专利名称：一种模拟空气钻井井下钻具动态力学特征的实验方法
技术领域：
本发明涉及一种模拟空气钻井过程中，真实钻井工况下的井下钻具动态力学特征实验方法。
背景技术：
空气钻井是指以空气或者气体作为循环介质携带岩屑的钻井技术，主要应用于提高非储层段的机械钻速和防治非储层段发生井漏。该技术已被国内外钻井界公认为是提高钻井速度、缩短钻井周期、降低钻井成本的一项实用钻井技术。但是相对于钻井液钻井，严重的钻具失效是空气钻井引发的严重问题之一。空气钻井时气体的阻尼减振作用较小，钻具振动更加剧烈，共振时钻具与井壁的碰撞也更加严重，钻具内横向弯曲应力超出其疲劳强度，最终导致钻具疲劳失效。因此，空气钻井钻具失效是一个涉及钻柱、钻头、岩石和钻井循环介质的系统动力学问题。开展空气钻井环境下的钻柱动力学研究，有助于弄清空气钻井钻具失效机理，找出预防钻具失效的具体措施。目前对钻具动力学的研究，主要是从两个方向进行一是通过对井下钻具建立适当的动力学模型并用数学分析方法对其进行理论研究；另一方面就是通过现场数据结合室内实验进行研究。数学模型通过解析方法可以精确的得到各动力学参数，但数学模型是建立在一定的假设条件上，并通过定义边界条件进行求解，使得计算结果与实际存在较大偏差。由于各油田井筒尺寸不一样，以及钻井参数的变化范围大，实测的数据势必千差万别， 无法相互比较。而已有的室内模拟实验装置，大多是采用工程塑料模拟钻柱而建立起来的简易装置，无法模拟钻柱在实际的空气、水或岩屑共同作用下的动力学特性，也无法模拟钻柱在水平井或者大斜度井下钻柱的动力学特性，尤其不能对钻柱在真实环空的气体、液体和固体混合流体下的冲刷腐蚀进行模拟。因此，如何较切合实际地进行井下钻具动态力学特征的模拟实验是钻井工作者所关注的问题。
发明内容
本发明的目的是，提出一种模拟空气钻井井下钻具动态力学特征的实验方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案采用一个可旋转角度并定位的井架，以便实现不同井斜角(0-90° )下的钻进模拟；在井架上设置井筒，将钻柱置于井筒之中，在钻头底部安置激振系统并与井筒相联，激振系统和井筒安装于井架的导轨上并可沿着导轨上下滑动，不仅为模拟钻进过程中提供一定范围的钻压，而且提供模拟井下钻头工作过程中产生的随机振动激励信号；钻柱、井筒和钻头的大小均按现场常用的井身结构尺寸通过相似性原理设计，构成能模拟现场空气钻井的真实系统；在井架上部设置一电动机，电动机与齿轮相联，通过齿轮驱动钻柱旋转；循环系统包括钻柱、井筒和地面介质供给系统，地面介质供给系统由泥浆泵、压缩机、气液掺混器和注砂器等组成，可配送不同比例的气体、液体或固体混合的循环介质，以模拟现场钻井循环介质的不同组分；井筒上安置有监测系统，使模拟钻进过程中能进行钻具动力学特征随钻测量，监测系统中各种数据最终传输至地面的数据采集系统；地面动力系统为井架的旋转提供动力。本发明的优点是(1)井架可以调整不同的倾斜角度并固定，实现不同井斜角下的钻进，可模拟定向井、水平井工况下的井下钻具动态力学特征；(2)可施加轴向载荷、弯矩、扭矩、振动载荷等复合载荷，并模拟钻柱在实际的空气、水或岩屑共同作用下的动态力学特征；(3)激振系统提供不同钻压并可测量钻头的纵向振动激励信号；(4)井筒上设置有监测系统，可以实现钻井介质流态观测和钻柱动态力学特征的随钻测量；(5)地面介质供给系统可配送不同比例的气体、液体或固体混合流体的循环介质， 以模拟现场不同组分的钻井循环介质；(6)井筒和钻柱可拆卸，完钻拆卸后可以对钻具进行疲劳损伤探测和腐蚀检测。
图1是本发明结构示意图。图2是本发明激振系统示意图。图3是本发明监测系统主视图。图4是本发明监测系统俯视图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例，对本发明进行详细描述。参看图1，采用一个可旋转角度并定位的井架11，以便实现不同井斜角(0-90° ) 下的钻进模拟；在井架11上设置井筒5，将钻柱4置于井筒5之中，在钻头7底部安置激振系统8并与井筒5相联，激振系统8和井筒5安装于井架11的导轨上并可沿着导轨上下滑动，不仅为模拟钻进过程中提供一定范围的钻压，而且提供模拟井下钻头工作过程中产生的随机振动激励信号；钻柱4、井筒5和钻头7的大小均按现场常用的井身结构尺寸通过相似性原理设计，构成能模拟现场空气钻井的真实系统；在井架11上部设置一电动机2，电动机2与齿轮3相联，通过齿轮3驱动钻柱4旋转；循环系统包括钻柱4、井筒5和地面介质供给系统9，地面介质供给系统9由泥浆泵、压缩机、气液掺混器和注砂器等组成，可配送不同比例的气体、液体或固体混合的循环介质，以模拟现场钻井循环介质的不同组分；井筒5 上安置有监测系统6，使模拟钻进过程中能进行钻具动力学特征随钻测量，监测系统6中各种数据最终传输至地面的数据采集系统10 ；地面动力系统12为井架11的旋转提供动力。