一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置及方法与流程

1.本发明涉及石油与天然气气体钻井技术领域，具体涉及一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置及方法。


背景技术：

2.气体钻井是一种气相流体为循环介质的特殊欠平衡钻井技术，与常规液相钻井技术相比，气体具有较高的上返速度，具有较强的岩屑携带能力，能够对地层岩石的特性进行准确的反应，能有效保护低渗储层不受钻井液伤害；反循环同正循环相比，在环空中，循环介质将按照从上到下的方式流动，井底具有更低的循环压耗。同时，在经过计算后发现，在应用反循环技术钻井时，能够对注气量进行适当的减少，即对气体钻井成本进行减少，反循环气体钻井拥有众多其他技术所不能比拟的优势。依靠收集钻进过程中由内管中心通道上返至地表的岩屑来取代常规取心钻探中的岩心进行地质编录、岩矿分析等，是一种全新的钻探方法，具有优质、高效、低耗的显著特点。
3.在岩屑循环上返的过程中，如果设备的携岩能力较差，就会在井底发生岩屑的堆积形成岩屑床，造成钻头的磨损或卡钻，影响钻进过程。因此对在钻井过程中的携岩能力进行实验与测定，对气体反循环钻井技术适应性的定量化评价以及优化工艺总体方案具有重要意义。其中空气钻井环空及管内压耗计算属于管内环空流体力学，特别是空气钻井中偏心环空压力的计算尤其值得研究。在井眼呈偏心的情况下，钻井水力学中惯用的同心环空假设也就不成立了。因此，研究空气钻井偏心工况流体流动规律具有明显的理论意义和实用价值。但目前国内外相关研究较少，尚未形成专用的测试装置及方法。所以，为进一步研究气体钻井反循环偏心流场的携岩能力，亟需发明一种模拟气体钻井反循环过程中偏心流场携带岩屑运移的可视化装置及方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置，该装置原理可靠，全程可视化，能真实反映气体钻井反循环过程中井下注气量及携岩规律，从而根据基础数据和分析结果指导工程实践。
5.本发明的另一目的在于提供利用上述装置模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的方法，通过该方法开展注气量、岩屑运移规律、排屑速率相关研究，发现空气钻井偏心工况流体流动规律，找到提高气体钻井井眼净化效果的有效措施。
6.为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
7.一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置，由供气单元、井筒模拟单元、排气及岩屑处理单元、数据及视频采集单元、计算机处理单元组成。
8.供气单元由空压机、闸阀、稳压罐、高压软管、三通阀门及除水器组成，用于为实验提供不同流量的稳定气流；井筒模拟单元由进气口、偏心钻头、外管、内管、电机及锥形齿轮、转动轴、y型密封胶圈、o型密封胶圈、法兰、填砂口、排砂口、出气口组成，井筒模拟单元
为实验装置的主体，其中外管用于模拟井壁，内管用于模拟钻柱，内管底部装有偏心钻头，偏心钻头上只存在一个水眼，流体及岩屑通过此水眼上返，形成不同于同心流场的偏心流场，有机玻璃管底部预留有空间用于填砂以模拟井底状况；排气及岩屑处理单元由排气管、排屑管、岩屑池组成，用于排气、排屑及集中处理岩屑；数据及视频采集单元由压力检测器、气体流量计、摄影机组成，用于记录流量变化及井筒模拟单元出口、入口、井底的压力变化及实验现象；计算机处理单元由数据采集盒及计算机组成，用于处理实验数据。
9.所述供气单元的空压机通过一道闸阀与稳压罐相连；稳压罐经一道闸阀通过高压软管与三通阀门相连，三通阀门用于改变管道中气体的流向，以便向井筒模拟单元提供稳定的气流；三通阀门通过高压软管与除水机相连，除水机用于将由空压机中泵入空气中的水分除尽，避免稳压罐中积水对实验的干扰；除水机通过高压软管井筒模拟单元的进气口相连。
10.所述井筒模拟单元的偏心钻头用螺钉固定于内管底部，电机及锥形齿轮与内管相连，带动内管及底部钻头转动，转动轴固定支架与井筒，可转动调节井筒方向；填砂口位于外井筒底部，用于向管道底部中填充砂粒；排砂口位于井筒模拟单元底部用于在实验结束后将剩余的砂粒排出， y型密封胶圈、o型密封胶圈及法兰安装于内管与外管的连接处及内管与排气管连接处，用于保证井筒模拟单元的密封性。
11.所述排气及岩屑处理单元的排气管与井筒模拟单元的出口相连，排气管与排屑管相连，排屑管出口位于岩屑池上方，岩屑池用于收集实验中排出的钻屑。
12.所述数据及视频采集单元的压力传感器安装于井筒模拟单元的入口、出口及底部，用于对入口、出口及底部的压力进行监测；气体流量计安装于三通阀门与稳压罐阀门之间，用于对气体的流量进行计量，压力检测器通过数据线与数据采集盒及计算机相连，数据及视频采集单元的摄影机用于记录管内砂粒运移情况。
