多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统的制作方法

本发明属于钻井模拟技术领域，具体涉及一种多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统。

背景技术：

石油天然气勘探开发过程中，定向井已成为提高油气田单井产量和综合效益的重要手段。尤其是水平井能够有效增大油气层的泄油面积、提高采收率、提高油藏的动用程度。然而水平井技术难点多，钻井工艺复杂、对设备和工具要求高。近年来，随着非常规油气开发的不断增多和钻井工艺技术的快速发展，水平段延伸距离不断加长，井眼净化问题越来越突出。由于水平井具有较大倾斜角和较长水平段，或者较长的定向段及稳斜段，极易造成钻井液携岩不畅，导致井筒低边形成岩屑沉积床，增加钻柱磨阻和扭矩，甚至有卡钻的风险，影响钻井效率和井下安全。

井眼环空清洁是定向井钻井过程的关键问题。井眼的净化程度与环空返速、井斜角、钻柱的偏心程度、钻柱运动状态、钻井液类型、钻井液气相含量、岩屑形状及浓度等多个因素有关。当前，环空携岩理论分析主要基于岩屑床厚度或截面积设计，然而仅靠理论分析进行求解存在许多困难，通过实验的方式，模拟井下环空动态冲砂和携岩过程，可观察定向井岩屑运移特征，找到提高井眼净化效果的有效措施，从而可减低开发成本，然而现有实验设备中，大多只基于静态的模拟分析，并不能实现全井况的模拟实验，实验结果局限性较大，很难真正为实际开发提供有效数据支撑。

技术实现要素：

为解决以上技术问题，本发明提供了一种多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统，实现多尺寸、多流态、多角度钻井过程中，钻井冲砂、携岩、环空返速等参数的综合模拟，为实际钻井提供可靠数据支撑。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统，包括安装架，该安装架上具有沿其长度方向依次设置的模拟井筒和模拟钻柱，其关键在于，还包括：

钻井液循环系统，用于向模拟井筒和模拟钻柱供给钻井液和进行钻井液的处理；

驱动装置，用于驱动模拟钻柱沿模拟井筒长度方向移动和/或驱动模拟钻柱转动；

起升装置，用于提升安装架的一端，使模拟井筒和模拟钻柱相对于水平面倾斜；

加砂装置，其与钻井液循环系统相连，用于在实验时向钻井液中加砂。

采用以上方案，通过起升装置和驱动装置可充分模拟钻井过程的各种工况，实现全工况的动态模拟，而通过加砂装置则朝钻井液中加入实验对象，直观观察井底冲砂，以及砂屑移动情况速度，实现固液两相钻井的实际模拟，具有更良好的可靠性。

作为优选：所述钻井液循环系统包括进液管，以及相互连接的泥浆泵和泥浆罐，所述泥浆泵的出口端与进液管连通，所述进液管连接有钻柱进液管、环空进液管和旁通管；

所述钻柱进液管与模拟钻柱的顶端连通，环空进液管与模拟井筒的底端连通，所述模拟井筒的顶端设有回流管，该回流管上设有振动筛，所述振动筛与泥浆罐相连，所述旁通管通过三通阀与回流管相连。

采用以上方案，合理设置管线，防止模拟过程中井筒出现憋压，以及满足管线清洗或多种工况模拟的需求，提高安全系数，同时确保钻井具有良好的钻井液循环系统，通过振动筛可快速回收返出砂砾进行数据记录。

作为优选：所述加砂装置包括均与环空进液管相连的自动加砂机构和人工加砂机构。采用两种不同加砂机构，以满足不同加砂量，以及砂粒形状大小的需求，可进行更多样化的井下情况模拟，如正常钻进则可加入细粒径规则砂粒，而加入大颗粒砂粒则可模拟井下掉块等情况。

作为优选：所述钻井液循环系统还包括砂泵和备用进液管，所述砂泵的进口端与泥浆罐相连，出口端同时与进液管和备用进液管连通，所述备用进液管与进液管并联设置，并同时与钻柱进液管、环空进液管和旁通管相连，所述泥浆泵的出口端同时还与备用进液管相连。采用以上方案，有利于保证实验系统工作稳定性以及实验流量的需求等，防止管线损坏导致实验终止。

作为优选：所述模拟钻柱伸入模拟井筒的一端连接有模拟钻头，该模拟钻头呈前小后大的中空圆锥台状，其侧壁上沿周向均匀分布有与椭圆状的水眼，所述水眼与模拟钻头内部连通。采用此种结构的模拟钻头，可避免射流直接对井底砂粒的作用，依靠侧面射出的液流进行循环作用，能更真实的反应井下情况。

