技术领域
[0001] 本发涉及海洋油气勘探技术领域，具体涉及一种机械搅拌釜及模拟深海油气钻井过程的实验测量装置。
背景技术
[0002] 随着全球经济发展对
能源需求的增长及海洋油气勘探开发的纵深发展，油气钻探由海洋浅
水区向深水区发展，在深水区进行油气钻探时，海底较高的静水压
力和较低的环境
温度增加了生成
天然气水合物的可能性，深水油气钻探中水合物的防治研究也得到了日益重视。
[0003]
钻井液作为钻井工程的重要工作液，钻井液及其处理剂性能对一口井的完井及钻井成本起决定作用。钻井过程中，
地层中游离气和水合物分解气入侵至钻井液中，在海底低温高压环境中极易形成水合物，水合物的形成可堵塞
导管、上部环空、防喷器和压井管线等，限制
钻柱活动，引起钻井液性能的改变，给油气钻进和生产操作带来严重危害。此外，由于稳定条件的破坏而引起水合物地层中天然气水合物的分解可能导致地质灾害。
[0004] 因此，在深水及水合物地层进行相关钻井工作时，必须对所使用的钻井液流变性能及水合物抑制性能进行相关的研究，以适应相应地层的钻探研究。
发明内容
[0005] 为了考察
钻头钻进过程的影响，本发明
实施例提供了一种用于模拟深海油气钻探的机械搅拌釜。
[0006] 为了考察钻井液中溶解气和气体水合物形成对钻井液流变性能以及钻头钻进过程的影响，本发明实施例提供了一种模拟深海油气钻井过程的实验测量装置。
[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0008] 第一方面，本发明实施例提供了一种用于模拟深海油气钻探的机械搅拌釜，包括釜体，釜体的上端面安装有上端盖，下端面安装有下端盖，在所述上端盖的中心向釜体内部插入一可沿釜体轴向移动的机械搅拌器；在所述釜体内部设有一个能够进行气体渗漏的环形壁面，所述环形壁面与釜体同轴并将釜体空间分隔为内外两层，内层用于容纳钻井液和所述机械搅拌器，外层为气相空间；所述气相空间连通设置有进气孔；所述内层空间连通设置有钻井液进料口、钻井液出料口、排气孔。
[0009] 进一步地，所述环形壁面的网状不锈
钢壁面进行固定，内部夹层为透气不透水的
硅胶、发泡聚乙烯、发泡聚对苯二
甲酸乙二醇酯或发泡聚四氟乙烯材质中的一种或多种。
[0010] 进一步地，所述机械搅拌器包括
钻杆，所述钻杆位于内层空间内的那一端两侧对称分布有两个钻头，钻头的转动轴与钻杆的轴相互垂直，通过锥
齿轮相互连接，钻杆外侧为钻杆保护套，用于固定钻头的旋
转轴。
[0011] 进一步地，所述钻头能在机械搅拌器运行过程中沿钻杆的转动轴移动，当钻头上下移动时，钻杆与钻杆保护套沿钻杆轴向同步移动；所述钻杆保护套与所述上端盖连接处设置有钻杆内
保持架；所述钻杆内保持架上设有
键槽，与钻杆保护套上的键相互配合；所述钻杆和钻杆保护套通过上端盖的中心孔一直延伸至釜体以外，并通过钻杆外保持架固定；所述钻杆保护套的上顶端为中空的
丝杆，与嵌套在钻杆外保持架内侧的
螺母构成滚珠
丝杠，螺母与钻杆外保持架外侧的调节环上均镶嵌有
永磁体并相互吸引，通过转动钻杆外保持架外侧的调节环带动钻杆保护套在竖直方向上移动；所述钻杆穿过钻杆保护套顶端与一
块永磁体相连，外侧为耐压套筒，耐压套筒的中空结构能够允许钻杆和永磁体在竖直方向上自由移动。
[0012] 进一步地，在所述上端盖中设置有观察孔，以用于观察釜体内层内的情况；在釜体内层内还设置有压力
传感器和温度传感器安装孔。
