CN202886356U - 用于模拟评价测量钻井液沉降稳定性的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种用于模拟评价测量钻井液沉降稳定性的装置，属于钻井技术领域。该装置包括：试验台架，其包括底座和固定在底座上的吊臂；筒状的模拟井筒，其固定于实验台架的底座上；柱状的模拟钻具，其插入到模拟井筒中；用于为模拟钻具提供提升动力的动力提升单元；以及能够测量模拟钻具受到的力的测量单元。根据本实用新型的装置装配简单灵活，成本低廉，能够评价测量钻井液的沉降稳定性，填补了现有技术中的空白。

Description

用于模拟评价测量钻井液沉降稳定性的装置

技术领域

本实用新型涉及一种模拟评价测量装置，特别涉及一种用于模拟评价测量钻井液沉降稳定性的装置。属于钻井工程领域。

背景技术

随着深井、超深井钻井技术的发展，钻井过程中所遇到的高压、盐岩及多压力系统等复杂的地层情况不断增多，钻井作业中采用高密度钻井液施工的情况也越来越多。高密度钻井液中含有大量的固相加重材料，并且随着密度的升高，单位体积钻井液中所含的加重材料也显著上升，这种情况不但会导致钻井液流动性变差，粘度和切力上升，循环时内摩擦力成倍地增大，而且会带来固相加重材料发生沉降的风险。一旦加重钻井液受到污染（如钻遇岩盐、石膏、高矿化度地层水等情况），或者日常施工中维护不当等都会导致钻井液体系的胶体稳定性发生改变，致使体系的胶体稳定性出现不同程度的下降，严重时甚至会导致体系丧失悬浮稳定性，进而发生固相加重材料的沉降。如果这种情况发生在钻具钻进的过程中或钻具尚未从井筒中提出时，会导致下部钻具被固相加重材料淤埋，酿成严重的工程事故。一般而言，在钻井液胶体稳定性受到破坏导致加重剂发生沉降时，井筒内钻具受到的摩擦阻力与沉降的规模（加重剂沉淀的数量）、沉降时间以及加重剂的种类都有很大关系，沉降规模越大，发生沉降后钻具静置的时间越长，钻具上提时所受到的摩擦阻力越大；加重剂密度越高，发生沉降以后沉淀层的硬度也越大，例如使用铁矿粉加重的钻井液发生沉降的风险就高于使用重晶石加重的钻井液，并且在沉降以后破坏铁矿粉沉积层所需的作用力也比重晶石沉积层高许多。由此可见如果能够有效地测定各种情况下上提钻具所遭遇的阻力的情况，进而明确不同因素对钻具上提阻力的影响规律，不但能够减少或避免因加重剂沉降引起的钻具粘附的情况，对于加重材料的优选以及在施工现场制定合理的技术措施也具有重大的技术指导意义。

针对高密度钻井完井液由于密度升高而导致的流变性能、沉降稳定性等的变化情况，目前已经具有专门的测量评价装置来测评其技术指标。然而，对于使用高密度钻井完井液时可能发生的由固相沉降所引发的摩擦力（粘滞力）增大的情况，还没有专门的测定仪器。考虑到目前在钻井作业现场使用高密度钻井完井液时由于加重剂沉降而引发的卡钻事故的处理情况，由于缺乏明确的关于固相沉降所造成的摩擦阻力/吸附力的变化情况的模拟评价数据，现场制定出的相关技术措施无法保证实施效果，并且也无法定性地掌握和评价相关因素对摩擦力（粘滞力或吸附力）的变化的影响。

实用新型内容

为了解决上述现有技术中的问题，本实用新型提出了一种用于模拟评价测量钻井液沉降稳定性的装置。本实用新型的目的在于提供一种用于测定钻井工作液中固体加重材料发生沉降时的钻具提升摩擦阻力的模拟装置。本装置通过多个模拟的部件来模拟真实的钻井环境，从而测定钻具在不同状态（静止或运动）时所受到的摩擦阻力的大小。本装置测定和评价的内容包括但不限于：①不同密度的钻井液沉降时的摩擦阻力；②摩擦阻力随沉降时间的变化；③不同状态下最大摩擦阻力的变化；④加重材料粒径对摩擦阻力的影响幅度。本领域技术人员熟知：以上参数能够协助评价测量钻井液的沉降稳定性。因此通过本装置测得的这些参数对于钻井液的稳定性能的评价和加重材料的优化能够提供较好的参考。

