专利名称：用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及石油、天然气钻井领域，一种用于控压钻井实验与测试的井下工 况模拟装置，适用于控制压力钻井技术与装备的实验、测试，能实现控压钻井技术室内研 究、装置工作性能检测。
背景技术：
控压钻井技术是一项精确的井底压力控制钻井技术，保证在整个钻井作业过程中 无论是正常钻进、接单根、起下钻等过程中精确的井底压力控制，减少井涌、井漏等多种钻 井复杂情况，相对常规钻井技术，可以减低80%的井下复杂问题，减少非生产时间20% 40%，降低钻井成本。但是，该项钻井技术对软硬件水平要求都很高，表现在①软件方面， 集自动控制技术和实时水力学计算于一体，需要应对各种工况，如开泵、停泵、井漏、井涌、 起下钻、活动钻具等不同工况实时分析、预测，然后发出控制指令，通过对钻井液进行自动 节流达到控制井底压力的目的；②硬件方面，由中央控制系统、节流管汇系统和回压泵系 统三大系统组成控压钻井装备，在中央控制系统的组织下协同工作，节流管汇进行正常钻 井条件下钻井液节流控制，在井队泥浆泵停止工作或者提供的地面返回的钻井液流量不够 时，则启动回压泵系统为节流管汇系统提供钻井液进行节流控制，从而达到不间断、精确的 压力控制，使井底压力控制在允许范围内。由此可以看出开发控压钻井技术的困难程度，一方面需要深入分析实际控压钻井 的多种工况条件，考虑众多控制变量，如钻井液流量的变化、密度的变化、循环压力的波动、 环空压力损耗的变化等等，建立复杂控压钻井工艺技术；另一方面需要研制设备，并完成设 备联动调试，使之在复杂的控压钻井井下工况条件下可以做出稳定、可靠、准确和快速的动 作。在没有完善以上两方面详细的室内实验、测试的基础上，控压钻井技术是不能钻井现场 进行测试，更不可能进入钻井现场服务。目前，国内外均没有可以进行成套控压钻井技术与装备实验和测试的井下工况模 拟装置，因此研究一种用于控压钻井技术与装备测试的井下工况模拟方法和装备势在必 行。通过建立该井下工况模拟装置和方法可以完成以下功能①进行控压钻井工艺技术实 验，寻找最佳控制方法和手段，包括井口回压，流量补偿方式等等；②模拟控压钻井多种井 下工况，测试控压钻井装备多个系统连接后运行信号采集的准确性，设备调节的快速性以 及控制的稳定性，测试内容包括软件和硬件两个方面；③研究流量、出入口压力差和节流阀 开度三者之间关系，建立准确的控制模型。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置， 用于控压钻井技术与装备实验、测试，达到精确掌握控压钻井技术参数，精准调试控压钻井 装备，实现控压钻井技术与装备的室内实验和测试的目的。本实用新型采用的技术方案是用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置，主要由泥浆罐，流量计A、流量计B，泥浆泵A，泥浆泵B，节流阀A、节流阀B，阻流管汇以及平 板阀A、平板阀B、平板阀C、平板阀D和压力计B、压力计A，压力计C组成。其中，泥浆罐可 以由两个60m3标准罐组成，可装同一种液体，也可分装不同液体；泥浆泵A的入口管线与泥 浆罐出口管线连接，流量计A安装在泥浆泵A的入口管线；泥浆泵B的入口管线与泥浆罐出 口管线连接，流量计B安装在泥浆泵B的入口管线。泥浆泵A的出口管线安装了一个单流 阀A，然后泥浆泵A的出口管线通过三通分成三路第一路通过三通连接一个放空阀，放空 阀出口连接泥浆罐入口；第二路通过三通连接平板阀A，平板阀A串联一个节流阀A，节流阀 A出口管线与泥浆罐的回水管线连接；第三路通过三通连接平板阀B，平板阀B与节流阀B 的入口管线相连，在节流阀B的入口处安装了压力计A。气源的出口管线通过单流阀B平板 阀D串联后与泥浆泵A的第三路管线相连，连结点在平板阀B之后管线上。泥浆泵B的出 口管线上依次连接一个单流阀A和压力计B，然后通过三通分成两路一路是通过一个放空 阀与泥浆罐的回水管线连接；另一路通过三通连接一个平板阀C并与泥浆泵A第三路管线 的平板阀B出口管线相连。节流阀B的出口管线与阻流管汇的入口管线相连，阻流管汇的 出口管线与控压钻井装备相连，在阻流管汇的出口管线安装了一个压力计C。在阻流管汇的 入口管线通过入口法兰与控压钻井装备连接，控压钻井装备通过出口法兰与泥浆罐回水管 线连接；另外控压钻井装备的上水管线与泥浆罐连接。简述用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置的试验过程。参阅图2。控压钻井装备1002是安装被测试的部件，被测试的部件是与钻井井口压力控制 有关的部件，如节流管汇、回压泵、节流阀等，简称控压钻井装备。