一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置及实验方法与流程

本发明属于石油钻井领域，具体涉及一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置及实验方法。

背景技术：

近年来，随着石油勘探开发技术与钻井技术得到飞速发展，钻井深度越来越深，另一方面，为提高经济技术效益，所钻油气井越来越多为大斜度、大位移定向井和水平井，可覆盖多个油气藏，实现一井多采。而对于水平井，面临的重大技术难点之一就是岩屑携带困难，易堆积形成岩屑床，大幅降低钻井效率，另外，由于水平钻井过程中，钻柱几乎平躺在造斜段与水平段下井壁，因此形成的岩屑床还会严重影响钻井过程的润滑性。

然而，目前国内外关于钻井液润滑性的评价研究只考虑了钻柱与钻井液、井壁岩石、泥饼之间的摩擦，而没有考虑钻柱与岩屑床之间的摩擦阻力，而钻井过程中岩屑床会增加钻进和起下钻过程中的扭矩和摩阻，导致钻井液润滑性能降低，这会使得钻井液的润滑性能在室内与现场所表现出的效果差异巨大，室内设计的钻井液配方不能满足现场钻井的需要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置及实验方法，利用该装置评价水平钻井的润滑性时，既可以考虑钻柱与钻井液、井壁岩石、泥饼之间的摩擦力，又能考虑钻柱与岩屑床之间的摩擦力，能够测定钻杆与岩石、泥饼以及岩屑床之间的钻井液润滑系数。

本发明采取的技术方案是：

一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置，包括滑轮轨道，在滑轮轨道上设置有透明可视化的模拟井筒，所述模拟井筒的一端下方设有滑轮，另一端下方固定连接有液压缸，在连接液压缸的一端还安装有钻杆，钻杆的一端伸入模拟井筒内，另一端连接有步进驱动机构和旋转驱动机构，在钻杆上还设有推力传感器和扭矩传感器；

在模拟井筒的上方设有岩屑送料口，该岩屑送料口通过进液管线连接至泥浆槽，在进液管线上顺序设有高压泵、流量计b、压力传感器；

在模拟井筒的下端连接有通向泥浆槽的回液管线，在回液管线上顺序设有降温降压机构、流量计a、输送泵；

在模拟井筒外壁上设置有用于检测岩屑床厚度和平整性的超声波探头，在模拟井筒上靠近滑轮的一端固定连接有岩心夹持器，在岩心夹持器上部设置加热机构，岩心夹持器下部设置岩心，岩心下侧设有压力机构；在模拟井筒下壁内侧设有岩屑起降台，岩屑起降台连接至岩屑床控制中心。

进一步的，所述液压缸的动力来源于液压泵，液压泵由泵体、柱塞、操作手柄构成，油箱分别与液压缸和液压泵通过油管相连，在油箱与液压泵之间以及液压泵与液压缸之间设置有单向阀，在油箱与液压缸之间设置有截止阀。

进一步的，在模拟井筒与钻杆连接处设有橡胶圈进行密封处理。

进一步的，所述降温降压机构设置在回液管线的起始段，由电动减温减压阀、安全阀、压力表、温度计、止回阀、电动调节阀、节流阀、截止阀、过渡管、减温水管、法兰紧固件组成。

进一步的，所述加热机构包括电加热套和控温仪，控温仪分别与电加热套和温度传感器相连，通过控温仪能够调节电加热套的加热温度，从而控制可视化钻进实验系统内的温度，模拟深井钻井中的高温高压环境。

进一步的，模拟井筒可无级调节井斜角大小，调节角度为0°～90°。

进一步的，所述压力机构包括活塞缸和为活塞缸提供压力的机械助力泵，其中机械助力泵与活塞缸的无杆腔端连接，活塞缸的活塞杆穿过岩心夹持器与岩心抵接，为钻杆和形成在岩心表面的滤饼之间的摩擦钻进提供压力。

