大位移井岩屑床特征的影响模拟装置与模拟方法

1.本发明提供一种大位移井岩屑床特征的影响模拟装置与模拟方法，属于钻井技术领域。


背景技术：

2.大位移井通常定义为水平位移与垂直深度之比大于2.0的井。由于其大斜度段和长水平段，岩屑极易在环空底部积聚成床，导致憋泵、卡钻等事故，影响钻井施工安全和钻井时效。在实际钻进过程中，岩屑床特征会直接影响当量循环密度(ecd)及钻杆扭矩的数据：岩屑床的形成会导致钻井液在井眼周围形成一定的压力，从而增加ecd。这可能会导致井壁不稳定，导致井壁塌陷或钻头卡住，从而影响钻井进程；岩屑床的形成会导致钻杆在穿过井底时受到较大的摩擦力，从而导致钻杆扭矩增加。这可能会导致钻杆扭曲或断裂，从而影响钻井进程。因此，对大位移井进行井眼不清洁的早期识别至关重要，是减少类似井下事故的关键。
3.cn202023242222.4提供一种模拟水平井段岩屑床对钻柱摩擦扭矩影响的装置，该装置能够模拟不同转速、不同钻柱的推进速度下的钻柱摩擦扭矩，通过调整岩屑床的厚度，进而模拟岩屑床对钻柱的摩擦扭矩影响。cn202022189176.x、cn202011052842.3提供一种基于压力差判别岩屑床平均厚度的模拟实验装置和方法，根据相邻两个压力计之间的压力差来计算模拟井筒内该相邻两个压力计所对应区域岩屑床的平均厚度。cn202022185283.5提供一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验装置，测量模拟井筒不同位置处的流体速度，并建立流速和岩屑床厚度之间的关系。
4.上述技术的存在以下缺点：
5.(1)设计的实验装置的大小按实际比例缩小或未参考真实钻井尺寸，无法准确展示岩屑床形成，工艺参数也受实验装置限制。
6.(2)影响因素单一，只研究岩屑床对钻杆扭矩的影响，或对环空压力的影响。
7.(3)岩屑在模拟井筒中轴向分布不均匀，不适用于研究岩屑床厚度对ecd和摩擦扭矩的影响。


技术实现要素：

8.针对上述大位移井井下钻进过程中极易形成岩屑堆积，而岩屑床特征会直接影响当量循环密度(ecd)与钻杆扭矩的数据的特性。本发明基于全尺寸井筒装置，可以连续添加岩屑，合理控制排量和钻杆转速，使其不形成岩屑床或形成稳定而连续岩屑床。从而研究不同工况下，有无岩屑床对ecd及钻杆扭矩数据的影响，用于修正ecd和扭矩，在实际应用中通过ecd及钻杆扭矩反演大位移井岩屑床特征，在岩屑床早期形成时预警，做出及时、准确的判断。该实验装置可以开展不同井斜角、排量、钻杆转速、偏心度、机械钻速、钻井液、岩屑颗粒下的岩屑床厚度实验，修正回归出适合水平段的岩屑床厚度模型。同时，该实验装置也可开展不同工况下的岩屑床清除实验，对岩屑床清除效果进行评价。
9.具体技术方案为：
10.大位移井岩屑床特征的影响模拟装置，包括模拟井筒，模拟井筒上半井壁使用透明有机玻璃，下半井壁水泥浇筑模拟井壁粗糙度；
11.模拟井筒进水端部设有井筒举升装置；水池与模拟井筒进水端通过管道连接，管道上依次设有循环泵、流量计、岩屑罐；岩屑罐上设有进料控制阀门；循环泵上的第一变频器、进料控制阀门上的第二变频器均与计算机连接；
12.模拟井筒另一端为出水端，通过管道连接到水池内，并且设有岩屑滤网；钻杆深入到模拟井筒内，钻杆与电动机连接；电动机的第三变频器与计算机连接；
13.模拟井筒上设有偏心调节装置；
14.模拟井筒上依次设有第一压力计、第二压力计、第三压力计、第四压力计；还依次设有第一超声波探头、第二超声波探头、第三超声波探头；
15.模拟井筒外设有第一高速摄像机、第二高速摄像机。
16.大位移井岩屑床特征的影响模拟方法，采用所述的大位移井岩屑床特征的影响模拟装置，所述的方法，包括以下步骤：
17.s1、首先在水池中注满实验钻井液，并在连续添加岩屑装置的岩屑罐中加满岩屑；
