本發(fā)明涉及用于模擬石油空氣鉆井的實(shí)驗(yàn)裝置，是一種可進(jìn)行可視化觀察的空氣鉆水平井環(huán)空攜巖模擬裝置。

背景技術(shù)：

在石油鉆井過(guò)程中，為提高機(jī)械鉆速，減少漏失，延長(zhǎng)鉆頭壽命，減少粘卡，提高地層評(píng)價(jià)效果，減少地層損害，更早的油氣產(chǎn)出，常使用空氣鉆井技術(shù)?？諝忏@井為在可以控制的條件下，使用氣基流體來(lái)代替鉆井液，從而在井底形成負(fù)壓差的鉆井技術(shù)。由于空氣密度低、粘度小，采用空氣作為攜巖介質(zhì)后，巖屑運(yùn)移效果較差，另外遇地層出水時(shí)，粘土性巖屑的粘結(jié)也給巖屑運(yùn)移帶來(lái)了負(fù)擔(dān)?？諝忏@井具有許多不可替代的優(yōu)勢(shì)，而受到重視，但巖屑運(yùn)移問(wèn)題成為了阻礙其發(fā)展的瓶頸之一。

鉆井中，常使用水平井鉆井技術(shù)。水平井為井斜角達(dá)到或接近90°，井身沿著水平方向鉆進(jìn)一定長(zhǎng)度的井。水平井中由于重力的原因使得鉆柱平躺在下井壁，形成偏心環(huán)空，在鉆桿接頭等過(guò)渡段極易導(dǎo)致巖屑沉降堆積，堆積過(guò)多則形成巖屑床。環(huán)空巖屑堆積易于造成鉆柱高扭矩和高阻力，甚至于卡鉆，為了解決上述問(wèn)題，水平井的巖屑運(yùn)移機(jī)理成為了亟待研究的課題。

因此，急需一種能模擬并能可視化觀察空氣鉆水平井巖屑運(yùn)移規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置包括供氣部分、供巖屑部分、井下環(huán)空模擬部分、供水部分、分離回收部分和數(shù)據(jù)采集部分。使用該實(shí)驗(yàn)裝置可定量研究包括地層出水在內(nèi)的不同工況因素下的空氣攜巖規(guī)律，可對(duì)空氣攜巖過(guò)程進(jìn)行可視化的觀察，并且是在低壓安全條件下進(jìn)行的低成本實(shí)驗(yàn)，這將為空氣鉆水平井環(huán)空攜巖問(wèn)題的解決提供一個(gè)可靠途徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，特提供一種可模擬多種工況因素且可進(jìn)行可視化觀察的空氣鉆水平井?dāng)y巖模擬裝置。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明解決此問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種空氣鉆水平井環(huán)空攜巖模擬裝置，包括供氣部分、供巖屑部分、井下環(huán)空模擬部分、供水部分、分離回收部分和數(shù)據(jù)采集部分。其特征在于：所述供氣部分由控制柜、風(fēng)機(jī)、鋼管、渦街流量計(jì)和蝶閥依次連接組成，所述供巖屑部分由儲(chǔ)砂槽、旋轉(zhuǎn)閥、變頻器、加速室及進(jìn)料支架由上至下組成，所述井下環(huán)空模擬部分由玻璃管、PVC管、PVC鉆桿接頭、滾動(dòng)軸承、轉(zhuǎn)動(dòng)手柄、調(diào)節(jié)螺栓、橡膠簾、管道支架和可調(diào)支架等構(gòu)成，其中PVC管位于玻璃管內(nèi)，所述供水部分由水管、浮子流量計(jì)、球閥依次連接至玻璃管上部開口構(gòu)成，所述分離回收部分由回收桶、篩板、篩網(wǎng)、排水管和三角支架組成，所述數(shù)據(jù)采集部分由高速攝像頭、三腳架、電腦和標(biāo)尺組成。

