一種模擬天然氣水合物鑽井多種擴徑段流動狀態變化實驗裝置的製作方法

2023-12-09 18:15:26

本發明涉及天然氣水合物鑽井技術領域，特別是一種模擬天然氣水合物鑽井多種擴徑段流動狀態變化實驗裝置。

背景技術：

目前，隨著我國油氣資源勘探開發的不斷深入，天然氣水合物作為一種新型的油氣資源目前被許多國家所重視。目前天然氣水合物在世界上許多國家都有分布，其主要分布在在北極的永久凍土區和世界範圍內的海底、陸坡、陸基及海溝中。我國天然氣水合物資源約800億噸油當量，是我國常規天然氣資源量的兩倍，主要分布在青藏高原凍土帶和南海大陸坡及其深海。我國分別於2007年5月、2009年6月、2013年7月和2015年在南海和凍土區成功鑽取到天然氣水合物樣品，目前準備進行實驗性開採。在天然氣水合物開發過程中採用鑽水平井的方式來進行開採能最大限度的暴露並保護儲層，同時也能提高開採效率；但在天然氣水合物鑽水平井過程中會產生環空擴徑的情況，環空擴徑將會導致流體流場變化，繼而引起巖屑顆粒在環空中的動態懸浮、滯留，從而引起井下複雜情況。在天然氣水合物鑽水平井過程中，環空擴徑在鑽直井段、斜井段和水平段都可能產生且擴徑方式又不一樣，其擴徑方式主要為直角擴徑、45°斜角擴徑和圓弧擴徑這三種方式，在水平段擴徑段大顆粒巖屑將在鑽鋌與鑽杆交界處由於環空面積陡然增加，可能產生大顆粒巖屑堆積。水平段井眼淨化效果不好加上天然氣水合在上返過程中的不斷分解會引發高摩阻、高扭矩、卡鑽和固井質量差等一系列工程問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的缺點，提供一種結構緊湊、能夠對巖屑顆粒和天然氣水合物顆粒在環空內的運移軌跡、動態懸浮現象有必要進行可視化實驗研究、為天然氣水合物鑽井過程中擴徑段流場流動規律的研究提供依據的模擬天然氣水合物鑽井多種擴徑段流動狀態變化實驗裝置。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：一種模擬天然氣水合物鑽井多種擴徑段流動狀態變化實驗裝置，它包括從上往下順次連接的混合物進口、套管接頭a、垂直段外管、法蘭接頭a、斜井段外管、法蘭接頭b、水平段外管和套管接頭b，所述垂直段外管內設置有垂直段內管，斜井段外管內設置有斜井段內管，水平段外管內設置有水平段內管，水平段內管的一端與鑽頭連接，其另一端與斜井段內管連接，斜井段內管另一端與垂直段內管連接，垂直段內管的另一端與混合物進口連接，所述的垂直段外管柱面上設置有垂直段直角擴徑段和位於垂直段直角擴徑段上方的混合物出口，斜井段外管柱面上設置有斜井段直角擴徑段，水平段外管柱面上設置有水平段直角擴徑段，所述的套管接頭a的下部設置有壓力傳感器，套管接頭b的左側設置有速度傳感器，管套接頭b上設置有進氣口；

它還包括計算機監測系統和氣液固三相分離器，所述計算機監測系統與壓力傳感器和速度傳感器電連接，所述氣液固三相分離器的左埠與混合物出口連接，氣液固三相分離器的右埠與混合物進口之間順次連接有貯水槽、水泵、液體流量計和球閥b，所述球閥b與混合物進口之間節點處連接有顆粒儲集室，顆粒儲集室頂部設置有與其連接的巖屑漏鬥和尼龍漏鬥，所述氣液固三相分離器的下埠連接有流化床乾燥器，流化床乾燥器的底部連接有尼龍收集桶和巖屑收集桶；

它還包括電磁式空氣泵a、電磁式空氣泵b和高速攝像機，所述電磁式空氣泵a的輸出口連接有分流管，所述垂直段直角擴徑段的上下端分別連接有氣體流動管，斜井段直角擴徑段的上、中、下端分別連接有氣體流動管，水平段直角擴徑段底部的左、右端分別連接有氣體流動管，七根氣體流動管均與分流管連接，所述的電磁式空氣泵b與進氣口之間順次連接有氣體流量計b和球閥c。