18.s2、通过偏心调节装置和井筒举升装置调节钻杆的偏心度与模拟井筒的井斜角；
19.s3、开启钻井液循环泵后，通过第一变频器设定排量，流量计读取数据；
20.s4、开启电动机，通过第三变频器设定钻杆的转速，在第三变频器上读取电动机功率间接测得扭矩；
21.s5、通过第二变频器设置岩屑注入速度，并打开连续添加岩屑装置的进料控制阀门；此时，连续不断添加岩屑，模拟真实钻进过程，岩屑与钻井液混合物一起进入模拟井筒；
22.s6、合理控制排量和钻杆转速，根据岩屑临界启动速度设定携岩最小排量和钻杆转速，使其形成稳定岩屑床或不形成岩屑床，采用第一超声波探头、第二超声波探头、第三超声波探头测量岩屑床厚度，用第一高速摄像机、第二高速摄像机拍摄并记录；
23.s7、通过第一压力计、第二压力计、第三压力计、第四压力计测量模拟井筒各处压力，计算得到当量循环密度ecd；通过电动机功率测得扭矩；
24.s8、记录不同工况下有无岩屑床的ecd及扭矩数据，对比不同工况下有无岩屑床的ecd及扭矩数据，第一变频器、第二变频器、第三变频器和第一压力计、第二压力计、第三压力计、第四压力计会将数据传至计算机，并进行数据处理，修正ecd和钻柱力学模型；
25.s9、最后岩屑会在岩屑滤网中分离出来并进行回收再次注入岩屑罐中；
26.s10、改变不同的偏心度、井斜角、钻杆转速、岩屑注入速度、排量，进行下一组实验。
27.本发明提供的装置，具有以下技术效果：
28.(1)钻杆的偏心度、转速、排量均可调；
29.(2)增加井筒举升装置，可调节井筒井斜角；
30.(3)增加岩屑过滤装置，可回收岩屑。
31.(4)该实验装置集成了不同工况下有无岩屑床对ecd及钻杆扭矩影响实验、岩屑床厚度实验和岩屑床清除实验，实用性强。
32.本发明提供的方法，具有以下技术效果：
33.(1)可连续添加岩屑，形成岩屑床，并且添加速度可控，用于模拟机械钻速；
34.(2)可合理控制排量和钻杆转速，使其形成稳定岩屑床或不形成岩屑床，监测有无岩屑床的ecd和扭矩。
附图说明
35.图1是本发明的结构示意图。
36.图2是本发明的流程图；
37.图3是本发明数据处理流程图。
具体实施方式
38.如图1所示，整个装置由钻井液循环系统、岩屑送料及回收系统、可视化井筒系统、钻杆旋转及偏心度控制系统、数据测量及处理系统组成。
39.钻井液循环系统：模拟水平井水平环空中的循环钻井液并通过钻井液流量计记录循环液的流量，既建立起钻井时钻井液在水平环空中循环的岩屑运移环境，也可调节记录钻井液参数。由水池1、循环泵2、第一变频器3、流量计4组成。
40.岩屑送料及回收系统：模拟钻井时环空中岩屑的产出，并将环空中排出的岩屑单独从钻井液分离出来进行回收利用。由岩屑罐5、第二变频器6、进料控制阀门7、岩屑滤网20组成。
41.可视化井筒系统：为建立钻井时岩屑运移的水平环空环境，本装置采用水泥浇筑构筑模拟井筒的下部分，以透明有机玻璃作为模拟井筒的下部分，两部分共密封构成模拟井筒系统。一方面使用透明玻璃便于观察岩屑运移情况，另一方面下部分粗糙水泥模拟真实的粗糙环空井筒环境。同时，井筒井斜角可调节。由井筒举升装置8和模拟井筒13组成。
42.钻杆旋转及偏心度控制系统：采用真实钻杆，包含钻杆连接段，通过调节电机与偏心扶正装置控制钻杆的偏心与旋转，同时可记录其转速和偏心度等参数。由偏心调节装置14、钻杆15、电动机16、第三变频器17组成。偏心调节装置14由偏心法兰和扶正器组成。
43.数据测量及处理系统：实验参数的调节控制与收集，将各控制设备与计算机连接，构成数据控制及采集系统，使整个更加智能控制化，方便操作控制与数据的收集记录。数据从第一变频器3、第二变频器6、第三变频器17、流量计4、第一压力计9、第二压力计10、第三压力计11、第四压力计12、第一高速摄像机18、第二高速摄像机19、第一超声波探头22、第二超声波探头23、第三超声波探头24中获取，与计算机21组成。
