[发明专利]模拟冻土地带钻井的装置

说明书

本发明提供模拟冻土地带钻井的装置，属于钻井领域。该装置包括：模拟实验装置，用于模拟冻土地带钻井，模拟实验装置包括模拟冻土、模拟井部、模拟钻柱和模拟钻头，模拟井部形成于所述模拟冻土中，当模拟钻柱和模拟钻头被布置于模拟井部中时，与模拟钻柱与模拟井部的井壁之间留有空隙，并且模拟井部能够向下移动；热水循环注入装置，用于向模拟钻柱中注入钻井液并控制钻井液的温度，并使钻井液在模拟钻柱、模拟钻头、空隙以及热水循环注入装置中循环；数据采集分析装置，用于采集模拟井部向下移动过程中的参数，并确定参数随模拟井部向下移动的变化规律。该装置能够模拟出冻土地带钻井时井部下沉的规律，从而为实际钻井提供可靠参考。

技术领域

本发明涉及钻井领域，具体地涉及模拟冻土地带钻井的装置。

背景技术

从进入21世纪开始，世界各国对石油与天然气资源的需求呈直线上升，但随着常规地区油气资源的不断减少，世界范围内油气资源的开发逐渐向深海以及极地冻土带等地发展。2009年美国地质调查局发布报告称，北极地区未探明石油储量和天然气储量分别占常规地区石油和天然气储量的13％和30％，极地地区可能成为继海洋之后又一个油气开发的核心区。俄罗斯、挪威、美国和加拿大等国的石油公司都对极地油气资源产生了浓厚的兴趣，并投入大量的资金进行油气勘探开发的基础研究。

虽然极地冻土带存在丰富的油气资源，但其外部极其恶劣的自然环境给钻井造成了诸多困难。同时，由于极地地区浅表层存在冻土带，深部地层上返的温度较高的钻井液会使冻土带冰层融化，使冻土带岩层强度变低，引起地层沉降，进而可能引起井口塌陷。具体地，在钻井过程中，钻井液经钻柱到达井底，并从环空中返出。由于钻井液自身温度较高，同时地层深处温度更高，钻井液从深部高温地层中获得能量，温度进而升高，当上返至浅表层冻土带时，由于高的钻井液温度使冻土温度升高，冰随之融化。冰融化成水后，体积减小，储层强度以及对套管的侧阻力也会随之降低，在上覆岩层重力以及井口载荷的作用下引起地层沉降，进而造成井口下沉，严重时甚至可能引起井口塌陷。

井口沉降问题是极地冻土带钻井过程中面临的首要问题，很多学者都对其进行了深入的研究，也提出了一些对应的防止井口沉降的措施。但对于极地冻土带钻井过程中井口沉降的内在机理、相关重要参数，如冻土强度、侧阻力系数等随冻土融化的变化规律以及防沉装置的效果评价还需进一步的深入研究。同时。由于极地地区恶劣的地理环境，很难实现经济有效的在现场开展一系列复杂实验，因此，亟需一种针对极地冻土带钻井过程中井口沉降问题的模拟装置。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种模拟冻土地带钻井的装置，该模拟冻土地带钻井的装置能够模拟出冻土地带钻井时井部下沉的规律，从而为实际钻井提供可靠的参考。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种模拟冻土地带钻井的装置，该装置包括：模拟实验装置，用于模拟冻土地带钻井，所述模拟实验装置包括模拟冻土、模拟井部、模拟钻柱和模拟钻头，所述模拟井部形成于所述模拟冻土中，当所述模拟钻柱和模拟钻头被布置于所述模拟井部中时，与所述模拟钻柱与所述模拟井部的井壁套管之间留有空隙，并且所述模拟井部能够向下移动；热水循环注入装置，用于向所述模拟钻柱中注入钻井液并控制所述钻井液的温度，并且使所述钻井液在所述模拟钻柱、所述模拟钻头、所述空隙以及所述热水循环注入装置中循环；以及数据采集分析装置，用于采集所述模拟井部向下移动过程中的参数，并确定所述参数随所述模拟井部向下移动的变化规律。

其中，所述模拟实验装置可以包括：拉力施加装置，用于向所述模拟井部施加向下的拉力，以模拟所述模拟井部被施加的载荷。

其中，所述模拟井部可以包括：模拟套管和水泥环，其中，所述水泥环形成于冻土壁和所述模拟套管之间，用于将所述模拟套管固定于所述模拟冻土的冻土壁内，所述模拟套管为所述模拟井部的井壁。

其中，所述模拟实验装置还可以包括：支撑力施加装置，用于在冻土和水泥环被形成之前向所述模拟井部施加支撑力，以支撑所述模拟井部。