所述渦街流量計(jì)、蝶閥通過(guò)鋼管與風(fēng)機(jī)出口連接，以調(diào)節(jié)空氣流量；所述旋轉(zhuǎn)閥裝在加速室上方，加速室兩端分別與蝶閥、玻璃管相連接，旋轉(zhuǎn)閥通過(guò)變頻器控制轉(zhuǎn)速；所述玻璃管采用透明、耐磨材料，可直接觀察空氣攜巖過(guò)程，達(dá)到可視化的效果，玻璃管之間通過(guò)法蘭、螺栓連接，PVC管與PVC鉆桿接頭連接后裝于玻璃管中，PVC管面向風(fēng)機(jī)一頭用端蓋封堵；所述可調(diào)支架分為上半部分與下半部分，其中上半部分與滾動(dòng)軸承過(guò)盈配合，下半部分用膨脹螺釘固定在地面，上下兩部分由調(diào)節(jié)螺栓連接，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓高度可改變PVC管高度，達(dá)到改變其偏心距的目的，另外，PVC管與回收桶之間采用彎向回收桶內(nèi)側(cè)的橡膠簾密封；所述供水裝置由水管、浮子流量計(jì)、球閥依次連接，其中浮子流量計(jì)由螺栓固定在支架上，水管將球閥、浮子流量計(jì)串聯(lián)，通過(guò)浮子流量計(jì)與球閥控制供水量；所述回收桶上有多相流入口、氣相出口、液相出口、固相出口、PVC管出口共五個(gè)出入口，其中多相流入口與玻璃管尾端相連，氣相出口處用鐵環(huán)固定有篩網(wǎng)，以分離氣相與固相，液相出口處焊接有排水管，固相出口處裝有封閉門，可開啟回收固相。回收桶通過(guò)螺栓與三角支架連接，三角支架使回收桶與地面成5°角，方便液相通過(guò)排水管流出，篩板固定于回收桶中，將多相流入口與液相出口隔開，從而分離固相與液相，即實(shí)現(xiàn)了三相分離與固相的回收；所述標(biāo)尺粘貼在玻璃管下部，用于測(cè)量巖屑在單位時(shí)間內(nèi)的位移。

使用上述裝置模擬空氣鉆水平井巖屑運(yùn)移的方法，主要包括以下步驟。

1）通過(guò)調(diào)節(jié)供氣部分排量，記錄渦街流量計(jì)讀數(shù)，可模擬不同環(huán)空返速下空氣的攜巖情況，記錄下加巖屑量、PVC管轉(zhuǎn)速、PVC管偏心度、巖屑運(yùn)動(dòng)軌跡、巖屑沉降成床及再起動(dòng)情況，分析不同空氣排量對(duì)攜巖效果的影響。

2）通過(guò)控制變頻器改變巖屑加入量，可模擬鉆井中不同鉆速下產(chǎn)生的鉆屑量，記錄下渦街流量計(jì)讀數(shù)、PVC管轉(zhuǎn)速、PVC管偏心度、巖屑運(yùn)動(dòng)軌跡、巖屑沉降成床及再起動(dòng)情況，分析不同鉆屑量對(duì)攜巖效果的影響。

3）通過(guò)控制可調(diào)支架高度來(lái)改變PVC管的偏心度，可模擬水平井中不同偏心度鉆柱的工作情況，記錄下渦街流量計(jì)讀數(shù)、加巖屑量、PVC管轉(zhuǎn)速、PVC管偏心度、巖屑運(yùn)動(dòng)軌跡、巖屑沉降成床及再起動(dòng)情況，分析不同鉆柱偏心度對(duì)攜巖效果的影響。

4）通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄來(lái)改變PVC管的轉(zhuǎn)速，可模擬水平井中不同轉(zhuǎn)速鉆柱的工作轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄下渦街流量計(jì)讀數(shù)、加巖屑量、PVC管偏心度、巖屑運(yùn)動(dòng)軌跡、巖屑沉降成床及再起動(dòng)情況，分析不同PVC管轉(zhuǎn)速對(duì)攜巖效果的影響。

5）通過(guò)調(diào)節(jié)球閥改變供水部分流量，可模擬井下遇地層出水時(shí)的工作情況，記錄下渦街流量計(jì)讀數(shù)、浮子流量計(jì)讀數(shù)、加巖屑量、PVC管轉(zhuǎn)速、PVC管偏心度、巖屑運(yùn)動(dòng)軌跡、巖屑沉降成床及再起動(dòng)情況，分析不同的地層出水量對(duì)攜巖效果的影響，以及泥頁(yè)巖遇水粘結(jié)后可能對(duì)鉆井過(guò)程產(chǎn)生的后果。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是：1）本裝置在可視化條件下，可模擬不同空氣排量、巖屑量、巖屑粒徑、鉆柱偏心度、鉆柱轉(zhuǎn)速及地層出水量對(duì)空氣鉆水平井巖屑運(yùn)移規(guī)律的影響；2）安裝有供水部分，可模擬地層出水條件下的井下工作情況，為井下泥頁(yè)巖遇水粘結(jié)導(dǎo)致的堵塞環(huán)空、卡鉆等事故提供了實(shí)驗(yàn)分析途徑；3）分離與回收部分可使固、液、氣三相得到充分分離，巖屑回收后可反復(fù)利用，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)材料；4）由于巖屑運(yùn)移只對(duì)空氣動(dòng)壓有要求，井下環(huán)空模擬部分壓降也基本符合實(shí)際情況，故使用本裝置可通入低壓空氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，避免了實(shí)際情況中高壓空氣帶來(lái)的安全隱患；5）本裝置功能豐富，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用安全，且建造與運(yùn)行成本較低。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種空氣鉆水平井環(huán)空攜巖模擬裝置的示意圖；

