模拟水平井砂沉积下连续管作业的磨损原位观测试验装置的制作方法

本发明涉及模拟颗粒运移观测技术领域，尤其涉及一种模拟水平井砂沉积下连续管作业的磨损原位观测试验装置。

背景技术：

随着我国经济的快速发展，石油产品的消耗量越来越大，对于国外石油的进口量也越来越多，而国内部分油田的产量出现瓶颈，开采原油的成本越来越大，开采的难度不断提高，随着开采的深入，高质量的油田越来越少，因而大位移水平井作为提高钻井效率中的重要方式不断地受到大家的关注。

现阶段，随着石油开采的逐渐深入，我国的石油开采逐渐进入后期阶段，优质的石油储藏越来越少，石油资源日益匮乏，开采石油的难度也逐渐加大，油田开采效率随开采的进行越来越低，为提高原油的产量，提高油田单口井的开采已经成为必然的趋势，当前，国内开采的石油中百分之八十左右的原油产量来自于注水开采，水驱油涉及的地质储量高达一百多亿吨，高效率的驱油成为提高采收的必要手段，对于基数如此大的总体产油量，相对每提高一个百分点的采收率，对于实际的新增的原油采收将达到亿吨的量，因而想要提高原油的采收，注水驱油是原油开采高效率的关键所在，但是基本的注水开采后，还有百分之七十左右的原油依旧在油区中间存在，这是一个非常大的原油储藏量。

在进行连续管作业时，连续管与井壁或者套管存在不同程度的摩擦，这一直是人们关注的重点，是一个长久的研究热点。现阶段连续管钻井技术的使用并不十分广泛。在对于其接触区的颗粒运移轨迹和规律及连续管外表面磨损的研究较少。所以对于管壁磨损的观测以及在不同冲砂液、不同压力、不同作业速度等条件下的颗粒运移规律的研究是一个十分迫切的内容。

技术实现要素：

本发明实施例提供了种模拟水平井砂沉积下连续管作业的磨损原位观测试验装置，以实现模拟在井下不同连续管砂沉积多种作业工况，原位地观测在试样接触区颗粒运移的轨迹和规律，便于对井下连续管清砂作业工艺的优化。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种模拟水平井砂沉积下连续管作业的磨损原位观测试验装置，包括：

试验台底座，所述试验台底座上固定多根支撑柱；

试验操作台，套设在所述支撑柱上，所述试验操作台中部镂空；

试验控制台，套设在所述支撑柱上并固定；

下试样运动组件，由第一伺服电机、试样滚珠丝杠及试样运动丝杠螺母组成，所述第一伺服电机固定在所述试验操作台上，所述试样滚珠丝杠的一端与所述第一伺服电机固定连接，所述试样运动丝杠螺母套设在所述试样滚珠丝杠上；

试样安装组件，包括：下试样板、下试样板挡板、加载系统下试样运动组件、加载系统及试样组；所述下试样板设置在所述试样运动丝杠螺母之上，所述下试样板挡板在所述下试样板上围成试样接触区；所述加载系统下试样运动组件包括：移运导轨、第二伺服电机及传动机构，设置在所述试验控制台的下表面；所述加载系统包括：加载装置及加载力传感器，设置在所述加载系统下试样运动组件的下部；所述试样组包括：试样夹具及上管体试样，设置在所述加载系统的下部；

冲砂液循环组件，包括：变量泵、冲砂液配比站、测试传感器及废液回收器皿，所述测试传感器设置在所述试验操作台上，所述冲砂液配比站用于提供清水、含原油和多种浓度的洗井液，利用所述变量泵将所述冲砂液配比站中的冲砂液先后经过测试传感器和流道软管输入至所述下试样板挡板的供液孔，进入所述试样接触区，从所述试样接触区流出的冲砂液通过流道软管返回所述废液回收器皿；

观测系统运动组件，包括：控制电机、联轴器、显微镜运动丝杠及显微镜运动丝杠螺母；所述控制电机设置在所述试验台底座上，所述显微镜运动丝杠的一端固定在所述控制电机上，所述显微镜运动丝杠螺母套设在所述显微镜运动丝杠上；

显微观测组件，包括：显微镜镜头、焦距微调旋钮、显微镜移动式夹具组件、竖直调节滑轨及图像采集装置，所述显微镜镜头、焦距微调旋钮及图像采集装置固定在所述显微镜移动式夹具组件上，所述显微镜移动式夹具组件通过所述竖直调节滑轨固定在所述显微镜运动丝杠螺母上；