44.具体结构为：大位移井岩屑床特征的影响模拟装置，包括模拟井筒13，模拟井筒13上半井壁使用透明有机玻璃，下半井壁水泥浇筑模拟井壁粗糙度；
45.模拟井筒13进水端部设有井筒举升装置8；水池1与模拟井筒13进水端通过管道连接，管道上依次设有循环泵2、流量计4、岩屑罐5；岩屑罐5上设有进料控制阀门7；循环泵2上的第一变频器3、进料控制阀门7上的第二变频器6均与计算机21连接；
46.模拟井筒13另一端为出水端，通过管道连接到水池1内，并且设有岩屑滤网20；钻杆15深入到模拟井筒13内，钻杆15与电动机16连接；电动机16的第三变频器17与计算机21连接；
47.模拟井筒13上设有偏心调节装置14；
48.模拟井筒13上依次设有第一压力计9、第二压力计10、第三压力计11、第四压力计12；还依次设有第一超声波探头22、第二超声波探头23、第三超声波探头24；
49.模拟井筒13外设有第一高速摄像机18、第二高速摄像机19。
50.各设备功能介绍：
51.水池1：储存实验钻井液。
52.循环泵2：把水池中的钻井液注入水平环空。
53.第一变频器3：调节循环泵排量。
54.流量计4：记录钻井液的流量。
55.岩屑罐5：储存实验岩屑。
56.第二变频器6：控制岩屑注入速度。
57.进料控制阀门7：切断和接通岩屑从岩屑罐至井筒。
58.井筒举升装置8：调节井筒井斜角。
59.第一压力计9、第二压力计10、第三压力计11、第四压力计12：测量井筒各处压力，为后续计算ecd提供数据。
60.模拟井筒13：建立钻井时岩屑运移的水平环空环境，本装置采用水泥浇筑构筑模拟井筒的下部分，以透明有机玻璃作为模拟井筒的上部分，两部分共密封构成模拟井筒系统。
61.偏心调节装置14：调节钻杆偏心度。
62.钻杆15：采用真实钻杆，包含钻杆连接段。
63.电动机16：产生驱动转矩，作为钻杆旋转的动力源。
64.第三变频器17：控制电动机频率，调节钻杆转速。
65.第一高速摄像机18、第二高速摄像机19：拍摄和记录的岩屑床形态、轨迹、厚度和长度以及岩屑床完全清除的时间。
66.岩屑滤网20：将环空中排出的岩屑单独从钻井液中分离出来进行回收利用。
67.计算机21：将各控制设备与计算机连接，构成数据控制及采集系统，使整个更加智能控制化，方便操作控制与数据的收集记录。
68.第一超声波探头22、第二超声波探头23、第三超声波探头24：检测实验过程中生成岩屑床的厚度。
69.具体实验步骤流程如图2所示。装置采用全尺寸模拟井筒13，模拟井筒13上半井壁使用透明有机玻璃，下半井壁水泥浇筑模拟井壁粗糙度。同时，模拟井筒13前放置第一高速摄像机18、第二高速摄像机19。每隔五节放置一个高速摄像机拍摄和记录的岩屑床形态、轨迹、厚度和长度以及岩屑床完全清除的时间。模拟井筒13外部均匀设置有第一超声波探头22、第二超声波探头23、第三超声波探头24，用于检测实验过程中生成岩屑床的厚度。
70.s1、首先在水池1中注满实验钻井液，并在连续添加岩屑装置的岩屑罐5中加满岩屑；
71.s2、通过偏心调节装置14和井筒举升装置8调节钻杆15的偏心度与模拟井筒13的井斜角；
72.s3、开启钻井液循环泵2后，通过第一变频器3设定排量，流量计4读取数据；
73.s4、开启电动机16，通过第三变频器17设定钻杆15的转速，在第三变频器17上读取
电动机功率间接测得扭矩；
74.s5、通过第二变频器6设置岩屑注入速度，并打开连续添加岩屑装置的进料控制阀门7。此时，连续不断添加岩屑，模拟真实钻进过程，岩屑与钻井液混合物一起进入模拟井筒13。
75.s6、合理控制排量和钻杆转速，根据岩屑临界启动速度设定携岩最小排量和钻杆转速，使其形成稳定岩屑床或不形成岩屑床，采用第一超声波探头22、第二超声波探头23、第三超声波探头24测量岩屑床厚度，用第一高速摄像机18、第二高速摄像机19拍摄并记录。