圖2是圖1中A處放大剖面圖；

圖3是圖1中B處放大左視圖。

圖中：1.風(fēng)機(jī)，2.鋼管，3.渦街流量計(jì)，4.蝶閥，5.變頻器，6.儲(chǔ)砂槽，7.旋轉(zhuǎn)閥，8.球閥，9.水管，10.浮子流量計(jì)，11.玻璃管，12.PVC鉆桿接頭，13.管道支架，14.PVC管，15.回收桶，16.篩網(wǎng)，17.滾動(dòng)軸承，18.轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，19.可調(diào)支架，20.排水管，21.三角支架，22.標(biāo)尺，23.三腳架，24.電腦，25.高速攝像頭，26.加速室，27.進(jìn)料支架，28.方形架，29.控制柜，30.橡膠簾，31.篩板，32.調(diào)節(jié)螺栓，33.多相流入口，34.氣相出口，35.液相出口，36.固相出口，37.PVC管出口。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1~3所示，一種空氣鉆水平井環(huán)空攜巖模擬裝置，包括供氣部分、供巖屑部分、井下環(huán)空模擬部分、供水部分、分離回收部分和數(shù)據(jù)采集部分。其特征在于：所述供氣部分由風(fēng)機(jī)1、鋼管2、渦街流量計(jì)3和蝶閥4依次連接組成，所述供巖屑部分由儲(chǔ)砂槽6、旋轉(zhuǎn)閥7、變頻器5、加速室26及進(jìn)料支架27由上至下組成，所述井下環(huán)空模擬部分由玻璃管11、PVC管14、PVC鉆桿接頭12、滾動(dòng)軸承17、轉(zhuǎn)動(dòng)手柄18、調(diào)節(jié)螺栓32、橡膠簾30、管道支架13和可調(diào)支架19等構(gòu)成，其中PVC管14位于玻璃管11內(nèi)，所述供水部分由水管9、浮子流量計(jì)10、球閥8依次連接至玻璃管11上部開口構(gòu)成，所述分離回收部分由回收桶15、篩板31、篩網(wǎng)16、排水管20和三角支架21組成，所述數(shù)據(jù)采集部分由高速攝像頭25、三腳架23、電腦24和標(biāo)尺22組成。

所述渦街流量計(jì)3、蝶閥4通過(guò)鋼管2與風(fēng)機(jī)1出口連接，以調(diào)節(jié)空氣流量；所述旋轉(zhuǎn)閥7裝在加速室26上方，加速室26兩端分別與蝶閥4、玻璃管11相連接，旋轉(zhuǎn)閥7通過(guò)變頻器5控制轉(zhuǎn)速；所述玻璃管11采用透明、耐磨材料，可直接觀察空氣攜巖過(guò)程，達(dá)到可視化的效果，玻璃管11之間通過(guò)法蘭螺栓連接，PVC管14與PVC鉆桿接頭12連接后裝于玻璃管11中；所述可調(diào)支架19分為上半部分與下半部分，其中上半部分與滾動(dòng)軸承17過(guò)盈配合，下半部分用膨脹螺釘固定在地面，上下兩部分由調(diào)節(jié)螺栓32連接，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓32高度可改變PVC管14高度，達(dá)到改變其偏心距的目的。另外，PVC管14與回收桶15之間采用彎向回收桶15內(nèi)側(cè)的橡膠簾30密封；所述供水裝置由水管9、浮子流量計(jì)10、球閥8依次連接，其中浮子流量計(jì)10由螺栓固定在支架上，水管將球閥8、浮子流量計(jì)10串聯(lián)，通過(guò)浮子流量計(jì)10與球閥8控制供水量；所述回收桶15上有多相流入口33、氣相出口34、液相出口35、固相出口36、PVC管出口37共五個(gè)出入口，其中多相流入口33與玻璃管11尾端相連，氣相出口34處用鐵環(huán)固定有篩網(wǎng)16，以分離氣相與固相，液相出口35處焊接有排水管20，固相出口36處裝有封閉門，可開啟回收固相，回收桶15通過(guò)螺栓與三角支架21連接，三角支架21使回收桶15與地面成5°角，方便液相通過(guò)排水管20流出，篩板31固定于回收桶15中，將多相流入口與液相出口隔開，從而分離固相與液相，即實(shí)現(xiàn)了三相分離與固相的回收；所述標(biāo)尺22粘貼在玻璃管11下部，用于測(cè)量巖屑在單位時(shí)間內(nèi)的位移。

