專利名稱：用于控壓鉆井實驗與測試的井下工況模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及石油、天然氣鉆井領(lǐng)域，一種用于控壓鉆井實驗與測試的井下工 況模擬裝置，適用于控制壓力鉆井技術(shù)與裝備的實驗、測試，能實現(xiàn)控壓鉆井技術(shù)室內(nèi)研 究、裝置工作性能檢測。
背景技術(shù)：
控壓鉆井技術(shù)是一項精確的井底壓力控制鉆井技術(shù)，保證在整個鉆井作業(yè)過程中 無論是正常鉆進、接單根、起下鉆等過程中精確的井底壓力控制，減少井涌、井漏等多種鉆 井復(fù)雜情況，相對常規(guī)鉆井技術(shù)，可以減低80%的井下復(fù)雜問題，減少非生產(chǎn)時間20% 40%，降低鉆井成本。但是，該項鉆井技術(shù)對軟硬件水平要求都很高，表現(xiàn)在①軟件方面， 集自動控制技術(shù)和實時水力學(xué)計算于一體，需要應(yīng)對各種工況，如開泵、停泵、井漏、井涌、 起下鉆、活動鉆具等不同工況實時分析、預(yù)測，然后發(fā)出控制指令，通過對鉆井液進行自動 節(jié)流達到控制井底壓力的目的；②硬件方面，由中央控制系統(tǒng)、節(jié)流管匯系統(tǒng)和回壓泵系 統(tǒng)三大系統(tǒng)組成控壓鉆井裝備，在中央控制系統(tǒng)的組織下協(xié)同工作，節(jié)流管匯進行正常鉆 井條件下鉆井液節(jié)流控制，在井隊泥漿泵停止工作或者提供的地面返回的鉆井液流量不夠 時，則啟動回壓泵系統(tǒng)為節(jié)流管匯系統(tǒng)提供鉆井液進行節(jié)流控制，從而達到不間斷、精確的 壓力控制，使井底壓力控制在允許范圍內(nèi)。由此可以看出開發(fā)控壓鉆井技術(shù)的困難程度，一方面需要深入分析實際控壓鉆井 的多種工況條件，考慮眾多控制變量，如鉆井液流量的變化、密度的變化、循環(huán)壓力的波動、 環(huán)空壓力損耗的變化等等，建立復(fù)雜控壓鉆井工藝技術(shù)；另一方面需要研制設(shè)備，并完成設(shè) 備聯(lián)動調(diào)試，使之在復(fù)雜的控壓鉆井井下工況條件下可以做出穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確和快速的動 作。在沒有完善以上兩方面詳細的室內(nèi)實驗、測試的基礎(chǔ)上，控壓鉆井技術(shù)是不能鉆井現(xiàn)場 進行測試，更不可能進入鉆井現(xiàn)場服務(wù)。目前，國內(nèi)外均沒有可以進行成套控壓鉆井技術(shù)與裝備實驗和測試的井下工況模 擬裝置，因此研究一種用于控壓鉆井技術(shù)與裝備測試的井下工況模擬方法和裝備勢在必 行。通過建立該井下工況模擬裝置和方法可以完成以下功能①進行控壓鉆井工藝技術(shù)實 驗，尋找最佳控制方法和手段，包括井口回壓，流量補償方式等等；②模擬控壓鉆井多種井 下工況，測試控壓鉆井裝備多個系統(tǒng)連接后運行信號采集的準(zhǔn)確性，設(shè)備調(diào)節(jié)的快速性以 及控制的穩(wěn)定性，測試內(nèi)容包括軟件和硬件兩個方面；③研究流量、出入口壓力差和節(jié)流閥 開度三者之間關(guān)系，建立準(zhǔn)確的控制模型。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種用于控壓鉆井實驗與測試的井下工況模擬裝置， 用于控壓鉆井技術(shù)與裝備實驗、測試，達到精確掌握控壓鉆井技術(shù)參數(shù)，精準(zhǔn)調(diào)試控壓鉆井 裝備，實現(xiàn)控壓鉆井技術(shù)與裝備的室內(nèi)實驗和測試的目的。本實用新型采用的技術(shù)方案是用于控壓鉆井實驗與測試的井下工況模擬裝置，主要由泥漿罐，流量計A、流量計B，泥漿泵A，泥漿泵B，節(jié)流閥A、節(jié)流閥B，阻流管匯以及平 板閥A、平板閥B、平板閥C、平板閥D和壓力計B、壓力計A，壓力計C組成。