一种可视化水平环空岩屑运移模拟设备

技术领域

本发明涉及到模拟石油钻井实验技术领域，尤其涉及一种可视化水平环空岩屑运移模拟设备。

背景技术

伴随着石油钻采条件日益苛刻与钻采工艺不断发展，为实现老油田和特殊油藏高效开发，提高单井产能，水平井钻井现已成为现代油气勘探开发的重要手段。然而由于水平井的水平段特点天然存在岩屑运移困难的问题，在大位移水平环空段，钻柱由于自身重力原因靠近下井壁而形成偏心环空，岩屑极易在钻杆接头处以及环空下部堆积成床，致使水平井钻进时卡钻、钻具高摩阻、高扭矩的复杂问题频发。

公开号为CN 103485738A，公开日为2014年01月01日的中国专利文献公开了一种水平井岩屑运移模拟实验装置，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六部分，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。

该专利文献公开的水平井岩屑运移模拟实验装置，结构相对复杂，钻杆用PVC管代替，且未考虑实际环空井壁的粗糙度，不能更真实的模拟实际工况。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种可视化水平环空岩屑运移模拟设备，本发明整个模拟设备结构更加简单，制造成本更低，能够更加真实的模拟岩屑在水平井大位移水平环空段的运移情况，满足多种工况下实验的要求。

本发明通过下述技术方案实现：

一种可视化水平环空岩屑运移模拟设备，包括钻井液装置，其特征在于：还包括岩屑送料装置、模拟井筒装置、钻杆旋转偏心装置、岩屑分离器和计算机，所述钻井液装置包括第一变频器、钻井液泵、储液罐和液体流量计，所述第一变频器与钻井液泵连接，钻井液泵分别与储液罐和液体流量计连接；所述岩屑送料装置包括岩屑罐和安装在岩屑罐上的进料控制阀；所述模拟井筒装置包括模拟井筒和固定座，模拟井筒固定在固定座上；所述钻杆旋转偏心装置包括偏心器、钻杆连接段、钻杆、扭矩传感器、电机和第二变频器，钻杆连接段的一端与偏心器连接，钻杆连接段的另一端与钻杆连接，钻杆与扭矩传感器连接，扭矩传感器与电机连接，电机与第二变频器连接；所述偏心器、钻杆连接段和钻杆设置在模拟井筒内部，所述液体流量计和岩屑罐均与模拟井筒的前端连接，所述储液罐通过管线与岩屑分离器连接，岩屑分离器与模拟井筒的后端连接；所述第一变频器、第二变频器、液体流量计、扭矩传感器分别与计算机连接。

所述模拟井筒包括连接在一起的上半部筒体和下半部筒体，上半部筒体为透明外筒，下半部筒体为粗糙的模拟井壁，模拟井壁外设置有金属外筒，金属外筒固定在固定座上。

所述固定座为两个，固定座上开有用于放置金属外筒的弧形凹槽。

所述钻杆连接段为两个，两个钻杆连接段的直径大小相同。

所述模拟井壁为水泥浇筑井壁。

所述透明外筒为有机玻璃外筒。

本发明的有益效果主要表现在以下方面：

一、本发明，“钻井液装置包括第一变频器、钻井液泵、储液罐和液体流量计，第一变频器与钻井液泵连接，钻井液泵分别与储液罐和液体流量计连接；岩屑送料装置包括岩屑罐和安装在岩屑罐上的进料控制阀；模拟井筒装置包括模拟井筒和固定座，模拟井筒固定在固定座上；钻杆旋转偏心装置包括偏心器、钻杆连接段、钻杆、扭矩传感器、电机和第二变频器，钻杆连接段的一端与偏心器连接，钻杆连接段的另一端与钻杆连接，钻杆与扭矩传感器连接，扭矩传感器与电机连接，电机与第二变频器连接；偏心器、钻杆连接段和钻杆设置在模拟井筒内部，液体流量计和岩屑罐均与模拟井筒的前端连接，储液罐通过管线与岩屑分离器连接，岩屑分离器与模拟井筒的后端连接；第一变频器、第二变频器、液体流量计、扭矩传感器分别与计算机连接”，较现有技术而言，整个模拟设备结构更加简单，制造成本更低，能够更加真实的模拟岩屑在水平井大位移水平环空段的运移情况，满足多种工况下实验的要求。

二、本发明，模拟井筒包括连接在一起的上半部筒体和下半部筒体，上半部筒体为透明外筒，下半部筒体为粗糙的模拟井壁，模拟井壁外设置有金属外筒，金属外筒固定在固定座上，使得整个模拟井筒为下部粗糙，上部光滑的可视模拟井筒，既保障了模拟井筒的结构强度，又便于观察。