控制柜，设置在所述试验控制台上，所述控制柜中设置处理器及控制器，

所述处理器连接所述加载力传感器及显微观测组件，用于根据所述加载力传感器的测试数据进行加载力-摩擦力的换算，并处理所述显微观测组件记录的图像；

所述控制器连接所述第一伺服电机、第二伺服电机、控制电机及变量泵，用于控制所述第一伺服电机与控制电机的多速同步运动及所述变量泵的流量，实现试样接触区的原位观测。

一实施例中，所述下试样板在所述试样滚珠丝杠的带动下进行多速调节的水平往复运动。

一实施例中，所述观测系统运动组件通过所述控制器的控制与所述下试样运动组件的同步运动。

一实施例中，所述下试样板为透明耐磨材料。

一实施例中，所述试验操作台通过所述支撑柱上的调节固定螺母实现台面高度的调节，以调节显微镜镜头的焦距。

一实施例中，所述下试样运动组件还包括：观测系统运动组件，连接在所述显微镜运动丝杠另一端并设置在所述试验台底座上。

一实施例中，还包括：显示器，连接所述显微观测组件及处理器，所述显示器用于显示所述处理器的图像处理结果，并显示显微镜镜头实时观测到的图像。

一实施例中，所述试样接触区包括：平面接触方式和不同曲率半径的弧面接触方式，以模拟不同强度、直径和材料的上管体试样在不同阶段与井壁接触的实际工况。

一实施例中，所述上管体试样的接触面可为多种不同纹路，以模拟不同井下作业磨损状态下连续油管与井壁的接触。

一实施例中，所述显微镜移动式夹具组件还包括竖直调节滑轨，显微镜移动式夹具在所述竖直调节滑轨上上下移动，以调节所述显微观测组件的高度。

一实施例中，所述加载系统下试样运动组件沿所述移运导轨运动，以对所述下试样板和上管体试样进行安装与更换。

一实施例中，沉砂的颗粒的尺寸变化范围为0.5mm-3mm。

利用本发明，可以实现模拟在井下不同连续管砂沉积多种作业工况，操作方便。在试验过程中可以原位地观测在试样接触区颗粒运移的轨迹和规律，便于对井下连续管清砂作业工艺的优化，同时可以观测颗粒的破碎以及管体试样磨损微观结构，做出合理的井下作业工具的寿命评价，降低安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的模拟水平井砂沉积下连续管作业磨损原位观测试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的显微观测组件的结构示意图；

图3为本发明一实施例的试样接触区的结构示意图；

图4为本发明另一实施例的试样接触区的结构示意图；

图5A至图5C为本发明实施例试样接触区的接触形式的类型示意图；

图6A及图6B为本发明实施例上管体试样接触面的纹路示意图；

图7为本发明实施例的下试样运动组件的结构示意图；

图8为本发明实施例的加载系统下试样运动组件的结构示意图；

图9为本发明基本控制示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的模拟水平井砂沉积下连续管作业磨损原位观测试验装置的结构示意图。如图1所示，该系统主要包括：试验台底座1，试验操作台7，试验控制台24，下试样运动组件，试样安装组件，冲砂液循环组件，观测系统运动组件，显微观测组件及控制柜。

试验台底座1上固定多根支撑柱3，固定方式可以为螺纹连接或者焊接。一实施例中，如图1所示，支撑柱3与试验台底座1通过螺纹连接，然后通过固定螺母2将支撑柱3紧固在试验台底座1上。支撑柱3的根数可以根据实际情况设置为3根、4根或者更多，本发明不以此为限。

试验操作台7套设在支撑柱3上并固定。一实施例中，可以通过套设在固定支撑柱3上的调节螺母6进行固定，每根支撑柱3可以在试验操作台7的上下分别套设调节螺母6。通过调节螺母6可以实现试验操作台7的台面高度调节。

试验控制台24套设在所述支撑柱上并固定，所述试验控制台24用于放置控制柜及显示器20。

如图1及图7所示，下试样运动组件主要包括：伺服电机25、试样滚珠丝杠10及试样运动丝杠螺母12等。伺服电机25固定在试验操作台7上，试样滚珠丝杠10的一端与伺服电机25固定连接，试样运动丝杠螺母12套设在试样滚珠丝杠10上。