本实用新型提出了一种用于模拟评价测量钻井液沉降稳定性的装置，包括：试验台架，其包括底座和固定在底座上的吊臂；筒状的模拟井筒，其固定于实验台架的底座上；柱状的模拟钻具，其插入到模拟井筒中；用于为模拟钻具提供提升动力的动力提升单元；以及能够测量模拟钻具受到的力的测量单元。

在一个实施例中，测量单元设置在模拟钻具和动力提升单元之间。

在一个实施例中，动力提升单元包括电机和沿着吊臂布置的绳索，该绳索一端与电机相连，另一端与测量单元相连。在一个实施例中，动力提升单元的绳索通过滑轮沿着实验台架的吊臂布置。

在一个实施例中，模拟井筒包括多个具有相同直径的圆筒部分，模拟钻具包括多个具有不同直径的柱体。

在一个实施例中，模拟钻具底面上布置有多个凸起。

在一个实施例中，根据本实用新型的装置还包括与测量单元相连接的数据记录与处理单元。

在一个实施例中，模拟井筒与底座均设有法兰盘，井筒的法兰盘和底座的法兰盘通过至少两个在周向上均匀间隔开的螺栓彼此固定。

在一个实施例中，模拟井筒的每个圆筒部分在其外侧设置有两个对称的手柄。

在一个实施例中，电机固定在实验台架的底座上。

根据本实用新型的装置能够用于测定石油钻井（或地质钻探）领域以及相关领域所使用的钻井工作液的固相沉降吸附力，例如可以模拟现场实际情况测定和评价在高密度（例如ρ＞1.50kg/L）流体的状态发生改变时井筒中钻具摩阻的受影响程度，测定分析结果可以为钻井工作液配方的优化、加重材料的优选、使用效果的评价以及现场制定作业措施等提供合理的参考与评估数据。

根据本实用新型的装置可根据具体的需要对模拟井筒及模拟钻具进行组合；各部分之间可以通过专门设计的手柄、挂钩连接件等快速拆装；模拟钻具底部与模拟井筒底部采用点接触，以减小起始测量误差；综上所述，整套装置结构简单、实用性强、安装操作方便。

同时，通过根据本实用新型的装置，能够为在钻井工作现场制定事故应对计划提供非常好的参考，也能够帮助选择最佳的钻井工作液。

附图说明

以下结合附图来对本实用新型进行详细的说明。然而应当理解，这些附图仅用于显示本实用新型的结构，并不对本实用新型起任何限制作用。

图1为根据本实用新型的用于模拟评价测量钻井液沉降稳定性的装置的示意图；

图2为根据本实用新型的用于模拟评价测量钻井液沉降稳定性的装置的实验台架的俯视图；

图3为根据本实用新型的用于模拟评价测量钻井液沉降稳定性的装置的模拟井筒的分解示意图；

图4为根据本实用新型的用于模拟评价测量钻井液沉降稳定性的装置的模拟钻具的示意图；

图5为根据本实用新型的用于模拟评价测量钻井液沉降稳定性的装置的模拟钻具的分解示意图；

图6为根据本实用新型的用于模拟评价测量钻井液沉降稳定性的装置的模拟井筒和模拟钻具的组合的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图对本实用新型进行详细的说明。

图1示意性显示了根据本实用新型的用于模拟评价测量钻井液沉降稳定性的装置100。装置100包括具有底座和固定在底座上的吊臂的实验台架1。实验台架1用于支撑实验所需的装置100的其它重要部件以及作为实验对象的工作液。在实验台架1的底座上固定有电机19，用来在实验过程中提供动力。实验台架1的吊臂顶部设置有例如两个轴承座，用来固定装置100的动力提升单元5的绳索。