[0013] 第二方面，本发明实施例提供了一种模拟深海油气钻井过程的实验测量装置，包括权利上述的机械搅拌釜、钻井液循环控制系统、气体循环控制系统、
温度控制系统和
数据采集系统；
[0014] 所述钻井液循环控制系统用于控制钻井液在机械搅拌釜注入与回收以及钻井液的
翻新与存储；
[0015] 所述气体循环控制系统用于控制气体在机械搅拌釜的流动过程；
[0016] 所述温度控制系统用于向机械搅拌釜提供适宜且恒定的运行温度；
[0017] 所述数据采集系统用于采集机械搅拌釜温度和压力参数，监测气体循环控制系统的气体管路中气体的流速和械搅拌釜气体进出口端压差以及其转速和
扭矩。
[0018] 进一步地，所述钻井液循环控制系统包括玻璃管路、粘性
流体循环泵、钻井液调和仓和手动补液泵；
[0019] 所述粘性流体
循环泵的进、出口通过管路和钻井液进料口、钻井液出料口相连通，在所述管路中安装有玻璃管路，以用于定性观察输入和排出机械搅拌釜中钻井液的形貌和流变特性；
[0020] 所述钻井液调和仓为带有机械搅拌的可视
压力容器，用于存储从机械搅拌釜排出的钻井液并向机械搅拌釜中补充新鲜的钻井液；所述钻井液调和仓
侧壁面设有观察窗口，用于观测钻井液液面高度；钻井液调和仓侧壁面设有钻井液补液孔并与手动补液泵相连接。
[0021] 进一步地，所述气体循环控制系统包括钻井液调和仓、气体
增压泵、气体缓冲罐、气瓶；所述气体循环控制系统一方面通过气瓶直接向机械搅拌釜注入气体，另一方面从机械搅拌釜和钻井液调和仓中排出的气体通过气体增压泵增压后存储在气体缓冲罐中并作为高压气体再次注入可视机械搅拌釜中。
[0022] 进一步地，所述温度控制系统为恒温空气浴或者恒温水浴，以为机械搅拌釜、钻井液调和仓和气体缓冲罐提供恒定的温度环境。
[0023] 进一步地，所述数据采集系统包括数据采集仪,分布于机械搅拌釜、钻井液调和仓和气体缓冲罐上的
电阻式
温度计和
压力传感器，分布于气体循环控制系统中的气体流量计以及分布于机械搅拌釜和钻井液调和仓中机械搅拌器上的扭矩和
转速传感器；所述数据采集仪用于对收集到的温度、压力、气体流速以及机械搅拌器的扭矩和转速进行实时的显示和记录
[0024] 本发明与
现有技术相比，其有益效果在于：
[0025] 本实施例提供的用于模拟深海油气钻探的机械搅拌釜能够较好地还原出钻头在钻进过程中渗漏性地层中的高压气体向井内持续渗漏的环境，并可以考察记录钻头和钻井液在内层的运行状况以及温度和压力变化情况。
[0026] 本实施例提供的一种模拟钻头在渗漏性地层中钻进的实验装置，该装置能够更加准确地考察钻井液中溶解气和气体水合物形成对钻井液流变性能以及钻头钻进过程的影响，分析钻井液各种添加剂在渗漏性地层中的各种性能。本装置的结构清晰且具有较高的安全性以及运行流畅性。另外，钻井液循环控制系统和高压气体循环控制系统充分考虑了钻井液和高压气体的重复利用性，提高了设备的安全性，也降低了制作成本和环境污染。本装置能够模拟室温到零下20℃和0-10MPa的低温高压环境，对于研究深海油气钻探技术的发展具有指导意义。
附图说明
[0027] 图1为机械搅拌釜的整体结构示意图；
[0028] 图2为机械搅拌器的结构示意图；
[0029] 图3为图2中A-A处的截面图；
[0030] 图4为模拟深海油气钻井过程的实验测量装置的组成示意图；
[0031] 图5为模拟深海油气钻探过程的实验测量装置的结构示意图；
