一种深水钻井溢流模拟实验装置及其实验方法

本发明属于油气资源勘探与开发，尤其涉及深水钻井溢流模拟实验装置及其实验方法。

背景技术：

1、作为我国未来油气资源勘探与开发的主要研究方向，深水油气资源在其深水井钻井的实施过程中，容易出现不同相流（诸如气体、流体、油液、泥沙等）随钻具钻进侵入井筒的工况。如果上述相流侵入井筒达到一定当量，且不能被及时发现并加以控制，则会导致钻井液密度下降，进而逐渐无法平衡地层压力，严重时还会导致井喷（井涌）等事故的发生。因此，及时有效的采取早期溢流监测手段，对溢流情况做出早期预警，将对保障深水钻井作业的安全起到极为重要的现实意义。

2、截止目前为止，国内外针对深水钻井早期溢流监测技术的发展过程大致可归纳为以下三个方向：井口多参数监测技术、海水段监测技术与井下随钻监测技术。其中，井口多参数监测技术因其监测成本较低且监测方式直接，是目前工程中主流的溢流监测方法。然而，采用该监测方法具有较为明显的预警滞后性，不便于提前感知井筒溢流状态。井下随钻监测法虽可以监测多维井下参数，但是该监测法监测数据处理周期较长且装置制备成本较高，因此也不便于进行大范围推广。而相较于陆地石油勘探工艺，由于在深水钻井中钻井平台与海底泥沙线之间需通过隔水管连通，理论上通过监测隔水管内部的流型状态，便可更早判断当前井筒中是否产生溢流现象，因此海水段监测技术孕育而生并逐渐成为深水钻井早期溢流监测领域主流研究方向。

3、在进一步研究后发明人发现，利用实验模拟深水钻井井筒的溢流状态是目前成本最低且最切实有效的溢流研究手段。然而，溢流模拟实验系统与钻井现场的贴合程度将直接影响到溢流监测的研究结果。因此，如何以常规室内实验室尺寸为约束，搭建深水钻井溢流模拟实验系统；以及如何精确模拟各相流的侵入量，是本领域技术人员亟待解决的一项技术难点。

技术实现思路

1、本发明提供了一种深水钻井溢流模拟实验装置及其实验方法，该深水钻井溢流模拟实验装置以常规室内实验室尺寸为约束，最大限度得还原了深水钻井作业现场中隔水管尺寸、隔水管材质、钻杆运动状态、钻井液循环路径与钻井液循环流量；通过对深水钻井溢流模拟实验装置各设备运行状态的调整控制，精确模拟与监测了多种相流侵入井筒的过程，解决了同类实验系统对深水钻井实况与溢流现象还原度不足的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

3、一种深水钻井溢流模拟实验装置，包括有：

4、隔水管汇模拟模块；所述隔水管汇模拟模块中包括有上部隔水管、下部隔水管、连接法兰、钻杆、驱动轴、驱动电机、上端盖以及下端盖；

5、其中，通过管汇连接法兰，上部隔水管与下部隔水管相互连接；

6、钻杆安装设置在上部隔水管与下部隔水管串联形成的管汇环空中，且通过驱动轴，钻杆与驱动电机相连接；

7、上端盖设置在上部隔水管的上部开口位置处，下端盖设置在下部隔水管的下部开口位置处；钻杆所在区域处的上端盖上设置有进液口，钻杆所在区域外的上端盖上设置有出液口；钻杆所在区域处的下端盖上还设置有排废液口，钻杆所在区域外的下端盖上还设置有进气口。