模拟井下工况的方法是通过泥浆泵A7输入钻井液，并获得钻井液的流量和密度 值，调节节流阀B19开度模拟正常钻进、起下钻等工况造成的井底压力波动；阻流管汇20模 拟井眼环空压力损耗；开启节流阀A12调节开度，模拟井漏工况；启动泥浆泵B8或者气源， 控制输入流量，模拟井涌工况。通过井下工况模拟装置1001与控压钻井装备1002连接进行实验或测试，井下工 况模拟装置模拟井下工况的变化。控压钻井装备根据工况的变化进行自动判断、识别工况， 并进行压力控制。具体方法是首先由输入钻井液流量和钻井液密度两个参数(输入参数 框图1)；其次控制地层压力值和井漏或井涌量两个参数的变化(控制参数框图2)；最后经 过井下工况模拟装置输出井口回压、钻井液流出量和钻井液密度三个参数(输出参数框图 3)。将控压钻井装备1002串联在井下工况模拟装置之后进行如控压方法实验、控压精度以 及灵敏度、可靠性测试等相关的功能实验、测试。钻井液的循环流程由泥浆罐4开始，通过井下工况模拟装置1001进入控压钻井装 备1002，最终返回泥浆罐4。井下工况模拟装置1001显示井下工况模拟首先由输入参数 框图1输入钻井液流量和钻井液密度两个参数；再由控制参数框图2控制两个参数的变化 地层压力值和井漏或井涌量；最后由输出参数框图3显示经过井下工况模拟装置的三个输 出参数，即井口回压、钻井液流出量和钻井液密度。控压钻井装备1002则是放置实验、测 试的控压钻井装备，将其串联在井下工况模拟装置1001之后进行相关的功能实验、测试。对于各个不同的井下工况，具体的操作流程本领域技术人员能完成。本实用新型的有益效果本实用新型用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装 置具有以下优点[0014]1、综合考虑控压钻井的多种工况，在实验室模拟了正常钻进、开泵、停泵、起下钻、 井漏、井涌等不同井下工况情况，对完善、提高、开发控压钻井技术与装备的水平起到极大 的推动作用，并保证了控压钻井装备的安全、可靠运行；2、控压钻井装备的测试是将井下工况模拟装置模拟的井下工况作为黑匣子处理， 不管具体作用机理，仅是控制模拟的井底压力以及井漏量或井涌量，实验、测试过程与现场 工程实际很符合，为控压钻井装备调试提供了可靠的平台；3、井下工况模拟装置模拟多种井下工况为深入理解、分析控压钻井工艺理论，特 别是压力传播特性，以及建立微溢流条件的压力控制模型提供很好的帮助。
图1是本实用新型用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置组成示意图。图2是用井下工况模拟装置模拟井下工况示意图。图中，1001.井下工况模拟装置，1002.控压钻井装备，其中在井下工况模拟装置 1001中模拟的参数框图包括1.输入参数框图，包括钻井液密度和钻井液流入量；2.控制 参数框图，包括地层压力值和井漏或井涌量；3.控制参数框图，包括井口回压、钻井液流 出量和钻井液密度。图中，4.泥浆罐，5.流量计A、6.流量计B，7.泥浆泵A，8.泥浆泵B，9.单流阀A， 10.压力计B，11.放空阀，12.节流阀A，13.平板阀A、14.平板阀B、15.平板阀C、16.平板 阀D，17.单流阀B，18.压力计A，19.节流阀B，20.阻流管汇，21.压力计C，22.入口法兰，
23.出口法兰。
具体实施方式
实施例1 以一个用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置，对本实用新型 作进一步详细说明。参阅图1。用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置，主要由泥浆罐4，流量 计A5、流量计B6，泥浆泵A7，泥浆泵B8，节流阀A12、节流阀B19，阻流管汇20以及平板阀 A13、平板阀B14、平板阀C15、平板阀D16和压力计B10、压力计A18，压力计C21组成。其中，泥浆泵A7额定功率315KW，排量20L，额定压力35MPa。泥浆泵B8额定功率 160KW，排量8L，额定压力35MPa。泥浆罐4由两个60m3标准罐组成。流量计A5和流量计 B6采用科氏流量计。压力计B10、压力计A18和压力计C21采用现场总线仪表。阻流管汇 20则是由内径3cm、总长40m的钢管弯曲而成。节流阀A12、节流阀B19采用电磁比例阀控 制。平板阀A13、平板阀B14、平板阀C15和平板阀D16则是采用液动平板阀。泥浆泵A7的入口管线与泥浆罐4出口管线连接，流量计A5安装在泥浆泵A7的入 口管线；泥浆泵B8的入口管线与泥浆罐4出口管线连接，流量计B6安装在泥浆泵B8的入 口管线。泥浆泵A7的出口管线安装了一个单流阀A9，然后泥浆泵A7的出口管线通过三通 分成三路第一路通过三通连接一个放空阀11，放空阀11出口连接泥浆罐4入口 ；第二路 通过三通连接平板阀A13，平板阀A13串联一个节流阀A12，节流阀A12出口管线与泥浆罐 4的回水管线连接；第三路通过三通连接平板阀B14，平板阀B14与节流阀B19的入口管线 相连，在节流阀B19的入口处安装了压力计A18。气源的出口管线通过单流阀B17平板阀
