一种模拟携砂钻井液循环流动特性的实验装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种模拟携砂钻井液循环流动特性的实验装置及方法，其特征在于：装置由模拟钻井系统、泥浆循环系统和空气循环系统三部分组成，可以开展泥浆作为钻井液和空气作为钻井液两种情况下钻井液循环流动特性的实验。装置的井架可以调整至不同的倾斜角度，满足了垂直井、定向井、水平井等不同井斜工况下的钻井液循环流动特性实验监测。设置的钢化玻璃视窗可以实时地观察携砂钻井液的流动形态，布置的压力表与流量计可以实时监测携砂钻井液的压力与流量变化。
【专利说明】一种模拟携砂钻井液循环流动特性的实验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钻井液流动特性实验研究領域，具体涉及ー种模拟携砂钻井液循环流动特性的实验装置及方法。
【背景技术】
[0002]钻井液是钻井工程的血液，承担着井眼浄化、冷却润滑钻具、传递水力功率、平衡井壁岩石侧压カ与井底地层压カ的重要任务。充分掌握钻井液的循环流动特性，对钻井參数的选择和控制至关重要。钻井液在井筒环空中携帯岩屑上返，若速度过慢，其动能不足以将携岩携帯至地面，从而产生井眼堵塞，影响钻进；若速度过快，高速携岩钻井液又会对钻具产生严重的冲蚀。尤其是钻井液选择为气体的气体钻井，由于气体可压缩，在井筒上返过程中不断膨胀，速度迅速増加，高速携砂气流对钻具的冲蚀十分剧烈，致使钻具失效次数约为常规泥浆钻井的几倍甚至几十倍。而气体钻井作为钻速快、成本低的ー项欠平衡钻井技术，在现场实际中又在不断地推广。因此，弄清携砂钻井液尤其是携砂气流的循环流动特性十分必要。
[0003]由于常规泥浆携砂流动或气体携砂流动属于液固或气固多相流动，其在垂直环空或有井斜时的倾斜环空中的上升流动机理十分复杂，理论分析很难突破。现场钻井液流动參数也往往凭经验选择，因此，设计ー种既可以模拟携砂泥浆循环流动特性，又可以模拟携砂气流循环流动特性的实验装置，开展携砂泥浆或携砂气流在垂直或任意井斜角井筒中的循环流动实验研究，可为现场參数的选择提供重要依据。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是，提出一种模拟携砂钻井液循环流动特性的实验装置及方法。
[0005]为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案:
一种模拟携砂钻井液循环流动特性的实验装置由模拟钻井系统、泥浆循环系统和空气循环系统三部分组成，可以开展泥浆作为钻井液和空气作为钻井液两种情况下钻井液循环流动特性的实验。所述的模拟钻井系统由井架、顶驱、钻杆、井筒、钻头和井筒钢化玻璃视窗组成。顶驱和井筒固定安装在井架上，井架由一可活动撑杆支撑，挪动撑杆可以实现井架角度的变化，以满足不同井斜角下实验的要求。顶驱下部接有钻杆，钻杆伸入井筒内部，与井筒同轴，钻杆底部安有钻头。在井筒上开有井筒钢化玻璃视窗，用于观察井筒内钻井液的流动形态。
[0006]所述的泥浆循环系统由泥浆混砂池、泥浆泵、钻井入口管路、钻井出口管路组成。泥浆混砂池用于储存和搅拌泥浆，泥浆泵从泥浆混砂池中抽吸泥浆压入钻井入口管路，泥浆泵出ロ设泥浆泵压カ表。在泥浆混砂池出口和泥浆泵出ロ分别安有泥浆泵入口阀门和泥浆泵出口阀门。钻井入口管路上设有管道钢化玻璃视窗，用于观察管道内钻井液的流动形态。钻井入ロ管路末端连接顶驱，在临近顶驱的钻井入ロ管路末端上安有顶驱入ロ阀门、顶驱入口压カ表和顶驱入口流量计。泥浆经由钻井入口管路进入顶驱，流入钻杆，再通过钻头进入井筒，从井筒顶部出口流入钻井出口管路。紧邻井筒顶部出口的钻井出口管路上安有井筒出口阀门、井筒出口压力表和井筒出口流量计。钻井出口管路连接至泥浆混砂池，使泥浆最终通过钻井出口管路流回到泥浆混砂池，在钻井出口管路与泥浆混砂池之间安有泥浆混砂池入口阀门。