作为优选：所述驱动装置包括传动箱，该传动箱上设有轴向驱动电机和旋转驱动电机，传动箱内具有由轴向驱动电机驱动的齿轮，安装架上在传动箱的两侧对称设有齿条，所述齿轮与齿条啮合，所述旋转驱动电机沿安装架长度方向设置，其电机轴通过水龙头与模拟钻柱固定连接。

采用以上结构，简化传动结构，确保钻柱在旋转时可以同时进行轴向移动，且两种运动互不干涉，能更好的模拟实际钻井场景，即钻进、正划眼、倒划眼等过程中井底环境动态，乃至起下钻过程钻井液激荡对井底岩屑的影响。

作为优选：所述起升装置包括起升塔架，该起升塔架从下至上依次设有卷扬电机、卷扬筒和定滑轮，并配置有钢绳，所述钢绳与安装架的后端相连。通过简单的结构实现安装架的倾斜抬升，以模拟井斜角0～90°变化时，井筒内的钻进情况。

作为优选：所述安装架底部具有至少两个沿宽度方向设置的支撑辊，所述支撑辊的两端套装有滚轮。采用以上方案，可使安装架在起升或下降过程中通过滚轮的滚动更省力轻松，噪音振动更小，提高设备操作人性化。

作为优选：所述起升塔架两侧对称设置有滑槽，所述滑槽沿起升塔架的高度方向设置，其中一个所述支撑辊位于安装架的后端，该支撑辊两端的滚轮嵌入正对的滑槽中。采用以上方案，可使安装架在升降过程中更平稳，防止左右晃动，提高整体安全系数及实验结果的精确度。

作为优选：还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括控制柜，所述安装架上对应模拟井筒的位置沿其长度方向均匀分布有高清摄像头，模拟井筒的两端设有与其连通的差压计，模拟井筒的出口端设置有密度计，模拟井筒的一侧设有超声多普勒流量计，所述高清摄像头、差压计及超声多普勒流量计均与控制柜相连。采用以上结构，通过在控制柜中设置采集模块，而设备上设置相应传感器或计量器等，进行实时记录，有利于降低实验操作难度，且提高实验效率，便于进行多次重复实验，提高结果精确度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用本发明提供的多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统，可充分模拟常规两相钻井全井况、全尺寸井下环空的动态情况，有效反应钻井液参数、井眼尺寸、井斜角、机械钻速等因素对冲砂及携岩效果的影响，同时还可对固相移动速度及浓度进行实时测量分析，可为现场钻井生产提供重要的理论支撑。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1所示实施例中安装架的结构示意图；

图3为起升装置与安装架相对位置示意图；

图4为模拟钻头结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参考图1至图4，本发明的多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统主要包括安装架1、钻井液循环系统2、驱动装置4、起升装置5、加砂装置6，其中安装架1上沿其长度方向依次设置的模拟井筒10和模拟钻柱11，且模拟井筒10和模拟钻柱11同轴设置，模拟钻柱11的外径比模拟井筒10的内径小，其前端伸入模拟井筒10中，且在模拟井筒10的端部设置有相应的密封结构。

模拟井筒10为有机玻璃管，具有透明和高强度的特性，驱动装置4用于驱动模拟钻柱11做旋转运动和/或轴向运动，两种运动可同时进行，也可单独进行，钻井液循环系统2主要包括钻井液处理设备和相应的连接管汇，通过管汇将钻井液处理设备与模拟钻柱11和模拟井筒10连接，从而构建相对真实的钻井泥浆循环工况，本实施例中的加砂装置6主要用于在实验时向钻井液中加入砂石，以模拟井底岩屑，作为主要的观察参考对象，起升装置5位于安装架1的一端，其主要用于将安装架1的一端倾斜向上提升，从而改变其与水平面夹角，模拟钻井实际井斜角从0°～90°的变化工况，满足现场生产需求。

具体如图所示，模拟井筒10通过井筒支撑板17支撑在安装架1上(其一端为模拟井底，另一端为模拟井口，而模拟井底端靠近安装架1的端部)，且模拟井筒10与井筒支撑板17之间可拆卸连接，甚至可通过多段短筒通过法兰连接形成，这样多段式的连接，也便于在实验时，加装偏心块，以方便进行偏心钻井的模拟实验，在模拟井筒10的后方设有两个固定板16，其中一个固定板16靠近模拟井筒10的进口端，该固定板16与相邻的井筒支撑板17通过螺栓固定连接，而另一个固定板16靠近安装架1的端部，两个固定板16之间对称设置有四个导向筒15，在两个固定板16之间活动设置有两个钻杆支撑板18，两个钻杆支撑板18通过通孔配合滑动支撑在四个导向筒15上，可沿导向筒15长度方向滑动。

