钻井模拟实验装置及实验方法

1.本发明涉及深水钻井技术领域，特别地，涉及一种钻井模拟实验装置及实验方法。


背景技术：

2.近10年发现的超1亿吨储量大型油气田，60％来自深水或超深水，深水油气已成为世界石油工业的主要增长点和科技创新的制高点。深水钻井所面临的环境较为复杂，水深较大、井底的温度压力较高，给深水钻井带来了不小的挑战。
3.由于深水钻井过程中，钻井设备与土体之间的摩擦力、钻井设备承受的载荷、土体的结构等均会发生变化，由于这些变化未知，给实际深水钻井带来了很多障碍，并且会对深水油气井生产的全寿命周期造成影响。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种井模拟实验装置及实验方法，以解决目前实际深水钻井过程中，由于钻井设备的受力变化以及土体的结构变化未知而带来了很多障碍的技术问题。
5.本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
6.本发明提供一种钻井模拟实验装置，包括：箱体，其内部具有腔室，所述腔室形成土体区和水体区，所述水体区位于所述土体区的上方；模拟钻井机构，伸入所述箱体中；环境模拟机构，与所述箱体连接；数据采集模块，与所述模拟钻井机构电连接。
7.本发明的实施方式中，所述环境模拟机构包括温度控制结构，所述温度控制结构包括加热箱，所述加热箱套设于所述箱体上。
8.本发明的实施方式中，所述环境模拟机构包括压力控制结构，所述压力控制结构与所述水体区相连通。
9.本发明的实施方式中，所述压力控制结构包括高压循环泵、出水管路以及进水管路，所述高压循环泵的两端分别通过所述出水管路和所述进水管路与所述水体区连通形成高压循环管路。
10.本发明的实施方式中，所述模拟钻井机构包括下入结构和动力结构，所述动力结构与所述下入结构相连接，所述动力结构用于驱动所述下入结构下入，所述下入结构伸入所述腔室中，且所述下入结构与所述数据采集模块电连接。
11.本发明的实施方式中，所述下入结构包括模拟导管、模拟钻杆以及模拟钻头，所述模拟导管位于所述腔室内，所述模拟钻头安装在所述模拟钻杆的底部，所述模拟钻杆的底部伸至所述模拟导管的底部，且所述模拟钻杆与所述模拟导管的顶部相连接，所述数据采集模块通过检测结构与所述模拟导管的外壁面电连接。
12.本发明的实施方式中，所述动力结构包括钻井液压缸和钻井压力控制模块，所述钻井液压缸的内腔通过第一活塞结构分隔形成第一有杆腔和第一无杆腔，所述下入结构的顶部与所述第一活塞结构相连接，所述钻井压力控制模块用于向所述第一无杆腔施加压
力。
13.本发明的实施方式中，所述钻井液压缸上还安装有节流调速结构，所述节流调速结构包括第一回流管路、第一节流阀、第一溢流管路、第一溢流阀以及第一输送泵，所述第一节流阀安装在所述第一回流管路上，所述第一溢流阀安装在所述第一溢流管路上，所述第一输送泵的两端分别通过所述第一回流管路和所述第一溢流管路与所述第一无杆腔和所述第一有杆腔连通形成节流调速回路。
14.本发明的实施方式中，所述钻井模拟实验装置还包括振动机构，所述振动机构伸入所述水体区中并靠近所述土体区设置，所述振动机构与所述模拟钻井机构连接。
15.本发明的实施方式中，所述振动机构包括振动器和振动控制结构，所述振动器包括振动固定环、弹性振动件以及振动液压缸，所述振动液压缸的内腔通过第二活塞结构分隔形成第二有杆腔和第二无杆腔，所述振动固定环套设于所述模拟钻井机构上，所述振动固定环通过所述弹性振动件与所述第二活塞结构相连接，所述振动控制结构的两端分别与所述第二无杆腔和所述第二有杆腔相连通。
16.本发明的实施方式中，所述振动控制结构包括第二回流管路、第二节流阀、第二溢流管路、第二溢流阀以及第二输送泵，所述第二节流阀安装在所述第二回流管路上，所述第二溢流阀安装在所述第二溢流管路上，第二输送泵的两端分别通过所述第二回流管路和所述第二溢流管路与所述第二无杆腔和所述第二有杆腔连通形成振动调节回路。
