专利名称：超临界二氧化碳钻井液模拟实验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钻井液模拟实验装置，特别是涉及一种超临界二氧化碳钻井液模
拟实验装置。
背景技术：
随着世界石油的勘探、开发以及需求量的不断增加，一些低压低渗油气藏逐渐被发现、压力枯竭油气藏逐渐出现，由于需求的不断增加和技术的不断进步，上述油气藏逐渐被纳入可开采范围。但在钻进这些油气藏时常会出现下列问题(l)使用气体(空气、氮气、天然气等)钻井井下马达不易驱动、携岩困难、不能实现射流破岩、井底压力不易控制、有时会出现井下着火或爆炸等问题；(2)使用泡沫或充气钻井液井下难以保持深度欠平衡状态，难以实现理想的井下压力控制。而使用超临界二氧化碳钻井具有以下优势(l)随井深的增加，温度和压力达到临界点，其高密度可为动力钻具提供驱动力，也为射流破岩提供了基础；(2)通过喷嘴产生温度降低效应，起到冷却和清洁钻头作用-延长了钻头的使用寿命；(3)类似气体的低粘度易实现紊流状态-具有较好井眼清洁能力；(4)侵入储层，溶解重烃，使粘土矿物脱水-增大了孔隙度，形成弱酸，具有近井增产增注，远井调剖等作用；降低原油粘度，使原油体积膨胀等_促进采收率提高；(5)进入环空后，变为气相_维持了井底深度欠平衡状态。 目前深度欠平衡钻井过程中以下问题(l)泡沫或充气钻井液，钻井速度低、井底压力不易控制、污染油气层、难以实现深度欠平衡等；(2)空气、氮气或天然气钻井流体，井下马达不易驱动、携岩困难、污染油气层、存在井下着火或爆炸等危险性因素问题。因此，超临界二氧化碳钻井液应运而生，是规避上述缺陷的最佳可选钻井液流体之一，但是，目前并没有一种适合的超临界二氧化碳钻井液模拟实验装置。 物质随着温度、压力的变化，都会相应的呈现为固态、液态和气态三种状态，这称作物质的三态。三态之间互相转化的温度和压力点称作三相点。除了三相点外，每种分子量不太大的稳定的物质都具有一个固有的临界点(criticalpoint)，在临界点处，气相和液相界面消失，体系成为一相。温度和压力高于临界温度和临界压力的区域称为超临界区域(supercrical area)。超临界区域中的流体是区别于气体、液体而存在的第三流体，称为超临界流体(supercricalfluid，简称SCF)。超临界流体是一种可压縮的高密度流体，是通常所说的气、液、固以外的第四态，它的分子间力很小，类似气体，它的密度接近液体，没有相界面，也就没有相际效应。它的物理性质，如密度、粘度及扩散性等，处于气体与液体之间，既具有气体的特性，又具有液体的特性，因此可以说，超临界流体是介于气体、液体这两种流体状态以外的第三流体。 超临界二氧化碳(Supercritical C02，简称SC_C02)，是指处于临界温度(31. 1°C )和临界压力(7.38MPa)之上的二氧化碳流体，利用超临界二氧化碳独特的气液双重特性来服务于油气钻探领域，可以解决连续管欠平衡钻井领域存在的若干钻井液难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决没有适合的实验装置进行超临界二氧化碳钻 井液模拟实验研究的问题。 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种超临界二氧化碳 钻井液模拟实验装置，模拟装置设计要求(l)模拟装置要能模拟井下温度和压力的状态；
(2) 模拟装置要能实现可视化；(3)模拟装置要尽可能全尺寸模拟现场情况。 根据上述分析，超临界二氧化碳钻井液模拟实验装置需要解决以下难点(l)压 力高、流量大，需要解决高压泵的问题；(2)未减少二氧化碳体积，常温下保存最好为液态；
(3) 为在短时间内实现从低温到高温和从高温到低温的迅速转换，除需要一套加温装置外， 应增设一温度交换器；(4)模拟井筒高压可视；(5)气固分离问题。 本发明提供的超临界二氧化碳钻井液模拟实验装置包括模拟井筒、模拟钻杆、超 临界二氧化碳钻井液输送装置、若干温度和压力传感器和数据处理装置，模拟钻杆沿轴向 设有钻井液流入通道，该模拟钻杆插装在模拟井筒内，模拟钻杆的外壁与模拟井筒外壁之 间形成钻井液流出通道；超临界二氧化碳钻井液输送装置，包括由若干二氧化碳储气瓶并 联而成的气源、冷却装置、储气罐、流量计、高压气泵、流量调节阀、热交换装置和液固分离 器，管路依次连接储气罐、流量计、高压气泵、流量调节阀、热交换装置、钻井液流入通道入 口 、钻井液流出通道出口 、液固分离器和冷却装置形成循环环路，气源的出口连至冷却装置 的入口 ；若干温度和压力传感器分别设置在模拟井筒底部、中部和上部的内壁上；数据处 理装置设置在地面上，接收所述若干温度和压力传感器的输出信号以及流量计的流量信号 并进行处理。 上述方案中，还包括加砂装置，所述加砂装置包括与模拟井筒下部相通的管道，设
置在该管道内的螺杆以及驱动螺杆旋转的电机，所述管道上设有用于添加砂料的漏斗。 模拟井筒的底部、中部和上部筒壁上分别设有相对设置的透明窗口。 本发明，通过模拟超临界二氧化碳钻井液的循环过程，模拟实现使用超临界二氧
化碳钻井过程中钻井液的流动特性、携岩特性、压力损失以及温度传递等特性研究，为超临
界二氧化碳钻井液研究提供了一种实验方法和研究手段。