使用上述裝置模擬空氣鉆水平井巖屑運(yùn)移的方法，主要包括以下步驟。

1）通過(guò)調(diào)節(jié)蝶閥4改變供氣部分排量，記錄渦街流量計(jì)3讀數(shù)，可模擬不同環(huán)空返速下空氣的攜巖情況，記錄下加巖屑量、PVC管14轉(zhuǎn)速、偏心度、巖屑運(yùn)動(dòng)軌跡、巖屑沉降成床及再起動(dòng)情況，分析不同空氣排量對(duì)攜巖效果的影響。

2）通過(guò)控制變頻器5改變巖屑加入量，可模擬鉆井中不同鉆速下產(chǎn)生的鉆屑量，記錄下渦街流量計(jì)3讀數(shù)、PVC管14轉(zhuǎn)速、偏心度、巖屑運(yùn)動(dòng)軌跡、巖屑沉降成床及再起動(dòng)情況，分析不同鉆屑量對(duì)攜巖效果的影響。

3）通過(guò)控制可調(diào)支架19高度來(lái)改變PVC管14的偏心度，可模擬水平井中不同偏心度鉆柱的工作情況，記錄下渦街流量計(jì)3讀數(shù)、加巖屑量、PVC管14轉(zhuǎn)速、巖屑運(yùn)動(dòng)軌跡、巖屑沉降成床及再起動(dòng)情況，分析不同鉆柱偏心度對(duì)攜巖效果的影響。

4）通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄18來(lái)改變PVC管14的轉(zhuǎn)速，可模擬水平井中不同轉(zhuǎn)速鉆柱的工作轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄下渦街流量計(jì)3讀數(shù)、加巖屑量、PVC管14偏心度、巖屑運(yùn)動(dòng)軌跡、巖屑沉降成床及再起動(dòng)情況，分析不同鉆柱轉(zhuǎn)速對(duì)攜巖效果的影響。

5）通過(guò)調(diào)節(jié)球閥8改變供水部分流量，可模擬井下遇地層出水時(shí)的工作情況，記錄下渦街流量計(jì)3讀數(shù)、浮子流量計(jì)10讀數(shù)、加巖屑量、PVC管14轉(zhuǎn)速、偏心度、巖屑運(yùn)動(dòng)軌跡、巖屑沉降成床及再起動(dòng)情況，分析不同的地層出水量對(duì)攜巖效果的影響，以及泥頁(yè)巖遇水粘結(jié)后可能對(duì)鉆井過(guò)程產(chǎn)生的后果。

開始模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，空氣由風(fēng)機(jī)1經(jīng)鋼管2、渦街流量計(jì)3和蝶閥4進(jìn)入加速室26，巖屑經(jīng)過(guò)儲(chǔ)砂槽6、旋轉(zhuǎn)閥7進(jìn)入加速室26，在加速室26中空氣與巖屑混合，形成氣固兩相流進(jìn)入玻璃管11與PVC管14之間的環(huán)空。需要注水時(shí)，自來(lái)水經(jīng)過(guò)浮子流量計(jì)10、球閥8進(jìn)入環(huán)空，與空氣、巖屑形成氣固液三相流，三相流經(jīng)過(guò)PVC管14、PVC鉆桿接頭12與玻璃管11形成的環(huán)空時(shí)可進(jìn)行觀察與拍攝實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。三相流最后進(jìn)入回收桶15，空氣與水經(jīng)不同出口排出，巖屑留在回收桶15中以再次利用。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)改變空氣排量、巖屑量、PVC管14偏心度、PVC管14轉(zhuǎn)速和供水流量可模擬多種工況因素下空氣鉆水平井環(huán)空攜巖情況，需記錄渦街流量計(jì)3讀數(shù)、浮子流量計(jì)10讀數(shù)、變頻器5讀數(shù)、PVC管14偏心度、PVC管14單位時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，同時(shí)可觀察與拍攝不同工況因素空氣鉆水平井環(huán)空攜巖情況。