76.s7、通过第一压力计9、第二压力计10、第三压力计11、第四压力计12测量模拟井筒13各处压力，计算得到当量循环密度ecd；通过电动机16功率测得扭矩。
77.s8、记录不同工况下有无岩屑床的ecd及扭矩数据，对比不同工况下有无岩屑床的ecd及扭矩数据，第一变频器3、第二变频器6、第三变频器17和第一压力计9、第二压力计10、第三压力计11、第四压力计12会将数据传至计算机21，并进行数据处理，修正ecd和钻柱力学模型。
78.s9、最后岩屑会在岩屑滤网20中分离出来并进行回收再次注入岩屑罐5中。
79.(注：ecd为当量循环密度。)
80.s10、改变不同的偏心度、井斜角、钻杆转速、岩屑注入速度、排量，进行下一组实验。
81.数据处理流程如图3所示。研究有岩屑床对ecd及钻杆扭矩影响时，合理控制排量和钻杆转速，以及岩屑注入速度，使其形成稳定岩屑床，读取压力计与电动机功率读数，并将有岩屑床时的数据代入相应条件下公式，进行修正。研究无岩屑床对ecd及钻杆扭矩影响同上。
82.以第一压力计9、第二压力计10为例来说明具体的ecd计算流程，如下：
83.(1)无岩屑床时
[0084][0085]
δpa——无岩屑床存在时的环空压耗，pa；
[0086]
k——岩屑修正系数，无因次；
[0087]
k1、k2——旋转因子和偏心因子，无因次；
[0088]
λ——摩阻系数，无因次；
[0089]
δl——第一压力计9、第二压力计10间的间距，m；
[0090]
θ——井斜角；
[0091]
ca——环空岩屑浓度，无因次
[0092]
其中，环空岩屑浓度：
[0093]
rop——机械钻速，m/h。
[0094]
岩屑沉降速度：
[0095]vs
——岩屑沉降速度，m/s；
[0096]ds
——岩屑直径，mm；
[0097]
ρs——岩屑密度，g/cm3；
[0098]
ρf—钻井液密度，g/cm3；
[0099]
μf——钻井液粘度，mpa
·
s；
[0100]
钻井液环空返速计算公式：
[0101]
va——环空返速，m/s；
[0102]
q——排量，l/s；
[0103]
d——井眼直径，mm；
[0104][0105]
d——钻杆外径，mm；
[0106]
(2)有岩屑床时
[0107]
δpb——有岩屑床存在时的环空压耗，pa；
[0108]
δpa——无岩屑床存在时的环空压耗，pa；
[0109]
h——岩屑床厚度，无因次；
[0110]
q——排量，l/s；
[0111]
ρs——岩屑密度，kg/m3；
[0112]
ρf——钻井液密度，kg/m3；
[0113]
d——井眼直径，m；
[0114]
d——钻杆外径，m；
[0115]
λ——摩阻系数，无因次。
[0116]
注：re《2000，
[0117]
2000≤re《4000，
[0118]
4000≤re＜350000，
[0119]
re≥350000，λ＝0.013。
[0120]
(3)根据(1)(2)公式得到有无岩屑床时的ecd：
[0121][0122]
ρ
ecd
——钻井液当量循环密度，kg/m3；
[0123]
δp——第一压力计9、第二压力计10间的环空压耗，pa，δp＝|p
1-p2|；
[0124]
ρf——钻井液密度，kg/m3；
[0125]
h——井筒某一点的垂深，m。
[0126]
(4)电机扭矩公式：
[0127]
t——扭矩，n.m，；
[0128]
p——输出功率，kw；
[0129]
n——电机转速r/min。

技术特征：