如图1所示，试样安装组件包括：下试样板11、下试样板挡板13、加载系统下试样运动组件、19加载系统及试样组。

其中，下试样板11设置在试样运动丝杠螺母12之上，下试样板11在试样滚珠丝杠10的带动下进行多速调节的水平往复运动。

下试样板挡板13在下试样板11上围成试样接触区。加载系统下试样运动组件设置在试验控制台24的下表面，如图8所示，加载系统下试样运动组件包括：移运导轨23、扶正器21及设置在传动箱体19中第二伺服电机及传动机构，传动机构可以是齿轮组或者丝杠。加载系统包括：加载装置18及加载力传感器17，设置在加载系统下试样运动组件的下部。加载系统可以模拟不同加载力的条件，从而记录颗粒形态特征和运移轨迹及规律。试样组包括：试样夹具16及上管体试样15，设置在加载系统的下部。

本发明具体实施时，加载系统下试样运动组件可以沿移运导轨运动，以方便对下试样板和上管体试样进行安装与更换。

如图1所示，冲砂液循环组件包括：变量泵32、冲砂液配比站33、测试传感器14及废液回收器皿4，测试传感器14设置在试验操作台7上，冲砂液配比站33用于提供清水、含原油和多种浓度的洗井液，利用变量泵32将冲砂液配比站33中的冲砂液先后经过测试传感器和流道软管5输入至下试样板挡板的供液孔，进入试样接触区，从试样接触区流出的冲砂液通过流道软管5返回所述废液回收器皿。

冲砂液循环组件可以进行清水、含原油液体以及不同浓度和种类的聚合物洗井液的循环，可以模拟不同工况下的颗粒运移轨迹及规律。

如图1所示，观测系统运动组件包括：控制电机34、联轴器35、显微镜运动丝杠36、显微镜运动丝杠螺母31及试样支撑轴承37。34控制电机设置在所述试验台底座上，显微镜运动丝杠36的一端固定在控制电机上，显微镜运动丝杠螺母套31设在显微镜运动丝杠36上，试样支撑轴承37固定在试样滚珠丝杠36的另一端并设置在试验操作台7上。

图2为本发明实施例的显微观测组件的结构示意图，如图1及图2所示，显微观测组件包括：显微镜镜头27、焦距微调旋钮28、显微镜移动式夹具组件29、竖直调节滑轨40及图像采集装置30，显微镜镜头27、焦距微调旋钮28及图像采集装置30固定在一起，然后固定在显微镜移动式夹具组件29上，显微镜移动式夹具29组件固定在显微镜运动丝杠螺母31上。显微镜移动式夹具29可以在竖直调节滑轨40上上下移动，以调节所述显微观测组件的高度。

一实施例中，显微镜镜头27可以采集颗粒形态特征图像，运移轨迹和规律以及试样外表面磨损特性等参数。显微镜镜头27可以选择普通显微镜头、荧光显微镜和高速显微镜镜等。

一实施例中，显微镜移动式夹具组件29设置有竖直调节滑轨，显微镜移动式夹具29可以在竖直调节滑轨上上下移动，以调节所述显微观测组件的高度。

如图1所示，控制柜22设置在试验控制台上，所述控制柜中设置处理器及控制器(图中未示出)。

处理器连接加载力传感器17及显微观测组件，用于根据加载力传感器17的测试数据进行加载力-摩擦力的换算，并处理显微观测组件记录的图像，完成数据的实时采集和对数据的分析与优化。

控制器连接第一伺服电机25、第二伺服电机、控制电机34及变量泵32，用于控制第一伺服电机25与控制电机34的多速同步运动，使得观测系统运动组件通过所述控制器的控制与下试样运动组件的同步运动，控制器还可以变量泵32的流量，实现试样接触区的原位观测。

观测系统运动组件与显微观测组件的配合运行状态如下：控制电机34、滚珠丝杠36、丝杠螺母31和轴承座37综合完成显微镜的基本线性运动。可以使显微镜观测组件经停在任意位置，随后根据显微镜镜头与下试样板的距离，通过调节显微镜移动式夹具29找到合适的观测位置，在调节焦距微调旋钮28，得到清晰的图像，传输到图像采集装置。此外可以通过控制柜实现显微镜组件和下试样运动组件的多速同步运动。

