多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统，包括安装架，该安装架上模拟井筒和模拟钻柱，还包括钻井液循环系统、驱动装置、起升装置、加砂装置，驱动装置用于驱动模拟钻柱沿模拟井筒长度方向移动和/或驱动模拟钻柱转动，起升装置用于将安装架靠近模拟井筒的一端倾斜提升，使模拟井筒和模拟钻柱相对水平面倾斜设置，加砂装置与钻井液循环系统相连，用于在实验时向钻井液冲加砂。可充分模拟常规两相钻井全井况、全尺寸井下环空的动态情况，有效反应钻井液参数、井眼尺寸、井斜角、机械钻速等因素对冲砂及携岩效果的影响，同时还可对固相移动速度及浓度进行实时测量分析，为现场钻井生产提供重要的理论支撑。

【技术实现步骤摘要】
多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统
本专利技术属于钻井模拟
，具体涉及一种多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统。
技术介绍
石油天然气勘探开发过程中，定向井已成为提高油气田单井产量和综合效益的重要手段。尤其是水平井能够有效增大油气层的泄油面积、提高采收率、提高油藏的动用程度。然而水平井技术难点多，钻井工艺复杂、对设备和工具要求高。近年来，随着非常规油气开发的不断增多和钻井工艺技术的快速发展，水平段延伸距离不断加长，井眼净化问题越来越突出。由于水平井具有较大倾斜角和较长水平段，或者较长的定向段及稳斜段，极易造成钻井液携岩不畅，导致井筒低边形成岩屑沉积床，增加钻柱磨阻和扭矩，甚至有卡钻的风险，影响钻井效率和井下安全。井眼环空清洁是定向井钻井过程的关键问题。井眼的净化程度与环空返速、井斜角、钻柱的偏心程度、钻柱运动状态、钻井液类型、钻井液气相含量、岩屑形状及浓度等多个因素有关。当前，环空携岩理论分析主要基于岩屑床厚度或截面积设计，然而仅靠理论分析进行求解存在许多困难，通过实验的方式，模拟井下环空动态冲砂和携岩过程，可观察定向井岩屑运移特征，找到提高井眼净化效果的有效措施，从而可减低开发成本，然而现有实验设备中，大多只基于静态的模拟分析，并不能实现全井况的模拟实验，实验结果局限性较大，很难真正为实际开发提供有效数据支撑。
技术实现思路
为解决以上技术问题，本专利技术提供了一种多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统，实现多尺寸、多流态、多角度钻井过程中，钻井冲砂、携岩、环空返速等参数的综合模拟，为实际钻井提供可靠数据支撑。为实现上述目的，本专利技术技术方案如下：一种多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统，包括安装架，该安装架上具有沿其长度方向依次设置的模拟井筒和模拟钻柱，其关键在于，还包括：钻井液循环系统，用于向模拟井筒和模拟钻柱供给钻井液和进行钻井液的处理；驱动装置，用于驱动模拟钻柱沿模拟井筒长度方向移动和/或驱动模拟钻柱转动；起升装置，用于提升安装架的一端，使模拟井筒和模拟钻柱相对于水平面倾斜；加砂装置，其与钻井液循环系统相连，用于在实验时向钻井液中加砂。采用以上方案，通过起升装置和驱动装置可充分模拟钻井过程的各种工况，实现全工况的动态模拟，而通过加砂装置则朝钻井液中加入实验对象，直观观察井底冲砂，以及砂屑移动情况速度，实现固液两相钻井的实际模拟，具有更良好的可靠性。作为优选：所述钻井液循环系统包括进液管，以及相互连接的泥浆泵和泥浆罐，所述泥浆泵的出口端与进液管连通，所述进液管连接有钻柱进液管、环空进液管和旁通管；所述钻柱进液管与模拟钻柱的顶端连通，环空进液管与模拟井筒的底端连通，所述模拟井筒的顶端设有回流管，该回流管上设有振动筛，所述振动筛与泥浆罐相连，所述旁通管通过三通阀与回流管相连。采用以上方案，合理设置管线，防止模拟过程中井筒出现憋压，以及满足管线清洗或多种工况模拟的需求，提高安全系数，同时确保钻井具有良好的钻井液循环系统，通过振动筛可快速回收返出砂砾进行数据记录。