装置100还包括固定在实验台架1的底座上的模拟井筒2。模拟井筒2用于模拟真实钻井过程中的井筒环境。模拟井筒2中盛放需要进行实验的工作液。用来模拟钻具的模拟钻具3插入到模拟井筒2中。

图2示意性地从俯视视角显示了实验台架1。如图2所示，实验台架1的底座上安装有带有快速锁紧螺栓17的下法兰盘18，其尺寸与图3所具体展示的模拟井筒2的底座8上的上法兰盘7相适配。将实验台架1上的下法兰盘18与模拟井筒2的底座8上的上法兰盘7的位置对准后，通过快速锁紧螺栓17将它们锁紧，则可将模拟井筒2固定于实验台架1上。快速锁紧螺栓17可以设置为至少两个，并且在周向上均匀间隔开。

图3分解地显示了模拟井筒2的结构。模拟井筒2由底座8和多段大致等长的圆筒部分9组成。模拟井筒2的底座8底部具有上法兰盘7，用于如上所述地将模拟井筒2固定在实验台架1上。模拟井筒2在底座8的靠近底部的位置处布置有例如球阀的阀门11，用于在实验结束以后清除模拟井筒2中残留的工作液。

模拟井筒2的各圆筒部分9之间以密封的方式通过螺纹或法兰相连接。在每段圆筒部分9的外侧中部设计有两个对称的手柄10，用于方便地拆卸或组装模拟井筒2。组装好的井筒2的圆筒部分9的组合与模拟井筒2的底座8固定为一体，从而共同固定在实验台架1的底座上，防止操作时的晃动影响测量结果的准确性。

模拟井筒2的内部插入有模拟钻具3。图4显示了模拟钻具3的整体示意图。图5显示了模拟钻具3的分解示意图。模拟钻具3主要包括具有不同直径的可以是钢柱的柱体，钢柱的外径参照实际井眼与钻柱的尺寸关系按比例缩小设置，主要用来模拟钻头、钻铤和部分钻杆。参照图5，模拟钻头12、模拟钻铤13、模拟扶正器14与模拟钻杆15等各部分彼此间通过丝扣连接，可以根据实验的需要灵活组合。模拟钻头12的底面上具有多个（例如3至12个）锥形或圆柱状的凸起，用于消除界面吸附效应造成的影响；模拟钻杆15的顶部设计一个固定圆环（即图6中所示的模拟钻具提升环16），用于和其它单元相连接（在本实施例中，与测量单元4相勾连）。

在图1所示的例子中，测量单元4位于模拟钻具3之上。测量单元4包括用来与模拟钻杆3勾连的挂钩，拉力传感器，数据传输线。在不同的实施例中，测量单元4也可根据需要设计为拉力计或带有数据输出功能的其他拉力测量元件。

参照图1，根据本实用新型的装置100还包括数据记录与处理单元6。数据记录与处理单元6通过数据线与测量单元4相连接，用于记录与处理测量单元4所测得的模拟钻具3在提升过程中的摩擦力参数。在不同的实施例中，数据记录与处理单元6也可通过无线方式读取测量单元4所测得的信息。

装置100还包括为实验提供动力的动力提升单元5。动力提升单元5包括电机19和沿着实验台架1的吊臂布置的绳索。绳索的一端与测量单元4相连接，另一端与电机19相连接。通过电机19可手动或通过计算机控制动力提升单元5的功率，从而通过绳索控制模拟钻具3的提升速度。动力提升单元5的绳索可以例如通过滑轮机构相对固定的试验台架1移动。电机19可以为数控式变频电机。

参照图6，实验时可以根据需要通过任意方式将模拟井筒2和模拟钻具3进行组合。模拟钻具3通过顶部的挂环与测量单元4相连接，测量单元4则与位于其上部的动力提升单元5的绳索例如通过挂钩连接。实验操作时产生的拉力信号通过数据线（或以无线方式）连续输入数据记录与处理单元6中进行记录和处理，供研究和分析使用。

之后便可以通过数据记录与处理单元6中的关于钻具提升力的数据的处理结果来评价测量钻井液的沉降稳定性。关于如何通过所测得的关于摩擦力的参数来评价测量钻井液的沉降稳定性，本领域技术人员对此熟知，故本说明书中不再赘述。

