[發(fā)明專利]一種鉆探用水動力學(xué)過程研究實(shí)驗(yàn)裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410037747.4
• 申請日: 2014-01-26
• 公開（公告）號: CN103759920A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 段隆臣;龐豐;契霍特金V·F;譚松成;湯鳳林
• 申請（專利權(quán)）人: 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鉆探過程中沖洗液水動力學(xué)特性研究領(lǐng)域，具體涉及一種鉆探用水動力學(xué)過程研究實(shí)驗(yàn)裝置，研究鉆頭處或鉆孔內(nèi)沖洗液在各種不同物理?xiàng)l件下發(fā)生的水動力學(xué)特性和作用。

背景技術(shù)

在鉆井過程中，沖洗液的的兩個(gè)基本功能即清除巖屑和冷卻鉆頭。如果排屑速率過低，冷卻作用不足，不但會引起鉆頭泥包和重復(fù)破碎，造成機(jī)械鉆速急劇下降，而且還會造成鉆頭切削齒在井底高溫環(huán)境中快速磨損失效，從而嚴(yán)重影響鉆頭的使用壽命。因此，鉆井過程中沖洗液的水力因素對鉆頭的使用效果非常重要。

關(guān)于鉆頭水力學(xué)的研究目前可歸納為兩個(gè)大的方面：一是鉆頭水力參數(shù)研究，一是鉆頭井底流場和水力結(jié)構(gòu)研究。鉆頭水力參數(shù)研究主要包括使用過程中為提高鉆速和延長鉆頭使用壽命所應(yīng)采取的水力控制參數(shù)和措施，如排量、泵量、噴嘴直徑、鉆頭水功率和鉆頭沖擊力等。鉆頭井底流場和水力結(jié)構(gòu)研究主要是鉆頭設(shè)計(jì)者在研究液流在井底的流動規(guī)律以及液流的清巖和冷卻機(jī)理的基礎(chǔ)上，為使井底液流和水力能量分布達(dá)到最優(yōu)效果，而在鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)所應(yīng)采取的結(jié)構(gòu)形式，如噴嘴尺寸、形狀、安放位置、傾角，以及鉆頭流道形狀和布置等。

由于鉆頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，只要鉆頭結(jié)構(gòu)稍有變化，其流場結(jié)構(gòu)就相應(yīng)發(fā)生變化，這也是近期關(guān)于鉆頭水力結(jié)構(gòu)研究都傾向于采用數(shù)值模擬方法的原因。目前關(guān)于鉆頭水力參數(shù)、鉆頭井底流場和水力結(jié)構(gòu)的研究中，都是針對某種具體結(jié)構(gòu)的鉆頭進(jìn)行的，并沒有找出這些鉆頭的共同之處和給出普遍的規(guī)律。除此之外，現(xiàn)有的文獻(xiàn)都沒有關(guān)注沖洗液溫度對鉆頭鉆井過程中水力參數(shù)的影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有鉆頭水力參數(shù)研究、鉆頭井底流場和水力結(jié)構(gòu)研究中尚未得出共同之處和給出普遍規(guī)律的現(xiàn)狀，提供一種鉆探用水動力學(xué)過程研究實(shí)驗(yàn)裝置，裝置測試結(jié)果用于指導(dǎo)鉆頭水力參數(shù)計(jì)算和水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種鉆探用水動力學(xué)過程研究實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置至少包括實(shí)驗(yàn)殼體、緩沖裝置、入口管、入口開關(guān)、入口壓力表、緩沖壓力表、載流電纜、出口管、出口壓力表、出口開關(guān)、出口流量計(jì)、可拆卸模擬裝置、多道示波器、多用測量儀表和絕熱支架；所述實(shí)驗(yàn)殼體安裝在絕熱支架上（用于保證沖洗液在-150℃～150℃條件下的正常實(shí)驗(yàn)）、實(shí)驗(yàn)殼體兩端由法蘭盤密封；所述入口管與緩沖裝置連接后再與實(shí)驗(yàn)殼體的一端相連，入口開關(guān)、入口壓力表均安裝在入口管上，緩沖壓力表安裝在緩沖裝置上，入口壓力表、緩沖壓力表用于測量沖洗液流入實(shí)驗(yàn)殼體前的壓力（流動狀態(tài)）；所述出口管設(shè)置于實(shí)驗(yàn)殼體的另一端，出口壓力表、出口開關(guān)、出口流量計(jì)均安裝在出口管上，出口壓力表、出口流量計(jì)用于測量沖洗液經(jīng)過實(shí)驗(yàn)殼體后的壓力（流動特性）；所述可拆卸模擬裝置、多道示波器、多用測量儀表均安裝在實(shí)驗(yàn)殼體內(nèi)，可拆卸模擬裝置內(nèi)部安裝有多個(gè)傳感器，實(shí)驗(yàn)殼體一側(cè)的法蘭盤上固定有載流電纜，載流電纜穿過法蘭盤與傳感器連接后再與多用測量儀表和多道示波器相連。

按上述方案，所述可拆卸模擬裝置可拆卸地安裝在實(shí)驗(yàn)殼體內(nèi)。

按上述方案，所述可拆卸模擬裝置根據(jù)鉆頭水力結(jié)構(gòu)和流場特征設(shè)定實(shí)驗(yàn)過程中所需要的不同的流道，用于模擬設(shè)定沖洗液在不同噴嘴形狀和流道條件下的流場幾何尺寸與水力學(xué)運(yùn)動過程特征，然后測量實(shí)驗(yàn)時(shí)沖洗液的電阻來表征沖洗液的水動力運(yùn)動過程和作用。

按上述方案，所述傳感器安裝于同一種流道的不同位置，用于測試在某一設(shè)定的沖洗液入口參數(shù)條件下，不同流場區(qū)域內(nèi)的沖洗液的流速、流量和沖擊力等水力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律。

本發(fā)明的工作原理是：實(shí)驗(yàn)條件下，具有一定物理性能的沖洗液通過入口管、入口開關(guān)流入緩沖裝置、經(jīng)緩沖裝置進(jìn)入實(shí)驗(yàn)殼體，繼而向?qū)嶒?yàn)殼體內(nèi)部的可拆卸模擬裝置供給沖洗液；當(dāng)可拆卸模擬裝置內(nèi)被沖洗液填充后，沖洗液在模擬裝置工作區(qū)域內(nèi)流動時(shí)，與傳感器接觸，沖洗液作為導(dǎo)電介質(zhì)將包含載流電纜、傳感器、多用測量儀表和多道示波器的電路連通，并對水力學(xué)特性進(jìn)行測試分析、指示出此時(shí)的電阻，并把數(shù)據(jù)傳送到多道示波器上。最后，實(shí)驗(yàn)殼體內(nèi)的沖洗液通過工作區(qū)域后再從出口管流出。

沖洗液溫度及其相關(guān)性能參數(shù)可以根據(jù)鉆井現(xiàn)場參數(shù)使用范圍進(jìn)行設(shè)定，經(jīng)調(diào)配好以后再在代表不同噴嘴形狀和流道條件的實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程所需要的沖洗液流速、流量和壓力通過進(jìn)口開關(guān)和出口開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并入口管上的入口壓力表、緩沖裝置上的緩沖壓力表、出口管上的出口壓力表與出口流量計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確控制；通過對多用測量儀表、多道示波器對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，即可研究不同參數(shù)條件下沖洗液的水動力學(xué)特性。