一种综合考虑多因素的井筒压力测试系统及方法

技术领域

本发明涉及井筒压力测试技术领域，特别涉及一种综合考虑多因素的井筒压力测试系统及方法。

背景技术

随着油气资源的日益枯竭，油气开采逐渐向深部地层及深水方向发展，钻遇窄安全密度窗口地层的情况越来越普遍，深井深部地层的防塌、防漏、防喷已成为制约深部地层钻井的一大难题，环空压降作为影响地层井底压力平衡的一个重要因素，它的准确预测对井眼的安全钻进起着至关重要的作用。

现阶段对钻柱旋转、偏心以及不同斜度的井筒环空压耗计算问题的技术理论，其实质是对在特定条件下所采取的临时技术措施进行总结归纳后所得到的现场实际经验，在用于同类问题的分析与解决时具有较大的局限性。一些学者也曾通过流体力学软件CFD对立管旋转偏心进行研究，对于定向井、水平井以上的研究结果就不太适用。另一方面，该方向的研究主要还停留在理论分析和数值模拟上，还未有针对钻柱旋转、偏心与井筒倾角变化的井筒压力测试系统和方法。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种综合考虑多因素的井筒压力测试系统及方法，在综合考虑钻柱旋转、偏心与井筒倾角变化的情况下对井筒压力进行测试。

本发明的技术方案如下：

一方面，提供一种综合考虑多因素的井筒压力测试系统，所述多因素包括钻柱旋转、偏心以及井筒倾角变化，所述测试系统包支撑架、数据采集反馈系统以及均设置在所述支撑架上的井筒模拟装置、钻柱动力模拟装置、井口提钻模拟装置；

所述井筒模拟装置包括钻柱和套设在所述钻柱一端外表面的井筒，所述井筒的左右两端分别与左法兰管和右法兰管相连，所述左法兰管和所述右法兰管分别与设置在所述支撑架上的管支架一和管支架二相连；所述左法兰管的右端和所述右法兰管的左端均包括法兰盘一和法兰盘二，所述法兰盘一与所述法兰盘二之间通过连接螺栓相连，所述法兰盘一上的连接孔为圆形孔，所述法兰盘二上的连接孔为腰型孔，所述左法兰管和所述右法兰管的法兰盘二相对设置，通过控制所述连接螺栓在所述腰型孔中的位置控制钻柱偏心；

所述钻柱动力模拟装置能够带动所述钻柱旋转；所述井口提钻模拟装置能够使所述钻柱相对于所述井筒进行左右移动；所述支撑架具有角度调节功能，能够使所述井筒模拟装置与地面呈夹角；所述数据采集反馈系统用于采集井筒的压力变化数据、井口提钻模拟的位移变化数据以及井筒倾角变化数据。

作为优选，所述支撑架包括底座和通过铰链与所述底座铰接的支撑座；

所述底座包括底座支架和分别设置在所述底座支架上的抬升丝杆、井斜滑块、步进电机安装架，所述步进电机安装架上设有抬升步进电机，所述底座支架包括左底座和右底座，所述左底座和所述右底座之间通过两根平行设置的连接杆一相连，所述抬升丝杆的右端与所述右底座的左端相连，所述抬升丝杆的左端穿过所述井斜滑块与所述抬升步进电机的输出端相连，所述井斜滑块的上表面与抬升连杆铰接；

所述支撑座包括左支撑座和右支撑座，所述左支撑座和所述右支撑座之间通过两根平行设置的连接杆二相连，且所述连接杆二的左端穿过所述左支撑座与滑块一相连，所述左支撑座和所述右支撑座之间的连接杆二上设有连接块，所述连接块的下表面与所述抬升连杆铰接；

所述管支架一设置在所述左支撑座的上表面，所述管支架二设置在所述右支撑座的上表面。

作为优选，所述钻柱动力模拟装置包括步进电机、减速机、减速机安装架、同步带轮一、同步带轮二、同步带；

所述步进电机和所述减速机安装架设置在所述滑块一的上表面，所述减速机安装在所述减速机安装架上，所述步进电机的输出端与所述减速机相连，所述减速机的输出端与所述同步带轮一相连，所述同步带轮二套设在所述钻柱上，所述同步带设置在所述同步带轮一和所述同步带轮二上。

作为优选，还包括张紧装置，所述张紧装置包括张紧轮、张紧螺栓、张紧轮安装架，所述张紧轮的大小与所述同步带的宽度相匹配；

所述张紧轮安装架设置在所述滑块一上，所述张紧轮安装架上设有通孔，所述通孔为腰型孔，所述张紧螺栓的一端穿过所述通孔与所述张紧轮相连，并使所述张紧轮与所述同步带抵接，所述张紧螺栓的另一端通过螺母进行固定。

