CN216894369U

CN216894369U - 深水气侵模拟实验装置

Info

Publication number: CN216894369U
Application number: CN202123181730.0U
Authority: CN
Inventors: 徐东升; 杨进; 赵宇航; 陈柯锦; 朱春霖; 马阔; 林方坚; 贾舒; 柏森林; 杨铠嵽; 韩增成; 温志良
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2031-12-17

Abstract

本实用新型公开一种深水气侵模拟实验装置，该装置包括：容纳池，注入管汇；注入管汇中设置有注液流量检测件；循环泵；上端与注入管汇相连通的模拟钻杆；套设在模拟钻杆外部的模拟隔水管，模拟钻杆与模拟隔水管之间形成第一环形间隙；模拟井筒，套设在模拟钻杆的外部，上端与模拟隔水管下端密封连接，模拟井筒与模拟钻杆之间形成第二环形间隙，模拟隔水管、模拟井筒中至少一个能沿着轴向改变长度；流量检测组件，用于检测第一环形间隙、第二环形间隙中的流量；气体管汇，一端与模拟钻杆的下端相连通，另一端连接有气源，气体管汇设置有开关阀和气体流量检测件。本实用新型能进行不同水深的深水气侵模拟实验,并能指导识别气侵。

Description

深水气侵模拟实验装置

技术领域

本实用新型涉及海洋深水钻探技术领域，特别涉及一种深水气侵模拟实验装置。

背景技术

为了增加海洋油气的勘探开发区域面积，寻求更多的油气发现，海洋石油的勘探与开发作业也逐渐由浅海近海区域转向深海远海区域。海洋深水钻井，一般指海上作业水深超过900米的钻井。目前，海洋深水钻完井作业面临的一大问题即为深水带来的井控问题。深水作业相对于陆地、浅水作业气侵情况发现的更慢，井控难度更高。

气侵是在深海钻井过程中尤为棘手的问题。及时的气侵监测可为深水现场井控作业提供大量的安全时间余量，为现场挽回甚至是避免大量的经济、人员的损失。而当前现场的气侵监测常常无法为井控作业提供保障，气侵监测严重滞后。

由于气体有压缩和膨胀的特性，气体侵入钻井液后，在井底时因受上部液柱的压力影响，气体体积很小；随着钻井液循环上返，气体上升速度越来越大，气体所受液柱压力也会逐渐减小，气体体积就逐渐膨胀增大；特别是气体接近地面时气体膨胀就很快增大。因此，即使返到地面的钻井液气侵很厉害，形成很多气泡，密度降低很多，但钻井液柱压力减小的绝对值仍是很小的。举例而言，即使地面气侵钻井液密度只有原钻井液密度的一半，钻井液柱压力减小值也未超过0.4Mpa。

在钻井过程中，若无法有效监测到气侵并采取有效的除气措施，就会反复将气侵钻井液泵入井内，使钻井液气侵的程度更加严重，造成井底压力不断降低，就有出现溢流或井喷的危险。

综上，为了保证深水油气田安全开发，急需开展不同水深的深水油气田气侵模拟实验，确定深水油气田气侵时井筒内的流动模式，为深水井钻井安全控制提供参考。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种深水气侵模拟实验装置，能进行不同水深的深水气侵模拟实验，能准确识别气侵，并确定深水油气田气侵时井筒内的流动模式，为深水井钻井安全控制提供参考。

本实用新型实施方式中的具体技术方案是：

一种深水气侵模拟实验装置，包括：

容纳池，用于容纳钻井液；

注入管汇，其一端伸入所述容纳池中；所述注入管汇中设置有注液流量检测件；

循环泵，设置在所述注入管汇中，用于将所述容纳池中的钻井液向外泵出提供动力；

模拟钻杆，所述模拟钻杆的上端与所述注入管汇相连通；

模拟隔水管，所述模拟隔水管套设在所述模拟钻杆的外部，所述模拟钻杆与所述模拟隔水管之间形成第一环形间隙；

模拟井筒，所述模拟井筒套设在所述模拟钻杆的外部，所述模拟井筒上端与所述模拟隔水管的下端密封连接，所述模拟井筒与所述模拟钻杆之间形成第二环形间隙，所述模拟隔水管、模拟井筒中至少一个能沿着轴向改变长度；

