CN212671618U - 一种自动起钻灌浆的模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种自动起钻灌浆的模拟实验装置。所述装置包括起钻模拟系统和灌浆模拟系统，起钻模拟系统包括模拟井筒、液位计、模拟钻柱和升降机构，模拟井筒能模拟钻井井眼，液位计能计量模拟井筒中钻井液高度；升降机构能使模拟钻柱上下移动；灌浆模拟系统包括灌浆管线、节流阀和节流阀控制器，以及依次连接的雷达电磁波测速仪、服务器、灌浆泵伺服器、灌浆泵控制器、灌浆泵和钻井液罐，灌浆管线分别与模拟井筒和灌浆泵连接，节流阀设在灌浆管线上，雷达电磁波测速仪能测量模拟钻柱移动速度。本实用新型的有益效果包括：装置结构简便，操作方便，能够实现起钻灌浆系统的排量准确计算，能够修正起钻灌浆系统的排量。

Description

一种自动起钻灌浆的模拟实验装置

技术领域

本实用新型涉及钻井装备领域，特别地，涉及一种自动起钻灌浆的模拟实验装置。

背景技术

石油钻井过程中，钻杆起出后，井内泥浆液面降低，如果长时间不向井筒环空中灌入钻井液(俗称灌浆)保持液面高度，就会让井内液柱因为变短而使液柱井底压力变低，同时因为起钻过程中由于抽吸作用会形成负压，两者叠加，就会大大地破坏地底的压力平衡(地层压力和泥浆液柱压力之间的平衡)，若地层压力过大会引发溢流、井涌、井喷。

自动起钻灌泥浆主要是防止溢流发生，用灌入得泥浆来充填减少的钻杆的体积，保持井内有较高钻井液液柱压力，来平衡地层压力，实现一次井控。但是由于钻柱在起钻时，会捎带少量的钻井液出井，并造成一定的钻井液损失，即实际需要灌浆的体积要大于起出的钻柱体积。自动起钻灌浆装置若无法精确计算实际需要灌入井眼中的钻井液体积，就无法实现自动、及时的进行起钻灌浆，不能及时防止溢流发生，具有一定的井控风险。

实用新型内容

针对现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本实用新型的目的之一在于提供一种有助于实现准确灌浆的自动起钻灌浆的模拟实验装置。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种自动起钻灌浆的模拟实验装置。

所述装置可包括：所述装置包括起钻模拟系统和灌浆模拟系统，其中，起钻模拟系统包括：模拟井筒、液位计、模拟钻柱和升降机构，其中，模拟井筒被配置为能够模拟钻井井眼，并能够盛装用于模拟实验的钻井液；液位计能够计量并显示模拟井筒中钻井液的高度；模拟钻柱能够放入到模拟井筒中；升降机构能够使模拟钻柱在模拟井筒中上下移动；灌浆模拟系统包括：灌浆管线、节流阀和节流阀控制器，以及依次连接的雷达电磁波测速仪、服务器、灌浆泵伺服器、灌浆泵控制器、灌浆泵和钻井液罐，其中，灌浆管线的两端分别与模拟井筒和灌浆泵连接；节流阀设置在灌浆管线上，并被配置为能够调节灌浆管线中流体的流量；节流阀控制器与节流阀相连接，并被配置为能够调节节流阀的开度；雷达电磁波测速仪设置在模拟井筒的顶部，并被配置为能够测量模拟钻柱移动的速度；灌浆泵伺服器还与节流阀控制器连接；灌浆泵控制器被配置为能够控制灌浆泵启动或停止；灌浆泵还与钻井液罐相连接。

