用於模擬評價測量鑽井液沉降穩定性的裝置的製作方法

2023-05-08 01:07:36 1

專利名稱：用於模擬評價測量鑽井液沉降穩定性的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種模擬評價測量裝置，特別涉及一種用於模擬評價測量鑽井液沉降穩定性的裝置。屬於鑽井工程領域。
背景技術：
隨著深井、超深井鑽井技術的發展，鑽井過程中所遇到的高壓、鹽巖及多壓力系統等複雜的地層情況不斷增多，鑽井作業中採用高密度鑽井液施工的情況也越來越多。高密度鑽井液中含有大量的固相加重材料，並且隨著密度的升高，單位體積鑽井液中所含的加重材料也顯著上升，這種情況不但會導致鑽井液流動性變差，粘度和切力上升，循環時內摩擦力成倍地增大，而且會帶來固相加重材料發生沉降的風險。一旦加重鑽井液受到汙染(如鑽遇巖鹽、石膏、高礦化度地層水等情況)，或者日常施工中維護不當等都會導致鑽井液體系的膠體穩定性發生改變，致使體系的膠體穩定性出現不同程度的下降，嚴重時甚至會導致體系喪失懸浮穩定性，進而發生固相加重材料的沉降。如果這種情況發生在鑽具鑽進的過程中或鑽具尚未從井筒中提出時，會導致下部鑽具被固相加重材料淤埋，釀成嚴重的工程事故。一般而言，在鑽井液膠體穩定性受到破壞導致加重劑發生沉降時，井筒內鑽具受到的摩擦阻力與沉降的規模(加重劑沉澱的數量)、沉降時間以及加重劑的種類都有很大關係，沉降規模越大，發生沉降後鑽具靜置的時間越長，鑽具上提時所受到的摩擦阻力越大；加重劑密度越高，發生沉降以後沉澱層的硬度也越大，例如使用鐵礦粉加重的鑽井液發生沉降的風險就高於使用重晶石加重的鑽井液，並且在沉降以後破壞鐵礦粉沉積層所需的作用力也比重晶石沉積層高許多。由此可見如果能夠有效地測定各種情況下上提鑽具所遭遇的阻力的情況，進而明確不同因素對鑽具上提阻力的影響規律，不但能夠減少或避免因加重劑沉降引起的鑽具粘附的情況，對於加重材料的優選以及在施工現場制定合理的技術措施也具有重大的技術指導意義。針對高密度鑽井完井液由於密度升高而導致的流變性能、沉降穩定性等的變化情況，目前已經具有專門的測量評價裝置來測評其技術指標。然而，對於使用高密度鑽井完井液時可能發生的由固相沉降所引發的摩擦力(粘滯力)增大的情況，還沒有專門的測定儀器。考慮到目前在鑽井作業現場使用高密度鑽井完井液時由於加重劑沉降而引發的卡鑽事故的處理情況，由於缺乏明確的關於固相沉降所造成的摩擦阻力/吸附力的變化情況的模擬評價數據，現場制定出的相關技術措施無法保證實施效果，並且也無法定性地掌握和評價相關因素對摩擦力(粘滯力或吸附力)的變化的影響。

實用新型內容為了解決上述現有技術中的問題，本實用新型提出了一種用於模擬評價測量鑽井液沉降穩定性的裝置。本實用新型的目的在於提供一種用於測定鑽井工作液中固體加重材料發生沉降時的鑽具提升摩擦阻力的模擬裝置。本裝置通過多個模擬的部件來模擬真實的鑽井環境，從而測定鑽具在不同狀態(靜止或運動)時所受到的摩擦阻力的大小。本裝置測定和評價的內容包括但不限於①不同密度的鑽井液沉降時的摩擦阻力摩擦阻力隨沉降時間的變化；③不同狀態下最大摩擦阻力的變化加重材料粒徑對摩擦阻力的影響幅度。本領域技術人員熟知以上參數能夠協助評價測量鑽井液的沉降穩定性。因此通過本裝置測得的這些參數對於鑽井液的穩定性能的評價和加重材料的優化能夠提供較好的參考。本實用新型提出了一種用於模擬評價測量鑽井液沉降穩定性的裝置，包括試驗臺架，其包括底座和固定在底座上的吊臂；筒狀的模擬井筒，其固定於實驗臺架的底座上；柱狀的模擬鑽具，其插入到模擬井筒中；用於為模擬鑽具提供提升動力的動力提升單元；以及能夠測量模擬鑽具受到的力的測量單元。