流量检测组件，至少包括：设置在靠近所述模拟隔水管下端和靠近所述模拟井筒下端的流量计；

气体管汇，所述气体管汇的一端与所述模拟钻杆的下端相连通，另一端连接有气源，所述气体管汇设置有开关阀和气体流量检测件。

在一个优选的实施方式中，所述模拟隔水管包括相套接的第一模拟子隔水管和第二模拟子隔水管，所述第一模拟子隔水管和所述第二模拟子隔水管沿着轴向的重叠位置设置有第一密封件，所述第一密封件上设置有第一固定件，所述第一模拟子隔水管与所述第二模拟子隔水管能沿着轴向相对移动。

在一个优选的实施方式中，所述模拟井筒包括相套接的第一模拟子井筒和第二模拟子井筒，所述第一模拟子井筒和所述第二模拟子井筒沿着轴向的重叠位置设置有第二密封件，所述第二密封件上设置有第二固定件，所述第一模拟子井筒与所述第二模拟子井筒能沿着轴向相对移动。

在一个优选的实施方式中，所述模拟隔水管的管壁呈波纹状，形成可伸缩管。

在一个优选的实施方式中，所述模拟隔水管、所述模拟井筒由透明材质制成，所述深水气侵模拟实验装置还包括：图像获取设备，与所述图像获取设备电性连接的控制器。

在一个优选的实施方式中，所述深水气侵模拟实验装置还包括返出管汇，所述模拟隔水管靠近上端处设置有出口，所述返出管汇的一端连接至所述出口，另一端连接至所述容纳池。

在一个优选的实施方式中，所述返出管汇中还设置有气液分离装置。

在一个优选的实施方式中，所述流量检测组件包括用于监测模拟隔水管下端的第一超声波检测件、用于监测模拟隔水管上端的第二超声波检测件、用于监测注入管汇流量的第三超声波检测件、用于监测模拟井筒上端的第四超声波检测件，用于监测模拟井筒下端的第五超声波检测件，所述气体流量检测件为设置在气体管汇中的第六超声波检测件。

本申请的技术方案具有一下显著有益效果：

本申请针对深水油气田提供了一种深水气侵模拟实验装置，该深水气侵模拟实验装置可以真实地模拟深水气侵环境，能够对不同水深的深水气侵模拟实验，能准确识别气侵，并确定深水油气田气侵时井筒内的流动模式，为深水井钻井安全控制提供参考。其中，对于气侵的判断，不仅有定性判断，而且还提供了一种准确的定量判断方式，为实际生产提供了可靠地预判依据。

参照后文的说明和附图，详细公开了本实用新型的特定实施方式，指明了本实用新型的原理可以被采用的方式。应该理解，本实用新型的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本实用新型的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