其中，泥漿罐可 以由兩個60m3標(biāo)準(zhǔn)罐組成，可裝同一種液體，也可分裝不同液體；泥漿泵A的入口管線與泥 漿罐出口管線連接，流量計A安裝在泥漿泵A的入口管線；泥漿泵B的入口管線與泥漿罐出 口管線連接，流量計B安裝在泥漿泵B的入口管線。泥漿泵A的出口管線安裝了一個單流 閥A，然后泥漿泵A的出口管線通過三通分成三路第一路通過三通連接一個放空閥，放空 閥出口連接泥漿罐入口；第二路通過三通連接平板閥A，平板閥A串聯(lián)一個節(jié)流閥A，節(jié)流閥 A出口管線與泥漿罐的回水管線連接；第三路通過三通連接平板閥B，平板閥B與節(jié)流閥B 的入口管線相連，在節(jié)流閥B的入口處安裝了壓力計A。氣源的出口管線通過單流閥B平板 閥D串聯(lián)后與泥漿泵A的第三路管線相連，連結(jié)點在平板閥B之后管線上。泥漿泵B的出 口管線上依次連接一個單流閥A和壓力計B，然后通過三通分成兩路一路是通過一個放空 閥與泥漿罐的回水管線連接；另一路通過三通連接一個平板閥C并與泥漿泵A第三路管線 的平板閥B出口管線相連。節(jié)流閥B的出口管線與阻流管匯的入口管線相連，阻流管匯的 出口管線與控壓鉆井裝備相連，在阻流管匯的出口管線安裝了一個壓力計C。在阻流管匯的 入口管線通過入口法蘭與控壓鉆井裝備連接，控壓鉆井裝備通過出口法蘭與泥漿罐回水管 線連接；另外控壓鉆井裝備的上水管線與泥漿罐連接。簡述用于控壓鉆井實驗與測試的井下工況模擬裝置的試驗過程。參閱圖2?？貕恒@井裝備1002是安裝被測試的部件，被測試的部件是與鉆井井口壓力控制 有關(guān)的部件，如節(jié)流管匯、回壓泵、節(jié)流閥等，簡稱控壓鉆井裝備。模擬井下工況的方法是通過泥漿泵A7輸入鉆井液，并獲得鉆井液的流量和密度 值，調(diào)節(jié)節(jié)流閥B19開度模擬正常鉆進、起下鉆等工況造成的井底壓力波動；阻流管匯20模 擬井眼環(huán)空壓力損耗；開啟節(jié)流閥A12調(diào)節(jié)開度，模擬井漏工況；啟動泥漿泵B8或者氣源， 控制輸入流量，模擬井涌工況。通過井下工況模擬裝置1001與控壓鉆井裝備1002連接進行實驗或測試，井下工 況模擬裝置模擬井下工況的變化?？貕恒@井裝備根據(jù)工況的變化進行自動判斷、識別工況， 并進行壓力控制。具體方法是首先由輸入鉆井液流量和鉆井液密度兩個參數(shù)(輸入?yún)?shù) 框圖1)；其次控制地層壓力值和井漏或井涌量兩個參數(shù)的變化(控制參數(shù)框圖2)；最后經(jīng) 過井下工況模擬裝置輸出井口回壓、鉆井液流出量和鉆井液密度三個參數(shù)(輸出參數(shù)框圖 3)。將控壓鉆井裝備1002串聯(lián)在井下工況模擬裝置之后進行如控壓方法實驗、控壓精度以 及靈敏度、可靠性測試等相關(guān)的功能實驗、測試。鉆井液的循環(huán)流程由泥漿罐4開始，通過井下工況模擬裝置1001進入控壓鉆井裝 備1002，最終返回泥漿罐4。井下工況模擬裝置1001顯示井下工況模擬首先由輸入?yún)?shù) 框圖1輸入鉆井液流量和鉆井液密度兩個參數(shù)；再由控制參數(shù)框圖2控制兩個參數(shù)的變化 地層壓力值和井漏或井涌量；最后由輸出參數(shù)框圖3顯示經(jīng)過井下工況模擬裝置的三個輸 出參數(shù)，即井口回壓、鉆井液流出量和鉆井液密度?？貕恒@井裝備1002則是放置實驗、測 試的控壓鉆井裝備，將其串聯(lián)在井下工況模擬裝置1001之后進行相關(guān)的功能實驗、測試。對于各個不同的井下工況，具體的操作流程本領(lǐng)域技術(shù)人員能完成。本實用新型的有益效果本實用新型用于控壓鉆井實驗與測試的井下工況模擬裝 置具有以下優(yōu)點[0014]1、綜合考慮控壓鉆井的多種工況，在實驗室模擬了正常鉆進、開泵、停泵、起下鉆、 井漏、井涌等不同井下工況情況，對完善、提高、開發(fā)控壓鉆井技術(shù)與裝備的水平起到極大 的推動作用，并保證了控壓鉆井裝備的安全、可靠運行；2、控壓鉆井裝備的測試是將井下工況模擬裝置模擬的井下工況作為黑匣子處理， 不管具體作用機理，僅是控制模擬的井底壓力以及井漏量或井涌量，實驗、測試過程與現(xiàn)場 工程實際很符合，為控壓鉆井裝備調(diào)試提供了可靠的平臺；3、井下工況模擬裝置模擬多種井下工況為深入理解、分析控壓鉆井工藝?yán)碚摚?別是壓力傳播特性，以及建立微溢流條件的壓力控制模型提供很好的幫助。