在一個實施例中，測量單元設置在模擬鑽具和動力提升單元之間。在一個實施例中，動力提升單元包括電機和沿著吊臂布置的繩索，該繩索一端與電機相連，另一端與測量單元相連。在一個實施例中，動力提升單元的繩索通過滑輪沿著實驗臺架的吊臂布置。在一個實施例中，模擬井筒包括多個具有相同直徑的圓筒部分，模擬鑽具包括多個具有不同直徑的柱體。在一個實施例中，模擬鑽具底面上布置有多個凸起。在一個實施例中，根據本實用新型的裝置還包括與測量單元相連接的數據記錄與處理單元。在一個實施例中，模擬井筒與底座均設有法蘭盤，井筒的法蘭盤和底座的法蘭盤通過至少兩個在周向上均勻間隔開的螺栓彼此固定。在一個實施例中，模擬井筒的每個圓筒部分在其外側設置有兩個對稱的手柄。在一個實施例中，電機固定在實驗臺架的底座上。根據本實用新型的裝置能夠用於測定石油鑽井(或地質鑽探)領域以及相關領域所使用的鑽井工作液的固相沉降吸附力，例如可以模擬現場實際情況測定和評價在高密度(例如P >1. 50kg/L)流體的狀態發生改變時井筒中鑽具摩阻的受影響程度，測定分析結果可以為鑽井工作液配方的優化、加重材料的優選、使用效果的評價以及現場制定作業措施等提供合理的參考與評估數據。根據本實用新型的裝置可根據具體的需要對模擬井筒及模擬鑽具進行組合；各部分之間可以通過專門設計的手柄、掛鈎連接件等快速拆裝；模擬鑽具底部與模擬井筒底部採用點接觸，以減小起始測量誤差；綜上所述，整套裝置結構簡單、實用性強、安裝操作方便。同時，通過根據本實用新型的裝置，能夠為在鑽井工作現場制定事故應對計劃提供非常好的參考，也能夠幫助選擇最佳的鑽井工作液。
以下結合附圖來對本實用新型進行詳細的說明。然而應當理解，這些附圖僅用於顯示本實用新型的結構，並不對本實用新型起任何限制作用。

圖1為根據本實用新型的用於模擬評價測量鑽井液沉降穩定性的裝置的示意圖；圖2為根據本實用新型的用於模擬評價測量鑽井液沉降穩定性的裝置的實驗臺架的俯視圖；[0020]圖3為根據本實用新型的用於模擬評價測量鑽井液沉降穩定性的裝置的模擬井筒的分解示意圖；圖4為根據本實用新型的用於模擬評價測量鑽井液沉降穩定性的裝置的模擬鑽具的不意圖；圖5為根據本實用新型的用於模擬評價測量鑽井液沉降穩定性的裝置的模擬鑽具的分解示意圖；圖6為根據本實用新型的用於模擬評價測量鑽井液沉降穩定性的裝置的模擬井筒和模擬鑽具的組合的示意圖。
具體實施方式
下面將參照附圖對本實用新型進行詳細的說明。圖1示意性顯示了根據本實用新型的用於模擬評價測量鑽井液沉降穩定性的裝置100。裝置100包括具有底座和固定在底座上的吊臂的實驗臺架I。實驗臺架I用於支撐實驗所需的裝置100的其它重要部件以及作為實驗對象的工作液。在實驗臺架I的底座上固定有電機19，用來在實驗過程中提供動力。實驗臺架I的吊臂頂部設置有例如兩個軸承座，用來固定裝置100的動力提升單元5的繩索。裝置100還包括固定在實驗臺架I的底座上的模擬井筒2。模擬井筒2用於模擬真實鑽井過程中的井筒環境。模擬井筒2中盛放需要進行實驗的工作液。用來模擬鑽具的豐吳擬鑽具3插入到|吳擬井筒2中。圖2示意性地從俯視視角顯示了實驗臺架I。如圖2所示，實驗臺架I的底座上安裝有帶有快速鎖緊螺栓17的下法蘭盤18，其尺寸與圖3所具體展示的模擬井筒2的底座8上的上法蘭盤7相適配。將實驗臺架I上的下法蘭盤18與模擬井筒2的底座8上的上法蘭盤7的位置對準後，通過快速鎖緊螺栓17將它們鎖緊，則可將模擬井筒2固定於實驗臺架I上。快速鎖緊螺栓17可以設置為至少兩個，並且在周向上均勻間隔開。圖3分解地顯示了模擬井筒2的結構。模擬井筒2由底座8和多段大致等長的圓筒部分9組成。