CN104821129A - 一种钻井井控模拟教学实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钻井井控模拟教学实验装置。技术方案是：包括井筒模拟***、钻井液循环***、加重钻井液循环***、气液混合循环***、计算机数据处理***五部分，井筒模拟***包括模拟钻柱的有机玻璃内管和模拟套管的有机玻璃外管，钻井液循环***包括钻井液储存罐，加重钻井液循环***包括加重钻井液储存罐，气液混合循环***包括地层液相流体储存罐、气体压缩机、气液两相混合器，有益效果是：本发明设备简单，易组装，加深学生对钻井井控理论知识的理解和掌握，还可以进行与钻井井控现场相似的模拟操作，使学生身临其境，提升他们的钻井井控工艺的基本技能，达到工程实践的目的，避免了因现场操作带来的危险等不安定因素。

Description

一种钻井井控模拟教学实验装置
技术领域
本发明涉及一种油气开发领域的实验装置，特别涉及一种钻井井控模拟教学实验装置。
背景技术
    钻井工程是石油工程的一门专业必修课，实践性要求较高，其特点是课程内容与现场生产联系紧密，理论与生产紧密相连。由于招生规模的扩大和现场实际生产条件的限制，学生的钻井生产实习和实践教学难度不断加大，特别是作为高危行业的石油钻井，在现场实习过程中，学生只能以参观形式学习，不能进行实际的操作训练。由于学生对现场实际工艺过程缺乏认识，在涉及与现场相关的问题时，时常出现与实际脱节现象，但目前缺乏相应的实验教学设备。国内外资料调研表明，虽然国内外井控模拟实验井和模拟装置形式多样，设计方案各有千秋，但迄今为止没有能够实现配合课堂教育，提高动手能力和完成开放性实验的井控模拟实验装置，因此，有必要研发一种小型、简单、形象、可操作性能够培养学生动手能力、加深对理论知识理解的井控模拟教学实验装置。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种钻井井控模拟教学实验装置，能够激发学生学习的积极性、在室内加深学生对井控理论知识的理解和掌握、进行与钻井现场相似的井控模拟操作，提升他们的井控工艺的基本技能，达到工程实践的目的。
本发明提到的一种钻井井控模拟教学实验装置，包括井筒模拟***、钻井液循环***、加重钻井液循环***、气液混合循环***、计算机数据处理***五部分，其中井筒模拟***包括模拟钻柱的有机玻璃内管（1）、模拟套管的有机玻璃外管（2）、内旋转电机（3）、单流阀（4），有机玻璃内管（1）的外侧设有有机玻璃外管（2），在有机玻璃内管（1）的顶部设有提供钻柱旋转动力的内旋转电机（3）和单流阀（4），底部通过阀门（35）连接到气液两相混合器（18）；
所述的钻井液循环***包括钻井液循环管路压力计（5）、钻井液流量计（6）、钻井液计量泵（7）、钻井液储存罐（8），钻井液储存罐（8）通过钻井液计量泵（7）、钻井液流量计（6）和钻井液循环管路压力计（5）连接到有机玻璃内管（1）的上部，所述的井筒模拟***通过管道连接气液分离器（25），钻井液返回到钻井液储存罐（8），形成钻井液循环；
所述的加重钻井液循环***包括加重钻井液循环管路压力计（10）、加重钻井液流量计（11）、加重钻井液计量泵（12）、加重钻井液储存罐（13），加重钻井液储存罐（13）依次通过加重钻井液计量泵（12）、加重钻井液流量计（11）、加重钻井液循环管路压力计（10）连接到有机玻璃内管（1）的上部；
所述的气液混合循环***包括气体管路压力计（15）、气体流量计（16）、带有储存罐的气体压缩机（17）、气液两相混合器（18）、地层液相流体管路压力计（19）、地层液相流体流量计（20）、地层液相流体储存罐（21）和气液分离器（25），带有储存罐的气体压缩机（17）依次通过气体流量计（16）、气体管路压力计（15）连接到气液两相混合器（18）；所述的地层液相流体储存罐（21）依次通过地层液相流体流量计（20）、地层液相流体管路压力计（19）连接到气液两相混合器（18），