5D16串联后与泥浆泵A7的第三路管线相连，连结点在平板阀B14之后管线上。泥浆泵B8的 出口管线上依次连接一个单流阀A9和压力计B10，然后通过三通分成两路一路是通过一 个放空阀11与泥浆罐4的回水管线连接；另一路通过三通连接一个平板阀C15并与泥浆泵 A7第三路管线的平板阀B14出口管线相连。节流阀B19的出口管线与阻流管汇20的入口 管线相连，阻流管汇20的出口管线与控压钻井装备1002相连，在阻流管汇20的出口管线 安装了一个压力计C21。在阻流管汇20的入口管线通过入口法兰22与控压钻井装备1002 连接，控压钻井装备1002通过出口法兰23与泥浆罐4回水管线连接；另外控压钻井装备 1002的上水管线与泥浆罐4连接。控压钻井技术与装备实验和测试需要针对不同井下工况分别进行，设计的模拟工 况包括正常钻进、开泥浆泵、关泥浆泵、起下钻、井漏和井涌等工况。实现方法为通过泥 浆泵A7输入钻井液流量和密度，调节节流阀B19开度模拟正常钻进、起下钻等工况造成的 井底压力波动；阻流管汇20模拟井眼环空压力损耗；开启节流阀A12调节开度，模拟井漏 工况；启动泥浆泵B8，控制输入流量，模拟井涌工况。阻流管汇20还可以采用内径2cm或4cm，总长40m的钢管弯曲而成，两端焊接有法
权利要求一种用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置，主要由泥浆罐(4)、流量计A(5)、流量计B(6)、泥浆泵A(7)、泥浆泵B(8)、节流阀A(12)、节流阀B(19)、阻流管汇(20)以及平板阀A(13)、平板阀B(14)、平板阀C(15)、平板阀D(16)和压力计B(10)、压力计A(18)、压力计C(21)组成；其特征是泥浆泵A(7)的入口管线与泥浆罐(4)出口管线连接，流量计A(5)安装在泥浆泵A(7)的入口管线；泥浆泵B(8)的入口管线与泥浆罐(4)出口管线连接，流量计B(6)安装在泥浆泵B(8)的入口管线，泥浆泵A(7)的出口管线安装了一个单流阀A(9)，然后泥浆泵A(7)的出口管线通过三通分成三路第一路通过三通连接一个放空阀(11)，放空阀(11)出口连接泥浆罐(4)入口；第二路通过三通连接平板阀A(13)，平板阀A(13)串联一个节流阀A(12)，节流阀A(12)出口管线与泥浆罐(4)的回水管线连接；第三路通过三通连接平板阀B(14)，平板阀B(14)与节流阀B(19)的入口管线相连，在节流阀B(19)的入口处安装有压力计A(18)，气源的出口管线通过单流阀B(17)与平板阀D(16)串联后与泥浆泵A(7)的第三路管线相连，连结点在平板阀B(14)之后管线上，泥浆泵B(8)的出口管线上依次连接一个单流阀A(9)和压力计B(10)，然后通过三通分成两路一路是通过一个放空阀(11)与泥浆罐(4)的回水管线连接；另一路通过三通连接一个平板阀C(15)并与泥浆泵A(7)第三路管线的平板阀B(14)出口管线相连，节流阀B(19)的出口管线与阻流管汇(20)的入口管线相连，阻流管汇(20)的出口管线与控压钻井装备(1002)相连，在阻流管汇(20)的出口管线安装了一个压力计C(21)，在阻流管汇(20)的入口管线通过入口法兰(22)与控压钻井装备(1002)连接，控压钻井装备(1002)通过出口法兰(23)与泥浆罐(4)回水管线连接；另外控压钻井装备(1002)的上水管线与泥浆罐(4)连接。
专利摘要用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置，用于井下工况模拟与控压钻井装备串联进行实验和测试，模拟井下工况的变化。主要由泥浆罐、流量计、泥浆泵、节流阀A、节流阀、阻流管汇以及平板阀和压力计组成；泥浆泵A的出口管线分成三路；泥浆泵B的出口管线上依次连接一个单流阀和压力计，通过三通分成两路，节流阀的出口管线与阻流管汇的入口管线相连，阻流管汇的出口管线与控压钻井装备相连。能模拟正常钻进、开泵、停泵、起下钻、井漏、井涌等不同井下工况情况，并保证了控压钻井装备的安全、可靠运行。实现精确掌握控压钻井技术，细致调试控压钻井装备的目的，用于油气井控制压力钻井技术和装备试验。
文档编号E21B21/08GK201705322SQ20102014917
公开日2011年1月12日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者刘伟, 周英操, 方世良, 杨雄文, 纪荣艺, 霍宗强, 项德贵 申请人:中国石油天然气集团公司;中国石油集团钻井工程技术研究院