天然气水合物地层钻井模拟装置 |
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| 申请号 | CN201410675849.9 | 申请日 | 2014-11-20 | 公开(公告)号 | CN104500031A | 公开(公告)日 | 2015-04-08 |
| 申请人 | 中国科学院广州能源研究所; | 发明人 | 李小森; 张郁; 王屹; 李刚; 陈朝阳; 黄宁生; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 天然气 水 合物 地层 钻井模拟装置，包括水合物 岩心 模拟系统、钻进系统、 钻井液 注入系统、钻井液处理系统；其中：所述水合物岩心模拟系统包括水合物地层模拟井筒、人造岩心、水浴夹套、低温水浴；所述钻井系统包括 支架 、高压转联装置、液压装置、钻进装置，所述钻井液注入系统包括泥浆罐、钻井液流量计、泥浆 泵 、溢流 阀 ；所述钻井液处理系统包括高压除砂器、背压及溢流控制系统、气液分离器、干燥器、气体流量计、液体流量计、泥浆处理池。本发明所述模拟装置可以对多种井下工况环境进行相关模拟试验，具有操作便捷和结构简单的特点，从而为评估天然气水合物钻井安全控制、钻井方案制定提供室内试验数据。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种天然气水合物地层钻井模拟装置，其特征在于，包括水合物岩心模拟系统、钻进系统、钻井液注入系统、钻井液处理系统；其中： |
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| 说明书全文 | 天然气水合物地层钻井模拟装置技术领域[0001] 本发明涉及一种钻井模拟装置，特别是涉及一种模拟不同工况下天然气水合物地层钻井过程的实验模拟装置。 背景技术[0002] 天然气水合物(Natural Gas Hydrate，NGH)具有储量大、分布广、能量密度高、清洁环保等优点，被认为是21世纪最重要的清洁替代能源，展开NGH研究具有重大的科学和现实意义。 [0003] NGH研究包括资源调查与评价、开采技术、安全与环境影响等方面。在资源调查研究的基础上，经济、高效和安全的NGH开采技术是实现NGH资源开发的决定性因素。NGH开采技术研究涉及的内容主要有钻井、分解、采气、环境影响等。其中NGH钻井技术是实现NGH开采的基础和前提。目前，有关NGH钻井方面的模拟研究报道极少。虽然已开展了一定的冻土区及海洋NGH现场勘探取样钻井和少量的试开采钻井工作，但NGH勘探取样钻井和生产性开采钻井存在较大的区别，因此，开展NGH开采钻井技术研究对NGH资源开发利用至关重要。 [0004] 由于天然气水合物是一种受环境约束非常强的物质，它的形成和稳定需要非常特殊的高压低温环境，在进行NGH钻井过程中，钻头切削岩石的过程、井底钻具与井壁和岩心的摩擦会产生大量的热能，以及井壁和井底附近地层应力释放，这些都会造成NGH的分解产生气体和分解水。NGH的分解会对钻井质量、钻井速度、设备等造成严重危害。一方面，气体进入钻井液后，与钻井液一起循环，使钻井液密度降低，导致井底静水压力降低，加速了NGH的分解，并表现为恶性循环，最终导致井底大量水合物分解，造成井径严重扩大、井喷、井塌、套管变形及地面沉降等事故。另一方面，在深海和温度很低冻土地区钻井时，在井身内一定位置或地面管路中具有气体重新形成NGH的温度和压力条件，这样，在钻井液中就很可能形成NGH，而这就会造成钻井液循环(类似于油气输送管道中形成的天然气水合物堵塞)或钻井系统的其他管路的堵塞，从而导致一系列井内恶性事故。因此，能否控制钻井过程中井底热(温度)、压力和 NGH分解，是关系到NGH资源开发利用的关键性问题。