深井钻井过程模拟实验装置以及实验方法与流程

1.本申请涉及海洋钻井平台技术领域，尤其涉及一种深井钻井过程模拟实验装置以及实验方法。


背景技术：

2.随着油气开采向着深部地层发展，在复杂钻井条件下，实际工程中经常会遇到喷、漏、塌、卡、斜等诸多复杂情况，复杂情况的产生加大了我国油气勘探的难度，也是目前重点攻克的主要问题，这类可以归结为泥浆安全窄密度窗口的钻井技术问题。
3.钻井液密度的准确计算是保证精确计算井底压力的基础，随着我国钻井的井深逐渐增加，复杂情况出现的情况越来越多，需要综合考虑不同井深条件下的钻井液的当量循环密度(equivalent circulating density，ecd)对钻井液密度造成的影响。钻井液循环当量密度一直是钻井过程中关注的重要数值，等于静态当量密度与钻井液流动造成的环空压耗当量密度之和。
4.钻井液循环当量密度与很多因素有关，岩屑的浓度，机械钻速，岩屑直径都能够直接或者间接的影响钻井液的循环当量密度值。经过调研得出，钻速对ecd有着一定程度的影响，随着钻速的提升，循环当量密度会增大，在钻井作业中，为了控制ecd的大小，就要控制在钻进过程中的钻速。岩屑浓度对ecd也会造成一定的影响，随着岩屑浓度的提高，井筒内的循环压耗会增大，这就造成了环空压耗当量密度的增大。同时岩屑的直径也在一定程度上直接影响到循环当量密度的大小。为了更好的控制ecd的值，一般现场通过适当的旋转钻柱，提高排量值，实现对井筒压力的控制，同时要保证洗井彻底，做好井眼的清洁工作，保证岩屑能够及时的排除，使得环空中岩屑的浓度保持在适当的范围内。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本申请提供了一种深井钻井过程模拟实验装置以及实验方法，能够用于研究钻井期间钻井液当量循环密度的变化规律。
6.为了达到上述目的，本申请提供的技术方案如下所述：
7.一种深井钻井过程模拟实验装置，包括：
8.模拟井筒，所述模拟井筒的底部设置有岩屑注入口；
9.钻杆，一端伸入所述模拟井筒，所述钻杆与所述模拟井筒之间形成环形空腔；
10.多个密度传感器，设置在所述环形空腔内并沿着所述环形空腔的纵长延伸方向均匀布置；
11.钻头，设置在所述钻杆的下端；
12.反排回收机构，包括：与所述环形空腔相连通的反排流道；设置在所述反排流道上的流量检测单元；振动筛，所述振动筛具有入口、第一出口和第二出口，所述入口与所述反排流道相连，所述第一出口连通泥浆池，所述第二出口连通岩屑池；
13.岩屑注入流道，设置在所述岩屑池与所述岩屑注入口之间，所述岩屑注入流道上
设置有岩屑注入泵；
14.钻井液注入流道，设置在所述泥浆池与所述钻杆之间，所述钻井液注入流道上设置有泥浆泵。
15.作为一种优选的实施方式，还包括模拟套管，所述模拟套管设置在所述模拟井筒的上端，并与所述模拟井筒通过变径短节相连，所述环形空腔包括：位于所述模拟套管与所述钻杆之间的第一环形空腔；位于所述模拟井筒与所述钻杆之间的第二环形空腔。
16.作为一种优选的实施方式，所述模拟套管的顶端设置有防喷器。
17.作为一种优选的实施方式，所述实验装置还包括第一井身结构；第二井身结构，所述第一井身结构与所述第二井身结构之间具有预定长度的重叠部分；支撑台，支撑于所述第一井身结构和所述第二井身结构的顶部，所述支撑台设置有用于下入所述模拟套管的井口。
18.作为一种优选的实施方式，还包括信号采集单元，每个所述密度传感器电性连接所述信号采集单元。
19.作为一种优选的实施方式，所述钻井液注入流道上还设置有流量调节阀。
20.作为一种优选的实施方式，钻杆内部设置有钻井液流道，所述钻井液流道上设置有至少一个单向阀。
21.一种利用所述的深井钻井过程模拟实验装置的实验方法，包括：
22.将配置好的钻井液放入所述泥浆池中；
23.将配置好的岩屑流体放入所述岩屑池中；
24.打开所述泥浆泵和振动筛，以第一预定流量将所述钻井液泵入所述钻杆中，直至所述钻井液从所述反排流道返出时关闭所述泥浆泵；
25.打开所述岩屑注入泵，将所述岩屑流体注入至所述模拟井筒的底端；
26.再次打开所述泥浆泵，以第二预定流量将所述钻井液泵入所述钻杆中，同时启动所述钻杆旋转；
27.获取所述密度传感器的密度数据，分析钻井液当量循环密度与井筒深度的关系。
28.有益效果：
29.本申请实施方式提供的深井钻井过程模拟实验装置以及实验方法，在钻井过程中，通过布置的多个密度传感器获取井筒内不同深度下的钻井液当量密度。该实验装置通过设置反排回收机构，可以实现岩屑和钻井液的回收以及循环注入，通过设置的振动筛，在反排时实现钻井液和岩屑的分离，从而循环利用。该模拟实验装置贴近深井作业现场实际情况，模拟结果真实可靠，并可以开展多次变参数模拟，可以用于研究机械钻速、岩屑浓度、岩屑直径对钻井期间钻井液的当量循环密度的变化规律，为钻井作业提供理论指导与借鉴。