作为优选，所述井口提钻模拟装置包括提升步进电机、提升步进电机安装架、滑块二、提升丝杆、端座；

所述提升步进电机与所述提升步进电机安装架相连，所述提升步进电机安装架与所述滑块二相连，所述滑块二滑动设置在两根所述连接杆二之间，所述提升丝杆的一端穿过所述滑块二与所述提升步进电机的输出端相连，所述提升丝杆的另一端穿过所述左支撑座与所述滑块一相连；所述端座设置在所述滑块一的上表面并与所述钻柱的输入端相连。

作为优选，所述数据采集系统包括压力传感器和位移传感器，

所述压力传感器设置多个且均设置在所述井筒上，同一轴向的井筒上设有三个所述压力传感器，分别位于所述井筒的输入端、中部以及输出端，同一径向的井筒上设置至少一个所述压力传感器；

所述位移传感器包括用于采集井口提钻模拟位移数据的位移传感器一和用于采集井筒倾角数据的位移传感器二。

另一方面，还提供一种综合考虑多因素的井筒压力测试方法，采用上述任意一项所述的综合考虑多因素的井筒压力测试系统进行测试，包括以下步骤：

S1：对所述测试系统进行状态检测，并使所述测试系统恢复至初始状态，所述初始状态为井筒模拟装置与地面呈90°，井口提钻模拟装置的位移为0，钻柱偏心度为0；

S2：在所述初始状态下，通过所述钻柱动力模拟装置在不同钻柱转速条件下模拟钻井液循环过程，记录循环过程中井筒的压力变化数据一；

S3：改变所述井筒模拟装置与地面的夹角，在不同夹角状态下，通过所述钻柱动力模拟装置在不同钻柱转速条件下模拟钻井液循环过程，记录循环过程中井筒的压力变化数据二；

改变所述井口提钻模拟装置的位移，在不同位移状态下，通过所述钻柱动力模拟装置在不同钻柱转速条件下模拟钻井液循环过程，记录循环过程中井筒的压力变化数据三；

改变钻柱偏心度，在不同偏心度状态下，通过所述钻柱动力模拟装置在不同钻柱转速条件下模拟钻井液循环过程，记录循环过程中井筒的压力变化数据四；

S4：根据所述压力变化数据一、压力变化数据二、压力变化数据三以及压力变化数据四，建立不同转速下的井筒压力计算模型一、不同偏心度下的井筒压力计算模型二以及不同夹角下的井筒压力计算模型三；

S5：根据目标井筒的状态，选择对应的井筒压力计算模型计算所述目标井筒的井筒压力。

作为优选，步骤S4中，所述不同转速下的井筒压力计算模型一为：

式中：P

作为优选，步骤S4中，所述不同偏心度下的井筒压力计算模型二为：

式中：P

作为优选，步骤S4中，所述不同夹角下的井筒压力计算模型三为：

式中：P

本发明的有益效果是：

本发明通过考虑钻柱旋转、偏心与井筒倾角变化，并在相应条件下进行模拟钻井液循环实验，获取实验循环过程中井筒的压力变化数据，根据该压力变化数据建立不同条件下的井筒压力计算模型，以该井筒压力计算模型对目标井筒的压力进行计算，其结果更加符合实际工况，能够为油气井的开采提供技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明综合考虑多因素的井筒压力测试系统的结构示意图；

图2为本发明综合考虑多因素的井筒压力测试系统张紧装置处的局部结构示意图；

图3为本发明综合考虑多因素的井筒压力测试系统端座处的局部结构示意图。

图中标号：1-钻柱、2-井筒、3-左法兰管、4-右法兰管、5-管支架一、6-管支架二、7-法兰盘一、8-法兰盘二、9-底座、10-铰链、11-支撑座、12-抬升丝杆、13-井斜滑块、14-步进电机安装架、15-抬升步进电机、16-抬升连杆、17-左支撑座、18-右支撑座、19-滑块一、20-连接块、21-步进电机、22-减速机、23-减速机安装架、24-同步带轮一、25-同步带轮二、26-同步带、27-张紧轮、28-张紧螺栓、29-张紧轮安装架、30-通孔、31-螺母、32-提升步进电机、33-提升步进电机安装架、34-滑块二、35-提升丝杆、36-端座、37-端座支架、38-连接管、39-波纹管、40-轴承端盖时、41-接头、42-压力传感器、43-位移传感器一、44-位移传感器二。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语；使用的术语中“上”、“下”、“左”、“右”等通常是针对附图所示的方向而言，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言；同样地，为便于理解和描述，“内”、“外”等是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。但上述方位词并不用于限制本发明。

