[发明专利]一套钻井工况模拟系统及其工作流程

权利要求书

1.一套钻井工况模拟系统，其特征在于：所述钻井工况模拟系统能够模拟钻头的正常旋转钻进过程、钻井泥浆循环过程、井漏过程、井涌过程和安装有井下工具的钻柱系统实验测试过程，并能通过对泥浆温度、流量以及钻杆旋转速度的控制来对多种井下工况条件进行相关模拟试验。

2.如权利要求1所述的钻井工况模拟系统，其特征在于：所述的钻头正常旋转钻进过程模拟子系统中，主要由电机支撑架（12）、电机（13）、减速器（14）、小齿轮（15）、大齿轮（17）、轴承安装台（18）、螺栓（19）、毛毡垫圈（20）、轴承端盖（21）、密封圈（22）、滚动轴承（23）和钻杆（30）组成；电机（13）和减速器（14）组合提供钻杆（30）旋转的动力并安装在电机支撑架（12）上，减速器（14）一端安装有小齿轮（15），与小齿轮（15）相配合的大齿轮（17）安装在钻杆（30）合适位置处；滚动轴承（23）和轴承端盖（21）由螺栓（19）固定安装在轴承安装台（18）上，毛毡垫圈（20）用于轴承端盖（21）和钻杆（30）的旋转密封，密封圈（22）用于轴承端盖（21）和轴承安装台（18）的静密封。

3.如权利要求1所述的钻井工况模拟系统，其特征在于：所述的钻井泥浆循环过程模拟子系统中，主要由泥浆罐（3）、泥浆泵A（5）、平板阀A（6）、管状加热器（7）、分流阀（8）、双金属温度计A（9）、温度补偿调速阀（10）、流量计A（11）、旋转密封端（16）、流量计B（24）、冷却器（25）、双金属温度计B（26）、平板阀B（27）和减速阀（28）组成；泥浆泵A（5）将泥浆从泥浆罐（3）中抽出后输送到管状加热器（7）进行加热升温，加热温度由要进行模拟的井况地层深度值决定，分流阀（8）将泥浆分为两路：一路进入正常泥浆循环管线，另一路进入井涌过程模拟管线；双金属温度计A（9）和流量计A（11）分别对通过旋转密封端（16）进入钻柱系统的泥浆温度和流量数值进行测量，温度补偿调速阀（10）主要对加热后的泥浆进入钻柱系统的流速大小进行调节；泥浆从钻柱泥浆循环系统流出并进入冷却器（25）完成冷却后回到泥浆罐（3）中，流量计B（24）和双金属温度计B（26）用于测量流出泥浆的流量值和温度值，减速阀（28）主要用于降低流出泥浆的速度。

4.如权利要求1所述的钻井工况模拟系统，其特征在于：所述的井漏过程模拟子系统中，主要由单向阀（34）、泥浆泵B（35）、流量计C（36）、平板阀F（37）和平板阀D（38）组成；单向阀（34）用于单向控制泥浆的流向，由泥浆泵B（35）提供井漏工况下的泥浆漏失动力并使漏失的泥浆通过单向阀（34）后进入冷却器（25）冷却降温，降温过程完成后流入泥浆罐（3）中，流量计C（36）主要用于测量泥浆漏失量的大小。

5.如权利要求1或3所述的钻井工况模拟系统，其特征在于：所述的井涌过程模拟子系统中，主要由分流阀（8）、平板阀C（29）、平板阀D（38）、平板阀E（39）、流量计D（40）和泥浆泵C（41）组成；泥浆经由分流阀（8）分流后进入平板阀C（29），再由泥浆泵C（41）提供动力流过平板阀E（39）和流量计D（40）后进行钻柱系统的泥浆循环过程中，流量计D（40）用于测量井漏泥浆量的大小。