圖1是本實用新型用于控壓鉆井實驗與測試的井下工況模擬裝置組成示意圖。圖2是用井下工況模擬裝置模擬井下工況示意圖。圖中，1001.井下工況模擬裝置，1002.控壓鉆井裝備，其中在井下工況模擬裝置 1001中模擬的參數(shù)框圖包括1.輸入?yún)?shù)框圖，包括鉆井液密度和鉆井液流入量；2.控制 參數(shù)框圖，包括地層壓力值和井漏或井涌量；3.控制參數(shù)框圖，包括井口回壓、鉆井液流 出量和鉆井液密度。圖中，4.泥漿罐，5.流量計A、6.流量計B，7.泥漿泵A，8.泥漿泵B，9.單流閥A， 10.壓力計B，11.放空閥，12.節(jié)流閥A，13.平板閥A、14.平板閥B、15.平板閥C、16.平板 閥D，17.單流閥B，18.壓力計A，19.節(jié)流閥B，20.阻流管匯，21.壓力計C，22.入口法蘭，
23.出口法蘭。
具體實施方式
實施例1 以一個用于控壓鉆井實驗與測試的井下工況模擬裝置，對本實用新型 作進一步詳細說明。參閱圖1。用于控壓鉆井實驗與測試的井下工況模擬裝置，主要由泥漿罐4，流量 計A5、流量計B6，泥漿泵A7，泥漿泵B8，節(jié)流閥A12、節(jié)流閥B19，阻流管匯20以及平板閥 A13、平板閥B14、平板閥C15、平板閥D16和壓力計B10、壓力計A18，壓力計C21組成。其中，泥漿泵A7額定功率315KW，排量20L，額定壓力35MPa。泥漿泵B8額定功率 160KW，排量8L，額定壓力35MPa。泥漿罐4由兩個60m3標(biāo)準(zhǔn)罐組成。流量計A5和流量計 B6采用科氏流量計。壓力計B10、壓力計A18和壓力計C21采用現(xiàn)場總線儀表。阻流管匯 20則是由內(nèi)徑3cm、總長40m的鋼管彎曲而成。節(jié)流閥A12、節(jié)流閥B19采用電磁比例閥控 制。平板閥A13、平板閥B14、平板閥C15和平板閥D16則是采用液動平板閥。泥漿泵A7的入口管線與泥漿罐4出口管線連接，流量計A5安裝在泥漿泵A7的入 口管線；泥漿泵B8的入口管線與泥漿罐4出口管線連接，流量計B6安裝在泥漿泵B8的入 口管線。泥漿泵A7的出口管線安裝了一個單流閥A9，然后泥漿泵A7的出口管線通過三通 分成三路第一路通過三通連接一個放空閥11，放空閥11出口連接泥漿罐4入口 ；第二路 通過三通連接平板閥A13，平板閥A13串聯(lián)一個節(jié)流閥A12，節(jié)流閥A12出口管線與泥漿罐 4的回水管線連接；第三路通過三通連接平板閥B14，平板閥B14與節(jié)流閥B19的入口管線 相連，在節(jié)流閥B19的入口處安裝了壓力計A18。氣源的出口管線通過單流閥B17平板閥
5D16串聯(lián)后與泥漿泵A7的第三路管線相連，連結(jié)點在平板閥B14之后管線上。泥漿泵B8的 出口管線上依次連接一個單流閥A9和壓力計B10，然后通過三通分成兩路一路是通過一 個放空閥11與泥漿罐4的回水管線連接；另一路通過三通連接一個平板閥C15并與泥漿泵 A7第三路管線的平板閥B14出口管線相連。節(jié)流閥B19的出口管線與阻流管匯20的入口 管線相連，阻流管匯20的出口管線與控壓鉆井裝備1002相連，在阻流管匯20的出口管線 安裝了一個壓力計C21。在阻流管匯20的入口管線通過入口法蘭22與控壓鉆井裝備1002 連接，控壓鉆井裝備1002通過出口法蘭23與泥漿罐4回水管線連接；另外控壓鉆井裝備 1002的上水管線與泥漿罐4連接?？