CN105863611A - 一种多井型多相环空携屑模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种多井型多相环空携屑模拟装置，这种多井型多相环空携屑模拟装置包括内外管模拟装置、数据采集处理***，内外管模拟装置由外管中设置内管构成，内外管模拟装置安装在井型模拟装置中，底部连接岩屑推进器、顶部设置调偏心机构；储气罐通过管线连接至内管顶部设置的汇管，该管线上设置气体流量计和第一压力传感器；储液罐通过管线连接至内管顶部设置的汇管，该管线上设置液体流量计和第二压力传感器；内、外管之间的环空设置有上部出口管，出口管上连接气液固三相流量计。本发明可实时、可视化的模拟多井型多相流体在不同工况下的岩屑颗粒及岩屑床的运移沉降情况。
Description
技术领域
本发明涉及石油与天然气工程领域中的钻井工艺技术，具体涉及一种多井型多相环空携屑模拟装置。
背景技术
随着非常规油气的开发和钻井工艺技术的发展，目前的井型和工作液类型也越来越丰富,目前，常见的井型包括：直井、斜直井、定向井、水平井、大位移井和多分支井等，工作液可以分为：气体、充气钻井液、泡沫钻井液、单相流体等，环空井眼净化问题也越来越严重,轻则引发钻井效率低，重则是井眼段塞,井壁垮塌,引发卡钻,井下***等事故。井眼的净化程度与钻井液类型、环空返速、井斜角、钻柱的偏心程度、钻柱的旋转和岩屑形状及和浓度关系密切，弄清不同井型和流体方式下的井眼环空岩屑运移规律，是钻井必须解决的钻井基础理论问题。因此，建立一套多井型多相流环空携屑模拟装置，室内直观、可视化的模拟岩屑颗粒和岩屑床的运移沉降过程，是重要和亟需的。
发明内容
本发明的目的是提供一种多井型多相环空携屑模拟装置，这种多井型多相环空携屑模拟装置用于室内模拟直井、定向井和水平井等，在气-固、液-固和气-液-固等多相流体作用下的环空岩屑运移规律，揭示井眼净化机理和临界条件，解决环空井眼净化的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种多井型多相环空携屑模拟装置包括内外管模拟装置、调偏心机构、旋转电机、岩屑推进器、储气罐、储液罐、井型模拟装置、数据采集处理***，内外管模拟装置由外管中设置内管构成，内外管模拟装置的底部连接岩屑推进器，内外管模拟装置的顶部设置调偏心机构，内管连接旋转电机，内外管模拟装置安装在井型模拟装置中；储气罐通过管线连接至内管顶部设置的汇管，该管线上设置气体流量计和第一压力传感器；储液罐通过管线连接至内管顶部设置的汇管，该管线上设置液体流量计和第二压力传感器；内、外管之间的环空设置有上部出口管，出口管上连接气液固三相流量计；所述气体流量计、液体流量计、气液固三相流量计、第一压力传感器、第二压力传感器均连接数据采集处理***；调偏心机构由顶端法兰、底端法兰、调偏心丝杠、直角形支架构成，顶端法兰与底端法兰通过定位螺栓固定在一起，顶端法兰连接内管，底端法兰连接外管，直角形支架的水平部与底部法兰连接，调偏心丝杠穿过直角形支架的垂直部、垫片与顶端法兰连接。
上述方案中井型模拟装置包括水平轨道、垂直轨道、起吊装置、内外管保护架、脚轮，内外管模拟装置安装在内外管保护架中，内外管保护架的底部设置有脚轮，垂直轨道的上端设置有起吊装置，钢丝绳连接在起吊装置与内外管保护架之间，水平轨道和垂直轨道带有刻度线，井型模拟装置用于对内外管的支撑、滑动和起升等，还可根据管所处的水平和垂直位置来确定内外管模拟装置所处的角度。
上述方案中内外管保护架外部设置有量角仪，用于测量内外管的倾斜角度。
上述方案中旋转电机的旋转速度为变频可调，转速范围分布在60-300r/min,用于模拟转盘钻井和复合钻井的钻柱常见旋转速度。
上述方案中储气罐连接空气压缩机，用于模拟气体钻井或充气钻井时的气源。
上述方案中外管和内管的尺寸配合采用井眼钻杆尺寸序列。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明模拟工况多，测量参数全面。能够模拟不同井型（直井、定向井和水平井等），不同的钻井液类型（气体、充气、泡沫和液体等），不同的钻井液性能参数（密度、粘度、切力和动塑比等）和不同的施工参数（排量、压力和岩屑颗粒浓度）情况下的环空水力学参数（流速、压力和岩屑浓度）的变化情况。
