模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积的实验装置及方法与流程

本发明涉及海洋深水油气勘探开发领域，具体地涉及一种模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积的实验装置及方法。

背景技术：

随着陆上油气资源的逐渐枯竭，勘探开发活动逐步转向深水领域，深水领域的新增油气探明储量对全球范围内总体新增油气探明储量的贡献持续上升。加强海洋油气资源的开发，对于建设海洋强国具有重要意义。深水油气钻探作业中会遇到很多技术挑战，其中深水表层钻井过程中，没有安装隔水管的情况下，表层钻进所产生的岩屑会直接返排到海底，部分堆积在井口附近，存在影响水下井口设备安装的风险；并且在丛式井组钻井过程中，部分返出岩屑会运移到井组中心堆积，使得海床不平整度增加，增加水下管汇安装失败的风险。

深水表层钻井过程中返出岩屑的运移沉积受到洋流速度、钻井液返出排量、岩屑粒径、岩屑体积分数等多种因素影响，在钻井过程中岩屑运移沉积过程不易观察，目前国内外在深水丛式井组钻井过程中多次遇到由于海床不平整度增加，导致水下管汇安装失败，使得钻井工作时长增加及钻井成本增大。因此，在深水表层钻井前对返出岩屑的运移沉积进行实验模拟，得到表层钻井返出岩屑的运移沉积范围及堆积高度，对丛式井组水下管汇的安装有重要指导意义。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积的实验装置及方法，通过对抽取的水流进行导流以获得强度均匀的水流以模拟洋流，并在模拟洋流的洋流速度达到第一预设流速的情况下向模拟洋流中注入岩屑混合液。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积的实验装置，该装置包括：模拟实验装置，用于模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积过程，所述模拟实验装置包括水槽，所述水槽中设置有整流板、导流栅组；循环水流模拟装置，该装置包括水泵，所述水泵用于抽取水流以向所述水槽中注入水流，注入的水流依次经由所述整流板和所述导流栅组导流以获得强度均匀的水流；以及岩屑返出模拟装置，该装置用于从所述水槽底部向所述水槽的强度均匀的水流中注入岩屑混合液。

可选的，所述循环水流模拟装置还包括：循环水罐、注水管线和回流管线，所述水泵用于从所述循环水罐抽取水流，抽取的水流经过所述注水管线流入所述水槽；所述水槽中还设置有溢流板，用于控制所述水槽中的液面高度，所述水槽中液面高度高于所述溢流板高度的液体经由所述回流管线流入所述循环水罐。

可选的，所述溢流板上设置有孔，所述水槽中的液体流经所述溢流板的孔并经由所述回流管线流入所述循环水罐，其中，所述溢流板的孔密度低于所述整流板的孔密度，和/或所述溢流板上设置的孔的直径不大于所述整流板上设置的孔的直径。

可选的，所述模拟实验装置还包括流速测量装置，用于测量所述导流栅组和所述溢流板之间的区域中的液体的流速。

可选的，所述水泵和所述循环水罐之间的注水管线上还设置有第二阀门；和/或所述回流管线上还设置有第一阀门。

可选的，所述岩屑返出模拟装置包括：砂水混合罐、搅拌器、螺旋泵、电磁流量计和注砂管线；所述搅拌器设置于所述砂水混合罐中，用于将所述砂水混合罐中的砂与水搅拌混合以形成岩屑混合液，所述螺旋泵和电磁流量计用于对所述岩屑混合液抽取以使得所述岩屑混合液经由所述注砂管线流入所述水槽。

可选的，所述砂水混合罐和所述螺旋泵之间的注砂管线上设置有第三阀门。

可选的，所述装置还包括：摄像装置，用于对所述岩屑混合液中的岩屑在所述强度均匀的水流中的沉积过程进行记录。

可选的，所述导流栅组由多个导流栅板组成，所述导流栅板为弧形板。

相应的，本发明还提供一种模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积的实验方法，所述方法由以上任一项所述的模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积的实验装置实施，该方法包括：利用水泵抽取水流以向所述水槽中注入水流，注入的水流依次经由所述整流板和所述导流栅组导流以获得强度均匀的水流以模拟洋流；以及在模拟洋流的洋流速度达到第一预设流速的情况下，从所述水槽底部向所述模拟洋流中注入岩屑混合液。