进一步的，泥浆槽上方设置带有滤网的岩屑回收槽，泥浆槽中设有搅拌器。

进一步的，在模拟井筒上还设有用于检测模拟井筒两端压差的压差变送器，其中，压差变送器两端接头穿过模拟井筒连接至井筒内壁，测定井筒两端压力差值；所述压差变送器与其他检测部件，如压力传感器、超声波探头、流量计a、流量计b、推力传感器、扭矩传感器、温度传感器、控温仪等，均通过数据线连接至计算显示单元，与用于显示各项检测数据和计算钻杆与滤饼之间的滑动摩擦系数。

本发明的有益效果：

与目前国内外的现有技术方法相比，本发明在用于评价水平井钻井液润滑性能的实验时，具有以下优点：

采用可视化钻进实验系统，在模拟钻杆滑动钻进和旋转钻进的复合钻进过程中，可以实时观察岩屑床的状态，钻杆钻进情况，克服现有技术仅能通过理论计算和分析来推算井下情况的不足；

钻井液供给系统通过调节钻井液压力、配方，配合加热机构，可模拟不同温度压力下的钻井环境，尤其是高温高压环境，再通过循环管线，能够对钻井液和岩屑进行回收再利用；

在模拟井筒一端设置液压升降装置，能够对井斜角进行0°～90°的无级调节；通过设置岩屑床，可以综合测定钻杆与泥饼、岩屑床的滑动摩擦系数，克服现有技术只能模拟钻杆与泥饼之间的摩擦力的不足，模拟结果更加适合井下真实情况，并能将模拟结果通过设置的计算显示单元实时进行显示。

设置的流量计、推力传感器、扭矩传感器、温度传感器、压力传感器、控温仪、压差变送器、超声波探头等检测部件，能够更加准确、量化分析模拟结果。

另外，本实验装置还能制成全尺寸井筒，以及调节钻井液配方和岩屑参数，进行全尺寸多工况的模拟；

该装置建立了扭矩、推力-岩屑床-润滑性能的评价方法，利用现场施工中最易获取的扭矩参数和推力参数作为评价钻井液润滑性能的主要指标，根据钻杆旋转扭矩和推力的变化情况可以反映钻杆与岩屑床、泥饼之间的滑动摩擦系数，可大幅度提高评价效率。

附图说明

图1是本发明装置结构连接示意图；

图2是模拟井筒及岩心夹持器放大图；

图中，1、步进驱动机构，2、推力传感器，3、扭矩传感器，4、旋转驱动机构，5、钻杆，6、超声波探头，7、岩屑起降台，8、模拟井筒，9、岩屑送料口，10、电加热套，11、岩心，12、活塞缸，13、岩心夹持器，14、温度传感器，15、控温仪，16、滑轮，17、滑轮轨道，18、进液管线，19、压力传感器，20、岩屑床控制中心，21、机械助力泵，22、流量计b，23、高压泵，24、泥浆槽，25、搅拌器，26、回液管线，27、岩屑回收槽，28、输送泵，29、降温降压机构，30、压差变送器，31、计算显示单元，32、截止阀，33、油箱，34、单向阀，35、柱塞，36、泵体，37、操作手柄，38、液压缸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置，包括可视化钻进实验系统、液压升降装置、钻井液供给系统、压力机构、计算显示单元，其中，可视化钻进实验系统的耐受温度在200℃以上，耐受压力在30mpa以上，并且旋转钻进和滑动钻进的复合钻进方式能够很好地模拟实际工况下的岩屑床状态。因此，该复合钻进实验系统能更加接近现场实际工况地模拟深井钻井中钻井液在一定温度压力下的润滑性能。

本实验装置的具体连接结构及各部件的功能描述如下：

一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置，包括滑轮轨道17，在滑轮轨道17上设置有透明可视化的模拟井筒8，所述模拟井筒8的一端下方设有滑轮16，另一端下方固定连接有液压缸38，用于改变井斜角，在连接液压缸的一端还安装有钻杆5，钻杆的一端伸入模拟井筒8内，另一端连接有步进驱动机构1和旋转驱动机构4，用于模拟旋转钻进过程，在钻杆5上还设有推力传感器2和扭矩传感器3；