一方面，如图1-3所示，本发明提供一种综合考虑多因素的井筒压力测试系统，所述多因素包括钻柱旋转、偏心以及井筒倾角变化，所述测试系统包支撑架、数据采集反馈系统以及均设置在所述支撑架上的井筒模拟装置、钻柱动力模拟装置、井口提钻模拟装置；

所述井筒模拟装置包括钻柱1和套设在所述钻柱1一端外表面的井筒2，所述井筒2的左右两端分别与左法兰管3和右法兰管4相连，所述左法兰管3和所述右法兰管4分别与设置在所述支撑架上的管支架一5和管支架二6相连；所述左法兰管3的右端和所述右法兰管4的左端均包括法兰盘一7和法兰盘二8，所述法兰盘一7与所述法兰盘二8之间通过连接螺栓(图中未示出)相连，所述法兰盘一7上的连接孔为圆形孔，所述法兰盘二8上的连接孔为腰型孔，所述左法兰管3和所述右法兰管4的法兰盘二8相对设置，通过控制所述连接螺栓在所述腰型孔中的位置控制钻柱1偏心；

所述钻柱动力模拟装置能够带动所述钻柱1旋转；所述井口提钻模拟装置能够使所述钻柱1相对于所述井筒2进行左右移动；所述支撑架具有角度调节功能，能够使所述井筒模拟装置与地面呈夹角；所述数据采集反馈系统用于采集井筒2的压力变化数据、井口提钻模拟的位移变化数据以及井筒倾角变化数据。

在一个具体的实施例中，所述支撑架包括底座9和通过铰链10与所述底座9铰接的支撑座11；

所述底座9包括底座支架和分别设置在所述底座支架上的抬升丝杆12、井斜滑块13、步进电机安装架14，所述步进电机安装架14上设有抬升步进电机15，所述底座支架包括左底座和右底座，所述左底座和所述右底座之间通过两根平行设置的连接杆一相连，所述抬升丝杆12的右端与所述右底座的左端相连，所述抬升丝杆12的左端穿过所述井斜滑块13与所述抬升步进电机15的输出端相连，所述井斜滑块13的上表面与抬升连杆16铰接；

所述支撑座11包括左支撑座17和右支撑座18，所述左支撑座17和所述右支撑座18之间通过两根平行设置的连接杆二相连，且所述连接杆二的左端穿过所述左支撑座17与滑块一19相连，所述左支撑座17和所述右支撑座18之间的连接杆二上设有连接块20，所述连接块20的下表面与所述抬升连杆16铰接；

所述管支架一5设置在所述左支撑座17的上表面，所述管支架二6设置在所述右支撑座18的上表面。

在一个具体的实施例中，所述钻柱动力模拟装置包括步进电机21、减速机22、减速机安装架23、同步带轮一24、同步带轮二25、同步带26；

所述步进电机21和所述减速机安装架23设置在所述滑块一19的上表面，所述减速机22安装在所述减速机安装架23上，所述步进电机21的输出端与所述减速机22相连，所述减速机22的输出端与所述同步带轮一24相连，所述同步带轮二25套设在所述钻柱1上，所述同步带26设置在所述同步带轮一24和所述同步带轮二25上。可选地，所述减速机22采用行星减速机。

在上述实施例中，步进电机21带动所述同步带轮一24旋转，然后通过所述同步带26和所述同步带轮二25带动所述钻柱1旋转。通过控制步进电机21控制所述钻柱1的转速。

为了避免同步带26长时间工作后出现松动，无法带动钻柱1旋转情况的出现，所述测试系统还包括张紧装置，所述张紧装置包括张紧轮27、张紧螺栓28、张紧轮安装架29，所述张紧轮27的大小与所述同步带26的宽度相匹配；

所述张紧轮安装架29设置在所述滑块一19上，所述张紧轮安装架29上设有通孔30，所述通孔30为腰型孔，所述张紧螺栓28的一端穿过所述通孔30与所述张紧轮27相连，并使所述张紧轮27与所述同步带26抵接，所述张紧螺栓28的另一端通过螺母31进行固定。

在上述实施例中，通过将所述张紧螺栓28向靠近所述同步带26的方向移动，然后通过所述螺母31固定，利用所述张紧轮27对所述同步带26进行张紧，避免同步带26松动后无法带动钻柱1旋转。

在一个具体的实施例中，所述井口提钻模拟装置包括提升步进电机32、提升步进电机安装架33、滑块二34、提升丝杆35、端座36；

所述提升步进电机32与所述提升步进电机安装架33相连，所述提升步进电机安装架33与所述滑块二34相连，所述滑块二34滑动设置在两根所述连接杆二之间，所述提升丝杆35的一端穿过所述滑块二34与所述提升步进电机32的输出端相连，所述提升丝杆35的另一端穿过所述左支撑座17与所述滑块一19相连；所述端座36设置在所述滑块一19的上表面并与所述钻柱1的输入端相连。