计算机数据处理***包括计算机（26）、控制机柜（27）。
优选的，上述的有机玻璃内管（1）上部与单流阀（4）、内旋转电机（3）连接，可以模拟钻柱旋转；有机玻璃内管（1）和有机玻璃外管（2）组成的井筒的上部和下部均采用金属外壳材料对其进行密封，在上部设有三个外部接口，同时还设有螺纹连接方式以便连接井口注入设备；井筒的下部需要有两个接口用于连接地层液相流体进入通道和井漏通道。
优选的，上述的计算机数据处理***中控制机柜（27）分别与钻井液流量计（6）、钻井液循环管路压力计（5）、加重钻井液流量计（11）、加重钻井液循环管路压力计（10）、钻井液流量计（20）、钻井液管路压力计（19）、气体流量计（16）、气体管路压力计（15）连接，并且与计算机（26）连接，计算机（26）能够控制压力计、流量计的大小，收集压力、流量数据，并能够实时显示。
上述的钻井液循环管路压力计（5）的一侧设有直动型压力控制阀门（23），作为安全阀防止液压***过载，或者作为溢流阀使液压***中压力保持恒定；或者作制动阀，对执行结构进行缓冲、制动。
上述的钻井液储存罐（8）的一侧设有钻井液染色装置（9），所述的加重钻井液储存罐（13）的一侧设有加重钻井液染色装置（14），所述的地层液相流体储存罐（21）的一侧设有地层液相流体染色装置（22）。
上述的有机玻璃内管（1）上部的通过返回管路压力计（24）、第二压力控制阀（30）和直动型压力控制阀门（23）连接到钻井液储存罐（8）的输送管道。
上述的加重钻井液循环管路压力计（10）与内旋转电机（3）之间设有立压表（37）、第一压力控制阀（29）和第三压力控制阀（31）。
上述的有机玻璃内管（1）底部通过井底压力表（36）和阀门（35）连接到气液两相混合器（18）。
本发明的有益效果是：
1、本发明为钻井工程的井控实践教学增添了新的教学实验设备，为钻井方向的学生提供了新的工程实践手段，是目前提高学生工程实践能力的重要途径；
2、本发明设备简单，易组装，学生在实验过程中能够亲自动手完成，可以激发学习的积极性，加深学生对钻井井控理论知识的理解和掌握，还可以进行与钻井井控现场相似的模拟操作，使学生身临其境，提升他们的钻井井控工艺的基本技能，达到工程实践的目的，避免了因现场操作带来的危险等不安定因素，为学生毕业后尽快适应钻井井控现场打下坚实基础；
3、本发明在井口和井底都有压力表，能有效控制各个压力之间的关系，有效模拟钻井液循环、固井注水泥、井漏、气体溢流、液体溢流、井涌、井喷、司钻法压井、工程师法压井、反循环压井等工况。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图；
上图中：有机玻璃内管1、有机玻璃外管2、内旋转电机3、单流阀4、钻井液循环管路压力计5、钻井液流量计6、钻井液计量泵7、钻井液储存罐8、钻井液染色装置9、加重钻井液循环管路压力计10、加重钻井液流量计11、加重钻井液计量泵12、加重钻井液储存罐13、加重钻井液染色装置14、气体管路压力计15、气体流量计16、带有储存罐的气体压缩机17、气液两相混合器18、地层液相流体管路压力计19、地层液相流体流量计20、地层液相流体储存罐21、地层液相流体染色装置22、直动型压力控制阀门23、返回管路压力计24、气液分离器25、计算机26、控制机柜27、钻井液计量泵28、第一压力控制阀29、第二压力控制阀30、第三压力控制阀31、第四压力控制阀32、第五压力控制阀33、第六压力控制阀34、阀门35、井底压力表36、立压表37、四通38。
具体实施方式
如图1所示，本发明的提到的钻井井控模拟教学实验装置，包括井筒模拟***、钻井液循环***、加重钻井液循环***、气液混合循环***、计算机数据处理***五部分，