13.所述计算机处理单元由计算机及采集盒组成，用于处理收集到的压力数据。
14.进一步地，压力检测器的工作范围为
‑
0.1mpa~1mpa。
15.进一步地，气体供给单元采用的进气胶管为高压软管，具有较强的承压能力。
16.进一步地，井筒模拟单元的内管、外管为有机玻璃材质，具有一定的承压能力，最高承压6mpa，可以清晰地观察到管中岩屑的运移情况。
17.进一步地，钻头设有一个偏心水眼，作为气体携带井底岩屑上返至环空的通道，是形成偏心流场的主要因素。
18.进一步地，井筒模拟单元的偏心钻头与内管用螺钉固定于内管底部，用o型圈以及胶粘密封。
19.进一步地，各个传感器与管线相连处设有填料密封，确保整个装置的气密性。
20.进一步地，为模拟钻井时的真实状态，用电机及锥形齿轮带动内筒及钻头转动。
21.进一步地，钻头下方，外管底部有足够的空间填充岩屑。
22.进一步地，井筒模拟单元的填砂口、排砂口以螺纹的方式连接，方便多次装拆。
23.进一步地，转动轴固定于外管上并与外部的支架相连，井筒模拟单元的入口及出口所接管道皆为软管，所以可以调节管道方向。
24.利用上述装置模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的方法，依次包括以下步骤：（1）通过填砂口，将一定粒径的砂粒装入内管与外管底部的空间；
（2）通过转动轴调节井筒角度，开启空压机、除水机，向稳压罐注入空气，达到预设压力；（3）启动电机及锥形齿轮，带动内管及偏心钻头转动；（4）调节稳压罐闸阀，获得稳定流量的气流，通过三通阀门向井筒模拟单元的进气口供气；（5）摄影机观察管中岩屑运移情况并采集图像信息，数据采集盒采集压力流量数据；（6） 逐渐调大流量，重复上述步骤，当该流量下将全部砂粒携出井筒时，即可确定砂粒的启动流量；（7）启动流量确定后，在启动流量之上进行不同流量的实验，在稳定的气流通入进气口时开始计时，在砂粒被全部携出时停止，计算该流量下的排屑速率；（8）绘制流量与排屑速率、压力与时间的关系曲线。
25.通过改变井筒角度或填充不同粒径的砂粒，开展平行实验，确定不同角度下的启动流量及该流量下的排砂速率或不同粒径砂粒的启动流量及及该流量下的排砂速率。
26.与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明设计针对性强，能反应井底偏心流场的实际情况，实现岩屑启动及运移规律的可视化，测试结果可靠，测试方法可行，操作简单，能够为偏心流场研究提供极具意义的基础数据。
附图说明
27.图1为一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置结构示意图。
28.图2为钻头剖面图（a
‑
钻头俯视图；b
‑
钻头侧视图）。
29.图中：1
‑
空压机、2
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闸阀、3
‑
稳压罐、4
‑
闸阀、5
‑
气体流量计、6
‑
三通阀门、7
‑
除水机、8
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高压软管、9
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进气口、10
‑
压力传感器a、11
‑
转动轴、12
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内管、13
‑
外管、14
‑
偏心钻头、15
‑
填砂口、16
‑
压力传感器b、17
‑
排砂口、18
‑
o型密封胶圈、19
‑
y型密封胶圈、20
‑
法兰、21
‑
电机及锥形齿轮、22
‑ꢀ
o型密封胶圈、23法兰、24
‑
压力传感器c、25
‑
出气口、26
‑
排气管、27排屑管、28
‑
岩屑池、29
‑
摄影机、30
‑
支架、31
‑
计算机、32
‑
数据采集盒、33
‑
偏心水眼。
30.图3为气体钻井反循环偏心流场携岩实验中的压力变化图。
31.图4为气体流量与排屑速率的关系曲线图。
具体实施方式
32.下面根据附图和实施例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。
33.参看图1、图2。
34.一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置，由供气单元、井筒模拟单元、排气及岩屑处理单元、数据及视频采集单元和计算机处理单元组成。
35.所述供气单元包括空压机1、稳压罐3、气体流量计5、三通阀门6和除水器7，空压机1通过高压软管8依次连接稳压罐3、三通阀门6和除水机7，除水机与井筒模拟单元的进气口
相连，稳压罐和三通阀门的连接管线上设置气体流量计5。