1.大位移井岩屑床特征的影响模拟装置，其特征在于，包括模拟井筒(13)；模拟井筒(13)进水端部设有井筒举升装置(8)；水池(1)与模拟井筒(13)进水端通过管道连接，管道上依次设有循环泵(2)、流量计(4)、岩屑罐(5)；岩屑罐(5)上设有进料控制阀门(7)；循环泵(2)上的第一变频器(3)、进料控制阀门(7)上的第二变频器(6)均与计算机(21)连接；模拟井筒(13)另一端为出水端，通过管道连接到水池(1)内，并且设有岩屑滤网(20)；钻杆(15)深入到模拟井筒(13)内，钻杆(15)与电动机(16)连接；电动机(16)的第三变频器(17)与计算机(21)连接；模拟井筒(13)上设有偏心调节装置(14)；模拟井筒(13)上依次设有第一压力计(9)、第二压力计(10)、第三压力计(11)、第四压力计(12)；还依次设有第一超声波探头(22)、第二超声波探头(23)、第三超声波探头(24)；模拟井筒(13)外设有第一高速摄像机(18)、第二高速摄像机(19)。2.根据权利要求1所述的大位移井岩屑床特征的影响模拟装置，其特征在于，所述的模拟井筒(13)上半井壁使用透明有机玻璃，下半井壁水泥浇筑模拟井壁粗糙度。3.大位移井岩屑床特征的影响模拟方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的大位移井岩屑床特征的影响模拟装置，所述的方法，包括以下步骤：s1、首先在水池(1)中注满实验钻井液，并在连续添加岩屑装置的岩屑罐(5)中加满岩屑；s2、通过偏心调节装置(14)和井筒举升装置(8)调节钻杆(15)的偏心度与模拟井筒(13)的井斜角；s3、开启钻井液循环泵(2)后，通过第一变频器(3)设定排量，流量计(4)读取数据；s4、开启电动机(16)，通过第三变频器(17)设定钻杆(15)的转速，在第三变频器(17)上读取电动机功率间接测得扭矩；s5、通过第二变频器(6)设置岩屑注入速度，并打开连续添加岩屑装置的进料控制阀门(7)；此时，连续不断添加岩屑，模拟真实钻进过程，岩屑与钻井液混合物一起进入模拟井筒(13)；s6、合理控制排量和钻杆转速，根据岩屑临界启动速度设定携岩最小排量和钻杆转速，使其形成稳定岩屑床或不形成岩屑床，采用第一超声波探头(22)、第二超声波探头(23)、第三超声波探头(24)测量岩屑床厚度，用第一高速摄像机(18)、第二高速摄像机(19)拍摄并记录；s7、通过第一压力计(9)、第二压力计(10)、第三压力计(11)、第四压力计(12)测量模拟井筒(13)各处压力，计算得到当量循环密度ecd；通过电动机(16)功率测得扭矩；s8、记录不同工况下有岩屑床的ecd及扭矩数据，对比不同工况下有无岩屑床的ecd及扭矩数据，第一变频器(3)、第二变频器(6)、第三变频器(17)和第一压力计(9)、第二压力计(10)、第三压力计(11)、第四压力计(12)会将数据传至计算机(21)，并进行数据处理，修正ecd和钻柱力学模型；s9、最后岩屑会在岩屑滤网(20)中分离出来并进行回收再次注入岩屑罐(5)中；s10、改变不同的偏心度、井斜角、钻杆转速、岩屑注入速度、排量，进行下一组实验。

技术总结
本发明提供一种大位移井岩屑床特征的影响模拟装置与模拟方法，包括模拟井筒，模拟井筒进水端部设有井筒举升装置；水池与模拟井筒进水端通过管道连接，管道上依次设有循环泵、流量计、岩屑罐；岩屑罐上设有进料控制阀门；模拟井筒另一端为出水端，通过管道连接到水池内，并且设有岩屑滤网；钻杆深入到模拟井筒内，钻杆与电动机连接；模拟井筒上设有偏心调节装置、压力计、超声波探头、高速摄像机。本发明钻杆的偏心度、转速、排量均可调；可连续添加岩屑，形成岩屑床，并且添加速度可控，用于模拟机械钻速；可合理控制排量和钻杆转速，使其形成稳定岩屑床或不形成岩屑床，监测有无岩屑床的ECD和扭矩。ECD和扭矩。ECD和扭矩。


技术研发人员：刘明洁 肖东 李皋 张继川 万夫磊 陈伟雄 刘亚川
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/24