图1为本发明的结构示意图； 图2为本发明模拟井筒、模拟钻杆以及自动加砂装置结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作出详细的说明。 如图1、图2所示，本发明包括模拟井筒1、模拟钻杆2、超临界二氧化碳钻井液输送 装置、若干温度和压力传感器和设置在地面上的数据处理装置，所述模拟钻杆2设有轴向 通孔，作为钻井液流入通道，该模拟钻杆2插装在模拟井筒1内，其外壁与模拟钻杆2的外 壁之间形成钻井液流出通道。 超临界二氧化碳钻井液输送装置包括二氧化碳气源48、储气罐41、流量计42、高 压气泵43、冷却装置44、热交换装置47和液固分离器45，管路依次连接冷却装置44、储气罐41、流量计42、高压气泵43、热交换装置47、钻井液流入通道入口 、钻井液流出通道出口 和液固分离器45形成循环环路，钻井液的流向为储气罐41中的二氧化碳钻井液，在输液 泵43的作用下经流量计42流入热交换装置47，由热交换装置47加热至超临界状态后进入 模拟钻杆2的钻井液流入通道，之后从模拟钻杆2与井道内壁之间的钻井液流出通道流出， 再经过液固分离器45进入冷却装置44，降温后返回到储液罐41中。高压气泵43出口处 的管路上设有流量调节阀46，用于调节输送至模拟钻杆2的二气化氧的流量，二氧化碳气 源48的出口连至冷却装置44的入口，随时为循环管路中补充二氧化碳。若干温度和压力 传感器P、T分别设置在模拟井筒1底部、中部和上部的内壁上，其所采集到的温度和压力信 号以及流量计42的流量信号输出至数据处理装置进行处理。图1中，P表示压力传感器，T 表示温度传感器。 本发明还包括加砂装置，所述加砂装置包括与模拟井筒1下部内腔相通的管道 31，设置在该管道31内的螺杆32以及驱动螺杆旋转的电机，所述管道31上设有用于添加 砂料的漏斗33，电动机旋转带动螺杆32将漏斗33中的砂料推入模拟井筒1内，最大加砂量 为5L/次。 模拟井筒1的底部、中部和上部筒壁上分别设有相对设置的透明窗口 ll，模拟井 筒上部和中部的透明窗口未画出，透明窗口用于观察超临界二氧化碳钻井液的携岩过程。
本发明的实验流程如下
1、循环实验 利用冷却装置44将二氧化碳降温并以液态形式保存在储气罐41中，开动高压气 泵43，调节流量调节阀46调节流量至所需，液态二氧化碳经热交换装置47后被加热实现超 临界状态，经模拟钻杆2下行至井底，并由环空返回，从而建立循环；从钻井液流出通道排 出的超临界二氧化碳经气固分离器后，进入冷却装置降温再进入储罐。实验开始时开启数 据处理装置，记录二氧化碳的流量和流经模拟井筒不同位置时的温度和压力，以此完成压 力损耗实验。 2、模拟加砂和携岩实验 在模拟井筒底部设计有一 自动加砂装置，实验开始后该装置可自动将内部砂粒加 入模拟井筒，并通过超临界二氧化碳循环携带出模拟井筒，经气固分离器实现分离，完成模 拟携岩过程。 本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结 构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
权利要求
超临界二氧化碳钻井液模拟实验装置，其特征在于包括模拟井筒；模拟钻杆，沿轴向设有钻井液流入通道，该模拟钻杆插装在模拟井筒内，模拟钻杆的外壁与模拟井筒外壁之间形成钻井液流出通道；超临界二氧化碳钻井液输送装置，包括由若干二氧化碳储气瓶并联而成的气源、冷却装置、储气罐、流量计、高压气泵、流量调节阀、热交换装置和液固分离器，管路依次连接储气罐、流量计、高压气泵、流量调节阀、热交换装置、钻井液流入通道入口、钻井液流出通道出口、液固分离器和冷却装置形成循环环路，气源的出口连至冷却装置的入口；若干温度和压力传感器，分别设置在模拟井筒底部、中部和上部的内壁上；数据处理装置，设置在地面上，接收所述若干温度和压力传感器的输出信号以及流量计的流量信号并进行处理。
2. 如权利要求1所述的超临界二氧化碳钻井液模拟实验装置，其特征在于还包括加砂 装置，所述加砂装置包括与模拟井筒下部相通的管道，设置在该管道内的螺杆以及驱动螺 杆旋转的电机，所述管道上设有用于添加砂料的漏斗。
3. 如权利要求1或2所述的超临界二氧化碳钻井液模拟实验装置，其特征在于模拟井 筒的底部、中部和上部筒壁上分别设有相对设置的透明窗口 。
全文摘要
本发明公开了一种超临界二氧化碳钻井液模拟实验装置，包括模拟井筒、模拟钻杆、超临界二氧化碳钻井液输送装置、若干温度和压力传感器以及数据处理装置，超临界二氧化碳钻井液输送装置包括二氧化碳气源、冷却装置、流量计、高压气泵、流量调节阀和热交换装置，上述装置通过管路与钻井液流入通道和流出通道连接成循环环路；温度和压力传感器分别固定在模拟井筒内壁底部、中部和上部内壁上并输出信号至数据处理装置。本发明通过模拟超临界二氧化碳钻井液的循环过程，模拟使用超临界二氧化碳钻井过程中钻井液的流动特性、携岩特性、压力损失以及温度传递等特性研究，为超临界二氧化碳钻井液的研究提供了一种实验方法和研究手段。
文档编号E21B49/00GK101705815SQ20091025032
公开日2010年5月12日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年12月4日
发明者于连香, 张现斌, 徐加放, 江琳, 王在明, 邱正松, 黄维安 申请人:中国石油大学(华东)