一种冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置及模拟方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置及模拟方法，该模拟装置包括：低温恒温实验箱，内部铺设预设含水率的砂土/粘土，用于形成冻土模拟层；双层管，包括外管以及位于所述外管内的内管，所述外管插入到所述低温恒温试验箱内；钻井液循环组件，与所述双层管相连，用于使预设温度的钻井液在所述双层管内循环；钻井驱动组件，与所述内管相连，用于带动所述内管上下运动和/或转动；位移传感器，用于监测外管的位移。本发明专利技术能够模拟极地冻土带钻井过程中由于冻土层融化导致的井口下沉过程，并测量不同井口载荷、钻井液温度、冻土土质参数对井口下沉位移的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置及模拟方法
本专利技术属于石油钻井行业，具体涉及一种冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置及模拟方法。
技术介绍
北极和亚北极低温地区的浅部地层广泛分布着大面积的多年冻土，永久冻土层覆盖陆地和海洋，厚度从几十米到上百米。然而冻土层钻井困难重重，其中一个重要难题是在钻井过程中由于钻井液等循环介质与地层发生热交换以及钻头和地层间的切削摩擦生热，使冻土中的孔隙冰融化，冻土的承载能力大幅下降。中国科学院地质调查局于2008～2010年在祁连山木里和东北漠河冻土区先后钻探了数口试验井(DK1～DK4、MK1～MK2)，在浅部地层钻井过程中出现了冻土层的热融性坍塌和沉降；2015年的ATC(ArcticTechnologyConference)会议上Yakushev提到俄罗斯西西伯利亚陆上的Zapolyrnoye气田由于浅部的冻土层融化而导致某些井的井口出现下沉的现象，井口下沉的深度超过3m；关于冻土承载力以及力学特性方面的研究多见于寒区建筑和道路基础设计领域，这些研究主要关注桩基或者路基在自然冻融状态下的稳定性，自然冻融状态下冻土层是自上而下的融化，而钻井过程中整个井筒周围的冻土层都会发生融化，并且温度的变化幅度也更大。国内对于冻土层钻井方面的研究基本处于空白状态。
技术实现思路
本专利技术的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本专利技术而学习。为克服现有技术的问题，本专利技术提供一种冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置，包括：低温恒温实验箱，内部铺设预设含水率的砂土/粘土，用于形成冻土模拟层；双层管，包括外管以及位于所述外管内的内管，所述外管插入到所述低温恒温试验箱内；钻井液循环组件，与所述双层管相连，用于使预设温度的钻井液在所述双层管内循环；钻井驱动组件，与所述内管相连，用于带动所述内管上下运动和/或转动；位移传感器，用于监测外管的位移。可选地，所述双层管包括内管以及套设在所述内管外部的外管，所述内管上设有钻井液入口，所述外管上设有钻井液返出口，且所述钻井液入口位于所述钻井液返出口的上方。可选地，所述钻井驱动组件包括：伺服电机以及与所述伺服电机相连的升降杆，所述升降杆的一个端部与所述内管相连。可选地，所述冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置包括上盖，盖设在所述低温恒温实验箱上，所述钻井驱动组件进一步包括：两根导向轨道，竖直设置在所述上盖上；压板，其两端分别与两根所述导向轨道相接触，所述压板与所述升降杆相连。可选地，所述冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置进一步包括：竖向载荷施加构件与拉力传感器；其中：所述竖向载荷施加构件的一端与所述伺服电机相连，另一端与所述外管相连，用于使外管运动；所述拉力传感器用于测量所述竖向载荷施加构件施加的荷载。可选地，所述外管的侧壁上设有至少一组传感器队列，所述传感器队列由多个沿所述外管轴向分布的集成传感器组成；所述集成传感器由全断面荷载传感器、土压力计及侧壁摩擦传感器中的至少两个集合而成。可选地，所述冻土模拟层埋设有至少一组压力计队列，所述压力计队列与所述外管的侧壁之间的距离为第一预设值。本专利技术提供一种模拟冻土层钻井过程井口下沉的方法，包括步骤：S1、在低温恒温试验箱内制备冻土模拟地层；S2、在冻土模拟地层内进行钻井模拟；S3、监测钻井过程中的井口下沉。可选地，所述步骤S2包括：给外管施加一定载荷使所述外管插入冻土模拟地层内；控制所述内管在所述外管内向下运动，并转动；所述内管在转动和向下运动期间，使钻井液在所述内管和外管的环空之间循环。可选地，所述步骤S3包括以下至少一项：通过位移传感器测量井口下沉量；通过集成在所述外管管壁上的传感器及埋设在压力计测量所述冻土模拟地层的应力应变变化。本专利技术提供一种冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置及模拟方法，能够模拟极地冻土带钻井过程中由于冻土层融化导致的井口下沉过程，并测量不同井口载荷、钻井液温度、冻土土质参数对井口下沉位移的影响。附图说明图1为本专利技术实施例的冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置的结构示意图。图2为本专利技术实施例的钻井液循环组件的结构示意图。图3为本专利技术实施例的外管管壁上传感器与桩周土内压力计的示意图。图4为图3沿A-A的剖视图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述：如图1、图2所示，本专利技术提供一种冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置，包括：低温恒温试验箱10、双层管20、钻井驱动组件30、钻井液循环组件40、位移传感器50。低温恒温试验箱10内的温度可以由低温恒温水浴控制，温度控制范围-15～90℃，控制精度0.5℃。更具体地，低温恒温试验箱10外包水夹套11，水夹套11内可以进行冷水循环，通过控制冷水的温度实现对低温恒温试验箱10内的温度的控制，低温恒温试验箱10用于模拟极地冻土带的低温环境，实验时在试验箱内铺设预设含水率的砂土/粘土，使用水浴降温制成模拟冻土地层。本实施例中，低温恒温试验箱10是一个内径0.5m，高度1.5m，有效容积295L的圆筒型容器。低温恒温试验箱10上设有与开口端相匹配的上盖12，上盖12上设有通孔，用于供双层管20穿过。双层管20为一个，由套设在一起的内管21与外管22组成，可以采用不锈钢材质制成，外管22用于模拟井筒，内管21用于模拟钻杆。内管21上设有钻井液入口，外管22上设有钻井液返出口，且钻井液入口位于所述钻井液返出口的上方。外管和内管是相互独立的，彼此的运动是互不影响的。内外管之间是的环空提供一个钻井液循环的通道。理论上钻井就是控制内管向下运动并旋转来破碎土层进行钻进，外管不动，起到一个隔绝外部地层并且提供一个钻井液循环的通道，因此实验中需要让内管模拟现场的作业环境，也要向下运动接触土层并且循环钻井液，在此过程中，由于冻土层会融化，需要监测有没有影响到外管使其下沉。优选地，内管22底部装有钻头，钻头上面装有喷嘴。试验时将用于模拟井筒的外管22从上盖12的通孔插入低温恒温试验箱内，上盖和外管之间采用橡胶密封。钻井驱动组件30包括伺服电机31以及与伺服电机31相连的升降杆32，升降杆32的一个端部与内管22相连。通过伺服电机31可以使内管向下转动并旋转。也就是说，内管顶部通过伺服电机可以匀速上下运动和转动，内管和外管运动相互独立。为防止内管在运动过程中发生偏移，钻井驱动组件进一步包括：导向轨道33与压板34。其中，导向轨道33竖直设置在上盖上或低温恒温试验箱两侧；压板34的两端分别与两根所述导向轨道相接触，压板与升降杆32相连。在本专利技术的一个实施例中，压板34上可以设置供升降杆32穿过的导向孔。具体实施时，该冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置可以进一步包括：竖向载荷施加构件与拉力传感器51；其中：竖向载荷施加构件的一端与伺服电机31相连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置，其特征在于，包括：/n低温恒温实验箱，内部铺设预设含水率的砂土/粘土，用于形成冻土模拟层；/n双层管，包括外管以及位于所述外管内的内管，所述外管插入到所述低温恒温试验箱内；/n钻井液循环组件，与所述双层管相连，用于使预设温度的钻井液在所述双层管内循环；/n钻井驱动组件，与所述内管相连，用于带动所述内管上下运动和/或转动；/n位移传感器，用于监测外管的位移。/n