模擬井筒2的底座8底部具有上法蘭盤7，用於如上所述地將模擬井筒2固定在實驗臺架I上。模擬井筒2在底座8的靠近底部的位置處布置有例如球閥的閥門11，用於在實驗結束以後清除模擬井筒2中殘留的工作液。模擬井筒2的各圓筒部分9之間以密封的方式通過螺紋或法蘭相連接。在每段圓筒部分9的外側中部設計有兩個對稱的手柄10，用於方便地拆卸或組裝模擬井筒2。組裝好的井筒2的圓筒部分9的組合與模擬井筒2的底座8固定為一體，從而共同固定在實驗臺架I的底座上，防止操作時的晃動影響測量結果的準確性。模擬井筒2的內部插入有模擬鑽具3。圖4顯示了模擬鑽具3的整體示意圖。圖5顯示了模擬鑽具3的分解示意圖。模擬鑽具3主要包括具有不同直徑的可以是鋼柱的柱體，鋼柱的外徑參照實際井眼與鑽柱的尺寸關係按比例縮小設置，主要用來模擬鑽頭、鑽鋌和部分鑽杆。參照圖5，模擬鑽頭12、模擬鑽鋌13、模擬扶正器14與模擬鑽杆15等各部分彼此間通過絲扣連接，可以根據實驗的需要靈活組合。模擬鑽頭12的底面上具有多個(例如3至12個)錐形或圓柱狀的凸起，用於消除界面吸附效應造成的影響；模擬鑽杆15的頂部設計一個固定圓環(即圖6中所示的模擬鑽具提升環16)，用於和其它單元相連接(在本實施例中，與測量單元4相勾連)。在圖1所示的例子中，測量單元4位於模擬鑽具3之上。測量單元4包括用來與模擬鑽杆3勾連的掛鈎，拉力傳感器，數據傳輸線。在不同的實施例中，測量單元4也可根據需要設計為拉力計或帶有數據輸出功能的其他拉力測量元件。參照圖1，根據本實用新型的裝置100還包括數據記錄與處理單元6。數據記錄與處理單元6通過數據線與測量單元4相連接，用於記錄與處理測量單元4所測得的模擬鑽具3在提升過程中的摩擦力參數。在不同的實施例中，數據記錄與處理單元6也可通過無線方式讀取測量單元4所測得的信息。裝置100還包括為實驗提供動力的動力提升單元5。動力提升單元5包括電機19和沿著實驗臺架I的吊臂布置的繩索。繩索的一端與測量單元4相連接，另一端與電機19相連接。通過電機19可手動或通過計算機控制動力提升單元5的功率，從而通過繩索控制模擬鑽具3的提升速度。動力提升單元5的繩索可以例如通過滑輪機構相對固定的試驗臺架I移動。電機19可以為數控式變頻電機。參照圖6，實驗時可以根據需要通過任意方式將模擬井筒2和模擬鑽具3進行組合。模擬鑽具3通過頂部的掛環與測量單元4相連接，測量單元4則與位於其上部的動力提升單元5的繩索例如通過掛鈎連接。實驗操作時產生的拉力信號通過數據線(或以無線方式)連續輸入數據記錄與處理單元6中進行記錄和處理，供研究和分析使用。之後便可以通過數據記錄與處理單元6中的關於鑽具提升力的數據的處理結果來評價測量鑽井液的沉降穩定性。關於如何通過所測得的關於摩擦力的參數來評價測量鑽井液的沉降穩定性，本領域技術人員對此熟知，故本說明書中不再贅述。根據本實用新型，在進行實驗時，首先將模擬井筒2的底座8固定在實驗臺架I的底座上。然後根據實驗的需要將其它模擬井筒2的圓筒部分9連接固定好。在模擬井筒2中加入一定量的待測工作液，之後將模擬鑽具3放入模擬井筒2中。將模擬鑽具3頂部的模擬鑽具提升環16與測量單元4下部的掛鈎連接好，並將測量單元4與動力提升單元5的繩索部分連接好，完成準備程序。按照實驗 設計靜置一定的時間，啟動電機19拉動模擬鑽具3上升，通過測量單元4測量提拉力的變化情況，並將數據儲存於測量單元4中。裝置100可根據需要多次重複上提下放的實驗過程。最後通過數據記錄與處理單元6對數據進行記錄和處理，從而評價測量鑽井液的 沉降穩定性。下面為使用根據本實用新型的裝置100進行的數次實驗的實驗結果。(I)測量不同加重材料對提拉摩阻的影響配方A :聚磺鑽井液體系+重晶石(細度150目)，加重至2. 50kg/l ；配方B :聚磺鑽井液體系+重晶石(細度250目)，加重至2. 50kg/l ；配方C :聚磺鑽井液體系+鐵礦粉(細度250目)，加重至2. 50kg/l ；配方D :聚磺鑽井液體系+鐵礦粉(細度500目)，加重至2. 50kg/l。表I使用不同加重劑的鑽井液配方靜置4h後的提拉力變化情況