根据本实用新型的一个示例性实施例，所述模拟井筒的材质可以为透明材料。

根据本实用新型的一个示例性实施例，所述模拟井筒可以包括多个内径不同的井筒段。

根据本实用新型的一个示例性实施例，所述模拟钻柱的长度可不大于模拟井筒的深度。

根据本实用新型的一个示例性实施例，所述升降机构包括可电机、滑轮和拉绳。

根据本实用新型的一个示例性实施例，所述灌浆模拟系统还可包括设置在灌浆管线上的第一流量计，第一流量计被配置为能够测量灌浆管线中流体的流量。

根据本实用新型的一个示例性实施例，所述灌浆模拟系统还可包括返流管线，返流管线的一端与所述井筒连接，另一端与所述钻井液罐连接。

根据本实用新型的一个示例性实施例，所述灌浆模拟系统还可包括设置在返流管线上的第二流量计，第二流量计被配置为能够测量返流管线中流体的流量。

根据本实用新型的一个示例性实施例，所述返流管线可位于所述灌浆管线之上。

根据本实用新型的一个示例性实施例，所述服务器可包括计算机。

根据本实用新型的一个示例性实施例，所述服务器内可存储有起钻作业前井内钻具的情况。

根据本实用新型的一个示例性实施例，所述钻具情况包括：钻头、螺杆、钻铤、钻杆和加重钻杆中至少一种钻具的外径、内径和长度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果可包括：装置结构简便，操作方便，能够实现起钻灌浆系统的排量准确计算，能够修正起钻灌浆系统的排量，有助于减少人为疏忽带来的风险，减轻人的体力劳动工作量，有利于降低HSE风险，有助于有效避免溢流、井涌、井喷。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本实用新型的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本实用新型一个示例性实施例中自动起钻灌浆的模拟实验装置的一个示意图；

主要附图标记说明：

110-模拟井筒，120-模拟钻柱，131-电机，132-滑轮，133-拉绳；210-雷达电磁波测速仪，220-服务器，230-钻井液罐，241-灌浆系统伺服器，242-灌浆泵控制器，243-灌浆泵，244-节流阀控制器，245节流阀，246-第一流量计，247-第二流量计，248-灌浆管线，249-返流管线。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本实用新型的自动起钻灌浆的模拟实验装置。

在本实用新型的一个示例性实施例中，所述自动起钻灌浆的模拟实验装置可包括：钻模拟系统和灌浆模拟系统。起钻模拟系统能够模拟起钻作业，灌浆模拟系统能够模拟灌浆。

如图1所示，起钻模拟系统可包括：模拟井筒110、液位计(图中未示出)、模拟钻柱120和升降机构(图中未示出)。其中，模拟井筒110能够模拟钻井井眼。液位监测单元能够测量并显示模拟井筒中液位的高度。模拟钻柱120能够放入到模拟井筒110中。升降机构能够使模拟钻柱120在模拟井筒110中上下移动。

如图1所示，灌浆模拟系统可包括：雷达电磁波测速仪210、服务器220、钻井液罐230和灌浆单元(图中未示出)。其中，雷达电磁波测速仪210能够测试模拟钻柱120在模拟井筒110中的移动速度，例如上提的速度。服务器220内预设有数据库并能够记录模拟钻柱120移动的时间。数据库内可存储有模拟井筒110的尺寸信息、以及实验前模拟井筒110内钻具的情况，模拟井筒的尺寸信息可包括内径、高度等。服务器220还能够确定实验时应向模拟井筒110中灌入的钻井液排量信息。钻井液罐230能够存储用于实验的钻井液。实验时，灌浆单元能够根据服务器220确定钻井液的排量信息将钻井液罐230中的钻井液输送至模拟井筒110。

在本实施例中，模拟井筒110可以为如图1所示的筒状结构，模拟井筒 110可具有一个腔体，模拟井筒110的下端可为封闭端，上端可具有一个向上的开口。

在本实施例中，模拟井筒110的材质为可以为有机玻璃，透明可视。模拟井筒的内径可变换，即模拟井筒可具有单一内径，也可具有多级内径，以用于模拟套管和裸眼，在模拟井筒包括多个不同内径的井筒段的情况下，模拟井筒的尺寸信息可包括各个井筒段的内径和高度大小。

如图1所示，模拟井筒110的底部还可设置有排液管线111，排液管线 111设置有阀门。

在本实施例中，液位计可设置在模拟井筒110上，并能够用于显示模拟井筒110内的液位。

在本实施例中，模拟钻柱120可以为现场所用钻柱，包括各类型的钻具。模拟钻柱120长度和内径外径参数可变。模拟钻柱120的总长度需不大于模拟井筒110的深度，进一步地，可小于模拟井筒110的深度。

在本实施例中，如图1所示，升降机构可包含电机131、滑轮132和拉绳133。进一步地，升降机构还可包括启动器、变频控制器等设备。通过开关电机、控制电机转速能够控制模拟钻柱120上体和下放，进一步地，还可控制上体和/或下放的速度。