图1是本申请实施方式中一种深水气侵模拟实验装置的结构示意图；

图2是本申请实施方式中提供的模拟隔水管与模拟井筒配合位置的结构示意图；

图3是本申请实施方式中一种深水气侵模拟实验方法的步骤流程图；

图4是不同超声波流量计处截面含气率与时间关系曲线图；

图5是溢流总体积与时间关系曲线图；

图6是流动形态为泡状流的示意图；

图7是流动形态为弹状流的示意图；

图8是流动形态为段塞流的示意图；

图9是流动形态为环状流的示意图；

图10是流动形态为雾状流的示意图。

附图标记说明：

1、容纳池；

2、注入管汇；

3、钻井液；

4、模拟隔水管；19、第一模拟子隔水管；22、第二模拟子隔水管；

5、模拟钻杆；

6、模拟井筒；23、第一模拟子井筒；26、第二模拟子井筒；

7、开关阀；

8、气体管汇；

9、人工台；

10、气源；

11、第一超声波流量计；

12、返出管汇；

13、第二超声波流量计；

14、第三超声波流量计；

15、循环泵；

16、第四超声波流量计；

17、第五超声波流量计；

18、第六超声波流量计；

20、第一密封件；

21、第一固定件；

24、第二密封件；

25、第二固定件；

27、第三密封件；

28、气液分离装置；

A、泡状流；

B、弹状流；

C、段塞流；

D、环状流；

E、雾状流。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本实用新型的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型提供的深水气侵模拟实验装置及方法，能进行不同水深的深水气侵模拟实验，能准确识别气侵，并确定深水油气田气侵时井筒内的流动模式，为深水井钻井安全控制提供参考。

请参阅图1至图2，本申请实施方式中提供的一种深水气侵模拟实验装置可以包括：容纳池1，用于容纳钻井液3；注入管汇2，其一端伸入所述容纳池1中；所述注入管汇2中设置有注液流量检测件；循环泵15，设置在所述注入管汇2中，用于将所述容纳池1中的钻井液3向外泵出提供动力；模拟钻杆5，所述模拟钻杆5的上端与所述注入管汇2相连通；模拟隔水管4，所述模拟隔水管4套设在所述模拟钻杆5的外部，所述模拟钻杆5与所述模拟隔水管4之间形成第一环形间隙；模拟井筒6，所述模拟井筒6套设在所述模拟钻杆5的外部，所述模拟井筒6上端与所述模拟隔水管4的下端密封连接，所述模拟井筒6与所述模拟钻杆5之间形成第二环形间隙，所述模拟隔水管4、模拟井筒6中至少一个能沿着轴向改变长度；流量检测组件，所述流量检测组件包括多个流量计，其中，所述流量机至少分别设置在靠近所述模拟隔水管4下端、在靠近所述模拟井筒6下端；气体管汇8，所述气体管汇8的一端与所述模拟钻杆5的下端相连通，另一端连接有气源10，所述气体管汇8设置有开关阀7和气体流量检测件。

整体上，本申请说明书中所提供的深水气侵模拟实验装置可以包括：容纳池1、注入管汇2、泵、模拟钻杆5、模拟隔水管4、模拟井筒6、流量检测组件、气体管汇8等。此外，该深水气侵模拟实验装置还可以包括人工台9，该模拟管柱，例如模拟隔水管4可以安装在该人工台9上。

在本实施方式中，容纳池1用于容纳钻井液3，其可以为中空的容器。具体的，该容纳池1可以为上端开口的容纳槽，当然该容纳池1也可以为其他构造，本申请在此并不作具体的限定。

在本实施方式中，注入管汇2的一端伸入所述容纳池1中，另一端与模拟钻杆5相连通。所述注入管汇2中设置有注液流量检测件，该注液流量检测件用于获取该注入管汇2中的流量。

在本实施方式中，所述循环泵15设置在所述注入管汇2中，可以用于将所述容纳池1中的钻井液3向外泵出提供动力。此外，当该钻井液3通过返出管汇12返回钻容纳池1时，钻井液3形成一个循环流路，该循环泵15用于为循环流路中的钻井液3提供驱动力。

在本实施方式中，所述模拟钻杆5的上端与所述注入管汇2相连通；所述模拟钻杆5的下端伸入所述模拟隔水管4和模拟井筒6中。

在本实施方式中，所述模拟隔水管4套设在所述模拟钻杆5的外部，所述模拟钻杆5与所述模拟隔水管4之间形成第一环形间隙。

所述模拟隔水管4能沿着轴向改变长度，从而模拟不同的水深。具体的，所述模拟隔水管4的管壁呈波纹状，形成可伸缩管。

或者，如图2所示，所述模拟隔水管4可以包括相套接的第一模拟子隔水管19和第二模拟子隔水管22，所述第一模拟子隔水管19和所述第二模拟子隔水管22沿着轴向的重叠位置设置有第一密封件20，所述第一密封件20上设置有第一固定件21，所述第一模拟子隔水管19与所述第二模拟子隔水管22能沿着轴向相对移动。