在所述钻杆5与模拟井筒8连接处设置有密封橡胶圈，保证钻杆在可视化钻进实验系统中钻进时不会造成钻井液外泄和井筒压力外泄。模拟井筒的一端与液压缸柱塞铰接，另一端与滑轮支座铰接，滑轮由凹槽固定于滑轮轨道上，当液压升降装置抬升模拟井筒一端时，会拉动模拟井筒另一端在滑轮轨道上滑动，从而无级调节井斜角大小，调节角度为0°～90°。

所述液压缸38的动力来源于液压泵，液压泵由泵体36、柱塞35、操作手柄37构成，油箱33分别与液压缸和液压泵通过油管相连，在油箱33与液压泵之间以及液压泵与液压缸之间设置有单向阀34，在油箱与液压缸之间设置有截止阀32。从液压泵注入液压缸的油以及从油箱注入液压泵的油均不能回流，如需对液压缸进行泄压，则打开油箱与液压缸之间的截止阀，回流的油保存在油箱中。液压缸的柱塞与模拟井筒的一端通过铰接连接，因此柱塞与模拟井筒的连接处可以自由改变角度。液压缸处于固定状态，钻杆的驱动机构受到模拟井筒的限制，会跟随模拟井筒移动。

在模拟井筒8的上方设有岩屑送料口9，该岩屑送料口9通过进液管线18连接至泥浆槽24，在进液管线上设有高压泵23、流量计b22、压力传感器19，为整个模拟钻井过程提供高压泥浆，通过控制高压泵的输送功率改变模拟井筒内的压力；

在模拟井筒的下端连接有通向泥浆槽的回液管线26，在回液管线上设有降温降压机构29、流量计a、输送泵28，钻井液从进液管线18进入可视化钻进实验系统的模拟井筒8内，然后通过回液管线26流入泥浆槽24，从模拟井筒流出到泥浆槽的过程中，夹带岩屑的泥浆经降温降压机构29处理，更加真实的模拟实际钻井中泥浆的温度变化，因为实际钻井中，泥浆回流到泥浆池中，温度会大大降低，而本装置的回程距离短，无法自然快速降温，通过专门的降温机构后，温度更加符合实际；通过回流，可使钻井液保持动态循环；采用不同岩性、不同大小和不同结构的岩屑通过岩屑送料口加入模拟井筒内；另外，泥浆槽24上方设置带有滤网的岩屑回收槽27，泥浆槽中设有搅拌器25，搅拌器对泥浆槽中的钻井液进行实时搅拌，保证在不同时间段内流出的钻井液充分混合，且性能较为均匀；所述降温降压机构29设置在回液管线的起始段，由电动减温减压阀、安全阀、压力表、温度计、止回阀、电动调节阀、节流阀、截止阀、过渡管、减温水管、法兰紧固件组成，通过节流阀改变过流面积后，前后压差会发生改变，降温主要通过减温水管用冷水进行热量交换降温。

在模拟井筒外壁上设置有用于检测岩屑床厚度和平整性的超声波探头6，在模拟井筒上靠近滑轮16的一端固定连接有岩心夹持器13，在岩心夹持器上部设置加热机构，岩心夹持器下部设置岩心11，岩心下侧设有压力机构，在模拟钻进过程中，通过压力机构向上加压，增大钻杆与岩心表面形成的滤饼之间的摩擦力，进而模拟滤饼在钻进过程中的压耗贡献值；在模拟井筒下壁内侧设有岩屑起降台7，岩屑起降台连接至岩屑床控制中心20，设置的岩屑起降台，用于承接沉积的岩屑，并可调节岩屑床的厚度，进而模拟实际施工时局部岩屑堆积所引发的卡钻现象，也可以模拟不同堆积程度和不同平整度的岩屑床引起的钻井摩擦力；