2、本发明为室内模拟装置，可实时、可视化的模拟多井型多相流体在不同工况下的岩屑颗粒及岩屑床的运移沉降情况，为现场的钻井液性能参数和施工参数优化设计奠定基础。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中井型模拟装置的结构示意图；
图3是本发明中调偏心机构的主视图；
图4是本发明中调偏心机构的俯视图。
图中：1.内管；2.外管；3.调偏心机构；3-1.顶端法兰；3-2.底端法兰；3-3.垫片；3-4.直角形支架；3-5.定位螺栓；3-6.调偏心孔；3-7.调偏心丝杠；4.旋转电机；5.岩屑推进器；6.空气压缩机；7.储气罐；8.储液罐；9.螺杆泵；10.第一压力传感器；11.第二压力传感器；12.差压传感器；13.气体流量计；14.液体流量计；15.气液固三相流量计；16.数据采集处理***；17.沉降池；18.第一阀门；19.第二阀门；20.第三阀门；21.第四阀门；22.第五阀门；23.水平轨道；24.脚轮；25.内外管保护架；26.钢丝绳；27.起吊装置；28.垂直轨道；29.***支架；30.量角仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
如图1所示，这种多井型多相环空携屑模拟装置包括内外管模拟装置、调偏心机构3、旋转电机4、岩屑推进器5、储气罐7、储液罐8、井型模拟装置、数据采集处理***16，内外管模拟装置的底部连接岩屑推进器5，可以调整和控制不同的推进速度，控制岩屑在井底的数量；内外管模拟装置的顶部设置调偏心机构3，内管1连接旋转电机4，内外管模拟装置安装在井型模拟装置中；储气罐7通过管线连接至内管1顶部设置的汇管，该管线上设置气体流量计13和第一压力传感器10；储液罐8通过管线连接至内管1顶部设置的汇管，该管线上设置液体流量计14和第二压力传感器11；内、外管之间的环空设置有上部出口管，出口管上连接气液固三相流量计15；所述气体流量计13、液体流量计14、气液固三相流量计15、第一压力传感器10、第二压力传感器11均连接数据采集处理***16。
内外管模拟装置由外管2中设置内管1构成，内管1为空心管，模拟钻杆，外管2模拟井筒，内管1和外管2的尺寸配合采用最常用的井眼钻杆尺寸序列，在本实施方式中选择最常见的215.9mm/127mm组合，还可以“311.mm/168mm”组合。电机旋转带动内管1旋转，转速可以调整，本实施方式中转速范围选择60-300r/min，用于模拟钻杆转动对环空流体的扰动作用。
储气罐7连接空气压缩机6，空气压缩机6压缩的空气进入储气罐7，用于提供气体、充气或泡沫钻井液所需的气源，第一压力传感器10用于测量储气罐7的压力，气体流量计13测量气体流量，在气体流量计13的上端和下端分别连接第一阀门18和第二阀门19，用于控制气体流速。储液罐8存储流体，利用螺杆泵9（或离心泵）抽汲储液罐8中的流体，储液罐8模拟钻井时的泥浆池或泥浆罐，螺杆泵9抽吸泥浆作为循环介质。第二压力传感器11测量流体输送压力，液体流量计14测量液体流量，在液体流量计14的上端和下端分别接第三阀门20和第四阀门21控制液体流速，气体和液体在内管1的顶部连接汇管上汇合，并通过内管1的进入底部，与岩屑推进器5推进的岩屑颗粒混合，携带岩屑颗粒在内管1和外管2的环空上返，在顶端出口管流出，经第五阀门22，到达气液固三相流量计15，气液固三相流量计15测量气、液和岩屑颗粒浓度分布，最后多相流体到达多级沉降池17，沉降后的流体流到储液罐8重复使用。
结合图3、图4所示，调偏心机构3由顶端法兰3-1、底端法兰3-2、调偏心丝杠、直角形支架3-4构成，顶端法兰3-1与底端法兰3-2通过定位螺栓3-5固定在一起，顶端法兰3-1与底端法兰3-2均有调偏心孔3-6，通过调整定位螺栓3-5在调偏心孔3-6中的位置初步调节偏心，顶端法兰3-1连接内管1，底端法兰3-2连接外管2，直角形支架3-4的水平部与底部法兰3-2连接，调偏心丝杠3-7穿过直角形支架3-4的垂直部、垫片3-3与顶端法兰3-1连接。调偏心机构3用于调整内管1的偏心度，模拟不同的间隙和环空形态对流体流动和岩屑运移的影响，调偏心过程如下：拧开定位螺栓3-5，旋转调偏心丝杠3-7，调偏心丝杠3-7通过直角形支架3-4顶撞垫片3-3，带动底端法兰3-2与外管2向上移动，顶端法兰3-1与内管1保持不动，进而实现调整内管1的偏心度，实现不同的间隙和环空形态的模拟。