17.本发明还提供一种钻井模拟实验方法，包括以下步骤：在箱体中装入与实际钻井地的土体结构相同结构的土体；在所述箱体内所述土体的上方充入与所述实际钻井地上方的水体结构相同结构的所述水体；根据所述实际钻井地的环境特点，在所述箱体内模拟出相同的环境；通过模拟钻井机构在所述箱体内的所述土体中进行模拟钻井，并检测所述模拟钻井机构在钻井过程中的受力情况。
18.本发明的实施方式中，所述模拟钻井机构在所述箱体内的所述土体中进行模拟钻井时，通过振动机构在井口位置处对所述模拟钻井机构进行振动。
19.本发明的特点及优点是：
20.本发明的钻井模拟实验装置，通过环境模拟机构使箱体中形成与实际钻井地相同的环境，再通过模拟钻井机构在相同的环境下进行模拟钻井，从而根据模拟钻井过程中模拟钻井机构的受力情况能够研究出实际钻井过程中钻井机构的受力情况，因此，通过本发明的钻井模拟实验装置进行钻井模拟实验可以验证理论研究的准确性，同时可以为实际钻井提供技术支撑。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明的钻井模拟实验装置开始模拟钻井时的结构示意图。
23.图2为本发明的钻井模拟实验装置完成模拟钻井时的结构示意图。
24.图3为本发明的箱体与模拟钻井机构的结构示意图。
25.图4为本发明的箱体与振动机构的结构示意图。
26.图5为本发明的钻井模拟实验方法的流程图。
27.图中：
28.1、箱体；11、水体区；12、土体区；2、模拟钻井机构；21、下入结构；211、模拟导管；212、模拟钻杆；213、模拟钻头；22、动力结构；221、钻井液压缸；2211、第一活塞结构；2212、第一有杆腔；2213、第一无杆腔；222、钻井压力控制模块；223、节流调速回路；2231、第一回流管路；2232、第一节流阀；2233、第一溢流管路；2234、第一溢流阀；2235、第一输送泵；2236、第一过滤阀；3、环境模拟机构；31、温度控制结构；311、加热箱；32、压力控制结构；321、高压循环泵；322、出水管路；323、进水管路；4、数据采集模块；41、检测结构；411、应变片；5、振动机构；51、振动器；511、振动固定环；512、弹性振动件；513、振动液压缸；5131、第二活塞结构；5132、第二无杆腔；5133、第二有杆腔；52、振动控制结构；521、第二回流管路；522、第二过滤阀；523、第二节流阀；524、第二输送泵；525、第二溢流阀；526、第二溢流管路。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施方式一
31.如图1、图2以及图3所示，本发明提供一种钻井模拟实验装置，包括：箱体1，其内部具有腔室，腔室形成土体区12和水体区11，水体区11位于土体区12的上方；模拟钻井机构2，伸入箱体1中；环境模拟机构3，与箱体1连接；数据采集模块4，与模拟钻井机构2电连接。
32.由于真实情况钻井的费用十分高昂，且需要耗费大量人力和时间，本发明的钻井模拟实验装置可对真实情况进行模拟，缩短了实验时间，节约了人力，还能为真实钻井做一预测和参考。本发明的钻井模拟实验装置，通过环境模拟机构3使箱体1中形成与实际钻井地相同的环境，再通过模拟钻井机构2在相同的环境下进行模拟钻井，从而根据模拟钻井过程中模拟钻井机构2的受力情况能够研究出实际钻井过程中钻井机构的受力情况，因此，通过本发明的钻井模拟实验装置进行钻井模拟实验可以验证理论研究的准确性，同时可以为实际钻井提供技术支撑。
33.具体的，箱体1由耐高温高压的材料制成，且具有良好的密封性。通过在箱体1中放入与实际钻井地的土体结构相同的土体形成土体区12，再在土体的上方充入与实际钻井地上方的水体结构相同的水体形成水体区11。所模拟的钻井的深度根据实际的钻井的深度按一定的比例缩小，箱体1中土体区12的深度应大于所需模拟的钻井的深度。