8、较为优选的，所述隔水管汇模拟模块中还包括有支撑轴、伺服电机以及支架；

9、其中，支撑轴安装在管汇连接法兰的两端，且通过伺服电机与支架传动接连，用于在伺服电机驱动下实现对隔水管汇模拟模块管汇环空倾斜角度的调整。

10、较为优选的，还包括有：钻井液供给模块、油沙供给模块以及气体供给模块；

11、其中，钻井液供给模块由存储钻井液的搅拌罐以及输送钻井液的螺杆泵构成，且钻井液供给模块与隔水管汇模拟模块的进液口、出液口相连通；

12、油沙供给模块由油沙储罐以及隔膜泵构成；隔膜泵与钻井液供给模块中搅拌罐的进液端相导通，用于将油沙储罐存储的携油泥沙泵入搅拌罐中；

13、气体供给模块由空气压缩机以及气体储罐构成；其中，气体储罐的进气端与空气压缩机相连接，气体储罐的出气端与隔水管汇模拟模块的进气口相连接。

14、较为优选的，钻井液供给模块与隔水管汇模拟模块进液口之间的连通管路上还设置有钻井液供给控制阀门、钻井液供给液体流量计以及钻井液压力传感器；

15、钻井液供给模块与隔水管汇模拟模块出液口之间的连通管路上还设置有钻井液排出控制阀门、钻井液排出液体流量计以及静置罐。

16、较为优选的，气体储罐上还设置有泄压阀；

17、气体储罐与隔水管汇模拟模块进气口之间的连通管路上还设置有气体供给控制阀门、气体流量计、气体压力传感器。

18、较为优选的，还包括有：数据采集模块、数据处理模块以及控制主机。

19、较为优选的，上部隔水管采用有机玻璃制备形成，用于帮助操作人员实时监测管汇环空中钻井液流型的变化情况；

20、下部隔水管采用x80钢制材质制备形成。

21、另一方面，本发明还提供了一种深水钻井溢流模拟实验方法，包括有如下步骤：

22、s1：启动深水钻井溢流模拟实验装置，完成深水钻井溢流模拟实验装置中各模块的状态自查以及数据交互；

23、s2：控制管汇环空中钻井液的流量，使其达到预设的钻井液流量值；

24、s3：基于容积含量算法，构建钻井液含气率计算公式；建立管汇环空中钻井液流量-钻井液含气率的对应关系表；

25、基于管汇环空中钻井液流量-钻井液含气率的对应关系表，确定注入隔水管汇模拟模块的进气量，以实现对不同钻井液流量条件下钻井液含气率的精确控制；

26、s4：基于容积含量算法，构建钻井液含油沙率计算公式；建立管汇环空中钻井液流量-钻井液含油沙率的对应关系表；

27、基于管汇环空中钻井液流量-钻井液含气率的对应关系表，确定注入隔水管汇模拟模块的油沙量，以实现对不同钻井液流量条件下钻井液含油沙率的精确控制；

28、s5：通过驱动电机调整钻杆转速、钻杆偏心度与钻杆倾斜度，以实现对深水钻井溢流中钻杆工作状态的模拟；

29、s6：通过伺服电机调整隔水管汇模拟模块管汇环空倾斜度，以实现对深水钻井溢流中隔水管在役状态的模拟；

30、s7：对模拟实验过程中深水钻井溢流模拟实验装置各模块采集到的数据进行整理与分析；

31、s8：对深水钻井溢流模拟实验装置各模块的状态进行复查；复查通过后，结束模拟实验。

32、本发明提供了一种深水钻井溢流模拟实验装置及其实验方法，一种深水钻井溢流模拟实验装置，包括有：隔水管汇模拟模块、钻井液供给模块、油沙供给模块、气体供给模块、数据采集模块、数据处理模块以及控制主机。其中，隔水管汇模拟模块中包括有上部隔水管、下部隔水管、连接法兰、钻杆、驱动轴、驱动电机、上端盖以及下端盖。具有上述特征的深水钻井溢流模拟实验装置及其实验方法，最大限度地还原了深水钻井作业现场中隔水管尺寸、隔水管材质、钻杆运动状态、钻井液循环路径以及钻井液循环流量等特征，解决了深水钻井实况难以模拟、现场实验风险高与相关研究难开展等一系列问题，使得基于本发明的实验结论对深水钻井作业现场更具指导意义。