在本实施例中，雷达电磁波测速仪210可包含耿氏振荡器和混频二极管，用于发射雷达电磁波并计算出钻柱起钻上提移动的速度。如图1所示，雷达电磁波测速仪210可安装在模拟井筒110的顶部。

雷达电磁波测速仪210包含的雷达电磁波发射器可选用成熟的固态器件耿氏振荡器作为无线电波源，其发射的射频能量能够被聚合成一窄波束射向钻台面上的钻柱，波束的一部分被反射回发射器。雷达电磁波发射器中的另一固态器件混频二极管能够将反射回来的波束与之前的发射波束进行对比，产生多普勒频率。例如发射频率为10.525×10⁹HZ时，1m/s的地面速度产生的多普勒频率为70.2152HZ，由此可推断出钻柱起钻上提移动的速度。

在本实施例中，雷达电磁波测速仪可以为本领域常用的雷达电磁波测速仪。

在本实施例中，服务器220可安装有数据库和分析软件，用于接收数据，计算数据，发送数据，存储数据。服务器可包括计算机。

在本实施例中，如图1所示，灌浆单元可包括：

灌浆系统伺服器241：用于接收雷达电磁波测速仪数据，向灌浆泵控制器、节流阀控制器发送并接受信号，控制灌浆泵的开关，控制节流阀的开关。

灌浆泵控制器242：可以控制灌浆泵243的启停。

灌浆泵243：用于从钻井液罐230中抽取钻井液。

节流阀控制器244：能够控制节流阀245。

节流阀245：可调节阀门的开关大小，以控制灌浆管线248中钻井液的排量(即流量)。节流阀245可设置在灌浆管线248上。

第一流量计246：能够计量灌浆管线248的流量。

灌浆管线248：提供钻井液进入模拟井筒110的通道。

在本实施例中，灌浆单元可包括返流管线249，返流管线249可提供钻井液从模拟井筒110进入钻井液罐230的通道。

进一步地，灌浆单元还可包括第二流量计247，第二流量计247能够计量返流管线249的流量。

在本实施例中，雷达电磁波测速仪210测量模拟钻柱120(起钻上提移动的速度后发出速度信号。

服务器220能够接收速度信号并向灌浆泵伺服器241发出钻井液排量信号。

灌浆泵伺服器241能够接收钻井液排量信号并发出第一控制信号和第二控制信号。

节流阀控制器244能够接收第一控制信号，并调整节流阀245的开度大小，以实现灌浆管线248中流体流量的调整，即灌浆泵排量的调节。

灌浆泵控制器242能够接收第二控制信号，并在接收第二信号之后能够使灌浆泵243启动或停止。

在本实施例中，服务器220可以为计算机。服务器220可以为本领域常用的服务器。服务器220所具有的计算功能可以为本领域常规的功能。

在本实施例中，灌浆泵伺服器241与服务器220连接，以接收服务器220 发送的排量数据信号。

灌浆泵伺服器241还分别与节流阀控制器244和灌浆泵控制器连接，以分别向两者发送控制信号。

在本实施例中，灌浆泵伺服器241、节流阀控制器244和灌浆泵控制器都可为本领域常用的设备。

在本实施例中，具有传递和接收信号关系的各个单元之间，可以通过有数据传输线缆进行连接，例如，雷达电磁波测速仪210和服务器220之间、服务器220和灌浆泵伺服器241之间都可通过数据传输线缆连接，灌浆泵伺服器241与灌浆泵控制器242、节流阀控制器244之间也都可通过数据传输线缆进行连接。

本实用新型的用于模拟起钻灌浆的实验装置的工作原理可以为：建立模拟井筒110，将模拟钻柱120放入模拟井筒110内，利用钻柱提升装置(即升降机构)实现模拟钻柱的上体和下放，利用测速单元210自动实时识别钻柱上提的速度，建立钻杆上提速度和所需灌浆的排量之间的关系。利用液位计实时显示模拟钻柱上体后模拟井筒110内钻井液的液位，服务器220计算出需要灌入钻井液的体积，利用灌浆模拟系统向模拟井筒110内补充钻井液，并记录补充的钻井液体积，通过对比实际灌入模拟井筒110的钻井液体积和模拟井筒110液位计显示的体积变化，修正灌浆模拟系统真实的灌浆排量，即修正模拟钻柱120上提速度和所需灌浆的排量之间的关系公式。