34.如图3所示，本发明的实施方式中，环境模拟机构3包括温度控制结构31，温度控制结构31包括加热箱311，加热箱311套设于箱体1上。通过温度控制结构31对箱体1内的温度进行控制，以在箱体1中模拟出与实际钻井地温度相同的环境。具体的，温度控制结构31还包括与箱体1连接的示数仪，示数仪显示箱体1内的温度，进而根据温度对加热箱311进行调节，使箱体1内的温度达到实验所需的温度。
35.如图1和图2所示，环境模拟机构3包括压力控制结构32，压力控制结构32与水体区
11相连通。通过压力控制结构32对箱体1内的压力进行控制，以在箱体1中模拟出与实际钻井地压力相同的环境。具体的，压力控制结构32包括高压循环泵321、出水管路322以及进水管路323，高压循环泵321的两端分别通过出水管路322和进水管路323与水体区11连通形成高压循环管路。箱体1中水体区11中的水经出水管路322流入高压循环泵321中进行加压，加压后的水经进水管路323重新流回到水体区11中，使箱体1中不断地充满着高压水，从而在模拟箱体1中模拟出高压环境。通过控制高压循环泵321的功率，从而控制箱体1中的压力。本实施例可模拟5000m水深即实际钻井地的压力为70mpa的水下情况。
36.如图1和图2所示，本发明的实施方式中，模拟钻井机构2包括下入结构21和动力结构22，动力结构22与下入结构21相连接，动力结构22用于驱动下入结构21下入，下入结构21伸入腔室中，且下入结构21与数据采集模块4电连接。通过动力结构22驱动下入结构21依次下入至箱体1的水体和土体中，从而在土体中进行模拟钻井。通过将数据采集模块4检测并采集下入结构21下入至土体的过程中的受力数据。
37.如图3所示，下入结构21包括模拟导管211、模拟钻杆212以及模拟钻头213，模拟导管211位于腔室内，模拟钻头213安装在模拟钻杆212的底部，模拟钻杆212的底部伸至模拟导管211的底部，且模拟钻杆212与模拟导管211的顶部相连接，数据采集模块4通过检测结构41与模拟导管211的外壁面电连接。通过动力结构22先驱动模拟钻杆212、模拟导管211以及模拟钻头213下入至水体区11的底部，再通过动力结构22驱动模拟钻杆212、模拟导管211以及模拟钻头213下入，同时驱动模拟钻杆212转动，从而使模拟钻头213向下钻进土体中。具体的，模拟导管211、模拟钻杆212以及模拟钻头213的尺寸与实际钻井的导管、钻杆以及钻头的尺寸按相同的比例进行缩小。检测结构41包括多个应变片411，多个应变片411沿模拟导管211的轴向间隔布设于导管的外壁面上，在图3中，为更好地示意应变片411的安装位置，将其尺寸进行了放大，其实际尺寸小于模拟导管211与振动固定环511之间的间隙，因此不会对模拟导管211的下入造成阻碍。安装模拟导管211下入至土体的过程中，应变片411与土体相接触，从而检测出模拟导管211与土体之间的受力情况。具体的，通过多个应变片411可测量模拟导管211的外壁面处的轴向应力分布情况，进而根据该轴向应力分布情况分析模拟导管211的稳定性与土质环境的关系。可选的，下入结构21还包括模拟套管。模拟导管211下入至土体中后，将模拟钻杆212与模拟导管211分离，再将模拟套管与模拟钻杆212相连接，通过模拟钻杆212带动模拟套管从模拟导管211中下入至目标深度处，模拟套管的外壁面上也设有与数据采集模块4电连接的检测结构，以检测模拟套管与模拟导管211之间的受力情况。
38.如图3所示，本发明的实施方式中，动力结构22包括钻井液压缸221和钻井压力控制模块222，钻井液压缸221的内腔通过第一活塞结构2211分隔形成第一有杆腔2212和第一无杆腔2213，下入结构21的顶部与第一活塞结构2211相连接，钻井压力控制模块222用于控制第一无杆腔2213的压力。通过钻井压力控制模块222的压力，从而控制下入结构21在土体中向下钻进的压力。