驱动装置4主要包括传动箱40，传动箱40上设有轴向驱动电机41和旋转驱动电机42，其中轴向驱动电机41竖向设置，其电机轴伸入传动箱内，传动箱40内部设有齿轮组，齿轮组可以直接是并排且沿安装架1宽度方向设置的四个齿轮组成，而轴向驱动电机41的电机轴与中间任意一个齿轮相连，这样当轴向驱动电机41工作时，齿轮组中两端的齿轮可保持相对的转动方向，且两端的齿轮穿出传动箱40，在两个固定板16之间沿安装架1的长度方向设有齿条12，且齿条12对应传动箱40内两端齿轮的位置，传动箱40内的端部齿轮穿出其壳体之后与齿条12啮合，这样轴向驱动电机41工作时，则可带动传动箱40整体沿安装架1的长度方向前后滑动，实际设计过程中，不仅仅局限于上述的传动方式，也可采用锥齿轮结合传动等方式。

旋转驱动电机42沿安装架1的长度方向设置，其电机轴穿过靠近模拟井筒10的一个钻杆支撑板18后通过水龙头13(类似钻机上同时连接钻具与鹅颈管的接头，即顶驱结构，在钻进过程中，钻具转动时，水龙头13不会发生转动，而又可以稳定将鹅颈管泵入的钻井液送入钻具内)与模拟钻柱11的顶端相连，靠近模拟井筒10的固定板16上正对模拟钻柱11的位置设有通过孔，模拟钻柱11则穿过该通过孔之后伸入模拟井筒10中，当旋转驱动电机42转动时，接口带动模拟钻柱11发生周向转动。

而为了更真实的模拟井下环境，故在模拟钻柱11伸入模拟钻筒10的一端连接有模拟钻筒19，如图所示，模拟钻头19呈前小后大的圆锥台状，且模拟钻头19为中空结构，其靠近模拟井底的端部封闭，其侧壁上沿其周向均匀分布有与其内部连通的水眼190，实验过程中，模拟钻柱11内的流体则可通过钻头水眼190进入环空内部。

本实施例中，为防止模拟钻柱11在朝模拟井底一端移动过程中，钻杆支撑板18与固定板16之间发生碰撞，故在靠近模拟井底的一个钻杆支撑板18上设有到位传感器1a，而在正对的一个固定板16设有与之匹配的触发片1b，到位传感器1a可连接报警装置，当到位传感器1a靠近或触碰触发片1b时，则向报警装置实时发出信号，从而提醒实验人员做出正确操作，提高系统的安全系数。

如图所示，本实施例中起升装置5主要包括竖直设置的起升塔架50，起升塔架50位于远离模拟井底的一端，且靠近安装架1的端部，起升塔架50的高度大于或等于安装架1的长度，起升塔架50上从下至上依次设置有卷扬电机51、卷扬筒52和定滑轮53，并在三者之间穿设有钢绳54，刚绳54的一端与安装架1远离模拟井底的一端端部固定连接，这样当卷扬电机51工作时，则可通过刚绳54将安装架1整体倾斜向上提升，从而达到模拟不同钻井井斜角的目的。

而为了降低升降所耗功率，同时提高安装架1在升降过程的稳定性，本实施例中在安装架1的底部沿其长度方向均匀分布有多个支撑辊14，其中有两个支撑辊14分别位于安装架1的前后两端，支撑辊14沿安装架1的宽度方向设置，其两端端部以可转动方式安装有滚轮140，起升塔架50主体呈框架结构，但在其上沿安装架1的宽度方向的两侧设有滑槽500，如图所示滑槽500沿起升塔架50的高度方向对称设置，且滑槽500底部正对滚轮140的位置设有缺口，这样当安装架1只需稍微移动一点距离，最后端的两个滚轮140即可嵌入正对的滑槽500中，这样当安装架1在升降过程中，上端的两个滚轮140沿滑槽500滚动，即可防止安装架1发生左右晃动，而靠近模拟井底的两个滚轮140则以滚动代替滑动，从而使得升降更轻松省力。