權利要求1.一種用於模擬評價測量鑽井液沉降穩定性的裝置，包括試驗臺架，其包括底座和固定在底座上的吊臂；筒狀的模擬井筒，其固定於所述實驗臺架的所述底座上；柱狀的模擬鑽具，其插入到所述模擬井筒中；用於為所述模擬鑽具提供提升動力的動力提升單元；以及能夠測量所述模擬鑽具受到的力的測量單元。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述測量單元設置在所述模擬鑽具和所述動力提升單元之間。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述動力提升單元包括電機和沿著所述吊臂布置的繩索，所述繩索一端與所述電機相連，另一端與所述測量單元相連。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述模擬井筒包括多個具有相同直徑的圓筒部分，所述模擬鑽具包括多個具有不同直徑的柱體。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述模擬鑽具底面上布置有多個凸起。
6.根據權利要求1到5中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括與所述測量單元相連接的數據記錄與處理單元。
7.根據權利要求1到5中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述模擬井筒與所述底座均設有法蘭盤，所述模擬井筒的法蘭盤和所述底座的法蘭盤通過至少兩個在周向上均勻間隔開的螺栓彼此固定。
8.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述模擬井筒的每個所述圓筒部分在其外側設置有兩個對稱的手柄。
9.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述動力提升單元的所述繩索通過滑輪沿著所述實驗臺架的所述吊臂布置。
10.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述電機固定在所述實驗臺架的所述底座上。
專利摘要本實用新型提出了一種用於模擬評價測量鑽井液沉降穩定性的裝置，屬於鑽井技術領域。該裝置包括試驗臺架，其包括底座和固定在底座上的吊臂；筒狀的模擬井筒，其固定於實驗臺架的底座上；柱狀的模擬鑽具，其插入到模擬井筒中；用於為模擬鑽具提供提升動力的動力提升單元；以及能夠測量模擬鑽具受到的力的測量單元。根據本實用新型的裝置裝配簡單靈活，成本低廉，能夠評價測量鑽井液的沉降穩定性，填補了現有技術中的空白。
文檔編號G01N33/00GK202886356SQ20122061026
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月16日 優先權日2012年11月16日
發明者林永學, 蔡利山, 楊小華, 任立偉, 梅春桂, 柴龍, 王琳 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院