所述的水平段直角擴徑段的底部設置有底座。

所述的氣體流動管由順次連接的球閥a和氣體流量計a組成。

所述的球閥a、球閥b和球閥c均為相同規格的球閥，電磁式空氣泵a和電磁式空氣泵b為兩個型號都為aco-012a的電磁式空氣泵。

所述的水平段外管上設置有穿過水平段外管且與水平段內管相連的吊環。

所述的垂直段直角擴徑段也可由垂直段圓弧擴徑段或垂直段45°斜角擴徑段代替。

所述的斜井段直角擴徑段也可由斜井段圓弧擴徑段或斜井段45°斜角擴徑段代替。

所述的水平段直角擴徑段也可由水平段圓弧擴徑段和水平段45°斜角擴徑段代替。本發明具有以下優點：本發明使用方便快捷，整個實驗對水、尼龍顆粒和巖屑顆粒進行回收循環利用，節約資源；能很好的模擬天然氣水合物鑽水平井直井段、斜井段和水平段三種擴徑段流場流動變化規律，通過計算機監測系統能實時的監測到整個實驗過程中壓力和速度變化情況並得到關係曲線圖。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2是垂直段圓弧擴徑段的結構示意圖；

圖3是垂直段45°斜角擴徑段的結構示意圖；

圖4是斜井段圓弧擴徑段的結構示意圖；

圖5是斜井段45°斜角擴徑段的結構示意圖；

圖6是水平段圓弧擴徑段的結構示意圖；

圖7是水平段45°斜角擴徑段的結構示意圖；

圖中，1-計算機監測系統，2-電磁式空氣泵a，3-球閥a，4-氣體流量計a，5-壓力傳感器，6-套管接頭a，7-混合物進口，8-巖屑漏鬥，9-尼龍漏鬥，10-顆粒儲集室，11-球閥b，12-液體流量計，13-水泵，14-貯水槽，15-氣液固三相分離器，16-混合物出口，17-垂直段外管，18-垂直段直角擴徑段，19-垂直段內管，20-法蘭接頭a，21-流化床乾燥器，22-尼龍收集桶，23-巖屑收集桶，24-高速攝像機，25-斜井段外管，26-斜井段內管，27-斜井段直角擴徑段，28-法蘭接頭b，29-水平段直角擴徑段，30-吊環，31-鑽頭，32-速度傳感器，33-進氣口，34-球閥c，35-氣體流量計b，36-電磁式空氣泵b，37-底座，38-垂直段圓弧擴徑段，39-垂直段45°斜角擴徑段，40-斜井段圓弧擴徑段，41-斜井段45°斜角擴徑段，42-水平段圓弧擴徑段，43-水平段45°斜角擴徑段。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的描述，本發明的保護範圍不局限於以下所述：

如圖1所示，一種模擬天然氣水合物鑽井多種擴徑段流動狀態變化實驗裝置，它包括從上往下順次連接的混合物進口7、套管接頭a6、垂直段外管17、法蘭接頭a20、斜井段外管25、法蘭接頭b28、水平段外管和套管接頭b，所述垂直段外管17內設置有垂直段內管19，斜井段外管25內設置有斜井段內管26，水平段外管內設置有水平段內管，水平段內管的一端與鑽頭31連接，其另一端與斜井段內管26連接，斜井段內管26另一端與垂直段內管19連接，垂直段內管19的另一端與混合物進口7連接，所述的垂直段外管17柱面上設置有垂直段直角擴徑段18和位於垂直段直角擴徑段18上方的混合物出口16，斜井段外管25柱面上設置有斜井段直角擴徑段27，水平段外管柱面上設置有水平段直角擴徑段29，所述的套管接頭a6的下部設置有壓力傳感器5，套管接頭b的左側設置有速度傳感器32，管套接頭b上設置有進氣口33。所述的垂直段內管19、斜井段內管26和水平段內管用於模擬實際工況下的鑽杆；所述的垂直段直角擴徑段18、斜井段直角擴徑段27和水平段直角擴徑段29用於模擬實際工況下產生擴徑後的擴徑段。所述的鑽頭31的直徑為0.1524m；所述的擴徑段擴徑率都為1.5，擴徑段長度都為3m，所有內管直徑都為0.127m，外管未擴徑段直徑為0.2159m，擴徑段直徑為0.32385m。整個實驗裝置的高15m，長10m，垂直段外管17、垂直段內管19、斜井段內管26、水平段內管與外管都採用高強度耐高壓pc管制作而成，承壓能力10mpa；只有斜井段外管25採用耐高壓聚酯軟管制作而成，承壓能力15mpa。

