[发明专利]一种水平井岩屑运移模拟实验装置及实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于模拟石油钻井、煤层气钻井的实验装置及实验方法，该实验装置可进行可视化观察的一种水平井岩屑运移模拟实验装置及实验方法。

背景技术

在石油、煤层气钻采过程中，为有效增大油气层的裸露面积、提高采收率、提高单井产能、提高单井控制面积，实现“少井高产”，常使用水平井钻井技术。水平井为井斜角达到或接近90°，井身沿着水平方向钻进一定长度的井，有时为了某种特殊的需要，井斜角超过90°，这为水平井岩屑的运移带来了技术难题。水平井因其优点而在石油、煤层气钻井中得到了广泛的应用，同时因水平井携岩等问题而制约着水平井钻井技术的发展。

由于钻柱重力的原因使得钻柱平躺在水平段下井壁，形成偏心环空，在钻杆接头等过渡段极易导致岩屑沉降堆积，岩屑堆积过多则形成岩屑床。环空岩屑堆积易于造成钻柱高扭矩和高阻力，粘附卡钻，造成下套管和固井困难，钻具磨损大，测井仪器下井难等问题。如四川地区某水平井由于携砂不畅，井下岩屑堆积成床，造成钻具卡死，致使填井后侧钻。为防止上述事故的发生，弄清水平井岩屑运移机理及如何防止岩屑堆积成床已成为亟需解决的技术难题。

因此，急需一种能模拟，并能可视化观察水平井岩屑运移规律的实验装置。该装置包括钻井液系统、岩屑运移系统、岩屑供给系统、动力系统、数据处理系统和岩屑回收系统。使用该实验装置和方法可定性研究不同钻杆转速、钻屑量、流量、钻杆偏心度和岩屑直径条件下的钻井液携岩问题；使用该实验装置和方法可进行可视化的观察水平井岩屑运移规律，将为解决水平井携岩问题提供可靠的依据。

发明内容

本发明的目的是：为克服现有技术的不足，特提供一种可进行可视化观察和模拟多种工况的水平井岩屑运移模拟实验装置及实验方法。

为达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是：一种水平井岩屑运移模拟实验装置及实验方法，包括钻井液系统、岩屑运移系统、岩屑供给系统、动力系统、数据处理系统和岩屑回收系统。其特征在于：所述钻井液系统由储液池、出口截止阀、电机、离心泵、压力表、流量计、蝶阀和钢丝管依次连接组成，所述岩屑运移系统由转换接头、密封轴承、玻璃管、通孔法兰盘、轴承、PVC管、PVC管接头、携岩工具、偏心三角盘、盲板和支撑架构成，所述岩屑供给系统由螺旋送料器和加岩屑装置组成，所述动力系统由调速电机、变速齿轮和固定架组成，所述数据处理系统由高速摄像机、三脚架和计算机组成，所述岩屑回收系统由回收管、过滤器、岩屑回收池和截止阀依次连接组成，回收管与玻璃管出口端连接。

所述转换接头小口端与钢丝管连接，转换接头大口端内部装有密封轴承，密封轴承通过过盈配合固定在PVC管最右端，用于防止钢丝管随PVC管的旋转而转动；所述玻璃管采用耐压、透明材料，可直接观测岩屑运移的过程，达到可视化的要求，玻璃管两端带有法兰结构，玻璃管之间通过螺栓连接，第二根玻璃管两端分别装有左压力表和右压力表，玻璃管内安装PVC管；所述加岩屑装置与螺旋送料器相连，通过控制加岩屑装置的加岩屑量，可达到模拟钻井产生的钻屑量；所述偏心三角盘为圆筒状，圆筒外焊有三个支架，每个支架之间角度为120°，偏心三角盘内安装PVC管，偏心三角盘与PVC管之间的间隙为2～3mm, 通过控制支架的长度来实现偏心三角盘的偏心度。

使用上述装置模拟水平井岩屑运移的方法，主要包括以下步骤：

1) 通过钻井液系统向PVC管提供钻井液，以模拟水平井井筒中的钻井液；

2) 通过控制加岩屑装置的加岩屑量，可达到模拟钻井产生的钻屑量，记录下左压力表读数、右压力表读数、加岩屑量、过滤器中岩屑的重量、轨迹以及岩屑床颗粒起动后再次沉降距离，分析不同钻屑量对携岩效果和压降的影响；

3) 调节钻井液排量，记录流量计读数，可达到模拟钻井液不同返速下携岩情况，并记录下左压力表读数、右压力表读数、加岩屑量、过滤器中岩屑的重量、轨迹以及岩屑床颗粒起动后再次沉降距离，分析不同钻屑量对携岩效果和压降的影响；

4) 通过更换不同的偏心三角盘来改变PVC管的偏心度，记录下左压力表读数、右压力表读数、加岩屑量、过滤器中岩屑的重量、轨迹以及岩屑床颗粒起动后再次沉降距离，分析不同钻屑量对携岩效果和压降的影响；

5) 通过调节电机来改变PVC管的转速，记录下左压力表读数、右压力表读数、加岩屑量、过滤器中岩屑的重量、轨迹以及岩屑床颗粒起动后再次沉降距离，分析不同钻屑量对携岩效果和压降的影响；