6.如权利要求1或3所述的钻井工况模拟系统，其特征在于：所述的安装有井下工具的钻柱实验测试过程子系统中，主要由旋转密封端（16）、钻杆（30）、井下工具（31）和井壁（32）组成；井下工具（31）安装在钻杆（30）中，泥浆经过钻杆顶部的旋转密封端（16）进入钻柱系统中，并在钻柱系统和井壁（32）之间进行循环流动，井下工具（31）在受到不同地层深度条件下的泥浆作用以及在发生井漏或井涌状况时的井下工况条件下进行相关试验研究。

7.根据权利要求1―6任一所述的一套钻井工况模拟系统的工作流程，其特征在于所述工作流程的实施步骤如下：

a.对钻头的正常旋转钻进过程进行模拟，电机（13）和减速器（14）被安装在电机支撑架（12）上，钻杆（30）连同安装在其上的滚动轴承（23）被放置在轴承安装台（18）中，轴承端盖（21）与钻杆（30）相接触处设置有毛毡垫圈（20），用于钻杆旋转过程中对泥浆的密封控制，同时在轴承安装台（18）和轴承端盖（21）之间设置有密封圈（22）用于静密封控制；在正常钻井过程开始时，先启动电机（13），通过减速器（14）带动小齿轮（15）转动，使小齿轮（15）的转速可调并保持在一定范围之内，大齿轮（17）在小齿轮（15）的啮合作用下带到钻杆（30）和井下工具（31）旋转，以实现对正常旋转钻进过程的模拟；

b.对钻井泥浆循环过程进行模拟，关闭平板阀C（29）和平板阀D（38），打开平板阀A（6），启动泥浆泵（5）将泥浆罐（3）中的钻井泥浆抽出，让抽出的泥浆在管状加热器（7）中进行加热升温，按照钻井过程中的地温梯度约3℃/100m估算，通过要进行模拟的井深数据来确定泥浆加热的温度，让泥浆通过分流阀（8）流向温度补偿调速阀（10），使泥浆流速调节达到要求的数值后通过旋转密封端（16）进入钻柱泥浆循环系统，在这一过程中使用双金属温度计A（9）和流量计A（11）测量流进系统的泥浆温度值和流量值；流进钻柱系统的泥浆通过钻杆（30）和井下工具（31）后沿着井壁（32）流向出液管线，打开平板阀B（27），使泥浆在冷却器（25）中冷却至常温，再通过减速阀（28）降低流速后回流到泥浆罐（3）中，出液管线中安装的流量计B（24）和双金属温度计B（26）可测量流出系统的泥浆流量值和温度值；

c.对井漏过程进行模拟，在正常旋转钻进的过程中，关闭平板阀E（39），打开平板阀D（38）和平板阀F（37），启动泥浆泵B（35）为泥浆漏失流动提高动力，通过对平板阀F（37）开度的调节来控制井漏工况下漏失泥浆量的大小，并使用流量计C（36）获得具体的漏失泥浆流量值，单向阀（34）用于防止正常循环转进过程中的泥浆逆流到漏失管线中，同时将通过漏失管线的泥浆导入到冷却器（25）中进行冷却后再流回到泥浆罐（3）中；

d.对井涌过程进行模拟，在正常旋转钻进的过程中，关闭平板阀F（37），打开平板阀D（38）、平板阀E（39）和平板阀C（29），启动泥浆泵C（41）来为泥浆进入钻柱系统提供动力，同时通过调节平板阀C（29）的阀门开度来控制泥浆涌入量的大小，使用流量计D（40）获得具体的涌入泥浆流量值；

e.对安装有井下工具的钻柱系统实验测试过程进行模拟，将井下工具（31）装入钻杆（30）中，启动电机（13），让钻柱系统旋转运动，按照上述流程a和流程b的操作步骤可实现对正常旋转钻进过程和钻井泥浆循环过程的模拟实验研究；配合流程c和流程d可完成对井下工具在不同井深工况下的井漏和井涌过程模拟研究，依据上述流程可为井下工具在近乎真实井下工况条件下的试验验证研究提供支撑；

f.试验完成后，关闭泥浆泵和电机，将系统内残留的钻井液从出液口（42）清理出钻柱系统和液流管线，取出井下工具并对相关实验数据进行处理，得到不同井下工况条件下的试验研究结论。