其中，该第一模拟子隔水管19在沿着高度方向上可以位于第二模拟子隔水管22的上部。例如，该第一模拟子隔水管19可以处于固定安装的状态，该第二模拟子隔水管22相对该第一模拟子隔水管19轴向移动时，可能跟改变该模拟隔水管4的长度。具体的，该第一模拟子隔水管19可以为固定安装的玻璃套管的形式。该第二模拟子隔水管22可以为可移动的玻璃套管的形式。

该第一密封件20可以为密封橡胶圈，用于将第一模拟子隔水管19和第二模拟子隔水管22之间的环状间隙进行密封。具体的，该第一密封件20可以通过止位器设置在第一模拟子隔水管19的下端。

该第一固定件21可以为固定阀的形式，用于将第二模拟子隔水管22、第一密封件20固定在所述第一模拟子隔水管19上。当然，该第一固定件21的形式并不限于上述举例，在本说明书中主要以固定阀进行举例说明。调节时，可以先打开该固定阀，可以该第二模拟子隔水管22相对该第一模拟子隔水管19轴向移动，当移动到位后，再关闭该固定阀，从而将第二模拟子隔水管22、第一密封件20与所述第一模拟子隔水管19进行固定。其中，该第一密封件20可以固定在靠近该第一模拟子隔水管19的下端位置，该第一固定件21也可以安装在靠近该第一模拟子隔水管19的下端位置，从而便于高效地利用整个第一模拟子隔水管19的轴向长度，进而可以根据长度需求调节模拟不同水深。

在本实施方式中，所述模拟井筒6套设在所述模拟钻杆5的外部，所述模拟井筒6上端与所述模拟隔水管4的下端密封连接，所述模拟井筒6与所述模拟钻杆5之间形成第二环形间隙。

所述模拟井筒6能沿着轴向改变长度。具体的，所述模拟井筒6的筒壁也可以呈波纹状，形成可伸缩管。

或者，如图2所示，所述模拟井筒6可以包括相套接的第一模拟子井筒23和第二模拟子井筒26，所述第一模拟子井筒23和所述第二模拟子井筒26沿着轴向的重叠位置设置有第二密封件24，所述第二密封件24上设置有第二固定件25，所述第一模拟子井筒23与所述第二模拟子井筒26能沿着轴向相对移动。

其中，该第一模拟子井筒23在沿着高度方向上可以位于第二模拟子井筒26的上部。例如，该第二模拟子井筒26可以处于固定安装的状态，该第一模拟子井筒23相对该第一模拟子井筒23轴向移动时，可能跟改变该模拟井筒6的长度。具体的，该第二模拟子井筒26可以为固定安装的玻璃套管的形式。该第一模拟子井筒23可以为可已从安装的玻璃套管的形式。

该第二密封件24可以为密封橡胶圈，用于将第一模拟子井筒23和第二模拟子井筒26之间的环状间隙进行密封。具体的，该第二密封件24可以通过止位器设置在第一模拟子井筒23的下端。

该第二固定件25可以为固定阀的形式，用于将第二模拟子井筒26、第一密封件20固定在所述第一模拟子井筒23上。当然，该第二固定件25的形式并不限于上述举例，在本说明书中主要以固定阀进行举例说明。调节时，可以先打开该固定阀，可以该第一模拟子井筒23相对该第二模拟子井筒26轴向移动，当移动到位后，再关闭该固定阀，从而将第二模拟子井筒26、第二密封件24与所述第一模拟子井筒23进行固定。其中，该第二密封件24可以固定在靠近该第二模拟子井筒26的上端位置，该第二固定件25也可以安装在靠近该第二模拟子井筒26的上端位置，从而便于高效地利用整个第二模拟子井筒26的轴向长度，进而根据长度需求调节模拟不同井深。