39.具体的，动力结构22还包括电机，下入结构21的顶部通过电机与第一活塞结构2211相连接，通过电机带动下入结构21转动。第一活塞结构2211包括与钻井液压缸221的内腔密封滑动配合的第一活塞以及与第一活塞连接并从第一有杆腔2212伸出的第一活塞杆，电机与第一活塞杆密封连接，钻杆与电机的输出轴连接，通过钻井液压缸221向第一无杆腔
2213施压压力，从而使第一活塞结构2211向下滑动，进而使电机和下入结构21依次下入，在下入至水体区11的底部后启动电机，通过电机驱动模拟钻杆212转动，同时通过钻井液压缸221向第一无杆腔2213继续施压并达到钻进压力，从而使模拟钻头213在土体中向下钻进。钻井压力控制模块222包括液压泵，液压泵通过连接管路与第一无杆腔2213连接，以将液压油输送至第一无杆腔2213中。
40.如图3所示，钻井液压缸221上还安装有节流调速结构，节流调速结构包括第一回流管路2231、第一节流阀2232、第一溢流管路2233、第一溢流阀2234以及第一输送泵2235，第一节流阀2232安装在第一回流管路2231上，第一溢流阀2234安装在第一溢流管路2233上，第一输送泵2235的两端分别通过第一回流管路2231和第一溢流管路2233与第一无杆腔2213和第一有杆腔2212连通形成节流调速回路223。当钻井压力控制模块222向第一无杆腔2213内输送液压油并达到钻井压力时，第一活塞结构2211向下滑动，同时第一有杆腔2212中的液压油经溢流管路溢流至第一输送泵2235中，第一输送泵2235输出的液压油经第一回流管路2231返回至第一无杆腔2213，通过第一输送泵2235调节节流调速回路223中流速，同时通过第一节流阀2232控制流量，从而控制第一活塞结构2211带动下入结构21在钻进压力下的下入速度。此外，第一节流阀2232与第一输送泵2235之间安装有第一过滤阀2236，以过滤节流调速回路223中液压油中的杂质。
41.如图4所示，本发明的实施方式中，钻井模拟实验装置还包括振动机构5，振动机构5伸入水体区11中并靠近土体区12设置，振动机构5与模拟钻井机构2连接。对于深水油气井的全寿命周期内，导管会因水下采油树、附属生产管汇等结构而发生振动，因此，通过在靠近土体区12的位置设置振动机构5，使得振动机构5在模拟钻井机构2下入至土体中完成模拟钻井后在钻井的井口位置对模拟钻进机构进行振动，进而检测该振动对模拟钻井机构2的受力而造成的影响，从而研究深水油气井生产过程中振动对导管的承载力的影响规律。
42.如图4所示，振动机构5包括振动器51和振动控制结构52，振动器51包括振动固定环511、弹性振动件512以及振动液压缸513，振动液压缸513的内腔通过第二活塞结构5131分隔形成第二有杆腔5133和第二无杆腔5132，振动固定环511套设于模拟钻井机构2上，振动固定环511通过弹性振动件512与第二活塞结构5131相连接，振动控制结构52用于控制第二无杆腔5132内的压力。当第二无杆腔5132内的压力大于弹性振动件512的弹力时，第二活塞结构5131推动弹性振动件512压缩而使振动固定环511朝靠近模拟钻井机构2的一侧移动，当第二无杆腔5132内的压力小于弹性振动件512的弹力时，第二活塞结构5131则弹性振动件512的作用下朝第二无杆腔5132移动，从而使振动固定环511朝远离模拟钻井机构2的一侧移动，因此，通过振动控制结构52控制第二无杆腔5132压力，可使第二活塞结构5131在振动液压缸513的内腔中往复移动，从而使振动固定环511振动模拟钻井机构2。具体的，振动固定环511套设于模拟导管211上，且振动固定环511在不振动时与模拟导管211之间具有间隙。第二活塞结构5131包括第二活塞和第二活塞杆，第二活塞与振动液压缸513的内腔密封滑动配合，第二活塞杆的一端与第二活塞连接，第二活塞杆的另一端通过弹性振动件512与振动固定环511相连接。