三、本发明，固定座为两个，固定座上开有用于放置金属外筒的弧形凹槽，能够牢固的将模拟井筒固定，保障实验稳定性。

四、本发明，钻杆连接段为两个，两个钻杆连接段的直径大小相同，能够根据不同长度的钻杆，将钻杆良好的连接，利于保障实验可靠性。

五、本发明，模拟井壁为水泥浇筑井壁，能够保障粗糙度，且制造简单，制造成本低。

六、本发明，透明外筒为有机玻璃外筒，不仅具有良好的结构强度，且重量较轻。

七、本发明，能够模拟不同物性岩屑、岩屑量、钻具转速、钻具偏心度及钻井液返速这些因素对水平井岩屑运移的影响。

八、本发明，能够记录不同节点段岩屑运移情况，通过计算机处理，使得实验结果更加准确。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明模拟井筒的结构示意图；

图中标记：1、第一变频器，2、钻井液泵，3、储液罐，4、液体流量计，5、岩屑罐，6、进料控制阀，7、偏心器，8、钻杆连接段，9、钻杆，10、扭矩传感器，11、电机，12、透明外筒，13、模拟井壁，14、金属外筒，15、固定座，16、计算机，17、第二变频器，18、岩屑分离器，19、模拟井筒。

具体实施方式

实施例1

参见图1，一种可视化水平环空岩屑运移模拟设备，包括钻井液装置，还包括岩屑送料装置、模拟井筒19装置、钻杆9旋转偏心装置、岩屑分离器18和计算机16，所述钻井液装置包括第一变频器1、钻井液泵2、储液罐3和液体流量计4，所述第一变频器1与钻井液泵2连接，钻井液泵2分别与储液罐3和液体流量计4连接；所述岩屑送料装置包括岩屑罐5和安装在岩屑罐5上的进料控制阀6；所述模拟井筒19装置包括模拟井筒19和固定座15，模拟井筒19固定在固定座15上；所述钻杆9旋转偏心装置包括偏心器7、钻杆连接段8、钻杆9、扭矩传感器10、电机11和第二变频器17，钻杆连接段8的一端与偏心器7连接，钻杆连接段8的另一端与钻杆9连接，钻杆9与扭矩传感器10连接，扭矩传感器10与电机11连接，电机11与第二变频器17连接；所述偏心器7、钻杆连接段8和钻杆9设置在模拟井筒19内部，所述液体流量计4和岩屑罐5均与模拟井筒19的前端连接，所述储液罐3通过管线与岩屑分离器18连接，岩屑分离器18与模拟井筒19的后端连接；所述第一变频器1、第二变频器17、液体流量计4、扭矩传感器10分别与计算机16连接。

本实施例为最基本的实施方式，“钻井液装置包括第一变频器1、钻井液泵2、储液罐3和液体流量计4，第一变频器1与钻井液泵2连接，钻井液泵2分别与储液罐3和液体流量计4连接；岩屑送料装置包括岩屑罐5和安装在岩屑罐5上的进料控制阀6；模拟井筒19装置包括模拟井筒19和固定座15，模拟井筒19固定在固定座15上；钻杆9旋转偏心装置包括偏心器7、钻杆连接段8、钻杆9、扭矩传感器10、电机11和第二变频器17，钻杆连接段8的一端与偏心器7连接，钻杆连接段8的另一端与钻杆9连接，钻杆9与扭矩传感器10连接，扭矩传感器10与电机11连接，电机11与第二变频器17连接；偏心器7、钻杆连接段8和钻杆9设置在模拟井筒19内部，液体流量计4和岩屑罐5均与模拟井筒19的前端连接，储液罐3通过管线与岩屑分离器18连接，岩屑分离器18与模拟井筒19的后端连接；第一变频器1、第二变频器17、液体流量计4、扭矩传感器10分别与计算机16连接”，较现有技术而言，整个模拟设备结构更加简单，制造成本更低，能够更加真实的模拟岩屑在水平井大位移水平环空段的运移情况，满足多种工况下实验的要求。

实施例2

参见图1和图2，一种可视化水平环空岩屑运移模拟设备，包括钻井液装置，还包括岩屑送料装置、模拟井筒19装置、钻杆9旋转偏心装置、岩屑分离器18和计算机16，所述钻井液装置包括第一变频器1、钻井液泵2、储液罐3和液体流量计4，所述第一变频器1与钻井液泵2连接，钻井液泵2分别与储液罐3和液体流量计4连接；所述岩屑送料装置包括岩屑罐5和安装在岩屑罐5上的进料控制阀6；所述模拟井筒19装置包括模拟井筒19和固定座15，模拟井筒19固定在固定座15上；所述钻杆9旋转偏心装置包括偏心器7、钻杆连接段8、钻杆9、扭矩传感器10、电机11和第二变频器17，钻杆连接段8的一端与偏心器7连接，钻杆连接段8的另一端与钻杆9连接，钻杆9与扭矩传感器10连接，扭矩传感器10与电机11连接，电机11与第二变频器17连接；所述偏心器7、钻杆连接段8和钻杆9设置在模拟井筒19内部，所述液体流量计4和岩屑罐5均与模拟井筒19的前端连接，所述储液罐3通过管线与岩屑分离器18连接，岩屑分离器18与模拟井筒19的后端连接；所述第一变频器1、第二变频器17、液体流量计4、扭矩传感器10分别与计算机16连接。