[0007]所述的空气循环系统由空气压缩机、加砂器、钻井入口管路、钻井出口管路和排砂分离器组成。空气循环系统与泥浆循环系统共用钻井入口管路和钻井出口管路。空气压缩机抽吸自由空气进行加压，空气压缩机出口设空气压缩机压力表。空气压缩机下游连接加砂器，加砂器出口安有加砂器出口阀门，加砂器出口与钻井入口管路相连。钻井出口管路与排砂分离器相连，排砂分离器入口设排砂分离器入口阀门，排砂分离器上端出气口设排气阀门，排砂分离器下端出砂口设排砂阀门。排砂分离器出砂口与加砂器上端加砂口相连，在加砂器加砂口处安有加砂器入口阀门。
[0008]一种模拟携砂钻井液循环流动特性的实验方法，利用一种模拟携砂钻井液循环流动特性的实验装置可以开展泥浆作为钻井液和空气作为钻井液两种情况下钻井液循环流动特性的实验。
[0009]进行泥浆作为钻井液的循环流动特性实验时，关闭加砂器出口阀门和排砂分离器入口阀门，打开泥浆泵入口阀门、泥浆泵出口阀门、顶驱入口阀门、井筒出口阀门和泥浆混砂池入口阀门；往泥浆混砂池内加砂，并开动泥浆混砂池的搅拌叶轮进行搅拌；泥浆泵从泥浆混砂池抽吸携砂泥浆，加压后泵入钻井入口管路，通过泥浆泵压力表可以监测泥浆泵的加压效果；透过钻井入口管路上的管道钢化玻璃视窗，可以观察管道内携砂泥浆的流动形态；携砂泥浆经钻井入口管路流至顶驱，通过顶驱入口压力表和顶驱入口流量计监测泵入的携砂泥浆压力和流量；携砂泥浆穿过顶驱流入钻杆，并从底部钻头流出至井筒，再在井筒中向上流动至井筒出口 ；通过开设在井筒上的井筒钢化玻璃视窗，可以观察井筒环空中的携砂泥浆流动形态；从井筒流出的携砂泥浆流入钻井出口管路，通过井筒出口压力表和井筒出口流量计可以监测经过模拟钻井系统后携砂泥浆的压力与流量；钻井出口管路将从井筒流出的携砂泥浆送回至泥浆混砂池，从而实现携砂泥浆的循环流动；通过调节井架的撑杆，可以开展不同井斜角钻井工况时井筒内携砂泥浆的循环流动特性监测。
[0010]进行空气作为钻井液的循环流动特性实验时，关闭泥浆泵出口阀门和泥浆混砂池入口阀门，打开加砂器出口阀门、顶驱入口阀门、井筒出口阀门、排砂分离器入口阀门、排气阀门、排砂阀门和加砂器入口阀门；往加砂器中预先加入砂粒，启动空气压缩机抽吸自由空气加压，并泵入加砂器，通过空气压缩机压力表可以监测空气压缩机的加压效果；高压空气经过加砂器后形成携砂气流；透过钻井入口管路上的管道钢化玻璃视窗，可以观察管道内携砂气流的流动形态；携砂气流经钻井入口管路流至顶驱，通过顶驱入口压力表和顶驱入口流量计监测泵入的携砂气流压力和流量；携砂气流穿过顶驱流入钻杆，并从底部钻头流出至井筒，再在井筒中向上流动至井筒出口 ；通过开设在井筒上的井筒钢化玻璃视窗，可以观察井筒环空中的携砂气流流动形态；从井筒流出的携砂气流流入钻井出口管路，通过井筒出口压力表和井筒出口流量计可以监测经过模拟钻井系统后携砂气流的压力与流量；钻井出口管路将从井筒流出的携砂气流送至排砂分离器，通过排砂分离器的气砂分离，净化后的气体从排砂分离器出气口流出，分离出的砂粒从排砂分离器出砂口流出至加砂器的加砂口，返回到加砂器中，从而形成了携砂气流的循环流动；通过调节井架的撑杆，可以开展不同井斜角钻井エ况时井筒内携砂气流的循环流动特性监测。
[0011]本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点:
1、本发明具有两套钻井液循环系统，既可以模拟泥浆作为钻井液的循环过程，又可以模拟空气作为钻井液的循环过程；
2、本发明的井架可以调整至不同的倾斜角度，满足了垂直井、定向井、水平井等不同井斜エ况下的钻井液循环流动特性实验监测；
3、本发明设有的井筒钢化玻璃视窗和管道钢化玻璃视窗可以实时地观察携砂钻井液的流动形态，模拟钻井系统进出口压カ表与流量计可以实时监测携砂钻井液通过模拟钻井系统的压力与流量变化。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的结构示意图
