿岩心，然后通过岩心加压液压泵16加压产生模拟地层压力，井口回压气泵10在模拟井筒上部施加井口回压，通过调节两泵施加的压力进而模拟液体从井筒侵入地层和从地层侵入井筒两种情况，最终通过液体流量计、压力表及压力传感器等监测设备得到流体在井筒-地层耦合流动的相关参数等。
实施例：
考虑回压影响的控压钻井井筒-地层耦合气体流动测量装置的具体操作流程为：
根据现场钻井及测井资料，获取气产量、井口压力以及地层压力等数据。
连接实验装备，关闭阀门31、阀门32、阀门34、阀门35、阀门39，打开阀门33、阀门36、阀门37、阀门38阀门，开启卸压阀13。
通过.岩心加压气泵15加压，使实验回路气体流动并泄压阀13排气体，使回路充满氮气。
关闭卸压阀，打开阀门35，通过井口回压气泵10在模拟井口加回压，通过岩心加压气泵15在模拟地层加地层压力。
通过井口压力表9和岩心压力表17了解两侧加压情况，通过调节井口回压气泵10和岩心加压气泵15调节压力，并模拟气体从井筒侵入地层和从地层侵入井筒两种情况，如下图2。
通过气体流量计26、气体流量计27、气体流量计28，井底压力表5、井口压力表9、岩心压力表17及压力传感器等监测设备得到气体体在井筒-地层耦合流动的相关参数等。
停止井口回压气泵10和岩心加压气15，关闭氮气瓶阀门36，通过泄压阀13卸去回路压力，实验结束，处理数据。
本发明的工作原理是，在地层和井筒两侧分别通过泵控制产生不同压力，在井筒地层模拟装置中注入气或液分别模拟流体从井筒入侵地层和地层入侵井筒的情况，通过装置回路中压力、温度和流量装置监测得到在考虑回压控制影响的情况下控压钻井井筒-地层耦合流动的参数及其变化。
值得指出的是，本发明的保护范围并不局限于上述具体实例方式，根据本发明的基本技术构思，也可用基本相同的结构，可以实现本发明的目的，只要本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种控压钻井中井筒和地层耦合流动模拟测试装置，其特征在于，包括，模拟井筒、模拟地层、过滤管和数据采集处理系统；所述模拟井筒和模拟地层通过过滤管连接，所述数据采集处理系统接收模拟井筒压力传感器信息和模拟地层压力传感器信息，并控制模拟测试装置。
2.根据权利要求1所述的控压的钻井中井筒和地层耦合流动模拟测试装，其特征在于，所述模拟井筒为透明体，井筒立管垂向分布有测压口和压力传感器，井筒内置有穿孔泡沫浮板分割气液两相，井筒下部连接有气体流量计、液体流量计、安全阀和阀门，所述阀门控制流体回路，管道下部开有出水口，出水口处安装有阀门和井底压力表，出水管路连接至水槽；所述模拟井筒上端开有注水口，注水管路通过水泵连接至水槽。
3.根据权利要求1所述的控压钻井中井筒和地层耦合流动模拟测试装，其特征在于，所述模拟地层包括水平岩心段、氮气瓶和管路；所述水平岩心段的出口通过管路与氮气瓶连接，氮气瓶通过管路与模拟井筒连接。
4.根据权利要求3所述的控压钻井中井筒和地层耦合流动模拟测试装，其特征在于，所述水平岩心段包括岩心夹持器；所述岩心夹持器内置岩心，岩心夹持器外部分布有测压口、压力传感器和围压表，监测压力分布；
岩心夹持器出口管路一路通过气体流量计、岩心加压气泵与氮气瓶连接，或通过井口回压气泵、气体流量计进入模拟井筒，沿途管路上安装有岩心压力表、卸压阀、温度计、回路压力表、安全阀和井口压力表，管路节点均安装有阀门；
岩心夹持器出口管路另一路经液体流量计和岩心加压液压泵连接至水槽，管路上安装有安全阀。
5.根据权利要求1所述的控压钻井中井筒和地层耦合流动模拟测试装，其特征在于，所述模拟井筒立管高5m，内径0.5m。
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