[发明专利]一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置及方法

权利要求书

1.一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置，由供气单元、井筒模拟单元、排气及岩屑处理单元、数据及视频采集单元和计算机处理单元组成，其特征在于，所述供气单元包括空压机（1）、稳压罐（3）、气体流量计（5）、三通阀门（6）和除水器（7），空压机（1）依次连接稳压罐（3）、三通阀门（6）和除水机（7），除水机与井筒模拟单元的进气口相连，稳压罐和三通阀门的连接管线上设置气体流量计（5）；所述井筒模拟单元包括外管（13）、内管（12）、偏心钻头（14）、电机及锥形齿轮（21）、进气口（9）、出气口（25）、填砂口（15）、排砂口（17）、转动轴（11）和支架（30），外管（13）模拟井筒，内管（12）模拟钻柱，外管通过转动轴（11）固定于支架（30）上，外管设置进气口（9），进气口连接除水机（7）；内管连接电机及锥形齿轮（21），偏心钻头（14）固定于内管底部，电机带动内管及偏心钻头转动，偏心钻头下方有足够预留空间用于填砂模拟井底状况；外管底部设置填砂口（15）、排砂口（17）；内管顶部设置出气口（25），内管通过出气口连接排气及岩屑处理单元的排气管；进气口、外管底部和出气口分别设置压力传感器（10、16、24）；所述排气及岩屑处理单元包括排气管（26）、排屑管（27）和岩屑池（28），排气管（26）与井筒模拟单元的出气口（25）相连，排气管连接排屑管（27），排屑管出口位于岩屑池（28）上方；所述数据及视频采集单元包括压力传感器（10、16、24）、气体流量计（5）和摄影机（29），压力传感器连接计算机处理单元；所述计算机处理单元包括数据采集盒（32）和计算机（31）。

2.如权利要求1所述的一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置，其特征在于，所述偏心钻头（14）设置一个偏心水眼（33），作为气体携带井底岩屑上返至环空的通道。

3.如权利要求1所述的一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置，其特征在于，所述内管与外管的连接处设置O型密封胶圈（18）、Y型密封胶圈（19）、法兰（20），内管与排气管的连接处设置 O型密封胶圈（22）、法兰（23）。

4.如权利要求1所述的一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置，其特征在于，所述井筒模拟单元的内管、外管为有机玻璃材质，摄影机能够观察管中岩屑运移情况。

5.如权利要求1所述的一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置，其特征在于，所述压力传感器与管线连接处设有填料密封，确保整个装置的气密性。

6.利用权利要求1、2、3、4或5所述的装置模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的方法，依次包括以下步骤：

（1）通过填砂口，将一定粒径的砂粒装入内管与外管底部的空间；

（2）通过转动轴调节井筒角度，开启空压机、除水机，向稳压罐注入空气，达到预设压力；

（3）启动电机及锥形齿轮，带动内管及偏心钻头转动；

（4）调节稳压罐闸阀，获得稳定流量的气流，通过三通阀门向井筒模拟单元的进气口供气；

（5）摄影机观察管中岩屑运移情况并采集图像信息，数据采集盒采集压力流量数据；

（6）逐渐调大流量，重复上述步骤，当该流量下将全部砂粒携出井筒时，即可确定砂粒的启动流量；

（7）启动流量确定后，在启动流量之上进行不同流量的实验，在稳定的气流通入进气口时开始计时，在砂粒被全部携出时停止，计算该流量下的排屑速率；

（8）绘制流量与排屑速率、压力与时间的关系曲线。