其中:1、井架；2、顶驱；3、钻杆；4、井筒；5、钻头；6、井筒钢化玻璃视窗；7、顶驱入口阀门；8、顶驱入口压カ表；9、顶驱入口流量计；10、井筒出口阀门；11、井筒出口压カ表；12、井筒出ロ流量计；13、管道钢化玻璃视窗；14、泥浆泵出ロ阀门；15、泥浆泵压力表；16、泥浆泵；17、泥浆泵入口阀门；18、泥浆混砂池；19、加砂器出口阀门；20、加砂器入口阀门；21、加砂器；22、空气压缩机压カ表；23、空气压缩机；24、排砂分离器入口阀门；25、排气阀门；26、排砂分离器；27、排砂阀门；28、泥浆混砂池入口阀门。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本发明的具体实施作进ー步描述。
[0014]如图1所示，一种模拟携砂钻井液循环流动特性的实验装置由模拟钻井系统、泥浆循环系统和空气循环系统三部分组成，可以开展泥浆作为钻井液和空气作为钻井液两种情况下钻井液循环流动特性的实验。所述的模拟钻井系统由井架1、顶驱2、钻杆3、井筒4、钻头5和井筒钢化玻璃视窗6组成。顶驱2和井筒4固定安装在井架I上，井架I由一可活动撑杆支撑，挪动撑杆可以实现井架I角度的变化，以满足不同井斜角下实验的要求。顶驱2下部接有钻杆3，钻杆3伸入井筒4内部，与井筒4同轴，钻杆3底部安有钻头5。在井筒4上开有井筒钢化玻璃视窗6，用于观察井筒4内钻井液的流动形态。
[0015]如图1所示，所述的泥浆循环系统由泥浆混砂池18、泥浆泵16、钻井入口管路、钻井出ロ管路组成。泥浆混砂池18用于储存和搅拌泥浆，泥浆泵16从泥浆混砂池18中抽吸泥浆压入钻井入口管路，泥浆泵16出ロ设泥浆泵压カ表15。在泥浆混砂池18出口和泥浆泵16出ロ分别安有泥浆泵入ロ阀门17和泥浆泵出ロ阀门14。钻井入口管路上设有管道钢化玻璃视窗13，用于观察管道内钻井液的流动形态。钻井入口管路末端连接顶驱2，在临近顶驱2的钻井入口管路末端上安有顶驱入口阀门7、顶驱入口压カ表8和顶驱入口流量计
9。泥浆经由钻井入口管路进入顶驱2，流入钻杆3，再通过钻头5进入井筒4，从井筒4顶部出口流入钻井出口管路。紧邻井筒4顶部出口的钻井出口管路上安有井筒出口阀门10、井筒出ロ压カ表11和井筒出ロ流量计12。钻井出ロ管路连接至泥浆混砂池18，使泥浆最终通过钻井出口管路流回到泥浆混砂池18，在钻井出口管路与泥浆混砂池18之间安有泥浆混砂池入口阀门28。[0016]如图1所示，所述的空气循环系统由空气压缩机23、加砂器21、钻井入口管路、钻井出口管路和排砂分离器26组成。空气循环系统与泥浆循环系统共用钻井入口管路和钻井出口管路。空气压缩机23抽吸自由空气进行加压，空气压缩机23出口设空气压缩机压力表22。空气压缩机23下游连接加砂器21，加砂器21出口安有加砂器出口阀门19，加砂器21出口与钻井入口管路相连。钻井出口管路与排砂分尚器26相连,排砂分尚器26入口设排砂分离器入口阀门24,排砂分离器26上端出气口设排气阀门25,排砂分离器26下端出砂口设排砂阀门27。排砂分离器26出砂口与加砂器21上端加砂口相连，在加砂器21加砂口处安有加砂器入口阀门20。
[0017]一种模拟携砂钻井液循环流动特性的实验方法，利用一种模拟携砂钻井液循环流动特性的实验装置可以开展泥浆作为钻井液和空气作为钻井液两种情况下钻井液循环流动特性的实验。
[0018]进行泥浆作为钻井液的循环流动特性实验时，如图1所示，关闭加砂器出口阀门19和排砂分离器入口阀门24，打开泥浆泵入口阀门17、泥浆泵出口阀门14、顶驱入口阀门