可选的，根据以下公式计算所述第一预设流速：

lr＝lp/lm，

其中，up1为实际钻井过程中的水流流速；lr为模型长度比尺；lp为实际钻井过程中界定的海域长度；lm为所述导流栅组与所述溢流板之间的距离。

可选的，所述岩屑混合液中砂石的直径dm能够满足以下公式：

dm＝dp/lr，

lr＝lp/lm，

其中，dp为实际钻井过程中岩屑的直径；lr为模型长度比尺；lp为实际钻井过程中界定的海域长度；lm为所述导流栅组与所述溢流板之间的距离。

可选的，所述岩屑混合液的注入速度um2为：

lr＝lp/lm，

其中，所述up2为实际钻井过程中岩屑上返的速度；lr为模型长度比尺；lp为实际钻井过程中界定的海域长度；lm为所述导流栅组与所述溢流板之间的距离。

可选的，该方法还包括：利用摄像装置在所述岩屑混合液注入所述水槽且经过预定时间tp后，记录在所述水槽中岩屑的沉积范围及沉积高度，所述预定时间tp根据以下公式计算：

lr＝lp/lm，

其中，tm为实际钻井过程中的观测记录时间；lr为模型长度比尺；lp为实际钻井过程中界定的海域长度；lm为所述导流栅组与所述溢流板之间的距离。

通过上述技术方案，本发明利用水泵抽取水流以向水槽中注入水流，注入的水流依次经由整流板和导流栅组导流以获得强度均匀的水流以模拟洋流，然后在模拟洋流的洋流速度达到第一预设流速的情况下，从水槽底部向模拟洋流中注入岩屑混合液，通过该方法可对深水表层钻井返出岩屑运移沉积过程进行模拟，解决钻井过程中岩屑运移沉积过程不易被观察的问题，从而指导丛式井组水下管汇的安装。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明一实施例提供的一种模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积的实验装置框图。

图2是本发明一实施例提供的一种模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积的实验装置示意图。

图3是整流板的正视图。

图4是导流栅组的俯视图。

图5是溢流板的正视图。

图6是本发明一实施例提供的一种模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积的实验方法。

附图标记说明

1循环水罐2a第一阀门

2b第二阀门2c第三阀门

3水泵4电磁流量计

5注水管线6砂水混合罐

7搅拌器8螺杆泵

9注砂管线10摄像装置

11整流板12导流栅组

12a导流栅板13流速测量装置

14溢流板15水槽

16回流管线

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

图1是本发明一实施例提供的一种模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积的实验装置框图，该装置包括：模拟实验装置，用于模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积过程，该模拟实验装置包括水槽，水槽中设置有整流板、导流栅组；循环水流模拟装置，该装置包括水泵，该水泵用于抽取水流以向水槽中注入水流，注入的水流依次经由整流板和导流栅组导流以获得强度均匀的水流；以及岩屑返出模拟装置，用于从水槽底部向水槽的强度均匀的水流中注入岩屑混合液。

可以理解，整流板和导流栅组依次设置在水槽中，水泵抽取的水流先经过整流板进行一次导流，然后再经过导流栅板进行二次导流，从而使得水流的强度均匀，其中强度均匀的水流可为水流平缓且水流的流速和方向一定，待水流达到强度均匀的条件后，再从水槽底部注入岩屑混合液，以模拟没有安装隔水管的情况下，表层钻进所产生的岩屑直接返排到海底后岩屑的沉积过程。

本实施例通过整流板和导流栅组对水流进行导流以得到强度均匀的水流，然后在将岩屑混合液注入该强度均匀的水流中以模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积过程，从而解决钻井过程中岩屑运移沉积过程难以被观察而造成不易对丛式井组水下管汇进行安装的问题。

