[发明专利]大位移井岩屑床特征的影响模拟装置与模拟方法

说明书

本发明提供一种大位移井岩屑床特征的影响模拟装置与模拟方法，包括模拟井筒，模拟井筒进水端部设有井筒举升装置；水池与模拟井筒进水端通过管道连接，管道上依次设有循环泵、流量计、岩屑罐；岩屑罐上设有进料控制阀门；模拟井筒另一端为出水端，通过管道连接到水池内，并且设有岩屑滤网；钻杆深入到模拟井筒内，钻杆与电动机连接；模拟井筒上设有偏心调节装置、压力计、超声波探头、高速摄像机。本发明钻杆的偏心度、转速、排量均可调；可连续添加岩屑，形成岩屑床，并且添加速度可控，用于模拟机械钻速；可合理控制排量和钻杆转速，使其形成稳定岩屑床或不形成岩屑床，监测有无岩屑床的ECD和扭矩。

技术领域

本发明提供一种大位移井岩屑床特征的影响模拟装置与模拟方法，属于钻井技术领域。

背景技术

大位移井通常定义为水平位移与垂直深度之比大于2.0的井。由于其大斜度段和长水平段，岩屑极易在环空底部积聚成床，导致憋泵、卡钻等事故，影响钻井施工安全和钻井时效。在实际钻进过程中，岩屑床特征会直接影响当量循环密度(ECD)及钻杆扭矩的数据：岩屑床的形成会导致钻井液在井眼周围形成一定的压力，从而增加ECD。这可能会导致井壁不稳定，导致井壁塌陷或钻头卡住，从而影响钻井进程；岩屑床的形成会导致钻杆在穿过井底时受到较大的摩擦力，从而导致钻杆扭矩增加。这可能会导致钻杆扭曲或断裂，从而影响钻井进程。因此，对大位移井进行井眼不清洁的早期识别至关重要，是减少类似井下事故的关键。

CN202023242222.4提供一种模拟水平井段岩屑床对钻柱摩擦扭矩影响的装置，该装置能够模拟不同转速、不同钻柱的推进速度下的钻柱摩擦扭矩，通过调整岩屑床的厚度，进而模拟岩屑床对钻柱的摩擦扭矩影响。CN202022189176.X、CN202011052842.3提供一种基于压力差判别岩屑床平均厚度的模拟实验装置和方法，根据相邻两个压力计之间的压力差来计算模拟井筒内该相邻两个压力计所对应区域岩屑床的平均厚度。CN202022185283.5提供一种基于测量流体速度判别岩屑床厚度的模拟实验装置，测量模拟井筒不同位置处的流体速度，并建立流速和岩屑床厚度之间的关系。

上述技术的存在以下缺点：

(1)设计的实验装置的大小按实际比例缩小或未参考真实钻井尺寸，无法准确展示岩屑床形成，工艺参数也受实验装置限制。

(2)影响因素单一，只研究岩屑床对钻杆扭矩的影响，或对环空压力的影响。

(3)岩屑在模拟井筒中轴向分布不均匀，不适用于研究岩屑床厚度对ECD和摩擦扭矩的影响。

发明内容

针对上述大位移井井下钻进过程中极易形成岩屑堆积，而岩屑床特征会直接影响当量循环密度(ECD)与钻杆扭矩的数据的特性。本发明基于全尺寸井筒装置，可以连续添加岩屑，合理控制排量和钻杆转速，使其不形成岩屑床或形成稳定而连续岩屑床。从而研究不同工况下，有无岩屑床对ECD及钻杆扭矩数据的影响，用于修正ECD和扭矩，在实际应用中通过ECD及钻杆扭矩反演大位移井岩屑床特征，在岩屑床早期形成时预警，做出及时、准确的判断。该实验装置可以开展不同井斜角、排量、钻杆转速、偏心度、机械钻速、钻井液、岩屑颗粒下的岩屑床厚度实验，修正回归出适合水平段的岩屑床厚度模型。同时，该实验装置也可开展不同工况下的岩屑床清除实验，对岩屑床清除效果进行评价。

具体技术方案为：

大位移井岩屑床特征的影响模拟装置，包括模拟井筒，模拟井筒上半井壁使用透明有机玻璃，下半井壁水泥浇筑模拟井壁粗糙度；

模拟井筒进水端部设有井筒举升装置；水池与模拟井筒进水端通过管道连接，管道上依次设有循环泵、流量计、岩屑罐；岩屑罐上设有进料控制阀门；循环泵上的第一变频器、进料控制阀门上的第二变频器均与计算机连接；

模拟井筒另一端为出水端，通过管道连接到水池内，并且设有岩屑滤网；钻杆深入到模拟井筒内，钻杆与电动机连接；电动机的第三变频器与计算机连接；