作为优选：所述加砂装置包括均与环空进液管相连的自动加砂机构和人工加砂机构。采用两种不同加砂机构，以满足不同加砂量，以及砂粒形状大小的需求，可进行更多样化的井下情况模拟，如正常钻进则可加入细粒径规则砂粒，而加入大颗粒砂粒则可模拟井下掉块等情况。作为优选：所述钻井液循环系统还包括砂泵和备用进液管，所述砂泵的进口端与泥浆罐相连，出口端同时与进液管和备用进液管连通，所述备用进液管与进液管并联设置，并同时与钻柱进液管、环空进液管和旁通管相连，所述泥浆泵的出口端同时还与备用进液管相连。采用以上方案，有利于保证实验系统工作稳定性以及实验流量的需求等，防止管线损坏导致实验终止。作为优选：所述模拟钻柱伸入模拟井筒的一端连接有模拟钻头，该模拟钻头呈前小后大的中空圆锥台状，其侧壁上沿周向均匀分布有与椭圆状的水眼，所述水眼与模拟钻头内部连通。采用此种结构的模拟钻头，可避免射流直接对井底砂粒的作用，依靠侧面射出的液流进行循环作用，能更真实的反应井下情况。作为优选：所述驱动装置包括传动箱，该传动箱上设有轴向驱动电机和旋转驱动电机，传动箱内具有由轴向驱动电机驱动的齿轮，安装架上在传动箱的两侧对称设有齿条，所述齿轮与齿条啮合，所述旋转驱动电机沿安装架长度方向设置，其电机轴通过水龙头与模拟钻柱固定连接。采用以上结构，简化传动结构，确保钻柱在旋转时可以同时进行轴向移动，且两种运动互不干涉，能更好的模拟实际钻井场景，即钻进、正划眼、倒划眼等过程中井底环境动态，乃至起下钻过程钻井液激荡对井底岩屑的影响。作为优选：所述起升装置包括起升塔架，该起升塔架从下至上依次设有卷扬电机、卷扬筒和定滑轮，并配置有钢绳，所述钢绳与安装架的后端相连。通过简单的结构实现安装架的倾斜抬升，以模拟井斜角0～90°变化时，井筒内的钻进情况。作为优选：所述安装架底部具有至少两个沿宽度方向设置的支撑辊，所述支撑辊的两端套装有滚轮。采用以上方案，可使安装架在起升或下降过程中通过滚轮的滚动更省力轻松，噪音振动更小，提高设备操作人性化。作为优选：所述起升塔架两侧对称设置有滑槽，所述滑槽沿起升塔架的高度方向设置，其中一个所述支撑辊位于安装架的后端，该支撑辊两端的滚轮嵌入正对的滑槽中。采用以上方案，可使安装架在升降过程中更平稳，防止左右晃动，提高整体安全系数及实验结果的精确度。作为优选：还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括控制柜，所述安装架上对应模拟井筒的位置沿其长度方向均匀分布有高清摄像头，模拟井筒的两端设有与其连通的差压计，模拟井筒的出口端设置有密度计，模拟井筒的一侧设有超声多普勒流量计，所述高清摄像头、差压计及超声多普勒流量计均与控制柜相连。采用以上结构，通过在控制柜中设置采集模块，而设备上设置相应传感器或计量器等，进行实时记录，有利于降低实验操作难度，且提高实验效率，便于进行多次重复实验，提高结果精确度。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：采用本专利技术提供的多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统，可充分模拟常规两相钻井全井况、全尺寸井下环空的动态情况，有效反应钻井液参数、井眼尺寸、井斜角、机械钻速等因素对冲砂及携岩效果的影响，同时还可对固相移动速度及浓度进行实时测量分析，可为现场钻井生产提供重要的理论支撑。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为图1所示实施例中安装架的结构示意图；图3为起升装置与安装架相对位置示意图；图4为模拟钻头结构示意图。具体实施方式以下结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明。