所述加热机构包括电加热套10和用于调节电加热套加热温度的控温仪15，通过控温仪能够调节电加热套的加热温度，从而控制可视化钻进实验系统内的温度，模拟深井钻井中的高温高压环境；所述压力机构包括活塞缸12和为活塞缸提供压力的机械助力泵21，其中机械助力泵21与活塞缸12的无杆腔端连接，活塞缸的活塞杆穿过岩心夹持器13与岩心11抵接，为钻杆和形成在岩心表面的滤饼之间的摩擦钻进提供压力，通过调节机械助力泵能够调节活塞缸对岩心的压力，从而调节钻杆与形成在岩心表面的滤饼之间的贴靠力和压力的大小。

在模拟井筒上还设有用于检测模拟井筒两端压差的压差变送器30，其中，压差变送器两端接头穿过模拟井筒连接至井筒内壁，测定两端压力差值；所述压差变送器30与其他检测部件，如压力传感器19、超声波探头6、流量计a、流量计b22、推力传感器2、扭矩传感器3、温度传感器14、控温仪15，均通过数据线连接至计算显示单元31，与用于显示各项检测数据和计算钻杆与滤饼之间的滑动摩擦系数。

本发明装置对润滑性进行评价的过程和原理为：从密封式岩屑送料口加入岩屑后，将送料口带有密封橡胶圈的盖子关紧，岩屑被下方流经的高压钻井液携带至模拟井筒内，并在重力作用下堆积在模拟井筒下方的岩屑起降台上形成岩屑床，钻井液通过高压泵加压后，流经流量计和压力传感器进入模拟井筒内，此过程中可通过流量计和压力传感器查看钻井液流量和压力，并通过调节高压泵和加热机构参数对可视化钻进实验系统内的钻井液进行适当调节，使温度压力达到预定数值；待模拟井筒内岩屑堆积的厚度和平整度达到预定数值，且钻井液在岩心的表面上形成一定厚度的泥饼(泥饼的形成过程为：步进驱动机构和旋转驱动机构驱动钻杆对岩心夹持器所夹持的岩心进行旋转钻进和滑动钻进，在该摩擦钻进过程中，岩心和钻杆之间存在供给钻井液流动环形空间，钻井液进入该空间时会在岩心表面形成滤饼，并可通过压力机构为钻杆和形成在岩心表面的滤饼之间的摩擦钻进提供压力，通过调节机械助力泵能调节活塞缸对岩心的作用力，从而调整钻杆与形成在岩心表面的滤饼之间的贴靠力或压力大小，其中，具有渗透性的岩心，其表面所形成的滤饼是钻杆与岩心表面发生滑动摩擦的必要条件，形成滤饼也是必然结果。)之后，通过液压升降装置调节井斜角，再改变步进驱动机构和旋转驱动机构的功率改变钻进速度，可进行接近实际工况的复合钻进；之后打开模拟井筒下方回液管线阀门，钻井液携带岩屑流经降温降压机构和流量计，通过输送泵输送至岩屑回收槽和泥浆回收槽，岩屑被过滤网阻隔在上方岩屑回收槽中，钻井液流入下方泥浆回收槽，岩屑和钻井液经处理后再次进入模拟井筒内，保证可视化钻进实验系统内有动态循环的钻井液。

计算显示单元主要包括检测单元和计算单元，其中检测单元包括扭矩传感器、推力传感器、压力传感器、温度传感器、流量计、超声波探头、压差变送器，所有检测单元均连接至显示单元。扭矩大小和推力大小通过扭矩传感器和推力传感器检测获取后，经过装置内信号增益元件对信号进行处理和放大，由数据显示器实时进行显示。同时计算显示单元还设有警报装置，当钻具上提或下放时由于钻屑引起卡钻或扭矩过载时，装置会自动发出警报，除此而外，将检测到的钻杆的扭矩和推力、岩屑床厚度和平整度、钻井液压力和流速、可视化钻进系统温度等参数，自动输入至专业软件，获得钻杆与钻井液、岩屑床以及岩心的滑动摩擦系数。