一实施例中，如图7所示，下试样运动组件还包括：支撑轴承座9，支撑杆8及支撑座26，设置在试验操作台7上，连接试样滚珠丝杠10的另一端，用于支撑试样滚珠丝杠10。

一实施例，试验操作台7中间镂空，并且下试样板为透明耐磨的硬质材料，便于显微观测组件对试样接触区进行观测记录，并且可以承受中载荷条件下的磨损。同时下试样板可更换不同形式，过度磨损后可直接更换新板。

一实施例中，试验操作台的台面高度可以进行调节，以调节显微镜镜头的焦距，具体地，可以通过所述支撑柱上的调节固定螺母实现台面高度。

一实施例中，下试样运动组件还包括：轴承座，连接在显微镜运动丝杠36另一端并设置在试验台底座1上。

显示器20连接显微观测组件及处理器，显示器20可以用于显示处理器的图像处理结果，并显示显微镜镜头实时观测到的图像。调节显微镜镜头位置是，可以通过显示器20显示的图像进行调节。

图3为本发明实施例的试样接触区的结构示意图，如图3所示，31为试样接触区，32为供液口。图3中试样接触区31为平面，另一实施例中，如图4所示，试样接触区31还可以为不同曲率半径的弧面。两种不同的试验台面可以根据不同的实际工况进行多种组合的模拟试验，从而更好的对接触区的颗粒移运和磨损情况进行分析和对比。

试样接触区的接触形式可以分为多种类型，包括：弧面-弧面接触、平面和平面接触及弧面和平面接触等。如图5A至图5C所示，试样接触区的接触形式可以分为其中，图5A为弧面-弧面接触，图5B为平面和平面接触，图5C为弧面和平面接触。

除了试样接触区的接触形式可以分为多种类型，上管体试样的接触面可为多种不同纹路，以模拟不同井下作业磨损状态下连续油管与井壁的接触，例如图6A及图6B所示。

图9为本发明实施例的控制示意图，如图9所示，所述运动控制系统主要完成对加载系统下试样运动组件、下试样板运动组件、观测系统运动组件以及冲砂液循环组件中变量泵的控制；所述数据采集系统主要实现对实验过程中加载力数据，冲砂液参数(速度、粘度等)和颗粒形态和运移轨迹的采集；所述数据处理分析主要进行上管体试样受力分析、颗粒运移分析、冲砂液优化以及管体磨损评价。

利用本发明，可以模拟水平井砂沉积条件下连续管作业时的在不同冲砂液、原油等情况下与套管之间的颗粒移运和管体磨损规律，颗粒的尺寸变化范围可以为0.5mm-3mm。

综上所述，本发明可以通过完成对接触区颗粒在不同条件下的颗粒的形态特征、运移轨迹和规律和试样表面磨损情况的观测，用于分析井下连续管或井下作业工具在各种工况下表面的磨损过程和进一步优化井下清砂工艺。在试验进行中，首先，试验之前先加工好不同的接触区上管体试样和下试样板，接触区试样可以为平面状或者不同曲率半径的弧面，同时根据需要在表面光刻或激光加工出不同的纹路，模拟实际磨损时颗粒的运移过程，由于需要对图像进行采集和记录，下试样板选择为透明耐磨材料的硬质板。将下试样板11调节到合适的位置，同时通过调节电机调整加载装置和显微镜的位置，控制加载装置输出所需的加载力，随后开启显微镜，通过显示器确定最佳的位置，然后通过调节显微镜的夹具实现粗调并紧固，进而，还需要通过调节微调旋钮来调整显微镜聚焦。若仅进行干燥状态下的试验，通过控制柜依次完成加载过程，接触区运动过程(单向或者往复)，显微镜图像采集过程，最后完成相应的图像和数据处理。若进行模拟存在液体状态下的试验，需要在试验中根据需要准备不同的冲砂液(包括清水、含原油冲砂液、不同浓度的洗井液等)，用变量泵来驱动冲砂液，在显示屏幕上观测到有液体进入过程时开启伺服电机25运转，此操作可通过单一按钮完成。试验完成后则关停变量泵和电机，并将得到的压力数据，录像处理数据等存储。清理废液。最后，关闭所有带电设备。

利用本发明，可以实现模拟在井下不同连续管砂沉积多种作业工况，操作方便。在试验过程中可以原位地观测在试样接触区颗粒运移的轨迹和规律，便于对井下连续管清砂作业工艺的优化，同时可以观测颗粒的破碎以及管体试样磨损微观结构，做出合理的井下作业工具的寿命评价，降低安全隐患。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。