7、井筒出口阀门10和泥浆混砂池入口阀门28 ;往泥浆混砂池18内加砂，并开动泥浆混砂池18的搅拌叶轮进行搅拌；泥浆泵16从泥浆混砂池18抽吸携砂泥浆，加压后泵入钻井入口管路，通过泥浆泵压力表15可以监测泥浆泵16的加压效果；透过钻井入口管路上的管道钢化玻璃视窗13，可以观察管道内携砂泥浆的流动形态；携砂泥浆经钻井入口管路流至顶驱2，通过顶驱入口压力表8和顶驱入口流量计9监测泵入的携砂泥浆压力和流量；携砂泥浆穿过顶驱2流入钻杆3，并从底部钻头5流出至井筒4，再在井筒4中向上流动至井筒4出口 ；通过开设在井筒4上的井筒钢化玻璃视窗6，可以观察井筒4环空中的携砂泥浆流动形态；从井筒4流出的携砂泥浆流入钻井出口管路，通过井筒出口压力表11和井筒出口流量计12可以监测经过模拟钻井系统后携砂泥浆的压力与流量；钻井出口管路将从井筒4流出的携砂泥浆送回至泥浆混砂池18，从而实现携砂泥浆的循环流动；通过调节井架I的撑杆，可以开展不同井斜角钻井工况时井筒4内携砂泥浆的循环流动特性监测。
[0019]进行空气作为钻井液的循环流动特性实验时，如图1所示，关闭泥浆泵出口阀门14和泥浆混砂池入口阀门28，打开加砂器出口阀门19、顶驱入口阀门7、井筒出口阀门10、排砂分离器入口阀门24、排气阀门25、排砂阀门27和加砂器入口阀门20 ;往加砂器21中预先加入砂粒，启动空气压缩机23抽吸自由空气加压，并泵入加砂器21，通过空气压缩机压力表22可以监测空气压缩机23的加压效果；高压空气经过加砂器21后形成携砂气流；透过钻井入口管路上的管道钢化玻璃视窗13，可以观察管道内携砂气流的流动形态；携砂气流经钻井入口管路流至顶驱2，通过顶驱入口压力表8和顶驱入口流量计9监测泵入的携砂气流压力和流量；携砂气流穿过顶驱2流入钻杆3，并从底部钻头5流出至井筒4，再在井筒4中向上流动至井筒4出口 ；通过开设在井筒4上的井筒钢化玻璃视窗6,可以观察井筒4环空中的携砂气流流动形态；从井筒4流出的携砂气流流入钻井出口管路，通过井筒出口压力表11和井筒出口流量计12可以监测经过模拟钻井系统后携砂气流的压力与流量；钻井出口管路将从井筒4流出的携砂气流送至排砂分离器26，通过排砂分离器26的气砂分离，净化后的气体从排砂分离器26出气口流出，分离出的砂粒从排砂分离器26出砂口流出至加砂器21的加砂口，返回到加砂器21中，从而形成了携砂气流的循环流动；通过调节井架I的撑杆，可以开展不同井斜角钻井工况时井筒4内携砂气流的循环流动特性监测。
【权利要求】
1.一种模拟携砂钻井液循环流动特性的实验装置，其特征在于:装置由模拟钻井系统、泥浆循环系统和空气循环系统三部分组成；所述的模拟钻井系统由井架(1)、顶驱(2)、钻杆(3)、井筒(4)、钻头(5)和井筒钢化玻璃视窗(6)组成，顶驱(2)和井筒(4)固定安装在井架(1)上，顶驱(2)下部接有钻杆(3)，钻杆(3)伸入井筒(4)内部，与井筒(4)同轴，钻杆(3)底部安有钻头(5)，在井筒(4)上开有井筒钢化玻璃视窗(6);所述的泥浆循环系统由泥浆混砂池(18)、泥浆泵(16)、钻井入口管路、钻井出口管路组成，泥浆泵(16)从泥浆混砂池(18)中抽吸泥浆压入钻井入口管路，泥浆泵(16)出口设泥浆泵压力表(15)，在泥浆混砂池(18)出口和泥浆泵(16)出口分别安有泥浆泵入口阀门(17)和泥浆泵出口阀门(14)，钻井入口管路上设有管道钢化玻璃视窗(13)，钻井入口管路末端连接顶驱(2)，在临近顶驱(2)的钻井入口管路末端上安有顶驱入口阀门(7)、顶驱入口压力表(8)和顶驱入口流量计(9);紧邻井筒(4)顶部出口的钻井出口管路上安有井筒出口阀门(10 )、井筒出口压力表(11)和井筒出口流量计(12);钻井出口管路连接至泥浆混砂池(18)，在钻井出口管路与泥浆混砂池(18)之间安有泥浆混砂池入口阀门(28);所述的空气循环系统由空气压缩机(23)、加砂器(21)、钻井入口管路、钻井出口管路和排砂分离器(26)组成；空气循环系统与泥浆循环系统共用钻井入口管路和钻井出口管路；空气压缩机(23)出口设空气压缩机压力表(22)，空气压缩机(23)下游连接加砂器(21)，加砂器(21)出口安有加砂器出口阀门(19)，加砂器(21)出口与钻井入口管路相连；钻井出口管路与排砂分离器(26 )相连，排砂分离器(26 )入口设排砂分离器入口阀门(24)，排砂分离器(26)上端出气口设排气阀门(25)，排砂分离器(26)下端出砂口设排砂阀门(27);排砂分离器(26)出砂口与加砂器(21)上端加砂口相连，在加砂器(21)加砂口处安有加砂器入口阀门(20 )。
