[发明专利]一套钻井工况模拟系统及其工作流程

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井勘探开发领域，一套针对不同钻井工况环境下进行相关模拟研究的实验技术，具体适用于不同井深条件下钻柱的正常旋转转进过程、钻井泥浆循环过程和井漏井涌过程的模拟试验及其系统工作流程。

背景技术

在进入21世纪以来，从石油天然气钻井开发技术的现状和发展趋势来看，采用旋转钻井仍将是今后油田勘探开发过程中最主要的钻井方法。旋转钻井技术可被细分为转盘旋转钻井、井下动力钻井和两者兼顾的复合旋转钻井等三种主要的钻井方式。转盘旋转钻井技术是使整个钻柱系统处于旋转运动状态，同时带动钻头旋转钻进；井下动力钻井是井下动力钻具的转子带动钻头旋转钻进，转盘及整个钻柱处于不旋转状态；复合旋转钻井则是在使用井下动力钻具的同时又开动转盘旋转钻进。转盘钻井技术是从顿钻钻井演变而来，与顿钻技术相比较优势明显，所以在现代油田开发过程中应用最为广泛。转盘钻井设备主要由钻机、井架和一套提升系统组成，通过提升系统实现井下钻具的提起和下放，并通过转盘完成旋转转动运动，钻具转动带动钻柱底端的钻头转动，使钻头在钻柱悬重的作用下破碎岩石，破碎的岩屑再被泥浆泵泵入井内的泥浆循环并被带到地面，钻头磨损后就将钻具起出换上新钻头，再下钻钻进，通过如此循环使井被不断加深直到钻至预计井深，以上是转盘旋转钻井技术的整个工作流程。

在钻井过程中，钻井泥浆循环过程是通过泥浆将被钻头破碎的岩屑带至地面进行处理，一般在钻井现场的泥浆泵舱内会布置有3台泥浆泵，先用灌注泵从泥浆舱中抽吸经过净化的泥浆，经泥浆泵加压后排出，再通过泵舱阀门组的分配，经高压管线（双联）到达钻台立管阀门组，通过安装在井架上的双立根、水龙带、顶部驱动装置（或水龙头）、钻杆内腔到达井下的钻头，高压泥浆对井底进行喷冲并携带固相颗粒经过钻杆和套管之间的环形空间返回井口，带有固相颗粒的泥浆由井口转盘下部喇叭口下返出，并通过安装在钻台底座下部的泥浆管线到达横向泥浆槽，又经过纵向泥浆槽到达振动筛进行一级处理后进罐，经过除砂、除泥、除气、离心处理后，通过固控模块排液管汇进入泥浆舱，再经过泥浆泵的上水管线进入泵内，如此循环完成整个钻井作业泥浆循环过程。

而在钻井工程中，井漏、井涌工况是井下复杂情况的两种常见形式。这一过程中，井筒内钻井液或其他介质(固井水泥浆等)漏入地层孔隙、裂缝等空间的现象称之为井漏，其是钻井工程中常见的井内复杂情况，多数钻井过程都有不同程度的漏失，严重的井漏会导致井内压力下降，影响正常钻井、引起井壁失稳、诱发地层流体涌入井筒并引起井喷等事故的发生；井涌是井内流体层压力大于钻井液或洗井液柱静压力时,含流体层中的流体或气体将侵人井筒内，积累至一定量后随井筒内液体循环至井口并形成沸腾状，井涌往往也是井喷的先兆，是一种主要的油、气、水显示。井涌、井漏的发生会对正常钻井过程带来巨大影响，因而对井涌、井漏工况的模拟研究具有十分重要的意义。

发明内容

为了对石油钻井过程中不同井深处的工况进行模拟研究，并对出现井漏、井涌等较危险的情况进行演示模拟，本发明提供一套用于对钻井工况进行试验研究的模拟系统及其工作流程，该模拟系统能对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进行有效模拟，同时也具有系统结构简单，操作便捷等特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的钻井工况模拟系统能够模拟的过程包括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。所述对钻头正常旋转钻进的模拟过程中所涉及的设备和部件包括电机支撑架、电机、减速器、小齿轮、大齿轮、轴承安装台、螺栓、毛毡垫圈、轴承端盖、密封圈、滚动轴承和钻杆。选用功率满足一般钻井过程中钻杆转速要求的电机，并选择能和电机相匹配实现转速变换的减速器，两者组合提供钻杆旋转的动力，使用螺栓将电机的底部安装在电机支撑架上，减速器输出轴的一端安装有小齿轮，大齿轮被安装在钻杆上部合适位置处并能与小齿轮实现满足啮合要求的配合关系。电机支撑架被设置安装在轴承安装台上，滚动轴承被放置在轴承安装台预先设置的孔内，将用于轴承端盖和钻杆的旋转密封的毛毡垫圈先放置在轴承端盖内，并在端盖与轴承安装台接触处放置好密封圈，再用螺栓将轴承端盖固定在轴承安装台上，然后将装置放置在安装底座中以保持稳定，同时在安装底座的底部开设有让外接管线通过后进入井壁的小孔。