43.如图4所示，振动控制结构52包括第二回流管路521、第二节流阀523、第二溢流管路526、第二溢流阀525以及第二输送泵524，第二节流阀523安装在第二回流管路521上，第二溢流阀525安装在第二溢流管路526上，第二输送泵524的两端分别通过第二回流管路521
和第二溢流管路526与第二无杆腔5132连通形成振动调节回路。第二输送泵524与第二节流阀523之间还安装有第二过滤阀522，第二输送泵524将液压油经第二回流管路521输送至第二无杆腔5132中使其压力变大，第二活塞结构5131、弹性振动件512以及振动固定环511朝靠近模拟钻井机构2的一侧移动，当压力增大到一定值时，第二无杆腔5132中的液压油便会经第二溢流管路526溢流至第二输送泵524中，使得第二无杆腔5132中的压力变小，第二活塞结构5131、弹性振动件512以及振动固定环511朝远离模拟钻井机构2的一侧移动，再通过第二输送泵524将液压油输出并经第二回流管路521流回至第二无杆腔5132中，从而使第二活塞结构5131通过振动弹性件带动振动固定环511振动模拟钻进结构。通过第二输送泵524调节振动调节回路中液压油的流速，同时通过第二节流阀523控制流量，从而控制第二活塞结构5131带动弹性振动件512和振动固定环511往复移动的速度，即振动机构5的振动频率。通过设定第二溢流阀525的开启压力，即第二无杆腔5132可达到的最高压力，从而控制第二活塞结构5131带动弹性振动件512和振动固定环511施加于模拟钻井机构2上的压力，即振动机构5的振动载荷。本实施例可对振动频率为0.01hz-10hz以及振动载荷0kn～50kn的水下情况进行模拟。
44.本发明的钻井模拟实验装置，通过调节高压循环管路的压力，加热箱311的温度，可模拟深水高温高压环境，在此环境下可进行深水导管下入过程中水力喷射参数实验，以研究不同土质混合条件下摩擦系数演化机理和深水钻井导管下入过程中承载力演化机制；还可实现深水油气井生产全寿命周期中振动对导管的承载力的影响规律的模拟，从而研究深水油气井生产过程中振动对导管的承载力影响规律。
45.本发明通过测得导管的承载力的变化，通过模拟油气井全寿命周期生产过程中，流体流动造成的管汇系统和井口振动对表层导管的影响，以及产生的振动载荷对导管承载力的影响规律，从而可开展深水油气井全寿命周期生产载荷模拟。
46.在实验过程中，根据模拟导管所穿过的不同土层来设计应变片的分布，通过实时测量导管的外壁面上沿轴向的应力分布变化情况来分析导管的稳定性与土质环境的关系；通过加载不同的振动作用时间、不同的轴向井口载荷和不同的温度场，实时测量并记录导管的外壁面上沿轴向的应力分布，进而分析全寿命周期内产出液因生产流动造成的振动动态载荷对表层导管及水下井口稳定性的影响规律，综合考虑生产所致的温度场改变与生产动态载荷的耦合作用，建立深水导管全寿命周期的导管的稳定性影响规律模型；最终通过将实验结果与数值计算结果对比验证，形成深水导管的安装技术基础理论体系。
47.实施方式二
48.如图5所示，本发明还提供一种钻井模拟实验方法，包括以下步骤：在箱体1中装入与实际钻井地的土体结构相同结构的土体；在箱体1内土体的上方充入与实际钻井地上方的水体结构相同结构的水体；根据实际钻井地的环境特点，在箱体1内模拟出相同的环境；通过模拟钻井机构2在箱体1内的土体中进行钻井，并检测模拟钻井机构2在钻井过程中的受力情况。具体的，采用上述钻井模拟实验装置进行本发明的钻井模拟实验方法，根据实际钻井地的土体结构的土质和土层分布，在箱体1中装入相同结构的土体，如黏土、砂土、粘砂混合，或按需要分层铺设土体，以真实地还原海底的土体情况，土体的上部充满海水，进而通过环境模拟结构控制箱体1内的温度和压力，从而模拟出海洋环境。
49.本发明的实施方式中，模拟钻井机构2在箱体1内的土体中完成模拟钻井后，通过
振动机构5在井口位置处对模拟钻井机构2进行振动。
50.以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。