2.一种模拟携砂钻井液循环流动特性的实验方法，其特征在于:进行泥浆作为钻井液的循环流动特性实验时，关闭加砂器出口阀门(19)和排砂分离器入口阀门(24)，打开泥浆泵入口阀门(17)、泥浆泵出口阀门(14)、顶驱入口阀门(7)、井筒出口阀门(10)和泥浆混砂池入口阀门(28);往泥浆混砂池(18)内加砂，并开动泥浆混砂池(18)的搅拌叶轮进行搅拌；泥浆泵(16)从泥浆混砂池(`18)抽吸携砂泥浆，加压后泵入钻井入口管路，通过泥浆泵压力表(15)可以监测泥浆泵(16)的加压效果；透过钻井入口管路上的管道钢化玻璃视窗(13)，可以观察管道内携砂泥浆的流动形态；携砂泥浆经钻井入口管路流至顶驱(2)，通过顶驱入口压力表(8)和顶驱入口流量计(9)监测泵入的携砂泥浆压力和流量；携砂泥浆穿过顶驱(2)流入钻杆(3)，并从底部钻头(5)流出至井筒(4)，再在井筒(4)中向上流动至井筒(4)出口 ；通过开设在井筒(4)上的井筒钢化玻璃视窗(6)，可以观察井筒(4)环空中的携砂泥浆流动形态；从井筒(4)流出的携砂泥浆流入钻井出口管路，通过井筒出口压力表(11)和井筒出口流量计(12)可以监测经过模拟钻井系统后携砂泥浆的压力与流量；钻井出口管路将从井筒(4)流出的携砂泥浆送回至泥浆混砂池(18)，从而实现携砂泥浆的循环流动；通过调节井架(1)的撑杆，可以开展不同井斜角钻井工况时井筒(4)内携砂泥浆的循环流动特性监测；进行空气作为钻井液的循环流动特性实验时，关闭泥浆泵出口阀门(14)和泥浆混砂池入口阀门(28)，打开加砂器出口阀门(19)、顶驱入口阀门(7)、井筒出口阀门(10)、排砂分离器入口阀门(24)、排气阀门(25)、排砂阀门(27)和加砂器入口阀门(20)；往加砂器(21)中预先加入砂粒，启动空气压缩机(23)抽吸自由空气加压，并泵入加砂器(21)，通过空气压缩机压力表(22)可以监测空气压缩机(23)的加压效果；高压空气经过加砂器(21)后形成携砂气流；透过钻井入口管路上的管道钢化玻璃视窗(13)，可以观察管道内携砂气流的流动形态；携砂气流经钻井入口管路流至顶驱(2)，通过顶驱入口压カ表(8)和顶驱入口流量计(9)监测泵入的携砂气流压カ和流量；携砂气流穿过顶驱(2)流入钻杆(3)，并从底部钻头(5)流出至井筒(4)，再在井筒(4)中向上流动至井筒(4)出口 ；通过开设在井筒(4)上的井筒钢化玻璃视窗(6)，可以观察井筒(4)环空中的携砂气流流动形态；从井筒(4)流出的携砂气流流入钻井出ロ管路，通过井筒出ロ压カ表(11)和井筒出ロ流量计(12)可以监测经过模拟钻井系统后携砂气流的压カ与流量；钻井出口管路将从井筒(4)流出的携砂气流送至排砂分离器(26)，通过排砂分离器(26)的气砂分离，浄化后的气体从排砂分离器(26)出气ロ流出，分离出的砂粒从排砂分离器(26)出砂ロ流出至加砂器(21)的加砂ロ，返回到加砂器(21)中，从而形成了携砂气流的循环流动；通过调节井架(1)的撑杆，可以开展不同井斜角 钻井エ况时井筒(4)内携砂气流的循环流动特性监测。
【文档编号】G01N11/00GK103558123SQ201310565141
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2013年11月14日
【发明者】朱红钧, 赵洪南, 林元华, 巴彬, 王其军, 孔祥伟, 潘倩 申请人:西南石油大学