一種模擬空氣鑽井井下鑽具動態力學特徵的實驗方法

2023-04-29 10:45:56 1

專利名稱：一種模擬空氣鑽井井下鑽具動態力學特徵的實驗方法
技術領域：
本發明涉及一種模擬空氣鑽井過程中，真實鑽井工況下的井下鑽具動態力學特徵實驗方法。
背景技術：
空氣鑽井是指以空氣或者氣體作為循環介質攜帶巖屑的鑽井技術，主要應用於提高非儲層段的機械鑽速和防治非儲層段發生井漏。該技術已被國內外鑽井界公認為是提高鑽井速度、縮短鑽井周期、降低鑽井成本的一項實用鑽井技術。但是相對於鑽井液鑽井，嚴重的鑽具失效是空氣鑽井引發的嚴重問題之一。空氣鑽井時氣體的阻尼減振作用較小，鑽具振動更加劇烈，共振時鑽具與井壁的碰撞也更加嚴重，鑽具內橫向彎曲應力超出其疲勞強度，最終導致鑽具疲勞失效。因此，空氣鑽井鑽具失效是一個涉及鑽柱、鑽頭、巖石和鑽井循環介質的系統動力學問題。開展空氣鑽井環境下的鑽柱動力學研究，有助於弄清空氣鑽井鑽具失效機理，找出預防鑽具失效的具體措施。目前對鑽具動力學的研究，主要是從兩個方向進行一是通過對井下鑽具建立適當的動力學模型並用數學分析方法對其進行理論研究；另一方面就是通過現場數據結合室內實驗進行研究。數學模型通過解析方法可以精確的得到各動力學參數，但數學模型是建立在一定的假設條件上，並通過定義邊界條件進行求解，使得計算結果與實際存在較大偏差。由於各油田井筒尺寸不一樣，以及鑽井參數的變化範圍大，實測的數據勢必千差萬別， 無法相互比較。而已有的室內模擬實驗裝置，大多是採用工程塑料模擬鑽柱而建立起來的簡易裝置，無法模擬鑽柱在實際的空氣、水或巖屑共同作用下的動力學特性，也無法模擬鑽柱在水平井或者大斜度井下鑽柱的動力學特性，尤其不能對鑽柱在真實環空的氣體、液體和固體混合流體下的衝刷腐蝕進行模擬。因此，如何較切合實際地進行井下鑽具動態力學特徵的模擬實驗是鑽井工作者所關注的問題。

發明內容
本發明的目的是，提出一種模擬空氣鑽井井下鑽具動態力學特徵的實驗方法。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案採用一個可旋轉角度並定位的井架，以便實現不同井斜角(0-90° )下的鑽進模擬；在井架上設置井筒，將鑽柱置於井筒之中，在鑽頭底部安置激振系統並與井筒相聯，激振系統和井筒安裝於井架的導軌上並可沿著導軌上下滑動，不僅為模擬鑽進過程中提供一定範圍的鑽壓，而且提供模擬井下鑽頭工作過程中產生的隨機振動激勵信號；鑽柱、井筒和鑽頭的大小均按現場常用的井身結構尺寸通過相似性原理設計，構成能模擬現場空氣鑽井的真實系統；在井架上部設置一電動機，電動機與齒輪相聯，通過齒輪驅動鑽柱旋轉；循環系統包括鑽柱、井筒和地面介質供給系統，地面介質供給系統由泥漿泵、壓縮機、氣液摻混器和注砂器等組成，可配送不同比例的氣體、液體或固體混合的循環介質，以模擬現場鑽井循環介質的不同組分；井筒上安置有監測系統，使模擬鑽進過程中能進行鑽具動力學特徵隨鑽測量，監測系統中各種數據最終傳輸至地面的數據採集系統；地面動力系統為井架的旋轉提供動力。本發明的優點是(1)井架可以調整不同的傾斜角度並固定，實現不同井斜角下的鑽進，可模擬定向井、水平井工況下的井下鑽具動態力學特徵；(2)可施加軸向載荷、彎矩、扭矩、振動載荷等複合載荷，並模擬鑽柱在實際的空氣、水或巖屑共同作用下的動態力學特徵；(3)激振系統提供不同鑽壓並可測量鑽頭的縱向振動激勵信號；(4)井筒上設置有監測系統，可以實現鑽井介質流態觀測和鑽柱動態力學特徵的隨鑽測量；(5)地面介質供給系統可配送不同比例的氣體、液體或固體混合流體的循環介質， 以模擬現場不同組分的鑽井循環介質；(6)井筒和鑽柱可拆卸，完鑽拆卸後可以對鑽具進行疲勞損傷探測和腐蝕檢測。