如圖1所示，它還包括計算機監測系統1和氣液固三相分離器15，所述計算機監測系統1與壓力傳感器5和速度傳感器32電連接，壓力傳感器5能夠實時將流體壓力信號轉換為電信號傳遞給計算機監測系統1，速度傳感器32能夠實時將從鑽頭31流出流體的速度信號轉換為電信號傳遞給計算機監測系統1。

所述氣液固三相分離器15的左埠與混合物出口16連接，氣液固三相分離器15的右埠與混合物進口7之間順次連接有貯水槽14、水泵13、液體流量計12和球閥b11，所述球閥b11與混合物進口7之間節點處連接有顆粒儲集室10，顆粒儲集室10頂部設置有與其連接的巖屑漏鬥8和尼龍漏鬥9，所述氣液固三相分離器15的下埠連接有流化床乾燥器21，流化床乾燥器21的底部連接有尼龍收集桶22和巖屑收集桶23。所述的巖屑漏鬥8內盛裝有巖屑顆粒，用於模擬實際工況下鑽井過程中產生的巖屑；所述的尼龍漏鬥9內盛裝有尼龍顆粒，用於模擬實際工況下的天然氣水合物顆粒；所述的貯水槽14內的水用於模擬實際工況下的鑽井液；尼龍和巖屑顆粒平均粒徑可為1mm、2mm、3mm、4mm、5mm這五種直徑顆粒。

如圖1所示，它還包括電磁式空氣泵a2、電磁式空氣泵b36和高速攝像機24，所述電磁式空氣泵a2的輸出口連接有分流管，所述垂直段直角擴徑段18的上下端分別連接有氣體流動管，斜井段直角擴徑段27的上、中、下端分別連接有氣體流動管，水平段直角擴徑段29底部的左、右端分別連接有氣體流動管，七根氣體流動管均與分流管連接，氣體流動管由順次連接的球閥a3和氣體流量計a4組成，所述的電磁式空氣泵b36與進氣口33之間順次連接有氣體流量計b35和球閥c34。所述的電磁式空氣泵b36提供的氣體模擬實際工況下鑽水平井過程中天然氣水合物分解出的氣體；電磁式空氣泵a2提供的氣體模擬實際工況下天然氣水合物隨鑽井液環空上返過程中分解出的氣體；不同高度的氣體流動管用於模擬實際工況下天然氣水合物隨著鑽井液環空上返分解量的不斷增加。

如圖1所示，所述的水平段直角擴徑段29的底部設置有底座37。所述的球閥a3、球閥b11和球閥c34均為相同規格的球閥，電磁式空氣泵a2和電磁式空氣泵b36為兩個型號都為aco-012a的電磁式空氣泵。所述的水平段外管上設置有穿過水平段外管且與水平段內管相連的吊環30。

如圖2~3所示，所述的垂直段直角擴徑段18也可由垂直段圓弧擴徑段38或垂直段45°斜角擴徑段39代替。如圖4~5所示，所述的斜井段直角擴徑段27也可由斜井段圓弧擴徑段40或斜井段45°斜角擴徑段41代替。如圖6~7所示，所述的水平段直角擴徑段29也可由水平段圓弧擴徑段42和水平段45°斜角擴徑段43代替。