[0032] 图中：1、釜体；2、机械搅拌器；3、环形壁面；4、耐高压玻璃管路；5、耐高压粘性流体循环泵；6、钻井液调和仓；7、手动补液泵；8、气体增压泵；9、气体缓冲罐；10、高压气瓶；11数据采集仪；1a、观察孔；1b、高压进气孔；1c、温度传感器插孔；1d、压力传感器插孔；1e、进料口；1f、出料口；1g、高压排气孔；2a、钻头；2b、钻杆；2c、
锥齿轮；2d、钻杆保护套；2e、钻杆内保持架；2f、钻杆外保持架；2g、调节环；2h、耐压套筒；2i、旋转套筒；2j、皮带轮；2k、
电机。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
[0034] 实施例1：
[0035] 参阅图1-3所示，本实施例提供的用于模拟深海油气钻探的耐高压可视机械搅拌釜包括釜体1，该釜体1为圆柱形耐高压
不锈钢容器，其上端盖设有可沿轴向移动的机械搅拌器2、两个对称分布有观察孔1a，高压进气孔1b、高压排气孔1g，以及温度传感器插孔1c、压力传感器插孔1d，釜体的下端盖设有钻井液进料口1e和出料口1f。在该釜体内部设有一个能够进行气体渗漏的环形壁面3，环形壁面3与釜体1同轴并将釜体内部空间分隔为内外两层，内层为模拟钻头在渗漏性含气地层中钻进过程的环境，内部放置钻井液和可沿轴向移动的机械搅拌器2，环形壁面3外侧与釜体1内壁之间的空间构成为外层，外层设置有高压进气口与之相连通。该环形壁面3主要为透气不透水的多孔介质。因此，在设备运行时，当高压气体进入釜体1的外层后，会缓慢穿透环形壁面3渗透入内层的气相空间和钻井液中，而内层的排气会使外层的高压气体持续渗透环形壁面3，这一过程就较好地还原出钻头在钻进过程中渗漏性地层中的高压气体向井内持续渗漏的环境。配合耐上端盖的两个观察孔1a以及在温度、压力传感器插孔中的温度和压力传感器，钻头和钻井液在釜体1内层的运行状况以及温度和压力变化可以较好的观察和记录。
[0036] 由此可见，本实施例提供的用于模拟深海油气钻探的机械搅拌釜能够较好地还原出钻头在钻进过程中渗漏性地层中的高压气体向井内持续渗漏的环境，并可以考察记录钻头和钻井液在内层的运行状况以及温度和压力变化情况。
[0037] 由于环形壁面3的透气不透水特性为模拟高压气体向井内持续渗漏的环境起到了关键作用。环形壁面3中填充的多孔材料可以根据需要更换不同材料的多孔材料，主要有硅胶，发泡聚乙烯、发泡聚对苯二甲酸乙二醇酯或者发泡聚四氟乙烯等材质中的一种或多种。多孔材料通过环形壁面3内外两侧的网状不锈钢壁面进行固定，可以缓冲环形壁面3内外
层压差对多孔材料整体力学结构的冲击。
[0038] 此外，为了较好的还原钻进过程，如图2所示，釜体1内的可沿轴向移动的机械搅拌器2结合实际应用中的钻头结构和磁力驱动搅拌器的原理得到了进一步设计。首先，钻头外形和运转形式与实际应用中的钻头更加接近，搅拌器头部的钻头2a有2个，呈圆锥形且对称分布于钻杆2b两侧，其转动轴与钻杆2b的转动轴相互垂直，通过锥齿轮2c相互连接，钻杆2b外侧为钻杆保护套2d，用于固定钻头2a的
旋转轴。