在所述第二模拟子隔水管22与所述第一模拟子井筒23之间还可以设置有第三密封件27，该第三密封件27用于实现模拟隔水管4与模拟井筒6之间的密封。具体的，该第三密封件27可以为橡胶塞的形式，当然，该第三密封件27还可以为其他形式，本申请在此并不做具体限定。

在一个实施方式中，为了便于直观地观察该模拟隔水管4和模拟井筒6中的气侵情况，所述模拟隔水管4、所述模拟井筒6可以由透明材质制成。

进一步的，所述深水气侵模拟实验装置还可以包括：图像获取设备以及与所述图像获取设备电性连接的控制器。该图像获取设备可以对模拟隔水管4和模拟井筒6内的流动情况进行拍摄，并将拍摄的数据传递给控制器，由控制器对拍摄到的图形进行分析处理。

在本实施方式中，流量检测组件可以包括：设置在预定位置的多个流量计。具体的，该流量计的形式可以为超声波流量计，当然，该流量计还可以为其他形式，本申请在此并不作具体的限定。在本说明书中，该流量计主要以超声波流量计为例进行举例说明。

具体的，该流量检测组件可以包括：设置在靠近所述模拟隔水管4下端的第一超声波流量计11，设置在靠近模拟隔水管4上端的第二超声波流量计13；设置在注入管汇2中的注液流量检测件为第三超声波流量计14；设置在靠近模拟井筒6上端的第四超声波流量计16，设置在靠近所述模拟井筒6下端的第五超声波流量计17。

所述第五超声波流量计17用于获取模拟井底的流量情况，以便获取最早的气侵情况。该第一超声波流量计11设置靠近所述模拟隔水管4的下端，即第一环形间隙和第二环形间隙过渡的位置，用于获取变截面处的流量情况。

此外，所述流量检测组件还包括：设置在靠近所述模拟隔水管4上端的第二超声波流量计13；设置在靠近所述模拟井筒6上端的第四超声波流量计16。所述第二超声波流量计13，用于检测模拟隔水管4顶部的流量，以便获取返出所述模拟隔水管4的流量。所述第四超声波流量计16用于获取进入上述第一环形间隙和第二环形间隙过渡的位置前的流量。

在本实施方式中，所述气体管汇8的一端与所述模拟钻杆5的下端相连通，另一端连接有气源10。所述气体管汇8设置有开关阀7和气体流量检测件。所述开关阀7用于控制该气体管汇8的通断。所述气体流量检测件用于获取所述气体的流量该气体管汇8的横截面是一定的情况下，该气体流量检测件也可以用户该气体的流速。具体的，该气体流量检测件也可以为超声波流量计的形式，当然该气体流量检测件还可以为其他形式。在本说明书中，该气体流量检测件以第六超声波流量计18为例进行举例说明。

进一步的，该气体管汇8中还可以设置有气体流速调节装置，该气体流速调节装置用于控制气体的流速。具体的，该气体流速调节装置可以为具有流量调节功能的阀门的形式，例如可以为开度可调的调节阀等。

在一个实施方式中，所述深水气侵模拟实验装置还可以包括返出管汇12，所述模拟隔水管4靠近上端处设置有出口，所述返出管汇12的一端连接至所述出口，另一端连接至所述容纳池1。

在本实施方式中，当设置该返出管汇12后，可以自所述容纳池1、注入管汇2、模拟钻杆5、模拟井筒6、模拟隔水管4、返出管汇12之间形成循环系统，以便于循环利用该容纳池1中的钻井液3进行模拟实验。