本發明的工作過程如下：它包括以下步驟：

s1、初始狀態下所有閥門處於關閉狀態，打開球閥b11和水泵13，貯水槽14內的水流出後依次通過水泵13加壓、液體流量計12計量後從混合物進口7進入垂直段內管19，水順次流經垂直段內管19、斜井段內管26、水平段內管，最終從鑽頭31流出；

s2、水從鑽頭31中流出後，環空往上經混合物出口16流出，流出後進入氣液固三相分離器15內，當計算機監測系統1檢測到壓力傳感器5上顯示的壓力數值趨於穩定時，打開顆粒儲集室10，平均粒徑為1mm的巖屑顆粒和尼龍顆粒一起隨步驟s1中的水從混合物進口7進入垂直段內管19中，巖屑顆粒、尼龍顆粒和水組成的混合料從鑽頭31流出；

s3、打開電磁式空氣泵b36，電磁式空氣泵b36產生的氣體經氣體流量計b35、球閥c34進入水平段直角擴徑段29中，隨後調節球閥c34開度的大小，使進氣量保持在0.05m3/h，觀察實驗現象，調節球閥b11開度的大小觀察水平段直角擴徑段29內在何時形成巖屑床，當形成巖屑床時，立刻在計算機監測系統1上記錄混合料的壓力值和速度值，所記錄的流速值即為水平段直角擴徑形成巖屑床的臨界流速；

s4、調節球閥b11開度的大小，觀察水平段直角擴徑段29內在何時巖屑床被攜帶完全，當巖屑床被攜帶完全時，立刻在計算機監測系統1上記錄混合料的壓力值和速度值，所記錄的流速值即為水平段直角擴徑不會形成形巖屑床的臨界流速；

s5、步驟s3和s4中的水、巖屑顆粒、尼龍顆粒和氣體一起從環空往上流動，當混合料和氣體順次經過斜井段直角擴徑段27和垂直段直角擴徑段18後，混合料和氣體從混合物出口16流出並進入氣液固三相分離器15，氣液固三相分離器15對混合料和氣體進行分離，分離出的氣體流入大氣，分離出的水流入貯水槽14進行重新循環使用，分離出的固體進入流化床乾燥器21進行乾燥，乾燥後進入尼龍收集桶22和巖屑收集桶23內，實現對巖屑和尼龍的重新循環使用；

s6、更換顆粒儲集室10內巖屑顆粒和尼龍顆粒的粒徑，巖屑顆粒和尼龍顆粒的平均粒徑為2mm，重複步驟s1~s5，並分別記錄水平段直角擴徑形成巖屑床的臨界流速和巖屑床被攜帶完全時的臨界流速；依次更換顆粒儲集室10內巖屑顆粒和尼龍顆粒的平均粒徑，用平均粒徑分別為3mm、4mm、5mm進行實驗，最終把不同粒徑的巖屑顆粒和尼龍顆粒對應的水平段直角擴徑形成巖屑床的臨界流速和巖屑床被攜帶完全時的臨界流速，繪製不同粒徑巖屑顆粒和尼龍顆粒與水平段直角擴徑形成巖屑床的臨界流速和巖屑床被攜帶完全臨界流速的關係曲線；

s7、將垂直段直角擴徑段18分別更換為垂直段圓弧擴徑段38和垂直段45°斜角擴徑段39進行重複以上實驗，可觀察到垂直段不同擴徑方式內的流場流動狀態變化規律；將斜井段直角擴徑段27分別更換為斜井段圓弧擴徑段40和斜井段45°斜角擴徑段41進行重複以上實驗，可觀察到斜井段不同擴徑方式內的流場流動狀態變化規律；將水平段直角擴徑段29分別更換為水平段圓弧擴徑段42和水平段45°斜角擴徑段43進行重複以上實驗，可觀察到水平段不同擴徑方式內的流場流動狀態變化規律；將直井段、斜井段和水平段的三種擴徑方式進行兩兩組合，可得到27種組合，對這27種組合分別進行重複以上實驗並記錄實驗數據，最終可得到不同擴徑組合方式下水平段不同擴徑形式形成巖屑床的臨界流速和巖屑床被攜帶完全時的臨界流速關係曲線，共27個關係曲線圖。

本實驗裝置在實驗過程中通過壓力傳感器5和速度傳感器32的電信號傳回計算機監測系統1，對整個實驗過程中的壓力和速度進行實時監測並記錄實驗數據，對繪製關係曲線提供依據；實驗過程中對水、尼龍和巖屑都進行回收重複使用，不會對水資源和實驗材料造成浪費，節約資源；整個實驗通過高速攝像機24對實驗過程中產生的實驗現象進行記錄，其實驗結果與實驗現象將對天然氣水合物鑽井過程中擴徑段流場流動規律的研究提供依據。