貕恒@井技術(shù)與裝備實驗和測試需要針對不同井下工況分別進行，設(shè)計的模擬工 況包括正常鉆進、開泥漿泵、關(guān)泥漿泵、起下鉆、井漏和井涌等工況。實現(xiàn)方法為通過泥 漿泵A7輸入鉆井液流量和密度，調(diào)節(jié)節(jié)流閥B19開度模擬正常鉆進、起下鉆等工況造成的 井底壓力波動；阻流管匯20模擬井眼環(huán)空壓力損耗；開啟節(jié)流閥A12調(diào)節(jié)開度，模擬井漏 工況；啟動泥漿泵B8，控制輸入流量，模擬井涌工況。阻流管匯20還可以采用內(nèi)徑2cm或4cm，總長40m的鋼管彎曲而成，兩端焊接有法
權(quán)利要求一種用于控壓鉆井實驗與測試的井下工況模擬裝置，主要由泥漿罐(4)、流量計A(5)、流量計B(6)、泥漿泵A(7)、泥漿泵B(8)、節(jié)流閥A(12)、節(jié)流閥B(19)、阻流管匯(20)以及平板閥A(13)、平板閥B(14)、平板閥C(15)、平板閥D(16)和壓力計B(10)、壓力計A(18)、壓力計C(21)組成；其特征是泥漿泵A(7)的入口管線與泥漿罐(4)出口管線連接，流量計A(5)安裝在泥漿泵A(7)的入口管線；泥漿泵B(8)的入口管線與泥漿罐(4)出口管線連接，流量計B(6)安裝在泥漿泵B(8)的入口管線，泥漿泵A(7)的出口管線安裝了一個單流閥A(9)，然后泥漿泵A(7)的出口管線通過三通分成三路第一路通過三通連接一個放空閥(11)，放空閥(11)出口連接泥漿罐(4)入口；第二路通過三通連接平板閥A(13)，平板閥A(13)串聯(lián)一個節(jié)流閥A(12)，節(jié)流閥A(12)出口管線與泥漿罐(4)的回水管線連接；第三路通過三通連接平板閥B(14)，平板閥B(14)與節(jié)流閥B(19)的入口管線相連，在節(jié)流閥B(19)的入口處安裝有壓力計A(18)，氣源的出口管線通過單流閥B(17)與平板閥D(16)串聯(lián)后與泥漿泵A(7)的第三路管線相連，連結(jié)點在平板閥B(14)之后管線上，泥漿泵B(8)的出口管線上依次連接一個單流閥A(9)和壓力計B(10)，然后通過三通分成兩路一路是通過一個放空閥(11)與泥漿罐(4)的回水管線連接；另一路通過三通連接一個平板閥C(15)并與泥漿泵A(7)第三路管線的平板閥B(14)出口管線相連，節(jié)流閥B(19)的出口管線與阻流管匯(20)的入口管線相連，阻流管匯(20)的出口管線與控壓鉆井裝備(1002)相連，在阻流管匯(20)的出口管線安裝了一個壓力計C(21)，在阻流管匯(20)的入口管線通過入口法蘭(22)與控壓鉆井裝備(1002)連接，控壓鉆井裝備(1002)通過出口法蘭(23)與泥漿罐(4)回水管線連接；另外控壓鉆井裝備(1002)的上水管線與泥漿罐(4)連接。
專利摘要用于控壓鉆井實驗與測試的井下工況模擬裝置，用于井下工況模擬與控壓鉆井裝備串聯(lián)進行實驗和測試，模擬井下工況的變化。主要由泥漿罐、流量計、泥漿泵、節(jié)流閥A、節(jié)流閥、阻流管匯以及平板閥和壓力計組成；泥漿泵A的出口管線分成三路；泥漿泵B的出口管線上依次連接一個單流閥和壓力計，通過三通分成兩路，節(jié)流閥的出口管線與阻流管匯的入口管線相連，阻流管匯的出口管線與控壓鉆井裝備相連。能模擬正常鉆進、開泵、停泵、起下鉆、井漏、井涌等不同井下工況情況，并保證了控壓鉆井裝備的安全、可靠運行。實現(xiàn)精確掌握控壓鉆井技術(shù)，細致調(diào)試控壓鉆井裝備的目的，用于油氣井控制壓力鉆井技術(shù)和裝備試驗。
文檔編號E21B21/08GK201705322SQ20102014917
公開日2011年1月12日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者劉偉, 周英操, 方世良, 楊雄文, 紀(jì)榮藝, 霍宗強, 項德貴 申請人:中國石油天然氣集團公司;中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院