该返出管汇12中还可以设置有气液分离装置28，用于将返出的钻井液3中的气体分离出。具体的，该气液分离装置28可以设置在靠近容纳池1的上方，当夹带有气体的钻井液3流经该气液分离装置28时，该气液分离装置28可以将钻井液3中的气体向外排出，将液体返回容纳池1中。

在一个具体的实施方式中，所述流量检测组件包括用于监测模拟隔水管4下端的第一超声波检测件、用于监测模拟隔水管4上端的第二超声波检测件、用于监测注入管汇2流量的第三超声波检测件、用于监测模拟井筒6上端的第四超声波检测件，用于监测模拟井筒6下端的第五超声波检测件，所述气体流量检测件为设置在气体管汇8中的第六超声波检测件。

在本实施方式中，在整套实验装置中一共设计6个超声波流量计进行监测，6个超声波分别放在一下位置有以下作用:

第一超声波流量计11，如图1所示，将其安放在隔水管底部，在气体由井筒进入隔水管时，管柱的截面会突然变大，流速会突然降低，因此，安放第一流量计用来监测隔水管底端，即变截面上部的流量。

第二超声波流量计13，气体在隔水管内逐渐升高，随着水压的逐渐降低，气泡将变得更大，因此安放在监测隔水管顶部进行监测。

第三超声波流量计14，在泵入钻杆的管线上设置流量计，监测钻杆内流量。由于钻杆中不停泵入钻井液3的水压作用，因此在井筒中充入气体将不会影响钻杆中的流量。

第四超声波流量计16，在井筒底部充入气体后，气体会在井筒中逐渐增大，由于会在井筒和隔水管底部变截面处突然变化，因此在井筒底部和隔水管顶端设置流量计与其形成对比具有重要的作用，因此安放流量计监测井筒顶端的，即变截面下部的流量。

第五超声波流量计17，此处气体刚充入井筒，变化不明显，了解气侵最初状态，对于后期不同深度的情况进行鲜明的对比，因此在井筒底部，即钻头处安放流量计进行监测。

第六超声波流量，监测充入井筒内气体的流量。

请参阅图3，基于上述实施方式中所提供的深水气侵模拟实验装置，可以进行深水气侵模拟实验，进行深水气侵模拟实验时可以包括如下步骤：

首先，可以调节好井深与隔水管长度，打开钻井液3循环泵15，使整个管路与深水气侵模拟实验充满钻井液3；

在整个管路与深水气侵模拟实验充满钻井液3后，可以通过以恒定的体积充入气体，或者以恒定速度充入气体。

在本说明书中，先以恒定的体积充入气体为例进行展开说明。

步骤10：调节好井深与隔水管长度，打开钻井液3循环泵15，使整个管路与深水气侵模拟实验充满钻井液3；

步骤12：待循环稳定后，记录第三超声波流量计14的数据，打开开关阀7，监测第六超声波流量计18，释放a L的气体，然后关闭开关阀7；

步骤14：监测第一超声波流量计11、第二超声波流量计13、第四超声波流量计16和第五超声波流量计17的数据；

步骤16：基于所述超声波流量计的流量判断总溢流量Q_Y是否大于或等于预设值(例如10％)，当满足条件时，判断在预定时长(例如1分钟)内，总溢流量Q_Y是否大于或等于预设值，如果判断结果为是，则判断出目前已经出现严重气侵，需要关井。

步骤17：后续利用循环泵15持续循环，将释放的气体以a L的递增速度进行递增，重复上述实验步骤。

在本实施方式中，在实验前，调节好井深与隔水管长度，打开钻井液3循环泵15，使整个管路与玻璃套管模拟装置充满钻井液3；待循环稳定后，记录第三超声波流量计14的数据，打开开关阀7，观看流量计，释放a L的气体，然后关闭开关阀7。观察记录监测第一超声波流量计11、第二超声波流量计13、第四超声波流量计16和第五超声波流量计17的数据，并拍照记录深水气侵模拟实验装置中玻璃套管内的流动形态。

