[發(fā)明專利]一種模擬氣體鉆井反循環(huán)偏心流場攜巖的裝置及方法

在審

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• 申請日: 2021-09-17
• 公開（公告）號: CN113628525A
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發(fā)明（設計）人: 魏納;張超;郭柏云;李海濤;孫萬通;張耀;薛瑾
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G09B25/00
• 分類號: G09B25/00
• 代理公司: 成都金英專利代理事務所(普通合伙) 51218
• 代理人: 袁英

本發(fā)明涉及一種模擬氣體鉆井反循環(huán)偏心流場攜巖的裝置及方法。該裝置由供氣單元、井筒模擬單元、排氣及巖屑處理單元、數據及視頻采集單元和計算機處理單元組成，供氣單元包括空壓機、穩(wěn)壓罐、氣體流量計和除水器；井筒模擬單元包括外管、內管、偏心鉆頭、填砂口、排砂口、轉動軸和支架；排氣及巖屑處理單元包括排氣管、排屑管和巖屑池；數據及視頻采集單元包括壓力傳感器、氣體流量計和攝影機；計算機處理單元包括數據采集盒和計算機。該方法能夠根據井底偏心流場的實際情況，實現氣體鉆井反循環(huán)過程中井下注氣量及攜巖運移可視化。本發(fā)明通過開展注氣量、巖屑運移規(guī)律、排屑速率研究，找到提高氣體鉆井井眼凈化效果的有效措施。

技術領域

本發(fā)明涉及石油與天然氣氣體鉆井技術領域，具體涉及一種模擬氣體鉆井反循環(huán)偏心流場攜巖的裝置及方法。

背景技術

氣體鉆井是一種氣相流體為循環(huán)介質的特殊欠平衡鉆井技術，與常規(guī)液相鉆井技術相比，氣體具有較高的上返速度，具有較強的巖屑攜帶能力，能夠對地層巖石的特性進行準確的反應，能有效保護低滲儲層不受鉆井液傷害；反循環(huán)同正循環(huán)相比，在環(huán)空中，循環(huán)介質將按照從上到下的方式流動，井底具有更低的循環(huán)壓耗。同時，在經過計算后發(fā)現，在應用反循環(huán)技術鉆井時，能夠對注氣量進行適當的減少，即對氣體鉆井成本進行減少，反循環(huán)氣體鉆井擁有眾多其他技術所不能比擬的優(yōu)勢。依靠收集鉆進過程中由內管中心通道上返至地表的巖屑來取代常規(guī)取心鉆探中的巖心進行地質編錄、巖礦分析等，是一種全新的鉆探方法，具有優(yōu)質、高效、低耗的顯著特點。

在巖屑循環(huán)上返的過程中，如果設備的攜巖能力較差，就會在井底發(fā)生巖屑的堆積形成巖屑床，造成鉆頭的磨損或卡鉆，影響鉆進過程。因此對在鉆井過程中的攜巖能力進行實驗與測定，對氣體反循環(huán)鉆井技術適應性的定量化評價以及優(yōu)化工藝總體方案具有重要意義。其中空氣鉆井環(huán)空及管內壓耗計算屬于管內環(huán)空流體力學，特別是空氣鉆井中偏心環(huán)空壓力的計算尤其值得研究。在井眼呈偏心的情況下，鉆井水力學中慣用的同心環(huán)空假設也就不成立了。因此，研究空氣鉆井偏心工況流體流動規(guī)律具有明顯的理論意義和實用價值。但目前國內外相關研究較少，尚未形成專用的測試裝置及方法。所以，為進一步研究氣體鉆井反循環(huán)偏心流場的攜巖能力，亟需發(fā)明一種模擬氣體鉆井反循環(huán)過程中偏心流場攜帶巖屑運移的可視化裝置及方法。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種模擬氣體鉆井反循環(huán)偏心流場攜巖的裝置，該裝置原理可靠，全程可視化，能真實反映氣體鉆井反循環(huán)過程中井下注氣量及攜巖規(guī)律，從而根據基礎數據和分析結果指導工程實踐。

本發(fā)明的另一目的在于提供利用上述裝置模擬氣體鉆井反循環(huán)偏心流場攜巖的方法，通過該方法開展注氣量、巖屑運移規(guī)律、排屑速率相關研究，發(fā)現空氣鉆井偏心工況流體流動規(guī)律，找到提高氣體鉆井井眼凈化效果的有效措施。

為達到以上技術目的，本發(fā)明采用以下技術方案。

一種模擬氣體鉆井反循環(huán)偏心流場攜巖的裝置，由供氣單元、井筒模擬單元、排氣及巖屑處理單元、數據及視頻采集單元、計算機處理單元組成。

供氣單元由空壓機、閘閥、穩(wěn)壓罐、高壓軟管、三通閥門及除水器組成，用于為實驗提供不同流量的穩(wěn)定氣流；井筒模擬單元由進氣口、偏心鉆頭、外管、內管、電機及錐形齒輪、轉動軸、Y型密封膠圈、O型密封膠圈、法蘭、填砂口、排砂口、出氣口組成，井筒模擬單元為實驗裝置的主體，其中外管用于模擬井壁，內管用于模擬鉆柱，內管底部裝有偏心鉆頭，偏心鉆頭上只存在一個水眼，流體及巖屑通過此水眼上返，形成不同于同心流場的偏心流場，有機玻璃管底部預留有空間用于填砂以模擬井底狀況；排氣及巖屑處理單元由排氣管、排屑管、巖屑池組成，用于排氣、排屑及集中處理巖屑；數據及視頻采集單元由壓力檢測器、氣體流量計、攝影機組成，用于記錄流量變化及井筒模擬單元出口、入口、井底的壓力變化及實驗現象；計算機處理單元由數據采集盒及計算機組成，用于處理實驗數據。