参考图1至图4，本专利技术的多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统主要包括安装架1、钻井液循环系统2、驱动装置4、起升装置5、加砂装置6，其中安装架1上沿其长度方向依次设置的模拟井筒10和模拟钻柱11，且模拟井筒10和模拟钻柱11同轴设置，模拟钻柱11的外径比模拟井筒10的内径小，其前端伸入模拟井筒10中，且在模拟井筒10的端部设置有相应的密封结构。模拟井筒10为有机玻璃管，具有透明和高强度的特性，驱动装置4用于驱动模拟钻柱11做旋转运动和/或轴向运动，两种运动可同时进行，也可单独进行，钻井液循环系统2主要包括钻井液处理设备和相应的连接管汇，通过管汇将钻井液处理设备与模拟钻柱11和模拟井筒10连接，从而构建相对真实的钻井泥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统，包括安装架(1)，该安装架(1)上具有沿其长度方向依次设置的模拟井筒(10)和模拟钻柱(11)，其特征在于，还包括：钻井液循环系统(2)，用于向模拟井筒(10)和模拟钻柱(11)供给钻井液和进行钻井液的处理；驱动装置(4)，用于驱动模拟钻柱(11)沿模拟井筒(10)长度方向移动和/或驱动模拟钻柱(11)转动；起升装置(5)，用于提升安装架(1)的一端，使模拟井筒(10)和模拟钻柱(11)相对于水平面倾斜；加砂装置(6)，其与钻井液循环系统(2)相连，用于在实验时向钻井液中加砂。

【技术特征摘要】
1.一种多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统，包括安装架(1)，该安装架(1)上具有沿其长度方向依次设置的模拟井筒(10)和模拟钻柱(11)，其特征在于，还包括：钻井液循环系统(2)，用于向模拟井筒(10)和模拟钻柱(11)供给钻井液和进行钻井液的处理；驱动装置(4)，用于驱动模拟钻柱(11)沿模拟井筒(10)长度方向移动和/或驱动模拟钻柱(11)转动；起升装置(5)，用于提升安装架(1)的一端，使模拟井筒(10)和模拟钻柱(11)相对于水平面倾斜；加砂装置(6)，其与钻井液循环系统(2)相连，用于在实验时向钻井液中加砂。2.根据权利要求1所述的多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统，其特征在于：所述钻井液循环系统(2)包括进液管(2a)，以及相互连接的泥浆泵(20)和泥浆罐(21)，所述泥浆泵(20)的出口端与进液管(2a)连通，所述进液管(2a)连接有钻柱进液管(2b)、环空进液管(2c)和旁通管(2d)；所述钻柱进液管(2b)与模拟钻柱(11)的顶端连通，环空进液管(2c)与模拟井筒(10)的底端连通，所述模拟井筒(10)的顶端设有回流管(2e)，该回流管(2e)上设有振动筛(22)，所述振动筛(22)与泥浆罐(21)相连，所述旁通管(2d)通过三通阀(2f)与回流管(2e)相连。3.根据权利要求2所述的多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统，其特征在于：所述加砂装置(6)包括均与环空进液管(2c)相连的自动加砂机构和人工加砂机构。4.根据权利要求2或3所述的多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统，其特征在于：所述钻井液循环系统(2)还包括砂泵(23)和备用进液管(2g)，所述砂泵(23)的进口端与泥浆罐(21)相连，出口端同时与进液管(2a)和备用进液管(2g)连通，所述备用进液管(2g)与进液管(2a)并联设置，并同时与钻柱进液管(2b)、环空进液管(2c)和旁通管(2d)相连，所述泥浆泵(20)的出口端同时还与备用进液管(2g)相连。5.根据权利要求1所述的多功能钻井全井段动态循环模拟实验系统，其特征在于：所述模拟钻柱(11)伸入模拟井筒(10)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭晓乐，苏堪华，龙芝辉，刘继林，齐成伟，罗羽熙，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50