如图2所示，井型模拟装置包括水平轨道23、垂直轨道28、起吊装置27、内外管保护架25、脚轮24，内外管模拟装置安装在内外管保护架25中，内外管保护架25的底部设置有脚轮24，垂直轨道28的上端设置有起吊装置27，钢丝绳26连接在起吊装置27与内外管保护架25之间，水平轨道23和垂直轨道28为工字钢，脚轮24在水平轨道23和垂直轨道28内滚动，通过起吊装置27和钢丝绳26对内外管保护架25进行升降，内外管保护架25用于对内外管的保护和支撑。量角仪30放置在内外管保护架25上，用于测量内外管的倾斜角度，当角度为90°时，模拟水平井，不同的角度，模拟不同井斜角的定向井，当角度为0°时，模拟的是垂直井眼。***支架29为设备整体提供基座支撑。
不同的阀门和设备的有效配合，能够多种钻井方式。打开空气压缩机6，打开第一阀门18和第二阀门19，关闭第三阀门20和第四阀门21，可模拟气体钻井；打开螺杆泵（离心泵）9，打开第三阀门20和第四阀门21，关闭第一阀门18和第二阀门19，可模拟流体钻井；同时打开空气压缩机6、和螺杆泵（离心泵）9，第一阀门18、第二阀门19、第三阀门20和第四阀门21，调整各阀的开度，能够模拟气液两相流体；再配合井型模拟***，就可以实现直井、水平井和各种角度的定向井等多井型多相流的环空携屑模拟。
Claims (6)
1.一种多井型多相环空携屑模拟装置，其特征在于：这种多井型多相环空携屑模拟装置包括内外管模拟装置、调偏心机构（3）、旋转电机（4）、岩屑推进器（5）、储气罐（7）、储液罐（8）、井型模拟装置、数据采集处理***（16），内外管模拟装置由外管（2）中设置内管（1）构成，内外管模拟装置的底部连接岩屑推进器（5），内外管模拟装置的顶部设置调偏心机构，内管（1）连接旋转电机（4），内外管模拟装置安装在井型模拟装置中；储气罐（7）通过管线连接至内管（1）顶部设置的汇管，该管线上设置气体流量计（13）和第一压力传感器（10）；储液罐（8）通过管线连接至内管（1）顶部设置的汇管，该管线上设置液体流量计（14）和第二压力传感器（11）；内、外管之间的环空设置有上部出口管，出口管上连接气液固三相流量计（15）；所述气体流量计（13）、液体流量计（14）、气液固三相流量计（15）、第一压力传感器（10）、第二压力传感器（11）均连接数据采集处理***（16）；调偏心机构由顶端法兰（3-1）、底端法兰（3-2）、调偏心丝杠（3-7）、直角形支架（3-4）构成，顶端法兰（3-1）与底端法兰（3-2）通过定位螺栓（3-5）固定在一起，顶端法兰（3-1）连接内管（1），底端法兰（3-2）连接外管（2），直角形支架（3-4）的水平部与底端法兰（3-2）连接，调偏心丝杠（3-7）穿过直角形支架（3-4）的垂直部、垫片（3-3）与顶端法兰（3-1）连接。
2.根据权利要求1所述的多井型多相环空携屑模拟装置，其特征在于：所述的井型模拟装置包括水平轨道（23）、垂直轨道（28）、起吊装置（27）、内外管保护架（25）、脚轮（24），内外管模拟装置安装在内外管保护架（25）中，内外管保护架（25）的底部设置有脚轮（24），垂直轨道（28）的上端设置有起吊装置（27），钢丝绳（26）连接在起吊装置（27）与内外管保护架（25）之间，水平轨道（23）和垂直轨道（28）带有刻度线。
3.根据权利要求2所述的多井型多相环空携屑模拟装置，其特征在于：所述的内外管保护架（25）外部设置有量角仪（30）。
4.根据权利要求3所述的多井型多相环空携屑模拟装置，其特征在于：所述的旋转电机（4）的旋转速度为变频可调，转速范围分布在60-300r/min。
5.根据权利要求4所述的多井型多相环空携屑模拟装置，其特征在于：所述的储气罐（7）连接空气压缩机（6）。
6.根据权利要求5所述的多井型多相环空携屑模拟装置，其特征在于：所述的外管（2）和内管（1）的尺寸配合采用井眼钻杆尺寸序列。
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