图2是本发明一实施例提供的一种模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积的实验装置示意图，该装置包括：模拟实验装置，用于模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积过程，模拟实验装置包括水槽15，水槽15中设置有整流板11、导流栅组12；循环水流模拟装置，包括水泵3，水泵3用于抽取水流以向水槽15中注入水流，注入的水流依次经由整流板11和导流栅组12导流以获得强度均匀的水流；以及岩屑返出模拟装置，用于从水槽15底部向水槽15的强度均匀的水流中注入岩屑混合液。

具体的，循环水流模拟装置还包括：循环水罐1、第二阀门2b、注水管线5和回流管线，循环水罐中存储有水流，第二阀门设置在循环水罐和水泵3之间的注水管线上，当第二阀门2b开启时，通过开启水泵3可从循环水罐1中抽取存储的水流，并通过注水管线5流入模拟实验装置中的水槽15中。

其中，第二阀门2b的阀门开度为可控制的，水泵3可包括有档位开关和/或旋钮式开关，用于控制抽取水流的流量，通过将水泵3的旋钮式开关或档位开关置于合适位置，并相应调节第二阀门2b的阀门开度，可调整水泵3抽取水流时的流速。其中，水泵3可为离心泵。

由循环水流模拟装置抽取出的水流可从模拟实验装置中的水槽15的侧面进行注入，注入的水流依次经由整流板11和导流栅组12导流，其中，整流板11上开有密集均匀的小孔，各小孔之间的间距一定，如图3所示，可以理解，注入水槽的水流由整流板11的小孔流出，原本由循环水流模拟装置中的水泵3抽取的强力的水流的流速会减小，且水流流动也会更加平稳，以此对水流进行一次导流；导流栅组12可由多个导流栅板12a组成，每个导流栅板12a间存在一定间隙，其中每个导流栅板12a均为弧形板，如图4所示，可以理解，经一次导流后的水流由各导流栅板之间的间隙流出，由于导流栅板为弧形板，即导流栅板两端不存在尖锐的棱角，因此水流流入导流栅板时，其入口和出口的水流都是平缓的，不存在水流速度和方向的突变，以此实现对水流的二次导流，以获得强度均匀的水流以模拟洋流。

水槽15中还设置有溢流板14，位于水槽15的另一端与导流栅组12相对，用于控制经导流栅组12流出的水流的液面高度，使流经导流栅组12的水流能达到的最大高度不超过溢流板14高度，而高于溢流板14高度的液体经由回流管线16流入循环水罐1。其中，回流管线16上设置有第一阀门2a，用于控制流经溢流板14的液体流入至循环水罐1中，以此避免水泵3对循环水罐1中的水流进行不断抽取而导致循环水罐1缺水的情况。

此外，为对洋流环境进行更好的模拟，溢流板14上设置有小孔，以使得流经导流栅组12的液体还可通过溢流板14的小孔流出，以降低溢流板14对洋流模拟效果的影响，由溢流板小孔流出的液体也可通过第一阀门的控制经回流管线流入循环水罐。其中，溢流板14上设置的孔的孔密度低于整流板11的孔密度，和/或溢流板14上设置的孔的直径不大于整流板11上设置的孔的直径，如图5所示，以使得导流栅组12与溢流板14之间积有足够高度的水流。

此外，模拟实验装置还包括有流速测量装置13，可例如为声学多普勒点式流速仪，用于测量导流栅组12和溢流板14之间的区域中的液体的流速，以检测是否达到模拟洋流的流速条件。

待流速测量装置13测量出导流栅组12和溢流板14之间的区域中的液体的流速达到模拟洋流的流速条件后，岩屑返出模拟装置由水槽底部向水槽中的导流栅组12与溢流板14之间的强度均匀的水流中注入岩屑混合液。其中，岩屑返出模拟装置包括有砂水混合罐6、搅拌器7、第三阀门2c、螺旋泵8、电磁流量计4和注砂管线9，砂水混合罐6中具有按照一定砂水体积分数比配置的砂水混合液，搅拌器7设置于砂水混合罐6中，用于将砂水混合罐6中的砂与水搅拌混合以模拟岩屑混合液，待流速测量装置13测量出导流栅组12和溢流板14之间的区域中的液体的流速达到模拟洋流的流速条件后，通过开启砂水混合罐6和螺旋泵8之间的注砂管线9上设置的第三阀门2c，并配合螺旋泵8和电磁流量计4，抽取定量的岩屑混合液，从而经由注砂管线9由水槽底部流入水槽。其中，螺旋泵8可包括有旋钮式开关和/或档位开关，用于控制抽取水流的流量，通过将螺旋泵8的旋钮式开关或档位开关置于合适位置，并相应调节第三阀门的阀门开度，可调整螺旋泵8抽取岩屑混合液时的流速。