井筒模拟***包括模拟钻柱的有机玻璃内管1、模拟套管的有机玻璃外管2、提供钻柱旋转动力的内旋转电机3、单流阀4。有机玻璃内管1上部与单流阀4、内旋转电机3连接，可以模拟钻柱旋转。单流阀4的作用在于只允许钻井液从上部往下流，而不允许往上流；单流阀4可以拆除。有机玻璃内管1、有机玻璃外管2组成的井筒的上部和下部均采用金属外壳材料对其进行密封并连接至井筒主体。在安装过程采用螺纹密封的管联接的形式对其进行严格的密封处理，达到实验需要。在上部需要有三个外部接口，同时还要有螺纹连接方式以便连接井口注入设备。下部需要有两个接口用于连接地层液相流体侵入通道和井漏通道。其接口处连接方式均为螺纹连接，螺纹的大小规格由管路的规格决定。密封方式采用垫圈密封，可满足实验需要。
本发明的钻井液循环***包括钻井液储存罐8、钻井液计量泵7、钻井液流量计6、钻井液循环管路压力计5、钻井液染色装置9。管线依次连接钻井液染色装置9、阀门、钻井液储存罐8、阀门、钻井液计量泵7、钻井液流量计6、钻井液循环管路压力计5、阀门、四通、井筒模拟***。承载钻井液的储液罐对承压能无要求，采用金属材料，顶部为封闭式。在储液罐的底部有两个外接口，一个用于钻井液的注入，一个用于钻井液回收，都采用与管道相同的螺纹连接，尺寸与管道尺寸相配合，达到无缝连接。
本发明的加重钻井液循环***包括加重钻井液储存罐13、加重钻井液计量泵12、加重钻井液流量计11、加重钻井液循环管路压力计10、加重钻井液染色装置14。管线依次连接加重钻井液染色装置14、阀门、加重钻井液储存罐13、阀门、加重钻井液计量泵12、加重钻井液流量计11、加重钻井液循环管路压力计10、阀门、四通、井筒模拟***。承载加重钻井液的储液罐对承压能无要求，采用金属材料，顶部为封闭式。在储液罐的底部有两个外接口，一个用于钻井液的注入，一个留作他用，都采用与管道相同的螺纹连接，尺寸与管道尺寸相配合，达到无缝连接。
本发明的气液混合循环***包括地层液相流体储存罐21、地层液相流体计量泵28、地层液相流体流量计20、地层液相流体管路压力计19、带有储存罐的气体压缩机17、气液两相混合器18、气体流量计16、气体管路压力计15、返回管路压力计24、气液分离器25、地层液相流体染色装置22，计算机数据处理***包括控制机柜27、计算机26。管线依次连接钻井液染色装置22、阀门、钻井液储存罐21、钻井液计量泵28、钻井液流量计20、钻井液管路压力计19、气液两相混合器18；管线依次连接阀门、带有储存罐的气体压缩机17、气体流量计16、气体管路压力计15、气液两相混合器18；气液两相混合器18与有机玻璃外管2底部连接；有机玻璃外管2与内管1之间的环空、返回管路压力计24、阀门、气液分离器25通过管路连接；气液分离器25将气、液分离后，液相返回钻井液储存罐8，气相直接排放到大气中。承载地层液相流体的储液罐采用普通金属材质，顶部为封闭式。在储液罐的底部有两个外接口，一个用于地层液相流体的注入，一个留作他用，都采用与管道相同的螺纹连接，尺寸与管道尺寸相配合，达到无缝连接。气体压缩机采用直叶罗茨压缩机，其主要作用为：1、提供气侵时气体的来源；2、提供给油水侵入时的压力供应，起到气体传动的作用。
本发明中四通38与井筒模拟***的连接，一是管线、阀门、内旋转电机3、有机玻璃内管1，模拟钻井液正循环；一是管线、阀门、有机玻璃内管1与外管2之间的环空，模拟钻井液反循环；四通与钻井液循环管路***连接；四通与加重钻井液循环管路连接。
本发明中的气液混合循环***中用计算机数据处理***中控制机柜27分别与钻井液流量计6、钻井液循环管路压力计5、加重钻井液流量计11、加重钻井液循环管路压力计10、钻井液流量计20、钻井液管路压力计19、气体流量计16、气体管路压力计15、返回管路压力计24连接、计算机26连接，控制机柜能够控制压力计、流量计的大小，收集压力、流量数据，并能够实时显示。
本发明装置采用新型直动型压力控制阀门23，主要作用为：1、作为安全阀防止液压***过载；2、作为溢流阀使液压***中压力保持恒定；3、作制动阀，对执行结构进行缓冲、制动；4、作加载阀和背压阀。

Claims (8)