圖1是本發明結構示意圖。圖2是本發明激振系統示意圖。圖3是本發明監測系統主視圖。圖4是本發明監測系統俯視圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例，對本發明進行詳細描述。參看圖1，採用一個可旋轉角度並定位的井架11，以便實現不同井斜角(0-90° ) 下的鑽進模擬；在井架11上設置井筒5，將鑽柱4置於井筒5之中，在鑽頭7底部安置激振系統8並與井筒5相聯，激振系統8和井筒5安裝於井架11的導軌上並可沿著導軌上下滑動，不僅為模擬鑽進過程中提供一定範圍的鑽壓，而且提供模擬井下鑽頭工作過程中產生的隨機振動激勵信號；鑽柱4、井筒5和鑽頭7的大小均按現場常用的井身結構尺寸通過相似性原理設計，構成能模擬現場空氣鑽井的真實系統；在井架11上部設置一電動機2，電動機2與齒輪3相聯，通過齒輪3驅動鑽柱4旋轉；循環系統包括鑽柱4、井筒5和地面介質供給系統9，地面介質供給系統9由泥漿泵、壓縮機、氣液摻混器和注砂器等組成，可配送不同比例的氣體、液體或固體混合的循環介質，以模擬現場鑽井循環介質的不同組分；井筒5 上安置有監測系統6，使模擬鑽進過程中能進行鑽具動力學特徵隨鑽測量，監測系統6中各種數據最終傳輸至地面的數據採集系統10 ；地面動力系統12為井架11的旋轉提供動力。參看圖2，鑽柱4與鑽頭7聯接；模擬井底14放置於鋼筒13內部，鑽頭7下端；激振器16產生的鑽壓，通過壓力傳感器15施加在模擬井底14上，並傳遞給鑽頭7和鑽柱4， 為鑽柱4提供鑽壓。所述的模擬井底14採用的材料為真實巖石、水泥石或者鋼板。參看圖3、4，在井筒5上設置側開窗口 17，以觀測井筒5內的鑽井介質流動狀態；在側開窗口 17不同位置上放置四個渦流感應器18，用以測量鑽柱4的縱、橫向振動和扭轉振動。渦流感應器18以橫向兩個，縱向兩個的組合結構設置。側開窗口 17的開口角度為 α，其取值範圍為45 80°。側開窗口 17採用的材料是有機玻璃。如圖1所示，本發明在使用時，在井架11上設置井筒5，將鑽柱4置於井筒5之中， 在鑽頭7底部安置激振系統8並與井筒5相聯，激振系統8和井筒5安裝於井架11的導軌上並可沿著導軌上下滑動；將鑽柱4、井筒5和地面介質供給系統9聯接，構成循環系統；在井架11上部設置一電動機2，電動機2與齒輪3相聯，通過齒輪3驅動鑽柱4旋轉；再開通地面動力系統12，根據實驗要求調整井架11的傾斜角度。通過側開窗口 17可以方便地觀察井筒5內的鑽井介質流動狀態，側開窗口 17上安置的渦流感應器18可以測得鑽柱4的橫向振動、縱向振動和扭轉振動，渦流感應器18的測量值傳回地面數據收集系統10進行處理分析。實驗結束後，採用上述過程相反的步驟取下鑽柱4和井筒5，可對鑽柱4和鑽頭7 進行疲勞損傷探測和腐蝕檢測。
權利要求
1.一種模擬空氣鑽井井下鑽具動態力學特徵的實驗方法，其特徵在於採用一個可旋轉角度並定位的井架(11)，以便實現不同井斜角下的鑽進模擬；在井架(11)上設置井筒 (5)，將鑽柱⑷置於井筒(5)之中，在鑽頭(7)底部安置激振系統⑶並與井筒(5)相聯， 激振系統(8)和井筒(5)安裝於井架(11)的導軌上並可沿著導軌上下滑動，不僅為模擬鑽進過程中提供一定範圍的鑽壓，而且提供模擬井下鑽頭工作過程中產生的隨機振動激勵信號；鑽柱、井筒(5)和鑽頭(7)的大小均按現場常用的井身結構尺寸通過相似性原理設計，構成能模擬現場空氣鑽井的真實系統；在井架(11)上部設置一電動機0)，電動機(2) 與齒輪C3)相聯，通過齒輪C3)驅動鑽柱(4)旋轉；循環系統包括鑽柱、井筒( 和地面介質供給系統(9)，地面介質供給系統(9)配送不同比例的氣體、液體或固體混合的循環介質，以模擬現場鑽井循環介質的不同組分；井筒( 上安置有監測系統(6)，使模擬鑽進過程中能進行鑽具動態力學特徵隨鑽測量，監測系統(6)中各種數據最終傳輸至地面的數據採集系統(10)；地面動力系統(12)為井架(11)的旋轉提供動力。
2.如權利要求1所述的一種模擬空氣鑽井井下鑽具動態力學特徵的實驗方法，其特徵在於所述的井架(11)可實現0-90°的轉動並固定。
3.如權利要求1所述的一種模擬空氣鑽井井下鑽具動態力學特徵的實驗方法，其特徵在於監測系統(6)包括側開窗口(17)、渦流感應器(18)，側開窗口(17)設置在井筒(5) 上，在側開窗口(17)的縱、橫向，各設置兩個渦流感應器(18)。
全文摘要
一種模擬空氣鑽井井下鑽具動態力學特徵的實驗方法，其特徵在於在井架上部放置旋轉系統，為鑽柱提供旋轉扭矩和鑽進扭矩；鑽頭的底部安置激振系統，以提供鑽壓和隨機振動激勵信號；鑽柱、井筒和鑽頭的大小均按現場常用的井身結構尺寸通過相似性原理設計並選擇；井筒上安置監測系統，使模擬鑽進過程中能進行鑽井介質流態觀測和鑽具動態力學特徵隨鑽測量；所述各系統固定在可轉動角度並定位的井架上，調整井架的傾斜角度，可實現不同井斜角下鑽具的動態力學特徵模擬實驗。本發明適用於石油、天然氣鑽井中井下鑽具動力學研究。
文檔編號E21B21/00GK102305021SQ20111022166
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月4日 優先權日2011年8月4日
發明者嚴仁田, 周瑩, 孫永興, 曾德智, 朱紅鈞, 朱達江, 林元華, 王其軍, 謝娟, 鮮奇飈 申請人:西南石油大學