岩屑混合液由水槽底部注入后，为分析岩屑混合液中的岩屑在强度均匀的水流中的沉积过程，可利用摄像装置10对该过程进行记录。其中摄像装置10可例如为高速摄像机，可固定设置在水槽底部，可以理解，通过摄像机对水槽内部岩屑的沉积过程进行记录时，水槽应为透明或半透明材质，例如可为有机玻璃材质。

本发明实施例中的第一阀门、第二阀门和第三阀门中的一者或多者可以是球形阀，但是本发明实施例并不限制于此。

本发明实施例提供了一种模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积的实验装置，通过在水槽中设置整流板、导流栅组对抽取的水流进行导流，以模拟洋流，然后从水槽底部向经导流后得到的强度均匀的水流中注入岩屑混合液，以模拟深水表层钻井返出岩屑的运移沉积过程，对于在实际钻井活动中，在没有安装隔水管的情况下，表层钻井所产生的岩屑会直接返排到海底或堆积在井口附近，造成海床不平整，或影响井下设备安装，又由于实际钻井过程中岩屑运移沉积过程不易观察，因此深水表层钻井返出岩屑运移沉积的模拟对丛式井组水下管汇的安装有重要指导意义。

图6为本发明实施例提供的一种模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积的实验方法流程图，该方法包括：

步骤601，利用水泵抽取水流以向水槽中注入水流。

具体的，在实验前关闭实验装置中所有的阀门对循环水罐1进行注水，待循环水罐1中液体的液面到达合适高度后停止继续对循环水罐进行注水，然后利用水泵3将实验前在循环水罐1内存储的水抽取至水槽15中。其中，在水槽15中设置有整流板11、导流栅组12，抽取出的水流可从水槽15的侧面进行注入，注入的水流依次经由整流板11和导流栅组12导流，以获得强度均匀的水流以模拟洋流。水槽15中还可设置溢流板14，位于水槽的另一端与导流栅组12相对，用于控制经导流栅组12流出的水流的液面高度，使流经导流栅组12的水流能达到的最大高度不超过溢流板14高度。此外，为对洋流环境进行更好的模拟，溢流板14上设置有小孔，以使得流经导流栅组12的液体还可通过溢流板14的小孔流出，以降低溢流板14对洋流模拟效果的影响。

步骤602，判断模拟洋流的洋流速度是否达到第一预设流速，若判断结果为是，则执行步骤604，反之，执行步骤603。

可以理解，为保证实验结果与实际洋流两个流动系统在重力作用下的相似，实验过程中须保证流体的惯性力和重力的比值必须相等，即满足弗劳德数fr相等，如下式所示：

其中，um为模拟实验时模拟洋流的速度；up为实际钻井过程中的水流流速；gp和gm分别为实际钻井过程中和模拟实验过程中的重力加速度；lp为实际钻井过程中界定的海域长度；lm为模拟实验中导流栅组12与溢流板14之间的距离。