在执行步骤14中，该方法还可以包括：并监测所述深水气侵模拟实验装置内的流动形态；流动形态的是汽-液两相流中汽相和液相存在的形态。

根据流态的物理形状，在垂直管流中分为：泡状流A、弹状流B、段塞流C、环状流D和雾状流E。在气侵发生时可以通过观察垂直管流的流动形态判断气侵的程度。其中哦，

如图6所示，泡状流A：连续液相中包含分散汽泡的流动。常发生在低质量含汽率区。

如图7所示，弹状流B：小汽泡聚合成尺寸接近通道直径的呈弹头状的大汽泡的流动，也称塞状流或块状流。是一种不稳定的过渡流型，常出现在中等质量含汽率区。

如图8所示，段塞流C：指管道中一段气柱、一段液柱交替出现的气液两相流动状态。

如图9所示，环状流D：液相流沿通道壁呈环状膜形的连续流，而连续的汽相则在管道的中心部分流动，在液环中还弥散着汽泡，在汽相中也夹带着液滴。常出现在较高质量含汽率区。

如图10所示，雾状流E：由气体和液体组成的两相流的一种流型。两相流中当气体速度达到一定值时，可形成环状流D，此时大部分液体成膜状沿管壁运动在环状流D的基础上再加大气速，气体在管中高速流过，使几乎全部液体均被雾化，这种状况称为雾状流E。

持续循环，待气体全部排出后开始第二次实验，释放2a L气体；然后释放3a L气体进行实验。同样可以控制充入气体保持恒定速度，进行实验，步骤相同。

刚注气时井筒内气体波动较大，上部隔水管模拟装置内波动较小。当停止注气，井筒内气体扩散至隔水管模拟装置，井筒内趋于稳定。可以看出同样气体在隔水管模拟装置中的变化率低于井筒模拟装置，因为在变截面的变化中，由于隔水管模拟装置的横截面积增大，所以波动降低。

本申请提供一种与深水气侵模拟实验装置相对应的深水气侵模拟实验方法，通过判断气侵发生时钻井液3流态，增强气侵发生时的认识，以揭示不同水深的深水钻井井底气侵时相关工艺参数的变化规律，以实现对深水钻井现场气侵现象的及时、超前预测，从而为深水井控作业提供安全时间余量。

其中，从定量的角度出发，判断气侵的程度可以根据气侵监测数据和深水钻井井筒环空气液两相流模型对井底的气侵程度进行反算，可计算气侵发生后任一时刻井筒环空中的气体分布，即不同井深处总溢流量Q_Y为：

Q_Y＝AV(1-E_G)△T-Q₀△T

其中，A为环空横截面积，m²；v为管流测得的流速，通过第三超声波流量计测得，m/s；E_g为截面含气率，％；Δt为时间增量，s；q₀为泵的流量；Q_Y为Δt时间内溢流的增量；ρ_g为气体密度，g/cm³；ρ_l为液体密度，g/cm³；v_l为流体流速，通过第一超声波流量计、第二超声波流量计、第四超声波流量计和第五超声波流量计测得，m/s；v_g为气体流速，通过第六超声波流量计测得，m/s。

如图4和图5所示，是利用该实验装置进行气侵实验时测量的数据。图4是不同流量计处截面含气率与时间关系图，图5反应溢流总体积与时间关系。在实验时，0S开始向实验装置注气，进行气侵模拟。在240S时，停止注气。

在另一个实施方式中，当利用在整个管路与深水气侵模拟实验充满钻井液3后，可以通过恒定速度充入气体。当以恒定速度充入气体时，所述气侵判断方法可以包括：

步骤11：待循环稳定后，记录第三超声波流量计14的数据，打开开关阀7，监测第六超声波流量计18，以预定速度充入气体；

步骤15：基于所述超声波流量计的流量判断总溢流量是否大于或等于预设值，当满足条件时，判断在预定时长内，总溢流量是否大于或等于预设值，如果判断结果为是，则判断出目前已经出现气侵，需要关井。