所述模拟井筒19包括连接在一起的上半部筒体和下半部筒体，上半部筒体为透明外筒12，下半部筒体为粗糙的模拟井壁13，模拟井壁13外设置有金属外筒14，金属外筒14固定在固定座15上。

本实施例为一较佳实施方式，模拟井筒19包括连接在一起的上半部筒体和下半部筒体，上半部筒体为透明外筒12，下半部筒体为粗糙的模拟井壁13，模拟井壁13外设置有金属外筒14，金属外筒14固定在固定座15上，使得整个模拟井筒19为下部粗糙，上部光滑的可视模拟井筒19，既保障了模拟井筒19的结构强度，又便于观察。

实施例3

参见图1和图2，一种可视化水平环空岩屑运移模拟设备，包括钻井液装置，还包括岩屑送料装置、模拟井筒19装置、钻杆9旋转偏心装置、岩屑分离器18和计算机16，所述钻井液装置包括第一变频器1、钻井液泵2、储液罐3和液体流量计4，所述第一变频器1与钻井液泵2连接，钻井液泵2分别与储液罐3和液体流量计4连接；所述岩屑送料装置包括岩屑罐5和安装在岩屑罐5上的进料控制阀6；所述模拟井筒19装置包括模拟井筒19和固定座15，模拟井筒19固定在固定座15上；所述钻杆9旋转偏心装置包括偏心器7、钻杆连接段8、钻杆9、扭矩传感器10、电机11和第二变频器17，钻杆连接段8的一端与偏心器7连接，钻杆连接段8的另一端与钻杆9连接，钻杆9与扭矩传感器10连接，扭矩传感器10与电机11连接，电机11与第二变频器17连接；所述偏心器7、钻杆连接段8和钻杆9设置在模拟井筒19内部，所述液体流量计4和岩屑罐5均与模拟井筒19的前端连接，所述储液罐3通过管线与岩屑分离器18连接，岩屑分离器18与模拟井筒19的后端连接；所述第一变频器1、第二变频器17、液体流量计4、扭矩传感器10分别与计算机16连接。

所述模拟井筒19包括连接在一起的上半部筒体和下半部筒体，上半部筒体为透明外筒12，下半部筒体为粗糙的模拟井壁13，模拟井壁13外设置有金属外筒14，金属外筒14固定在固定座15上。

所述固定座15为两个，固定座15上开有用于放置金属外筒14的弧形凹槽。

本实施例为又一较佳实施方式，固定座15为两个，固定座15上开有用于放置金属外筒14的弧形凹槽，能够牢固的将模拟井筒19固定，保障实验稳定性。

实施例4

参见图1和图2，一种可视化水平环空岩屑运移模拟设备，包括钻井液装置，还包括岩屑送料装置、模拟井筒19装置、钻杆9旋转偏心装置、岩屑分离器18和计算机16，所述钻井液装置包括第一变频器1、钻井液泵2、储液罐3和液体流量计4，所述第一变频器1与钻井液泵2连接，钻井液泵2分别与储液罐3和液体流量计4连接；所述岩屑送料装置包括岩屑罐5和安装在岩屑罐5上的进料控制阀6；所述模拟井筒19装置包括模拟井筒19和固定座15，模拟井筒19固定在固定座15上；所述钻杆9旋转偏心装置包括偏心器7、钻杆连接段8、钻杆9、扭矩传感器10、电机11和第二变频器17，钻杆连接段8的一端与偏心器7连接，钻杆连接段8的另一端与钻杆9连接，钻杆9与扭矩传感器10连接，扭矩传感器10与电机11连接，电机11与第二变频器17连接；所述偏心器7、钻杆连接段8和钻杆9设置在模拟井筒19内部，所述液体流量计4和岩屑罐5均与模拟井筒19的前端连接，所述储液罐3通过管线与岩屑分离器18连接，岩屑分离器18与模拟井筒19的后端连接；所述第一变频器1、第二变频器17、液体流量计4、扭矩传感器10分别与计算机16连接。

所述模拟井筒19包括连接在一起的上半部筒体和下半部筒体，上半部筒体为透明外筒12，下半部筒体为粗糙的模拟井壁13，模拟井壁13外设置有金属外筒14，金属外筒14固定在固定座15上。