在上述实施例中，通过提升步进电机32控制所述提升丝杆35旋转，在所述提升丝杆35旋转的情况下带动所述提升步进电机32随所述滑块二34相对于所述连接杆二进行滑动，并带动所述滑块一19在所述连接杆二上进行滑动，从而带动所述钻柱1相对于所述井筒2进行向左移动，即模拟钻柱提升。

可选地，所述端座36包括设置在所述滑块一19上表面的端座支架37，所述端座支架37的顶部设有连接管38，所述连接管38内设有波纹管39，且所述波纹管39套设在所述钻柱1外表面，所述连接管38的左右两端均设有轴承端盖40，所述连接管38的入口端与接头41相连。

在一个具体的实施例中，所述数据采集系统包括压力传感器42和位移传感器，所述压力传感器42设置多个且均设置在所述井筒2上，同一轴向的井筒2上设有三个所述压力传感器，分别位于所述井筒2的输入端、中部以及输出端，同一径向的井筒2上设置至少一个所述压力传感器；所述位移传感器包括用于采集井口提钻模拟位移数据的位移传感器一43和用于采集井筒倾角数据的位移传感器二44。

可选地，所述位移传感器一43设置三个且均设置在所述连接杆二上，所述位移传感器二44设置三个且均设置在所述连接杆一上，通过所述位移传感器二44监测所述井斜滑块13的位移，从而计算所述底座9和所述支撑座11的夹角，即所述井筒模拟装置与地面的夹角，具体通过下式进行计算：

式中：x为电机滑块相对位移，m；r为连杆二两铰链间距，m；θ为井筒模拟装置与地面的夹角，°；L为抬升连杆长度，m。

另一方面，本发明还提供一种综合考虑多因素的井筒压力测试方法，采用上述任意一项所述的综合考虑多因素的井筒压力测试系统进行测试，包括以下步骤：

S1：对所述测试系统进行状态检测，并使所述测试系统恢复至初始状态，所述初始状态为井筒模拟装置与地面呈90°，井口提钻模拟装置的位移为0，钻柱偏心度为0。

在一个具体的实施例中，对所述测试系统进行状态检测具体包括以下子步骤：连接好所述测试系统，在蓄液池中放置配置好的钻井液，检查各个传感器、电机的连接状态；打开电源，测试各电机的响应状态以及各传感器的反馈灵敏度。例如，通过调节PC端给抬升步进电机15输入脉冲A，抬升步进电机15通过输出转矩带动井斜滑块13运动，抬升步进电机15响应结束后，若井斜滑块13产生的位移如果刚好激活对应的位移传感器，说明测试无误。

S2：在所述初始状态下，通过所述钻柱动力模拟装置在不同钻柱转速条件下模拟钻井液循环过程，记录循环过程中井筒的压力变化数据一。

S3：改变所述井筒模拟装置与地面的夹角，在不同夹角状态下，通过所述钻柱动力模拟装置在不同钻柱转速条件下模拟钻井液循环过程，记录循环过程中井筒的压力变化数据二；

改变所述井口提钻模拟装置的位移，在不同位移状态下，通过所述钻柱动力模拟装置在不同钻柱转速条件下模拟钻井液循环过程，记录循环过程中井筒的压力变化数据三；

改变钻柱偏心度，在不同偏心度状态下，通过所述钻柱动力模拟装置在不同钻柱转速条件下模拟钻井液循环过程，记录循环过程中井筒的压力变化数据四。

在一个具体的实施例中，分别测试90°、60°、30°、0°夹角状态下，偏心度0、15％、30％、60％、90％状态下，以及钻柱提升位移10cm、20cm、30cm、40cm、50cm状态下，钻井液循环过程的井筒压力变化。

S4：根据所述压力变化数据一、压力变化数据二、压力变化数据三以及压力变化数据四，建立不同转速下的井筒压力计算模型一、不同偏心度下的井筒压力计算模型二以及不同夹角下的井筒压力计算模型三。

在一个具体的实施例中，所述不同转速下的井筒压力计算模型一为：

式中：P

所述不同偏心度下的井筒压力计算模型二为：

式中：P

所述不同夹角下的井筒压力计算模型三为：

式中：P

S5：根据目标井筒的状态，选择对应的井筒压力计算模型计算所述目标井筒的井筒压力。

综上所述，本发明通过考虑钻柱旋转、偏心与井筒倾角变化，能够获得更符合实际工况的井筒压力。与现有技术相比，本发明具有显著的进步。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。