[发明专利]一种模拟井筒环空钻井液流动特性的实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于钻井工况实验研究领域，具体涉及一种模拟井筒环空钻井液流动特性的实验装置及方法。

背景技术

钻井液是钻井的血液，在钻井工程中有着十分重要的作用。除了冷却和润滑钻头及钻柱、平衡井壁岩石侧压力、平衡地层压力、有效传递水力功率外，其最主要的作用是把岩屑从井底携带至地面，从而保持井底清洁，避免钻头重复切削，减少磨损，提高效率。而岩屑颗粒的举升与钻井液的流动状态密切相关，钻井液在井筒环空中的压强与速度分布决定了是否能够顺利将岩屑携带至地面。实际工程中，为了确保岩屑能够顺利上返，通常通过增大泵压、提高钻井液流量来实现。但这时，钻井液在井筒中的压力损失增大了；对于属于非牛顿流体的钻井液而言，其流动形态也发生了转变，即从层流转变成为紊流，在钻杆旋转的作用下，还可能出现杂乱紊动的旋流。因此，正确掌握钻井液在井筒中的流动特性，合理控制泵压和流量，是决定安全高效钻进的前提。

国外学者已经对环状空间中的流体流动做了很多研究，1993年Nouri等人通过实验研究分析了偏心和同心垂直环空中流体的紊动流动，但是没有考虑环空内筒旋转对流体流动的影响。1995年，Escudier和Gouldson实验研究分析了中心筒转动对牛顿流体和假塑性流体流动的影响，得到了不同流动情况下的速度剖面，指出流体摩擦因子是流体流速的函数。国内在该方面的研究一般借助于数学理论模型或CFD模拟，实验研究成果较少。

实际钻井过程中钻杆旋转、偏心时常发生，它们对钻井液流动特性的影响十分显著。另外，斜井、水平井也是现今常见的井身结构，不同井斜角也会对井筒内流体的流动状态产生重大影响。同时考虑钻杆转速、钻杆偏心、井斜角，才能正确地评价钻井作业时井筒环空中钻井液的水力特性。因此，提供一种能够模拟不同井斜角、不同偏心距、不同钻杆转速、不同流量条件下的井筒环空钻井液流动特性的实验装置及方法显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的是，提出一种模拟井筒环空钻井液流动特性的实验装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明涉及一种模拟井筒环空钻井液流动特性的实验装置，包括外筒、模拟钻杆、孔法兰盘、支架滚轴、旋转马达、前测压表、后测压表、前分流器、后分流器、支撑台板、支撑杆、伸缩杆、举升马达、流量计、泥浆泵、泥浆罐、泥浆循环阀、泥浆输入阀、泥浆输出阀、前滑轮、后滑轮、钢丝绳、卡抱、旁孔、轴孔、孔法兰座、偏心孔法兰盘、偏法兰轴孔、偏法兰旁孔、偏法兰座、旋转马达座、支架滚轴座。外筒由透明钢化玻璃制成，两端设有前测压表和后测压表；外筒中间设有模拟钻杆，模拟钻杆两端分别与旋转马达和支架滚轴相连；外筒两端通过法兰分别连接有前分流器和后分流器，且两端法兰连接处设有孔法兰盘或偏心孔法兰盘；前分流器通过软管与泥浆泵相连，前分流器前端设有一流量计，流量计与泥浆泵之间设有一泥浆输入阀；后分流器与泥浆罐通过软管相连，两者之间设有一泥浆输出阀；泥浆罐通过软管与泥浆泵相连，两者之间设有一泥浆循环阀；孔法兰盘或偏心孔法兰盘下端、旋转马达下端以及支架滚轴下端分别设有孔法兰座或偏法兰座、旋转马达座、支架滚轴座，孔法兰座或偏法兰座、旋转马达座、支架滚轴座均通过螺钉连接固定于支撑台板之上；支撑台板两端设有前滑轮和后滑轮，后滑轮上固定有钢丝绳，钢丝绳通过前滑轮后，固定于举升马达之上；支撑台板下部设有支撑杆和伸缩杆。

所述的一种模拟井筒环空钻井液流动特性的实验装置可以提供一种模拟井筒环空钻井液流动特性的实验方法，其具体过程如下：首先，根据实验所需的偏心距δ选择孔法兰盘或偏心孔法兰盘，在外筒中安放好模拟钻杆，并装备好整套装置；然后，控制举升马达和伸缩杆调节支撑台板与水平线所成角度；打开泥浆循环阀、泥浆输入阀和泥浆输出阀，打开泥浆泵向模拟钻杆与外筒之间的环空中泵入泥浆；泥浆经由前分流器整流后进入环空，通过环空后又由后分流器汇集，然后通过软管排至泥浆罐中；通过泥浆输入阀调节控制泥浆输入流量，从流量计上读出泥浆流量值，并记录；待泥浆形成稳定循环后，打开旋转马达，带动模拟钻杆旋转，调整旋转马达以控制模拟钻杆转速，并记录转速；观察前测压表和后测压表读数，待读数稳定后记录压力值。

所述装置的支撑台板与水平线所成角度调节范围为0°～90°。

所述装置的孔法兰盘上开有轴孔和旁孔，偏心孔法兰盘上开有偏法兰轴孔和偏法兰旁孔。

所述装置的偏心孔法兰盘上的偏法兰轴孔中心相对孔法兰盘轴孔中心的偏心距δ根据实际实验需要的偏心程度加工制造。