[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

说明书

本发明涉及一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置及方法。该装置由供气单元、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，供气单元包括空压机、稳压罐、气体流量计和除水器；井筒模拟单元包括外管、内管、偏心钻头、填砂口、排砂口、转动轴和支架；排气及岩屑处理单元包括排气管、排屑管和岩屑池；数据及视频采集单元包括压力传感器、气体流量计和摄影机；计算机处理单元包括数据采集盒和计算机。该方法能够根据井底偏心流场的实际情况，实现气体钻井反循环过程中井下注气量及携岩运移可视化。本发明通过开展注气量、岩屑运移规律、排屑速率研究，找到提高气体钻井井眼净化效果的有效措施。

技术领域

本发明涉及石油与天然气气体钻井技术领域，具体涉及一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置及方法。

背景技术

气体钻井是一种气相流体为循环介质的特殊欠平衡钻井技术，与常规液相钻井技术相比，气体具有较高的上返速度，具有较强的岩屑携带能力，能够对地层岩石的特性进行准确的反应，能有效保护低渗储层不受钻井液伤害；反循环同正循环相比，在环空中，循环介质将按照从上到下的方式流动，井底具有更低的循环压耗。同时，在经过计算后发现，在应用反循环技术钻井时，能够对注气量进行适当的减少，即对气体钻井成本进行减少，反循环气体钻井拥有众多其他技术所不能比拟的优势。依靠收集钻进过程中由内管中心通道上返至地表的岩屑来取代常规取心钻探中的岩心进行地质编录、岩矿分析等，是一种全新的钻探方法，具有优质、高效、低耗的显著特点。

在岩屑循环上返的过程中，如果设备的携岩能力较差，就会在井底发生岩屑的堆积形成岩屑床，造成钻头的磨损或卡钻，影响钻进过程。因此对在钻井过程中的携岩能力进行实验与测定，对气体反循环钻井技术适应性的定量化评价以及优化工艺总体方案具有重要意义。其中空气钻井环空及管内压耗计算属于管内环空流体力学，特别是空气钻井中偏心环空压力的计算尤其值得研究。在井眼呈偏心的情况下，钻井水力学中惯用的同心环空假设也就不成立了。因此，研究空气钻井偏心工况流体流动规律具有明显的理论意义和实用价值。但目前国内外相关研究较少，尚未形成专用的测试装置及方法。所以，为进一步研究气体钻井反循环偏心流场的携岩能力，亟需发明一种模拟气体钻井反循环过程中偏心流场携带岩屑运移的可视化装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的装置，该装置原理可靠，全程可视化，能真实反映气体钻井反循环过程中井下注气量及携岩规律，从而根据基础数据和分析结果指导工程实践。

本发明的另一目的在于提供利用上述装置模拟气体钻井反循环偏心流场携岩的方法，通过该方法开展注气量、岩屑运移规律、排屑速率相关研究，发现空气钻井偏心工况流体流动规律，找到提高气体钻井井眼净化效果的有效措施。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

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、计算机处理单元组成。

供气单元由空压机、闸阀、稳压罐、高压软管、三通阀门及除水器组成，用于为实验提供不同流量的稳定气流；井筒模拟单元由进气口、偏心钻头、外管、内管、电机及锥形齿轮、转动轴、Y型密封胶圈、O型密封胶圈、法兰、填砂口、排砂口、出气口组成，井筒模拟单元为实验装置的主体，其中外管用于模拟井壁，内管用于模拟钻柱，内管底部装有偏心钻头，偏心钻头上只存在一个水眼，流体及岩屑通过此水眼上返，形成不同于同心流场的偏心流场，有机玻璃管底部预留有空间用于填砂以模拟井底状况；排气及岩屑处理单元由排气管、排屑管、岩屑池组成，用于排气、排屑及集中处理岩屑；数据及视频采集单元由压力检测器、气体流量计、摄影机组成，用于记录流量变化及井筒模拟单元出口、入口、井底的压力变化及实验现象；计算机处理单元由数据采集盒及计算机组成，用于处理实验数据。