为了更好地理解本实用新型的上述示例性实施例，下面结合本实用新型实验装置的工作流程对其进行进一步说明。

本实用新型的基于雷达电磁波的用于模拟起钻灌浆的实验装置工作流程包括：

(1)在钻井液罐230中调整钻井液性能，或者可将调整好性能的钻井液装入钻井液罐中。

(2)将模拟钻柱120放入模拟井筒110内，连接升降机构和模拟钻柱 120，用灌浆泵243向模拟井筒110内灌注钻井液至合适位置，确保钻井液液面不超过模拟井筒110最高处并和模拟钻柱120最高处持平，记录此时井筒内钻井液液位高度H₀。

(3)预设服务器220，在服务器220上预设数据库，数据库记录有模拟井筒和模拟钻柱的参数，包括模拟井筒110内径和不同内径长度参数，钻头、螺杆、钻铤、钻杆、加重钻杆等钻具的外径、内径和长度参数。服务器能够根据井内钻柱的长度情况生成井内钻柱的容积Q_zz；服务器还根据此时井筒内钻井液高度H₀，计算井筒内钻井液体积Q_zjy0。

在模拟井筒110包括多个内径不同的井筒段的情况下，

其中，m为液面以下井筒段的数量，L_i为第i个井筒段内腔的高度，对于接触液面井筒段，L_i为井筒段位于液面之下的高度。

其中，n为模拟井筒内钻具的数量，D_j为第 j个钻具的外径，d_j为第j个钻具的内径，l_i为第j个钻具的长度。

其中，E_i为第i个井筒段的内径。

(4)当实验开始时，启动升降机构，上提模拟钻柱120，服务器220开始计时，雷达电磁波测速仪210开始工作获取模拟钻柱120上提移动的速度 V，并将速度V发送给服务器220。

(5)当模拟钻柱120上提至某一高度后关闭升降机构，模拟钻柱120停止运动。记录此时模拟井筒110内钻井液体积高度H₁，发送给服务器220。同时，服务器220记录钻柱运动的总时间T，根据速度V和时间T的变化，服务器220计算出当前已经上提出井的钻柱长度L_out，依据L_out数值，对比起钻前井内的钻具情况，服务器220获取已出井的钻具的外径、内径和长度参数，计算出当前已出井钻柱体积Q_out。

其中，s为出井钻具的数量，D_k、d_k、l_k分别为为第k个出井钻具的外径，内径和长度，对于正在出井的钻井，l_k为钻具位于液面之上的长度。

(6)服务器计算此时模拟井筒内钻井液的剩余体积Q_zjy1。

其中，M为模拟钻柱提升一定高度之后位于液面以下井筒段的数量，L_p为第p个井筒段内腔的高度，对于接触液面井筒段，L_p为井筒段位于液面之下的高度，n为出井钻具的数量，D_q、d_q和l_q分别为第q个位于液面以上钻具的外径、内径和长度，对于接触液面的钻具，L_q为钻具位于液面之上的长度。

(7)服务器220计算实际应灌浆的体积Q_in，Q_in＝Q_zjy0-Q_zjy1。

由于起钻时，钻柱会携带一部分钻井液出井，特别是螺杆、止回阀等钻具上提，造成井内钻井液的损耗。因此，实际灌入的钻井液Q_in应大于实际出井的钻柱体积Q_out，即Q_in-Q_out>0，可通过修正系数σ来校正灌浆泵243所需排量。

(8)计算出修正系数σ后，服务器220按照上述数据建立出钻杆上提速度和所需灌浆的排量之间的关系，并输出结果Q₁。

D₁为位于液面位置钻具的外径，d₁为位于液面位置钻具的内径，V为模拟钻柱上提的速度。

(9)若需进行不同速度的实验，需开启升降机构，下放模拟钻柱120，重复步骤(4)～(8)。

(10)实验结束。

本实用新型的装置还能够进行反推验算修正系数σ的实验，步骤如下：

(1)模拟钻柱120复位放置于模拟井筒110内，钻井液液面和钻柱最高处持平。

(2)服务器220根据修正系数，计算出Q₁，服务器将Q₁发送给灌浆泵伺服器241，伺服器接收到排量数据后，向节流阀控制器244发送排量数据，节流阀控制器244依据排量数据调节节流阀245大小。