本申请中钻井液循环系统2主要包括一些涉及钻井液的处理设备及连接各设备的管线，如图所示，处理设备主要包括泥浆泵20、泥浆罐21、振动筛22，其中通常振动筛22位于泥浆罐21之上，通过振动过滤之后的钻井液则直接进入泥浆罐21内，泥浆泵20的入口端与泥浆罐21相连，其泵出端连接有进液管2a，进液管2a具有三条支管，三条支管分别为钻柱进液管2b、环空进液管2c和旁通管2d，三条支管上均设有开关闸阀，钻柱进液管2b和环空进液管2c上设有液体流量计，其中钻柱进液管2b通过水龙头13与模拟钻柱11连通，环空进液管2c则与模拟井筒10的底部(即模拟井底)连通，模拟井筒10的模拟井口端连接有回流管2e，回流管2e上靠近模拟井筒10的位置设有三通阀2f，旁通管2d则通过三通阀2f与回流管2e相连，回流管2e的远端则直接连接到振动筛22上，进行过滤，过滤产生的颗粒杂质则统一收集到回收箱25，便于后续进行烘干测量分析实验结构。

本实施例中的加砂装置6主要包括自动加砂机构和人工加砂机构，如图所示，自动加砂机构包括储砂罐60和与之相连的自动加砂器600，自动加砂器600与环空进液管2c相连，其主要用于加注量较大、直径小于8mm作用的规则形状砂砾，而人工加砂机构则主要包括与环空进液管2c相连的锥形漏斗61，二者连通位置靠近模拟井底，锥形漏斗61的底部设有手动加砂阀610，其主要用于进行加注量较少、形状不规则的砂砾，通过两种不同的加砂机构，可充分模拟井斜不同的公开，即正常细砂返出，或井壁掉块的环空动态，通过观察不同形状砂砾在环空的情况，更能反应实际钻井所遇到的问题。

同理，为提高系统运行可靠性，及针对不同钻井钻具参数实验的普遍性，满足不同井眼模拟需求，本实施例中的钻井液循环系统2还包括砂泵23和备用进液管2g，如图所示，砂泵23的进口端与泥浆罐21相连，其泵出端同时与进液管2a和备用进液管2g连通，备用进液管2g与进液管2a并联设置，其远离砂泵23的一端同样的同时与三条支管(钻柱进液管2b、环空进液管2c和旁通管2d)相连，当然泥浆泵20也与备用进液管2g相连，在泥浆泵20与备用进液管2g和液管2a之间设有泥浆泵阀200，而在备用进液管2g和液管2a与砂泵23相连位置分别设有砂泵开关阀230、230’，通过泥浆泵阀200和砂泵开关阀230、230’即可实现泥浆泵20与砂泵23的选用；砂泵23主要用于小尺寸的循环管路，其管汇压力较低，而泥浆泵20主要用于大尺寸管路，其管汇压力较高。

泥浆罐21的出口处设置有泥浆出口阀210，泥浆泵20和砂泵23均位于泥浆出口阀210的下游，本实施例中为更好的对管道进行清洗保养，故还配置有清水罐24，清水罐24的出口端设置有清水开关阀240，且与泥浆出口管线共用，同时与泥浆泵20和砂泵23相连。

此外，为提高实验效率及实验结果的精确度，本实施例中在回流管2e的管路上设置有固液分离器3，且固液分离器3位于振动筛22与三通阀2f之间，可对模拟井口处出来的钻井液直接进行钻井液，实现自动分离和实时计量，这样就节省实验人员到振动筛22上进行颗粒回收的步骤，相对通过振动筛22进行回收而言，通过固液分离器3回收更完整，不易发生漏失而导致实验结果误差较大。

为便于快速进行实验结果分析，本申请还配置了相应的数据采集系统，其主要包括控制柜8，安装架1上沿模拟井筒10的长度方向均匀分布有至少两个高清摄像头80，而模拟井筒10的两端配套设置有与之相连的差压计81，在回流管2e上设置有密度计82，密度计82位于固液分离器3与三通阀2f之间，模拟井筒10的一侧设有超声多普勒流量计83，控制柜8内具有数据和图形记录模块，高清摄像头80、差压计81、密度计82和超声多普勒流量计83均与控制柜8内记录模块相连，可对各传感器或设备记录的参数或影响进行记录，同时，还可将液体流量计以及模拟钻柱11的旋转速度和轴向移动速度参数接入控制柜8内，进行记录并显示，便于实验人员进行实时调整操作，以及后期的数据整理分析。