1.一种钻井井控模拟教学实验装置，其特征是：包括井筒模拟***、钻井液循环***、加重钻井液循环***、气液混合循环***、计算机数据处理***五部分，其中井筒模拟***包括模拟钻柱的有机玻璃内管（1）、模拟套管的有机玻璃外管（2）、内旋转电机（3）、单流阀（4），有机玻璃内管（1）的外侧设有有机玻璃外管（2），在有机玻璃内管（1）的顶部设有提供钻柱旋转动力的内旋转电机（3）和单流阀（4），底部通过阀门（35）连接到气液两相混合器（18）；
所述的钻井液循环***包括钻井液循环管路压力计（5）、钻井液流量计（6）、钻井液计量泵（7）、钻井液储存罐（8），钻井液储存罐（8）通过钻井液计量泵（7）、钻井液流量计（6）和钻井液循环管路压力计（5）连接到有机玻璃内管（1）的上部，所述的井筒模拟***通过管道连接气液分离器（25），钻井液返回到钻井液储存罐（8），形成钻井液循环；
所述的加重钻井液循环***包括加重钻井液循环管路压力计（10）、加重钻井液流量计（11）、加重钻井液计量泵（12）、加重钻井液储存罐（13），加重钻井液储存罐（13）依次通过加重钻井液计量泵（12）、加重钻井液流量计（11）、加重钻井液循环管路压力计（10）连接到有机玻璃内管（1）的上部；
所述的气液混合循环***包括气体管路压力计（15）、气体流量计（16）、带有储存罐的气体压缩机（17）、气液两相混合器（18）、地层液相流体管路压力计（19）、地层液相流体流量计（20）、地层液相流体储存罐（21）和气液分离器（25），带有储存罐的气体压缩机（17）依次通过气体流量计（16）、气体管路压力计（15）连接到气液两相混合器（18）；所述的地层液相流体储存罐（21）依次通过地层液相流体流量计（20）、地层液相流体管路压力计（19）连接到气液两相混合器（18），
计算机数据处理***包括计算机（26）、控制机柜（27）。
2.根据权利要求1所述的钻井井控模拟教学实验装置，其特征是：所述的有机玻璃内管（1）上部与单流阀（4）、内旋转电机（3）连接，可以模拟钻柱旋转；有机玻璃内管（1）和有机玻璃外管（2）组成的井筒的上部和下部均采用金属外壳材料对其进行密封，在上部设有三个外部接口，同时还设有螺纹连接方式以便连接井口注入设备；井筒的下部需要有两个接口用于连接地层液相流体进入通道和井漏通道。
3.根据权利要求1所述的钻井井控模拟教学实验装置，其特征是：所述的计算机数据处理***中控制机柜（27）分别与钻井液流量计（6）、钻井液循环管路压力计（5）、加重钻井液流量计（11）、加重钻井液循环管路压力计（10）、钻井液流量计（20）、钻井液管路压力计（19）、气体流量计（16）、气体管路压力计（15）连接，并且与计算机（26）连接，计算机（26）能够控制压力计、流量计的大小，收集压力、流量数据，并能够实时显示。
4.根据权利要求1所述的钻井井控模拟教学实验装置，其特征是：所述的钻井液循环管路压力计（5）的一侧设有直动型压力控制阀门（23），作为安全阀防止液压***过载，或者作为溢流阀使液压***中压力保持恒定；或者作制动阀，对执行结构进行缓冲、制动。
5.根据权利要求1所述的钻井井控模拟教学实验装置，其特征是：所述的钻井液储存罐（8）的一侧设有钻井液染色装置（9），所述的加重钻井液储存罐（13）的一侧设有加重钻井液染色装置（14），所述的地层液相流体储存罐（21）的一侧设有地层液相流体染色装置（22）。
6.根据权利要求1所述的钻井井控模拟教学实验装置，其特征是：所述的有机玻璃内管（1）上部的通过返回管路压力计（24）、第二压力控制阀（30）和直动型压力控制阀门（23）连接到钻井液储存罐（8）的输送管道。
7.根据权利要求1所述的钻井井控模拟教学实验装置，其特征是：所述的加重钻井液循环管路压力计（10）与内旋转电机（3）之间设有立压表（37）、第一压力控制阀（29）和第三压力控制阀（31）。
8.根据权利要求1所述的钻井井控模拟教学实验装置，其特征是：所述的有机玻璃内管（1）底部通过井底压力表（36）和阀门（35）连接到气液两相混合器（18）。
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