30.参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。
31.针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
32.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
33.为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动力的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本说明书实施例提供的深井钻井过程模拟实验装置的结构示意图；
35.图2为本说明书实施例提供的实验方法的流程示意图。
36.附图标记说明：
37.1、第一井身结构；2、模拟套管；3、变径短节；4、第二井身结构；5、钻杆；6、模拟井筒；8、钻头；9、密度传感器；10、泥浆池；11、循环出口；12、振动筛；13、循环入口管线；14、流量检测单元；15、泥浆泵；16、钻井液注入流道；17、反排流道；18、流量调节阀；19、注入口；20、单向阀；21、防喷器；23、支撑台；24、岩屑注入口；25、岩屑注入流道；26、岩屑注入泵；27、岩屑池；28、岩屑注入管线；29、岩屑回收管线。
具体实施方式
38.下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所限定的范围内。
39.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
40.具体的，将图1中所示意的向上的方向定义为“上”，将图1中所示意的向下的方向定义为“下”。值得注意的是，本说明书中的对各方向定义，只是为了说明本说明书技术方案的方便，并不限定本说明书实施例的深井钻井过程模拟实验装置以及实验方法在包括但不限定于使用、测试、运输和制造等等其他可能导致装置方位发生颠倒或者位置发生变换的场景中的方向。
41.如图1所示，本说明书实施例提供了一种深井钻井过程模拟实验装置，包括：模拟井筒6，所述模拟井筒6的底部设置有岩屑注入口24；钻杆5，一端伸入所述模拟井筒6，所述钻杆5与所述模拟井筒6之间形成环形空腔；多个密度传感器9，设置在所述环形空腔内并沿着所述环形空腔的纵长延伸方向均匀布置；钻头8，设置在所述钻杆5的下端；反排回收机构，包括：与所述环形空腔相连通的反排流道17；设置在所述反排流道17上的流量检测单元14；振动筛12，所述振动筛12具有入口、第一出口和第二出口，所述入口与所述反排流道17相连，所述第一出口连通泥浆池10，所述第二出口连通岩屑池27；岩屑注入流道25，设置在所述岩屑池27与所述岩屑注入口24之间，所述岩屑注入流道25上设置有岩屑注入泵26；钻井液注入流道16，设置在所述泥浆池10与所述钻杆5之间，所述钻井液注入流道16上设置有泥浆泵15。
42.具体的，所述模拟井筒6具有相对的顶端和底端，所述底端上开设有岩屑注入口24，通过岩屑注入流道25向模拟井筒6的底端注入岩屑流体。钻杆5的一端伸入该模拟井筒6
中，用于向模拟井筒6内注入钻井液，钻杆5的下端设置有钻头8，钻井液由钻杆5进入，并经钻头8进入模拟井筒6内。当开启钻杆5旋转时，在钻头8的作用下，岩屑流体与钻井液发生作用，形成混合液，该混合液从环形空腔内上返，直至从反排流道17返出。
43.所述密度传感器9沿所述环形空腔的纵长延伸方向均匀设置，该密度传感器9可以安装在模拟井筒6以及下文所述模拟套管2的内壁上，从而能够获取不同井深下的钻井液当量循环密度。
44.在本说明书中，钻杆5的内部设置有钻井液流道，所述钻井液流道上设置有至少一个单向阀20，用于防止钻井液回流。所述单向阀20的具体个数本申请不作限定，可以与钻杆5的长度相匹配。
45.所述反排回收机构用于回收反排的混合液，包括：与所述环形空腔连通的反排流道17，反排流道17上设置有流量检测单元14；振动筛12，振动筛12具有入口、第一出口和第二出口，所述入口与所述反排流道17相连，所述第一出口连通泥浆池10，所述第二出口连通岩屑池27。混合液从振动筛12的入口进入，经过振动筛12的振动，将混合液中的钻井液和岩屑筛分出来，其中密度较大的岩屑从第二出口进入岩屑池27，密度较小的钻井液从第一出口进入泥浆池10。其中，所述第一出口通过钻井液回收管线连接泥浆池10，钻井液通过第一管线底部的循环出口11进入泥浆池10。所述第二出口通过岩屑回收管线29连接岩屑池27。该流量检测单元14用于监测反排流量，优选为电磁流量计。
46.该泥浆池10通过钻井液注入流道16连通钻杆5，钻杆5的顶部为注入口19，该钻井液注入流道16上设置有泥浆泵15，该泥浆泵15用于为钻井液的注入提供动力。泥浆池10与泥浆泵15、钻杆5之间通过循环入口管线13连通。进一步的，所述钻井液注入流道16上还设置有用于调节钻井液流量的流量调节阀18。