本实施例的具体实验方法为：

在泥浆槽24中加入配制的钻井液体系，然后打开高压泵23，将钻井液压入进液管线18，调节高压泵23的功率和排量，使流量计b22的示数为10l/min，压力传感器19示数为2.1mpa。

钻井液进入模拟井筒8后，打开岩屑送料口9下方阀门，岩屑送料口中事先已放入粒径为3.4～5.1mm的白色石英砂作为模拟岩屑，并通过密封橡胶圈加以密封，打开阀门后模拟岩屑随钻井液进入模拟井筒，并由于重力作用发生沉积，并在岩屑起降台7上形成岩屑床，岩屑起降台7左端为模拟井筒盖，右端为夹持的岩心11，它们与岩屑起降台7共同行成一个凹槽；通过调节岩屑起降台7的高度可以控制岩屑床的厚度，具体的，当岩屑起降台7升高，岩屑床堆积厚度变小，反之岩屑床厚度变大，且岩屑床厚度可通过超声波探头6进行实时监测其厚度变化以便于调节修正。

将岩屑床厚度调节为约5cm，调节控温仪15，通过电加热套10对模拟井筒8进行加热，温度传感器14测得井筒内温度为60℃，启动步进驱动机构1和旋转驱动机构4，旋转驱动机构4机械转速为50r/min，步进驱动机构1的保持力矩为20n·m；启动机械助力泵21为活塞缸12提供压力，使岩心夹持器13夹紧岩心11，为钻杆5和岩心11提供贴靠力和正压力，以便钻杆5在岩心11表面形成泥饼并发生滑动摩檫。

钻头开始钻入岩心，此过程中钻杆5一直与岩屑床发生滑动摩檫，由于阻力作用，旋转驱动机构4钻速小于初始的50r/min，摩擦阻力参数由推力传感器2和扭矩传感器3检测并传输至计算显示单元31，利用专业软件进行计算输出。

循环的钻井液携带部分模拟岩屑进入回液管线26，并通过降温降压机构29进行降温和降压，使循环的钻井液温度降至室温，压力降至常压附近以免发生喷溅。回液管线中的流量计示数同样为10l/min，表明整个循环系统并未发生堵塞。循环钻井液通过输送泵28输送至岩屑回收槽27，岩屑回收槽27下方是泥浆槽24，中间设有过滤网，钻井液中携带的模拟岩屑被过滤网阻隔在岩屑回收槽27中，而钻井液则流入下方泥浆槽24中。

关闭截止阀32后，上拉和下压操作手柄37将油箱33中的液压油泵入液压缸38中，由于单向阀34不能回流，液压缸38中的液压油将柱塞向上举升，使模拟井筒左端向上升，模拟井筒井身开始呈倾斜状，井斜角变小。模拟井筒右端安装有滑轮16，由于模拟井筒左端水平固定，调节井斜角后模拟井筒右端在滑轮控制轨道17上向左滑动以保持结构稳定，将井斜角调至45°，持续测试15min。

为进行对比，另一个实验中，在岩屑送料口9中不加入模拟岩屑，模拟井筒未形成岩屑床，而钻井液配方、岩心性质、模拟井筒内温度和压力、井斜角、步进驱动机构和旋转驱动机构参数等保持不变，持续测试15min。

通过推力传感器2和扭矩传感器3实时监测钻杆与岩屑床、泥饼、钻井液等的滑动摩檫力变化，通过专业软件程序计算可得润滑系数，见表1所示(基本原理为：当一个物体在另一个物体表面滑动时，产生的摩擦力大小与作用在摩擦面上的垂向作用力成正比，公式f＝μp，其中f为摩擦力，p为作用在物体表面的垂向作用力，μ为摩擦系数，钻井液中称为摩阻系数)。表1中，a配方为：5％膨润土+0.24％naco3+0.2％fa367+0.3％jt888+0.1％xy-27。

表1实验数据及实验结果

其中rt443a为润滑剂。从表1数据看出，考虑了岩屑床后，计算的润滑系数明显增加，更加符合实际井下工况，为实际钻井中泥浆性能调节提供了更加可靠的参考。