此外，由于海底NGH均赋存于浅层沉积物中，水合物储层地质力学性能弱，破裂压力低，若采用太高的钻井压力则会导致地层破裂，造成钻井液漏失。因此，NGH钻井与常规的油气开采钻井相比，在钻井速度，钻井液配比、压力变化及循环流速，井底压力控制方法等方面有很大的不同。在没有研究建立成熟系统的NGH地层钻井理论和相关技术之前，如贸然采用常规油气开采钻井技术进行钻井，可能会引发难以预测和控制的安全事故。 [0005] NGH开采钻井研究方法可分为实验室模拟、数值模拟和现场试验三类，其中，现场试验耗资巨大，成本高昂，且只适合于已发现NGH实物样品的国家；数值模拟虽然成本低，但必须有实验模拟所获得基础数据及基本规律为基础；而实验模拟是通过在实验室建立实验模拟仪器及设备，通过控制模拟设备的温度、压力及介质等条件来近似模拟自然界NGH藏环境，并研究其生成、钻井过程的规律和影响机制。由于实验模拟研究成本较低，且是其它研究的基础，因此，NGH钻井实验模拟研究就成为当前NGH钻井技术研究最为可行的研究方法。 [0006] 目前制约NGH钻井实验模拟研究发展的瓶颈问题在于缺乏在高压低温下实时、原位、快速、精确测定钻井过程中NGH相态变化及赋存特征的探测方法和实验仪器，这主要是由于NGH地层条件(高压、低温)苛刻、实验介质复杂，导致现有的油气钻井模拟装置与探测仪器不能应用于NGH钻井模拟研究，必须重新设计制造，使其既耐高压又有高的测试精度。 发明内容[0007] 基于此，有必要针对现有技术对天然气水合物钻井模拟过程存在的问题，提供一种天然气水合物钻井模拟研究模拟装置，可以实现低温高压下天然气水合物地层钻井过程模拟，进行不同地层条件与工况条件下的钻井实验与钻井参数测定，从而对钻头、钻压、转速以及钻井液类型优选，对钻井过程风险进行评估与控制。 [0008] 一种天然气水合物地层钻井模拟装置，包括水合物岩心模拟系统、钻进系统、钻井液注入系统、钻井液处理系统；其中： [0009] 所述水合物岩心模拟系统包括水合物地层模拟井筒、人造岩心、水浴夹套、 低温水浴；所述人造岩心填充于水合物地层模拟井筒的内腔中，所述水浴夹套包裹在水合物地层模拟井筒的外侧，低温水浴与水浴夹套连接，用于控制水合物地层模拟井筒内部环境的温度； [0010] 所述钻井系统包括支架、高压转联装置、液压装置、钻进装置，其中，所述高压转联装置为固定安装于水合物地层模拟井筒上侧的中空结构，该中空结构与水合物地层模拟井筒的内腔相连通；所述支架包括底座、立柱、井筒固定支架、转联器固定支架、电机平台，所述立柱安装在底座的一侧，井筒固定支架、转联器固定支架以及电机平台的一侧均固定连接在立柱上，它们的另一侧分别与水合物地层模拟井筒、高压转联装置以及钻进装置固定连接，所述钻进装置包括钻杆，所述钻杆伸入高压转联装置的中空结构中并延伸至水合物地层模拟井筒的内腔；所述液压装置与钻杆连接，用于为钻杆提供所需的下压力； [0011] 所述钻井液注入系统包括泥浆罐、泥浆冷却装置、搅拌装置、第一泥浆泵、加热器、第二泥浆泵、钻井液流量计、溢流阀。第一泥浆泵和第二泥浆泵的入口管线均与泥浆罐连接，第一泥浆泵的出口管线与加热器相连，第二泥浆泵出口管线与加热器出口管线通过三通接头汇合，三通接头出口设有温度传感器用于测量泥浆温度。混合后的泥浆连接后通过三通接头分成两路，一路通过管路经钻井液流量计与泥浆入口相连，一路通过溢流阀与泥浆罐相连。所述泥浆罐带有泥浆冷却装置、搅拌装置。实验时首先启动第二泥浆泵，提供输入泥浆压力和泥浆流量两个参数；其次调节溢流阀开度，控制模拟井底压力值。钻井液通过泥浆泵注入到钻杆的中，经由单向阀从钻头流出，从钻杆与井眼间的环空由泥浆出口流出。实验过程中，利用第二泥浆泵与溢流阀控制泥浆流量，通过低速流量泵与加热器控制泥浆温度。 [0012] 所述钻井液处理系统包括高压除砂器、背压及溢流控制系统、气液分离器、气体流量计、液体流量计；所述高压除砂器的入口通过管路与高压转联装置上设置的泥浆出口相连，高压除砂器的出口经背压及溢流控制系统与气液分离器相连，气液分离器流出的气体通过气体流量计计量，气液分离器流出的液体返回到泥浆罐中。 [0013] 所述水合物地层模拟井筒的内腔为180mm×180mm×180mm的立方体，其耐压范围为0～30MPa。 [0014] 所述水合物地层模拟井筒包括筒体、上法兰、和下法兰，所述上法兰、和 下法兰分别固定于筒体的上、下两侧；高压转联装置与上法兰固定，所述下法兰和上法兰上分别设置有与水合物地层模拟井筒内腔相连通的气液入口和气液出口。气液入口可外接注气注液设备与抽真空装置。下法兰同时设有温度压力测量接口、应力测量接口。 [0016] 所述钻进装置进一步包括伺服电机、第一齿轮、第二齿轮、钻头，伺服电机安装在电机平台上，伺服电机的旋转轴连接第一齿轮，与第一齿轮相啮合的第二齿轮固定套接于钻杆上；钻杆的输出端与钻头连接，钻杆为空腔结构，在所述空腔中安装有单向阀，钻杆的外径小于高压转联装置中空结构的内径，钻杆的表面开孔用于钻井液通过泥浆入口注入钻杆的空腔内。 [0017] 所述钻头在人造岩心中的最大钻进距离为150mm，钻头的直径为25mm，钻杆的直径为16mm。 [0018] 所述高压转联装置由压盖、上导套、第一复合动密封圈、转联器筒体、下导套、第二复合动密封圈、下压套、卡环、高压球阀、泥浆入口与泥浆出口组成，所述上导套固定于高压转联装置的上端，第一复合动密封圈和第二复合动密封圈均设置于高压转联装置中空结构与钻杆之间的空隙处，且第一复合动密封圈位于泥浆入口的上侧并与上导套固定，第二复合动密封圈位于泥浆入口和泥浆出口之间，所述下压套的上端与第二复合动密封圈固定，用于压紧该第二复合动密封圈，同时通过卡环固定于下压套的上端的外侧，所述下压套的下端通过螺栓与上法兰固定。 [0019] 所述高压转联装置中空结构的底部位于与水合物地层模拟井筒的连接处设有高压球阀，在钻井过程开始前，高压球阀呈关闭状态。 [0020] 所述人造岩心由石英砂混合环氧树脂压制而成，人造岩心的大小与水合物地层模拟井筒内腔大小一致，人造岩心内部布置有温度压力测点，水合物地层模拟井筒一侧的内壁上布置有应力测点，所述温度压力测点和应力测点对应的传感器并通过引线通过下法兰上的测量接口引出至水合物地层模拟井筒外。 [0021] 所述人造岩心内部沿水合物地层模拟井筒的高度方向设置三个检测层，分别为对应水合物层内部的上层检测层、中层检测层和下层检测层；所述3个检测层将水合物地层模拟井筒的内腔分为4等分；每个检测层平面被划分成上 36mm×36mm的网格，且每个网格节点处均设置一个温度测量传感器和一个压力传感器。 [0022] 水合物地层模拟井筒一侧的内壁上分布有九个应力测点，该九个应力测点采用3×3的分布方式均匀分布与所述内壁上。 [0023] 该天然气水合物地层钻井模拟装置还包括检测系统，该检测系统主要由钻进参数检测系统和岩心参数检测系统组成，其中钻进参数检测系统主要由钻压传感器、扭矩传感器、转速传感器、进尺传感器、组成，岩心参数检测系统主要由压力传感器、温度传感器、应力传感器组成。其他测量参数还包括钻井液流量、气体流量等。测量获得的数据可通过数据采集仪与计算机采集记录。 [0024] 综上，本发明的优点是： [0025] 本发明天然气水合物地层钻井模拟装置中的可实时测量钻井过程中水合物模拟层温度压力变化与分布。通过本实验装置可检测钻进过程水合物层应力变化情况。在模拟实验后，可将岩心取出分析井壁与岩心破坏情况。 [0026] 本发明天然气水合物地层钻井模拟装置可以模拟不同的水合物岩心条件、不同钻井速度、不同钻井液配比条件，可实时对钻井过程中钻井液流速与温度进行控制，满足不同工况的需要，可对水合物地层钻井过程进行综合评估。 [0028] 图1是本发明天然气水合物地层钻井模拟装置实施例的结构示意图； [0029] 图2是本发明实施例中水合物地层模拟井筒与高压转联装置的剖面结构示意图； [0030] 图3是图2中的B层向剖面结构示意图。 [0031] 附图标记说明： [0032] 1、水合物地层模拟井筒；2、高压转联装置；3、立柱；4、底座；5、井筒固定支架；6、转联器固定支架；7、电机平台；8、伺服电机；9、齿轮；10、齿轮；11、油箱；12、液压油缸；13、液压泵；14、泥浆罐；15、泥浆冷却装置；16、搅拌装置；17、泥浆泵；18、加热器；19、泥浆泵；20、钻井液流量 计；21、溢流阀；22、高压除砂器；23、背压及溢流控制系统；24、气液分离器；25、液体流量计；26、气体流量计；27、低温水浴；28、气液入口；29、温压测量导管；30、水浴夹套；31、上法兰；32、筒体；33、下法兰；34、气液出口；35、人造岩心；36、压盖；37、上导套；38、复合动密封圈；39、转联器筒体；40、下导套；41、复合动密封圈；42、下压套；43、卡环；44、泥浆入口；45、泥浆出口；46、钻杆；47、钻头；48、单向阀；49、高压球阀。 具体实施方式[0033] 为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。 [0034] 实施例 [0035] 本发明的天然气水合物地层钻井模拟装置可以进行不同岩心特性、水合物饱和度、不同钻井工况下天然气水合物地层钻井过程模拟实验，对钻井条件进行优化并对钻井过程风险控制进行综合评估。 [0036] 请参见图1-3所示，天然气水合物地层钻井模拟装置，包括水合物岩心模拟系统、钻进系统、钻井液注入系统、钻井液处理系统、检测系统。 [0037] 水合物岩心模拟系统包括水合物地层模拟井筒1、人造岩心35、水浴夹套30、低温水浴27。水合物地层模拟井筒1内部为180mm×180mm×180mm的立方体，耐压范围一般为0～30MPa。水合物地层模拟井筒1由上法兰31、筒体32和下法兰33通过若干螺栓固定密封而形成内腔。下法兰33中部设置气液入口28，上法兰31布置有气液出口34，气液入口28可外接注气注液设备与抽真空装置。下法兰33同时设有温度压力测量接口、应力测量接口，其中温度压力测量接口对应设置有温压测量导管29，用于连接温压测点处的温度或压力传感器引线到水合物地层模拟井筒1外，同理，应力测量接口设置应力测量导管。 [0038] 人造岩心35由石英砂混合环氧树脂压制而成，大小与水合物地层模拟井筒1内腔大小一致，人造岩心35内部布置有温度压力测点，水合物地层模拟井筒1内壁一侧布置有应力测点，并通过引线通过下法兰33上的测量接口引出水合物地层模拟井筒1外。天然气和工作液被注入人造岩心35后，在腔内形成水合物层。为对腔内水合物层各位置的状态进行采集，将水合物层沿深度方向分为3个检测层，分别为对应水合物层内部的上层检测层、中层检测层和下层检测层。 3个检测层将模拟腔分为4等分；每个检测层平面上分别设置16个温度压力测点；每个检测层平面被划分为36mm×36mm的网格，每个测点位于网格节点处。水合物地层模拟井筒1内壁一侧分布有9个应力测点，采用3×3的分布方式均匀分布于内壁上。 [0040] 钻井系统包括支架、高压转联装置2、液压装置、钻进装置，支架包括底座4、立柱3、井筒固定支架5、转联器固定支架6、电机平台7，立柱3安装在底座4两侧，井筒固定支架 5、转联器固定支架6与电机平台7安装在立柱3上。 [0041] 高压转联装置2由压盖36、上导套37、复合动密封圈38、转联器筒体39、下导套40、复合动密封圈41、下压套42、卡环43、高压球阀49、泥浆入口44与泥浆出口45组成。上导套37固定于高压转联装置2的上端，复合动密封圈38和复合动密封圈41均设置于高压转联装置2中空结构与钻杆46之间的空隙处，且复合动密封圈38位于泥浆入口44的上侧并与上导套37固定，复合动密封圈41位于泥浆入口44和泥浆出口45之间，泥浆从泥浆罐 14经泥浆入口44进入复合动密封圈38和复合动密封圈41之间的高压转联装置2的中空结构中，并通过钻杆46相应位置的表面开孔进入至钻杆46的空腔，然后通过单向阀48流至钻头47，下压套42的上端与复合动密封圈41固定，用于压紧该复合动密封圈41，同时通过卡环43固定于下压套42的上端的外侧，下压套42的下端通过螺栓与上法兰31固定，高压转联装置2中空结构的底部位于与水合物地层模拟井筒1的连接处设有高压球阀49，在钻井过程开始前，高压球阀49呈关闭状态。液压装置由油箱11、液压油缸12和液压泵13组成，液压泵13一端通过油管和油箱11连接，另一端与液压油缸12相连接，液压油缸12提供钻井所需的下压力。 [0042] 钻进装置由伺服电机8、齿轮9、齿轮10、钻杆46、钻头47组成，钻进装置进一步包括伺服电机8、齿轮9、齿轮10、钻头47，伺服电机8安装在电机平台7上，伺服电机8的旋转轴连接齿轮9，与齿轮9相啮合的齿轮10固定套接于钻杆46上；钻杆46的输出端与钻头47连接，钻杆46为空腔结构，在空腔中安装有单向阀48，钻杆46的外径小于高压转联装置2中空结构的内径，钻 杆46的表面开孔用于钻井液通过泥浆入口44注入钻杆46的空腔内。钻头47在岩心中的最大钻进距离为150mm，钻头直径25mm，钻杆46直径16mm。 [0043] 钻井液注入系统包括泥浆罐14、泥浆冷却装置15、搅拌装置16、低速的泥浆泵17、加热器18、高速的泥浆泵19、钻井液流量计20、溢流阀21。泥浆泵17和泥浆泵19的入口管线与泥浆罐14连接，泥浆泵17的出口管线与加热器18的入口管线相连。三通接头包括一个入口和二个出口，其中，其入口汇合泥浆泵19出口管线与加热器18出口管线，即泥浆罐14通过泥浆泵17和泥浆泵19输送的泥浆混合输出给三通接头的入口，混合后的泥浆通过三通接头的二个出口被分成两路，一路通过管路经钻井液流量计20与泥浆入口44相连，一路通过溢流阀21与泥浆罐14相连。三通接头的出口(当然也可以是三通接头的入口)设有温度传感器用于测量泥浆温度。泥浆罐14带有泥浆冷却装置15、搅拌装置16。实验时首先启动泥浆泵19，提供输入泥浆压力和泥浆流量两个参数；其次调节溢流阀21开度，控制模拟井底压力值。钻井液通过泥浆泵19注入到钻杆46的中，经由单向阀48从钻头47流出，从钻杆46与井眼间的环空由泥浆出口45流出。实验过程中，利用泥浆泵19与溢流阀控制泥浆流量，通过泥浆泵17与加热器18控制泥浆温度。 [0044] 钻井液处理系统包括高压除砂器22、背压及溢流控制系统23、气液分离器24、液体流量计25、气体流量计26。高压除砂器22入口通过管路与高压转联装置2上的泥浆出口45相连，高压除砂器22出口与背压及溢流控制系统23、气液分离器24相连。气液分离器24流出的气体通过气体流量计26计量，液体经过液体流量计25返回到泥浆罐14中。 [0045] 检测系统主要由钻进参数检测系统和岩心参数检测系统组成，其中钻进参数检测系统主要由钻压传感器、扭矩传感器、转速传感器、进尺传感器、组成，岩心参数检测系统主要由压力传感器、温度传感器、应力传感器组成。其他测量参数还包括钻井液流量、气体流量等。测量获得的数据可通过数据采集仪与计算机采集记录。 |
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