由上式可得出，模拟实验时模拟洋流的速度与实际钻井过程中的水流流速存在一定的比例关系，由于模拟实验与实际钻井过程均在同一重力场中，即gp＝gm，进一步可得到满足弗劳德数fr相等情况下的第一预设流速um1的表达式为：

lr＝lp/lm，

其中，lr为模型长度比尺，反映实际钻井过程中界定的海域长度与模拟实验过程中导流栅组12与溢流板14之间的距离的比例关系。

模拟洋流的洋流速度可通过流速测量装置13，例如声学多普勒点式流速仪进行测量。

步骤603，调节水泵。

具体的，当通过流速测量装置检测出模拟洋流的洋流速度未达到第一预设流速时，可相应调节水泵3，直至模拟洋流的洋流速度达到第一预设流速且维持稳定。

步骤604，从水槽底部向模拟洋流中注入岩屑混合液并开始计时。

具体的，岩屑混合液为按照一定砂水体积分数比配置的砂水混合液，其中混合液中砂石的直径dm能够满足以下公式：

dm＝dp/lr，

其中，dp为实际钻井过程中岩屑的直径。

在将岩屑混合液注入至水槽15时，先利用搅拌器7将砂水混合罐6内的砂水混合液进行搅拌混合，以模拟真实环境中的岩屑混合液。在注入过程中，通过螺旋泵8和电磁流量计4的配合使用以控制岩屑混合液的注入速度，为保证实验结果的准确性，岩屑混合液的注入速度um2也须满足弗劳德数公式，即岩屑混合液的注入速度um2为：

lr＝lp/lm，

其中，up2为实际钻井过程中岩屑上返的速度。

正常情况下，岩屑混合液注入水槽15后对水槽15内原本水流的洋流速度影响不大，因此在岩屑混合液注入水槽15过程中，若流速测量装置13检测出注入岩屑混合液后水槽15内的混合液的流速与第一预设流速差异过大，则应停止实验模拟，对实验装置进行检查。

步骤605，判断注入的岩屑混合液是否达到预设量，若判断结果为“是”，则执行步骤606，反之继续判断注入的岩屑混合液是否达到预设量。

步骤606，停止注入岩屑混合液。

其中，为模拟真实的岩屑返出后的运移沉积过程，当模拟实验中岩屑混合液的注入量达到预设值后，应停止进行岩屑混合液的注入。其中岩屑混合液的注入量是否达到预设值可通过观察存储岩屑混合液的砂水混合罐6内剩余的岩屑混合液的液面高度来确定。

步骤607，判断岩屑混合液注入后混合液速度是否达到第一预设流速，若判断结果为“是”，则执行步骤609，反之，执行步骤608。

步骤608，调节水泵。

具体的，为保证实验结果的准确，岩屑混合液注入后混合液速度也须满足弗劳德数公式，即混合液速度达到第一预设流速，若混合液速度未达到第一预设流速，则可相应调节水泵3抽取水流的速度，从而使混合液速度维持在第一预设流速，以模拟洋流对岩屑的运移过程。

步骤609，判断是否达到预定时间，若判断结果为“是”，则执行步骤610，反之继续判断是否达到预定时间。

可以理解，相对于真实的岩屑返出后的运移沉积情况，模拟实验中各变量的尺度都进行了一定比例的缩小，因此在时间上也与真实的情况存在一个尺度变换，实际模拟实验中的预定时间tp与实际钻井过程中的观测记录时间存在以下关系：

lr＝lp/lm，

其中，tm为实际钻井过程中的观测记录时间。

步骤610，记录岩屑的沉积范围及沉积高度。

具体的，如果模拟时间达到了实际所需的预定时间，则依次关闭水泵3、第二阀门2b、第一阀门2a，然后对水槽15内岩屑的沉积范围及沉积高度进行记录。完成该条件下岩屑的沉积范围及沉积高度的记录后，可对水槽15内的砂粒进行清理，并重复以上步骤进行其他实验参数下的岩屑运移沉积过程的模拟。

本发明实施例提供一种根据模拟深水表层钻井返出岩屑运移沉积的实验装置实施的实验方法，通过向利用上述实施例中的实验装置模拟的洋流中以一定注入速度注入一定量的岩屑混合液，并使注入后的混合液水流的流速维持第一预设流速一预设时间，从而得到在模拟实验中记录的运移沉积过程及最终岩屑的沉积范围及沉积高度，根据该方法得到的模拟结果在实际钻井过程中对水下管汇的安装位置具有指导意义，可进而降低水下管汇安装失败的风险。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。