36.所述井筒模拟单元包括外管13、内管12、偏心钻头14、电机及锥形齿轮21、进气口9、出气口25、填砂口15、排砂口17、转动轴11和支架30，外管13模拟井筒，内管12模拟钻柱，外管通过转动轴11固定于支架30上，可转动调节井筒方向，外管设置进气口9，进气口连接除水机7；内管连接电机及锥形齿轮21，偏心钻头14通过螺钉固定于内管底部，电机带动内管及偏心钻头转动，偏心钻头下方有足够预留空间用于填砂模拟井底状况；外管底部设置填砂口15、排砂口17；内管顶部设置出气口25，内管通过出气口连接排气及岩屑处理单元的排气管；进气口、外管底部和出气口分别设置压力传感器10、16、24。
37.所述排气及岩屑处理单元包括排气管26、排屑管27和岩屑池28，排气管26与井筒模拟单元的出气口25相连，排气管连接排屑管27，排屑管出口位于岩屑池28上方。
38.所述数据及视频采集单元包括压力传感器（10、16、24）、气体流量计5和摄影机29，压力传感器用于监测井筒模拟单元的入口、出口和井底的压力变化，气体流量计用于对气体的流量进行计量，摄影机记录管内砂粒运移情况，压力传感器连接计算机处理单元。
39.所述计算机处理单元包括数据采集盒32和计算机31，用于采集和处理数据。
40.所述偏心钻头14设置一个偏心水眼33，作为气体携带井底岩屑上返至环空的通道。
41.所述内管与外管的连接处设置o型密封胶圈18、y型密封胶圈19、法兰20，内管与排气管的连接处设置 o型密封胶圈22、法兰23，用于保证井筒模拟单元的密封性。
42.所述井筒模拟单元的内管、外管为有机玻璃材质，能够通过摄影机观察管中岩屑运移情况。
43.所述压力传感器与管线连接处设有填料密封，确保整个装置的气密性。
44.利用上述装置模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的方法，依次包括以下步骤：1)对实验装置阀门、管道等处进行检查和调节，确保输气及出气管路通畅，避免憋压；2)通过填砂口15，将一定粒径的砂粒装入双层有机玻璃管底部；3)通过转动轴11调节井筒角度固定，开启除水机7；4)开启空压机1，向稳压罐3注入空气，当达到预设压力后，以较小流量打开闸阀4（该流量不会将井筒模拟单元中的砂粒携起），检查装置整体及各个部分单元的气密性，确认装置中各个流量、压力等传感器数据正常，确保计算机31及采集盒32采集数据无误；5)启动电机及锥形齿轮21，带动内管12及偏心钻头14转动；6)调节三通阀门6向装置外部通气，调节闸阀4，获得实验所需的稳定流量的气流；7)调节三通阀门6向装置内部通气，获得稳定气流下砂粒在井筒中的运动状态；8)通过计算机采集压力及流量数据，打开摄影机29采集图像信息，观察管内砂粒的运动状况，记录该流量下的实验现象；9)逐渐调大流量，重复步骤6
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8，当该流量可将全部砂粒携出井筒时，确定砂粒的启动流量；10)实验结束后，及时清理岩屑池28，通过排砂口17清理井筒模拟单元中的剩余砂粒；11)在启动流量确定后，准备秒表一个，在启动流量之上进行5组不同流量的实验，
在稳定的气流通入管道时开始计时，在管中砂粒被全部携出时停止计时，计算该流量下的排屑速率；12)对实验数据进行处理，计算排屑速率，绘制流量与排屑速率的关系曲线，通过流量、压力曲线分析实验现象；13)重复进行上述步骤，开展平行实验及对比实验，确定不同砂粒的启动流量及该流量的排砂速率或不同井筒角度对排砂及排砂速率的影响。
45.实施例1实验用粒径为1
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3mm，1800cm3的砂粒开展实验，井筒保持垂直状态，按上述实验步骤进行实验后，获得实验中压力数据如图3所示。实验中在65s至460s内，砂粒在气体流量为128nm3/h的条件下，井底砂粒部分进入井筒，砂粒在井筒中低部翻滚悬浮，不断井壁碰撞，但并未排出井筒，井筒模拟单元入口、井底、出口的压力分别稳定在3.9kpa，3.2kpa，2.1kpa左右。实验中在460s至740s内，当气体流量达到284nm3/h时，井底砂粒全部、快速进入井筒，少数砂粒在井筒中高部翻滚悬浮，不断井壁碰撞未排出井筒，大部分砂粒排出井筒，且被迅速排出，井筒模拟单元入口、井底、出口的压力分别稳定在11.8kpa，11.2kpa，3.9kpa左右，获得压力变化图如图3所示。
46.实施例2实验用粒径为1
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3mm，1600cm3的砂粒开展实验，在启动流量确定后，准备秒表一个，在启动流量之上进行5组不同流量的实验，在稳定的气流通入管道时开始计时，在管中砂粒被全部携出时停止计时，计算该流量下的排屑速率，为保证实验的准确性每组实验重复3次，并计算该流量下的排屑速率的平均值，获得流量与排屑速率的关系曲线如图4所示。