根据本实用新型，在进行实验时，首先将模拟井筒2的底座8固定在实验台架1的底座上。然后根据实验的需要将其它模拟井筒2的圆筒部分9连接固定好。在模拟井筒2中加入一定量的待测工作液，之后将模拟钻具3放入模拟井筒2中。将模拟钻具3顶部的模拟钻具提升环16与测量单元4下部的挂钩连接好，并将测量单元4与动力提升单元5的绳索部分连接好，完成准备程序。按照实验设计静置一定的时间，启动电机19拉动模拟钻具3上升，通过测量单元4测量提拉力的变化情况，并将数据储存于测量单元4中。装置100可根据需要多次重复上提下放的实验过程。最后通过数据记录与处理单元6对数据进行记录和处理，从而评价测量钻井液的沉降稳定性。

下面为使用根据本实用新型的装置100进行的数次实验的实验结果。

（1）测量不同加重材料对提拉摩阻的影响：

配方A：聚磺钻井液体系+重晶石（细度150目），加重至2.50kg/l；

配方B：聚磺钻井液体系+重晶石（细度250目），加重至2.50kg/l；

配方C：聚磺钻井液体系+铁矿粉（细度250目），加重至2.50kg/l；

配方D：聚磺钻井液体系+铁矿粉（细度500目），加重至2.50kg/l。

表1使用不同加重剂的钻井液配方静置4h后的提拉力变化情况

钻井液配方	A	B	C	D
					提拉力(kg)	9.27	8.68	7.24	5.72

注：模拟钻具在空气中的悬重为8.36kg。

（2）静置时间对提拉摩阻的影响

以“聚磺钻井液体系+重晶石（细度150目），加重至2.50kg/l”为例。

表2不同静置时间下提拉力的变化情况

静置时间(h)	0	3	6	9	12	15	18
								提拉力(kg)	5.67	8.12	8.86	9.37	10.83	12.04	13.91

根据本实用新型的装置100通过测量单元4来检测当钻井工作液的技术状态发生改变从而导致固相或加重材料发生沉降时，沉降规模、沉降时间、加重剂种类及技术参数、钻井工作液配方等各种因素对提拉力的影响。通过对测定的数据进行分析与评价，能够明确沉降发生时井内钻具摩擦阻力的增大程度，从而为现场制定技术措施提供尽可能准确的指导。此外测定评价数据还能够为钻井工作液配置方案、加重剂技术参数的合理调整等提供很好的参考。

利用根据本实用新型的装置进行测定操作时，除可自由搭配模拟钻具组合外，还可以根据工作环境的不同，更换受力检测和动力提升单元，因此组装非常灵活，造价低廉、结构简单实用。

虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部器。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于模拟评价测量钻井液沉降稳定性的装置，包括：

试验台架，其包括底座和固定在底座上的吊臂；

筒状的模拟井筒，其固定于所述实验台架的所述底座上；

柱状的模拟钻具，其插入到所述模拟井筒中；

用于为所述模拟钻具提供提升动力的动力提升单元；以及

能够测量所述模拟钻具受到的力的测量单元。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量单元设置在所述模拟钻具和所述动力提升单元之间。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述动力提升单元包括电机和沿着所述吊臂布置的绳索，所述绳索一端与所述电机相连，另一端与所述测量单元相连。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模拟井筒包括多个具有相同直径的圆筒部分，所述模拟钻具包括多个具有不同直径的柱体。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模拟钻具底面上布置有多个凸起。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述测量单元相连接的数据记录与处理单元。

7.根据权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，所述模拟井筒与所述底座均设有法兰盘，所述模拟井筒的法兰盘和所述底座的法兰盘通过至少两个在周向上均匀间隔开的螺栓彼此固定。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述模拟井筒的每个所述圆筒部分在其外侧设置有两个对称的手柄。

9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述动力提升单元的所述绳索通过滑轮沿着所述实验台架的所述吊臂布置。

10.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述电机固定在所述实验台架的所述底座上。

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