(3)开启升降机构，按照同样的速度，上提模拟钻柱120；同时灌浆泵伺服器241向灌浆泵243发送启动指令，抽取钻井液罐230的钻井液，控制排量为Q₁，向模拟井筒110内灌注钻井液。

(4)停止起钻，查看第二流量计247和钻井液液面情况。

(5)第二流量计247监测返流管线249的流量，若无返流，且钻井液液面高度H₁与初始位置H₀相等，则修正系数σ计算正确；若无返流，但H₁<H₀，说明灌浆排量Q₁偏小，修正系数σ计算错误；若有返流，则说明灌浆排量 Q₁偏大，修正系数σ计算错误。

(6)当起钻暂停或终止时，Q₁为0，灌浆泵伺服器241关闭灌浆泵243，关闭节流阀245，灌浆系统210结束工作，等待下一次起钻开始。

综上所述，本实用新型的自动起钻灌浆的模拟实验装置的优点可包括：

(1)本实用新型的装置结构简便，能够实现地面模拟验证起钻自动灌浆系统的排量准确计算，且具有修正系数验证功能，有利于减少疏忽带来的风险，减轻人的体力劳动工作量，有利于降低HSE风险。

(2)本实用新型的装置可以开展不同钻井液体系、不同钻井液密度和性能的对比试验，利于总结出钻井液性能变化后的钻杆上提速度和所需灌浆的排量之间的关系公式。

(3)本实用新型的的装置还可以变化模拟井筒的内径尺寸和钻柱的尺寸，进行不同井眼条件下不同钻柱的起钻钻柱上提速度和所需灌浆的排量之间关系公式的总结。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本实用新型，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本实用新型的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种自动起钻灌浆的模拟实验装置，其特征在于，所述装置包括起钻模拟系统和灌浆模拟系统，其中，

起钻模拟系统包括：模拟井筒、液位计、模拟钻柱和升降机构，其中，

模拟井筒被配置为能够模拟钻井井眼，并能够盛装用于模拟实验的钻井液；

液位计能够计量模拟井筒中钻井液的高度；

模拟钻柱能够放入到模拟井筒中；

升降机构能够使模拟钻柱在模拟井筒中上下移动；

灌浆模拟系统包括：灌浆管线、节流阀和节流阀控制器，以及依次连接的雷达电磁波测速仪、服务器、灌浆泵伺服器、灌浆泵控制器、灌浆泵和钻井液罐，其中，

灌浆管线的两端分别与模拟井筒和灌浆泵连接；

节流阀设置在灌浆管线上，并被配置为能够调节灌浆管线中流体的流量；

节流阀控制器与节流阀相连接，并被配置为能够调节节流阀的开度；

雷达电磁波测速仪设置在模拟井筒的顶部，并被配置为能够测量模拟钻柱移动的速度；

灌浆泵伺服器还与节流阀控制器连接；

灌浆泵控制器被配置为能够控制灌浆泵启动或停止。

2.根据权利要求1所述的自动起钻灌浆的模拟实验装置，其特征在于，所述模拟井筒的材质为透明材料。

3.根据权利要求1所述的自动起钻灌浆的模拟实验装置，其特征在于，所述模拟井筒包括多个内径不同的井筒段。

4.根据权利要求1所述的自动起钻灌浆的模拟实验装置，其特征在于，所述模拟钻柱的长度不大于模拟井筒的深度。

5.根据权利要求1所述的自动起钻灌浆的模拟实验装置，其特征在于，所述升降机构包括电机、滑轮和拉绳。

6.根据权利要求1所述的自动起钻灌浆的模拟实验装置，其特征在于，所述灌浆模拟系统还包括设置在灌浆管线上的第一流量计，第一流量计被配置为能够测量灌浆管线中流体的流量。

7.根据权利要求1所述的自动起钻灌浆的模拟实验装置，其特征在于，所述灌浆模拟系统还包括返流管线，返流管线的一端与所述井筒连接，另一端与所述钻井液罐连接。

8.根据权利要求7所述的自动起钻灌浆的模拟实验装置，其特征在于，所述灌浆模拟系统还包括设置在返流管线上的第二流量计，第二流量计被配置为能够测量返流管线中流体的流量。

9.根据权利要求7所述的自动起钻灌浆的模拟实验装置，其特征在于，所述返流管线位于所述灌浆管线之上。

10.根据权利要求1所述的自动起钻灌浆的模拟实验装置，其特征在于，所述服务器包括计算机。

Images