47.所述岩屑池27通过岩屑注入流道25连通模拟井筒6底部的岩屑注入口24，该岩屑注入流道25上设置有岩屑注入泵26，该岩屑注入泵26用于为岩屑的注入提供动力，该岩屑池27与岩屑注入泵26、岩屑注入口24之间通过岩屑注入管线28连通。
48.在本说明中，还包括模拟套管2，所述模拟套管2设置在所述模拟井筒6的上端，并与所述模拟井筒6通过变径短节3相连，所述环形空腔包括：位于所述模拟套管2与所述钻杆5之间的第一环形空腔；位于所述模拟井筒6与所述钻杆5之间的第二环形空腔。由于模拟井筒6上端的模拟套管2的外径较大，第一环形空腔的体积大于第二环形空腔，导致第一环形空腔和第二环形空腔内部流体的流速不同，从而能够影响混合液的密度。在本实施例中，密度传感器9在第一环形空腔和第二环形空腔内均有分布，能够更真实的贴近深井作业现场的实际情况，对应于实际工况下的井筒深度，获取的密度数据更符合真实情况。
49.具体的，所述第一环形空腔的上端设置有反排口，用于与反排流道17连通。因此，岩屑和钻井液形成的混合液将依次流经第二环形空腔、第一环形空腔后到达反排口，并流出。在此过程中，可以通过密度传感器9充分的采集混合液的密度数据。
50.进一步的，所述模拟套管2的顶端设置有防喷器21，该防喷器21设置在模拟套管2和钻杆5之间。当井内出现溢流、井涌时可快速及时的关闭井口。
51.进一步的，所述实验装置还包括第一井身结构1；第二井身结构4，所述第一井身结构1与所述第二井身结构4之间具有预定长度的重叠部分，以使得第二井身结构4更稳定的支撑深层的井壁；支撑台23，支撑于所述第一井身结构和所述第二井身结构4的顶部，所述
支撑台23设置有用于下入所述模拟套管2的井口。关于钻取第一井身结构1和第二井身结构4所采用的方法和工具为现有技术，本申请不作赘述。所述支撑台23位于地面上，用于封堵内部井筒。所述模拟套管2和所述钻杆5从井口内伸出并向上延伸，钻杆5长度具体可以根据实验需求进行调整，本申请不作限制。该支撑台23上还可以设置用于下入岩屑注入管线的注入孔，岩屑注入管线可以通过该注入孔下入到井身结构内，并与模拟井筒6底部的岩屑注入口24连通，保证整体实验装置的密封性。
52.在本说明书中，还包括信号采集单元(图中为示出)，每个所述密度传感器9电性连接所述信号采集单元。该信号采集单元可以包括信号传输线、数据处理器，所述数据处理器可以是计算机，用于对获取的密度数据进行处理和分析。
53.本说明书实施例还提供了一种利用所述的深井钻井过程模拟实验装置的实验方法，如图1和图2所示，实验方法包括：
54.步骤s10：将配置好的钻井液放入所述泥浆池10中；
55.步骤s20：将配置好的岩屑流体放入所述岩屑池27中；
56.步骤s30：打开所述泥浆泵15和振动筛12，以第一预定流量将所述钻井液泵入所述钻杆5中，直至所述钻井液从所述反排流道17返出时关闭所述泥浆泵15；
57.步骤s40：打开所述岩屑注入泵26，将所述岩屑流体注入至所述模拟井筒6的底端；
58.步骤s50：再次打开所述泥浆泵15，以第二预定流量将所述钻井液泵入所述钻杆5中，同时启动所述钻杆5旋转；
59.步骤s60：获取所述密度传感器9的密度数据，分析钻井液当量循环密度与井筒深度的关系。
60.在本说明书实施例提供的步骤中，可以通过开展多次变参数的模拟实验，进行多次研究。其中，所述第一预定流量和所述第二预定流量的具体数值本申请不作限定，可以根据实验要求进行设置。岩屑和钻井液在循环过程中上返至反排流道17，循环出的混合液通过振动筛12进行筛分，岩屑进入岩屑池27，钻井液进入泥浆池10，再开始新的循环。
61.本申请实施方式提供的深井钻井过程模拟实验装置以及实验方法，在钻井过程中，通过布置的多个密度传感器获取井筒内不同深度下的钻井液当量密度。该实验装置通过设置反排回收机构，可以实现岩屑和钻井液的回收以及循环注入，通过设置的振动筛，在反排时实现钻井液和岩屑的分离，从而循环利用。该模拟实验装置贴近深水作业现场实际情况，模拟结果真实可靠，并可以开展多次变参数模拟，可以用于研究机械钻速、岩屑浓度、岩屑直径对钻井期间钻井液的当量循环密度的变化规律，为钻井作业提供理论指导与借鉴。
62.上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
63.披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由
…
构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何
属性都是可选的。
64.多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
65.应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。