所述固定座15为两个，固定座15上开有用于放置金属外筒14的弧形凹槽。

所述钻杆连接段8为两个，两个钻杆连接段8的直径大小相同。

本实施例为又一较佳实施方式，钻杆连接段8为两个，两个钻杆连接段8的直径大小相同，能够根据不同长度的钻杆9，将钻杆9良好的连接，利于保障实验可靠性。

实施例5

参见图1和图2，一种可视化水平环空岩屑运移模拟设备，包括钻井液装置，还包括岩屑送料装置、模拟井筒19装置、钻杆9旋转偏心装置、岩屑分离器18和计算机16，所述钻井液装置包括第一变频器1、钻井液泵2、储液罐3和液体流量计4，所述第一变频器1与钻井液泵2连接，钻井液泵2分别与储液罐3和液体流量计4连接；所述岩屑送料装置包括岩屑罐5和安装在岩屑罐5上的进料控制阀6；所述模拟井筒19装置包括模拟井筒19和固定座15，模拟井筒19固定在固定座15上；所述钻杆9旋转偏心装置包括偏心器7、钻杆连接段8、钻杆9、扭矩传感器10、电机11和第二变频器17，钻杆连接段8的一端与偏心器7连接，钻杆连接段8的另一端与钻杆9连接，钻杆9与扭矩传感器10连接，扭矩传感器10与电机11连接，电机11与第二变频器17连接；所述偏心器7、钻杆连接段8和钻杆9设置在模拟井筒19内部，所述液体流量计4和岩屑罐5均与模拟井筒19的前端连接，所述储液罐3通过管线与岩屑分离器18连接，岩屑分离器18与模拟井筒19的后端连接；所述第一变频器1、第二变频器17、液体流量计4、扭矩传感器10分别与计算机16连接。

所述模拟井筒19包括连接在一起的上半部筒体和下半部筒体，上半部筒体为透明外筒12，下半部筒体为粗糙的模拟井壁13，模拟井壁13外设置有金属外筒14，金属外筒14固定在固定座15上。

所述固定座15为两个，固定座15上开有用于放置金属外筒14的弧形凹槽。

所述钻杆连接段8为两个，两个钻杆连接段8的直径大小相同。

所述模拟井壁13为水泥浇筑井壁。

本实施例为又一较佳实施方式，模拟井壁13为水泥浇筑井壁，能够保障粗糙度，且制造简单，制造成本低。

实施例6

参见图1和图2，一种可视化水平环空岩屑运移模拟设备，包括钻井液装置，还包括岩屑送料装置、模拟井筒19装置、钻杆9旋转偏心装置、岩屑分离器18和计算机16，所述钻井液装置包括第一变频器1、钻井液泵2、储液罐3和液体流量计4，所述第一变频器1与钻井液泵2连接，钻井液泵2分别与储液罐3和液体流量计4连接；所述岩屑送料装置包括岩屑罐5和安装在岩屑罐5上的进料控制阀6；所述模拟井筒19装置包括模拟井筒19和固定座15，模拟井筒19固定在固定座15上；所述钻杆9旋转偏心装置包括偏心器7、钻杆连接段8、钻杆9、扭矩传感器10、电机11和第二变频器17，钻杆连接段8的一端与偏心器7连接，钻杆连接段8的另一端与钻杆9连接，钻杆9与扭矩传感器10连接，扭矩传感器10与电机11连接，电机11与第二变频器17连接；所述偏心器7、钻杆连接段8和钻杆9设置在模拟井筒19内部，所述液体流量计4和岩屑罐5均与模拟井筒19的前端连接，所述储液罐3通过管线与岩屑分离器18连接，岩屑分离器18与模拟井筒19的后端连接；所述第一变频器1、第二变频器17、液体流量计4、扭矩传感器10分别与计算机16连接。

所述模拟井筒19包括连接在一起的上半部筒体和下半部筒体，上半部筒体为透明外筒12，下半部筒体为粗糙的模拟井壁13，模拟井壁13外设置有金属外筒14，金属外筒14固定在固定座15上。

所述固定座15为两个，固定座15上开有用于放置金属外筒14的弧形凹槽。

所述钻杆连接段8为两个，两个钻杆连接段8的直径大小相同。

所述模拟井壁13为水泥浇筑井壁。

所述透明外筒12为有机玻璃外筒。

本实施例为最佳实施方式，透明外筒12为有机玻璃外筒，不仅具有良好的结构强度，且重量较轻。

能够模拟不同物性岩屑、岩屑量、钻具转速、钻具偏心度及钻井液返速这些因素对水平井岩屑运移的影响。

能够记录不同节点段岩屑运移情况，通过计算机16处理，使得实验结果更加准确。