参看图2，钻柱4与钻头7联接；模拟井底14放置于钢筒13内部，钻头7下端；激振器16产生的钻压，通过压力传感器15施加在模拟井底14上，并传递给钻头7和钻柱4， 为钻柱4提供钻压。所述的模拟井底14采用的材料为真实岩石、水泥石或者钢板。参看图3、4，在井筒5上设置侧开窗口 17，以观测井筒5内的钻井介质流动状态；在侧开窗口 17不同位置上放置四个涡流感应器18，用以测量钻柱4的纵、横向振动和扭转振动。涡流感应器18以横向两个，纵向两个的组合结构设置。侧开窗口 17的开口角度为 α，其取值范围为45 80°。侧开窗口 17采用的材料是有机玻璃。如图1所示，本发明在使用时，在井架11上设置井筒5，将钻柱4置于井筒5之中， 在钻头7底部安置激振系统8并与井筒5相联，激振系统8和井筒5安装于井架11的导轨上并可沿着导轨上下滑动；将钻柱4、井筒5和地面介质供给系统9联接，构成循环系统；在井架11上部设置一电动机2，电动机2与齿轮3相联，通过齿轮3驱动钻柱4旋转；再开通地面动力系统12，根据实验要求调整井架11的倾斜角度。通过侧开窗口 17可以方便地观察井筒5内的钻井介质流动状态，侧开窗口 17上安置的涡流感应器18可以测得钻柱4的横向振动、纵向振动和扭转振动，涡流感应器18的测量值传回地面数据收集系统10进行处理分析。实验结束后，采用上述过程相反的步骤取下钻柱4和井筒5，可对钻柱4和钻头7 进行疲劳损伤探测和腐蚀检测。
权利要求
1.一种模拟空气钻井井下钻具动态力学特征的实验方法，其特征在于采用一个可旋转角度并定位的井架(11)，以便实现不同井斜角下的钻进模拟；在井架(11)上设置井筒 (5)，将钻柱⑷置于井筒(5)之中，在钻头(7)底部安置激振系统⑶并与井筒(5)相联， 激振系统(8)和井筒(5)安装于井架(11)的导轨上并可沿着导轨上下滑动，不仅为模拟钻进过程中提供一定范围的钻压，而且提供模拟井下钻头工作过程中产生的随机振动激励信号；钻柱、井筒(5)和钻头(7)的大小均按现场常用的井身结构尺寸通过相似性原理设计，构成能模拟现场空气钻井的真实系统；在井架(11)上部设置一电动机0)，电动机(2) 与齿轮C3)相联，通过齿轮C3)驱动钻柱(4)旋转；循环系统包括钻柱、井筒( 和地面介质供给系统(9)，地面介质供给系统(9)配送不同比例的气体、液体或固体混合的循环介质，以模拟现场钻井循环介质的不同组分；井筒( 上安置有监测系统(6)，使模拟钻进过程中能进行钻具动态力学特征随钻测量，监测系统(6)中各种数据最终传输至地面的数据采集系统(10)；地面动力系统(12)为井架(11)的旋转提供动力。
2.如权利要求1所述的一种模拟空气钻井井下钻具动态力学特征的实验方法，其特征在于所述的井架(11)可实现0-90°的转动并固定。
3.如权利要求1所述的一种模拟空气钻井井下钻具动态力学特征的实验方法，其特征在于监测系统(6)包括侧开窗口(17)、涡流感应器(18)，侧开窗口(17)设置在井筒(5) 上，在侧开窗口(17)的纵、横向，各设置两个涡流感应器(18)。
全文摘要
一种模拟空气钻井井下钻具动态力学特征的实验方法，其特征在于在井架上部放置旋转系统，为钻柱提供旋转扭矩和钻进扭矩；钻头的底部安置激振系统，以提供钻压和随机振动激励信号；钻柱、井筒和钻头的大小均按现场常用的井身结构尺寸通过相似性原理设计并选择；井筒上安置监测系统，使模拟钻进过程中能进行钻井介质流态观测和钻具动态力学特征随钻测量；所述各系统固定在可转动角度并定位的井架上，调整井架的倾斜角度，可实现不同井斜角下钻具的动态力学特征模拟实验。本发明适用于石油、天然气钻井中井下钻具动力学研究。
文档编号E21B21/00GK102305021SQ20111022166
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月4日 优先权日2011年8月4日
发明者严仁田, 周莹, 孙永兴, 曾德智, 朱红钧, 朱达江, 林元华, 王其军, 谢娟, 鲜奇飚 申请人:西南石油大学