参考图1至图4，利用本发明进行常规两相钻井动态模拟实验的步骤如下：

1)检查各实验设备状态，打开相应电源；

2)根据模拟钻柱11及模拟井筒10尺寸，选择使用泥浆泵20或砂泵23，若选择使用泥浆泵20作为动力源，则打开泥浆泵阀200，而关闭砂泵开关阀230、230’，反之，若选择使用砂泵23为动力源，则关闭泥浆泵阀200，打开砂泵开关阀230、230’；

3)根据将要模拟的实验选择加砂机构，即根据需要加入砂砾的尺寸和体量进行选择，确保自动加砂器600和手动加砂阀610处于关闭状态，然后根据选择在相应的储砂罐60或锥形漏斗61内加入砂粒；

4)检查各阀门状态，打开进液管2a、备用进液管2g和钻柱进液管2b的开关闸阀，同时打开泥浆出口阀210，并调整三通阀2f，使回流管2e与振动筛22处于连通状态，关闭旁通管2d和环空进液管2c上的开关闸阀，如使用自动加砂机构，则启动自动加砂器600，如选择使用人工加砂，则打开手动加砂阀610；

5)开泵，如使用砂泵23，则可调节钻柱进液管2b上开关闸阀的开度，观察流量数值变化，记录不同流量对应的发明开度位置，而如使用泥浆泵20，则可直接调整泵冲到对应流量的冲数，并贯穿泥浆可以正常循环，即泥浆从泥浆罐21内被泥浆泵20/砂泵23经钻柱进液管2b送入模拟钻柱11内，再经回流管2e经振动筛22流回泥浆罐21内；

6)关闭钻柱进液管2b上的开关闸阀，打开旁通管2d上的开关闸阀，随后缓慢打开环空进液管2c上的开关闸阀，通过钻井液将砂粒以最低速度送入模拟井底，待设计的砂量加完之后，关闭相应的加砂机构，并关闭旁通管2d上的开关闸阀；

7)打开钻柱进液管2b上的开关闸阀，随后再进行模拟钻柱11的旋转运动和/或轴向移动操作，并观察模拟井底砂粒移动情况，通过固液分离器3直接对返出砂粒进行分离称重，并做好记录(如果未安装固液分离器3，则可直接通过振动筛22进行颗粒回收，存入回收箱25内，以便后期测量分析)；

此过程中，通过高清摄像头80和超声多普勒流量计83结合可以实时记录砂粒的浓度分布及其运移速度，并记录至控制柜8中记录模块中，同时实验中个设备的运行参数，如泥浆流量、模拟钻柱11的转动速度、轴向移动速度、模拟井筒10内的压力等均被控制柜8一一采集记录；

8)通过起升装置5实现对安装架1的整体倾角调整，该步骤为安全起见，可以在第5)步之前完成，即调整好将要模拟的角度之后，再进行后续实验，当然，如果是为模拟钻柱在井斜拐角井段进行上下划眼的工况，也可以在开泵的情况下，进行倾角的实时缓慢调整，使其更接近于真实的井下情况；

9)重复上述步骤，进行多角度、多流量、多工况的井下模拟，并做好实验记录；

10)实验完毕，待模拟井筒10内的砂粒全部返出之后，关闭泥浆出口阀210，打开清水开关阀240，利用清水对管线和设备进行清洗，确保设备清洁度，有利于延长其使用寿命；

11)关泵，并下放安装架1使其处于水平位置，根据记录数据，进行综合分析。

在实验过程中，主要充分利用驱动装置4实现模拟钻柱11的轴向移动及旋转运动，同时利用起升装置5实现模拟井筒10和模拟钻柱11的倾角设置，从而满足钻进过程多工况的模拟的需求，特别是能够观察不同井斜角下的环空岩屑运移规律、定量测量不同井斜角下的环空岩屑径向浓度和环空不同流域的岩屑粒度组成，为冲砂携岩、井眼净化等研究提供有效可靠的数据支撑，具有更良好的普遍模拟使用价值。

同时充分考虑使用环境，满足不同尺寸井眼的模拟实验，使实验系统更具推广价值，同时本系统还实现了环空砂粒加注及收集的闭环自动进行，即实验过程中，可在任意时间连续性的控制砂粒注入浓度以模拟钻头机械钻速的变化对环空的动态影响，系统整体使用方便，造价极低，模拟实验中所用砂粒可分离回收重复利用，安全环保，具有极大的科研价值。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。