其中，所述总溢流量Q_Y通过下述公式确定：

Q_Y＝AV(1-E_G)△T-Q₀△T

其中，A为环空横截面积，m²；v为管流测得的流速，通过第三超声波流量计测得，m/s；E_g为截面含气率，％；Δt为时间增量，s；q₀为泵的流量；Q_Y为Δt时间内溢流的增量；ρ_g为气体密度，g/cm³；ρ_l为液体密度，g/cm³；v_l为流体流速，通过第一超声波流量计、第二超声波流量计、第四超声波流量计和第五超声波流量计测得，m/s；v_g为气体流速，通过第六超声波流量计测得，m/s.

早期溢流监测对预防石油开发钻井过程中井喷失控恶性事故具有至关重要的作用。深水钻井作业过程中在不破坏钻井隔水管力学结构的前提下，进行气侵监测。通常在平台泥浆池处也就是隔水管顶部附近进行监测，随着科技的发展提出在泥线附近也就是隔水管底部监测，描述气侵程度，判断是否发生气侵。

目前，无论是泥浆池监测还是泥线监测都是气侵发生了一段时间，难以判断井底实际发生的情况，因此亟需实验装置，通过判断隔水管与泥浆池的气侵情况反推井底地层的实际情况，判断气侵发生的时间与程度。因为不同井深与水深的气侵的变化规律不同，因此设计可调水深与井深的实验装置，进行相关实验。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本实用新型的几个实施方式，虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用于限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种深水气侵模拟实验装置，其特征在于，包括：

容纳池，用于容纳钻井液；

模拟钻杆，所述模拟钻杆的上端与所述注入管汇相连通；

2.如权利要求1所述的深水气侵模拟实验装置，其特征在于，所述模拟隔水管包括相套接的第一模拟子隔水管和第二模拟子隔水管，所述第一模拟子隔水管和所述第二模拟子隔水管沿着轴向的重叠位置设置有第一密封件，所述第一密封件上设置有第一固定件，所述第一模拟子隔水管与所述第二模拟子隔水管能沿着轴向相对移动。

3.如权利要求1所述的深水气侵模拟实验装置，其特征在于，所述模拟井筒包括相套接的第一模拟子井筒和第二模拟子井筒，所述第一模拟子井筒和所述第二模拟子井筒沿着轴向的重叠位置设置有第二密封件，所述第二密封件上设置有第二固定件，所述第一模拟子井筒与所述第二模拟子井筒能沿着轴向相对移动。

4.如权利要求1所述的深水气侵模拟实验装置，其特征在于，所述模拟隔水管的管壁呈波纹状，形成可伸缩管。

5.如权利要求1所述的深水气侵模拟实验装置，其特征在于，所述模拟隔水管、所述模拟井筒由透明材质制成，所述深水气侵模拟实验装置还包括：图像获取设备，与所述图像获取设备电性连接的控制器。

6.如权利要求1所述的深水气侵模拟实验装置，其特征在于，所述深水气侵模拟实验装置还包括返出管汇，所述模拟隔水管靠近上端处设置有出口，所述返出管汇的一端连接至所述出口，另一端连接至所述容纳池；所述返出管汇中还设置有气液分离装置。

7.如权利要求1所述的深水气侵模拟实验装置，其特征在于，所述流量检测组件包括用于监测模拟隔水管下端的第一超声波检测件、用于监测模拟隔水管上端的第二超声波检测件、用于监测注入管汇流量的第三超声波检测件、用于监测模拟井筒上端的第四超声波检测件，用于监测模拟井筒下端的第五超声波检测件，所述气体流量检测件为设置在气体管汇中的第六超声波检测件。