【技术特征摘要】
1.一种冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置，其特征在于，包括：
低温恒温实验箱，内部铺设预设含水率的砂土/粘土，用于形成冻土模拟层；
双层管，包括外管以及位于所述外管内的内管，所述外管插入到所述低温恒温试验箱内；
钻井液循环组件，与所述双层管相连，用于使预设温度的钻井液在所述双层管内循环；
钻井驱动组件，与所述内管相连，用于带动所述内管上下运动和/或转动；
位移传感器，用于监测外管的位移。


2.根据权利要求1所述冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置，其特征在于，所述双层管包括内管以及套设在所述内管外部的外管，所述内管上设有钻井液入口，所述外管上设有钻井液返出口，且所述钻井液入口位于所述钻井液返出口的上方。


3.根据权利要求1所述冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置，其特征在于，所述钻井驱动组件包括：伺服电机以及与所述伺服电机相连的升降杆，所述升降杆的一个端部与所述内管相连。


4.根据权利要求3所述冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置，其特征在于，所述冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置包括上盖，盖设在所述低温恒温实验箱上，所述钻井驱动组件进一步包括：
两根导向轨道，竖直设置在所述上盖上；
压板，其两端分别与两根所述导向轨道相接触，所述压板与所述升降杆相连。


5.根据权利要求3所述冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置，其特征在于，所述冻土层钻井过程井口下沉的模拟装置进一步包括：竖向载荷施加构件与拉力传感器；其中：
所述竖向载荷施...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，张辉，李莅临，杨进，柯珂，张东清，徐东升，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11