[0039] 同时，钻头可在设备运行过程中沿钻杆2b的转动轴移动。当钻头2a上下移动时，钻杆2a与钻杆保护套2d沿钻杆轴向同步移动。钻杆保护套2d与釜体1的上端盖连接处设置有钻杆内保持架2e，用于降低钻杆2b与钻杆保护套2d的水平震动；如图3所示，钻杆内保持架2e上设有键槽，与钻杆保护套2d上的键相互配合，用于防止钻杆2b和钻杆保护套2d一起转动同时限制钻头2a上下移动的范围。钻杆2b和钻杆保护套2d通过釜体1内的上端盖的中心孔一直延伸至釜体1以外，并通过钻杆外保持架2f固定。钻杆保护套2d的上顶端为中空的丝杆，与嵌套在钻杆外保持架2f内侧的螺母构成滚珠丝杠，螺母与钻杆外保持架外侧的调节环2g上均镶嵌有永磁体并相互吸引，通过转动钻杆外保持架外侧的调节环2f带动钻杆保护套2d在竖直方向上移动，进而调整钻头2a在釜体1内的高度。钻杆2b穿过钻杆保护套2d顶端与一块永磁体相连，外侧为耐压套筒2h。耐压套筒2h的中空结构能够允许钻杆2a和永磁体在竖直方向上自由移动。耐压套筒2h、钻杆外保持架2f与釜体1上端盖通过
螺纹连接密封，其内部空间与釜体1的空间相连通。耐压套筒2h外侧为旋转套筒2i，旋转套筒2i顶部的转轴与皮带轮2j相连，旋转套筒2i下部边缘镶嵌有永磁体，与钻杆顶端的永磁体相互吸引，通过旋转带动钻杆旋转。
[0040] 实施例2：
[0041] 参阅图4-5所示，本实施例提供的模拟深海油气钻井过程的实验测量装置包括实施例1所示的机械搅拌釜、钻井液循环控制系统、气体循环控制系统、温度控制系统和数据采集系统。
[0042] 其中，该钻井液循环控制系统用于控制钻井液在釜体1注入与回收以及钻井液的翻新与存储。
[0043] 该气体循环控制系统用于控制高压气体在釜体1的流动过程。同时，为了降低实验对高压气体的消耗量，提高气体的使用效率，该气体循环控制系统还设置了气体的回收和循环利用装置。
[0044] 该温度控制系统则用于向釜体1等耐高压容器提供适宜且恒定的运行温度。
[0045] 该数据采集系统则用于釜体1等耐高压容器的温度和压力参数，监测高压气体循环控制系统的气体管路中气体的流速和釜体1气体进出口端压差以及机械搅拌器的转速和扭矩。
[0046] 具体地，该钻井液循环控制系统包括两个耐高压玻璃管路4、耐高压粘性流体循环泵5、钻井液调和仓6和手动补液泵7等装置。本系统运行时，钻井液调和仓6中的钻井液通过耐高压粘性流体循环泵5，由釜体1中的钻井液进料口注入，随后从钻井液出料口排出釜体1，再次经过耐高压粘性流体循环泵5后注入钻井液调和仓6，钻井液在钻井液调和仓6被充分搅拌，释放出溶解在钻井液中的气体，同时使形成的气体水合物分解，钻井液进而得到翻新，最终等待再次被耐高压粘性流体循环泵5注入釜体1中。
[0047] 该耐高压玻璃管路4在钻井液的进料管和出料管上各一个，用于定性观察输入和排出耐高压可视机械搅拌釜1中钻井液的形貌和流变特性，
位置介于耐高压可视机械搅拌釜1和耐高压粘性流体循环泵5之间。
[0048] 钻井液调和仓6为带有机械搅拌的可视压力容器，用于存储从耐高压可视机械搅拌釜1排出的钻井液并向釜体1中补充新鲜的钻井液。钻井液调和仓6在运行时的压力不高于1MPa，可保证溶解在钻井液中的气体和形成的气体水合物能够快速分解。钻井液调和仓6设有磁力驱动搅拌器，有利于强化钻井液的
传热传质过程。钻井液调和仓6侧壁面设有观察窗口，用于观测钻井液液面高度，窗口材质为蓝
宝石玻璃或者有机玻璃。钻井液调和仓6侧壁面设有钻井液补液孔并与手动补液泵7相连接。手动补液泵7用于向钻井液调和仓6补充和排出少量的钻井液。
[0049] 而该高压气体循环控制系统则包括钻井液调和仓6、气体增压泵8、气体缓冲罐9、高压气瓶10等。高压气体循环控制系统一方面可以通过高压气瓶10直接向耐高压可视机械搅拌釜1注入气体，另一方面可以从釜体1和钻井液调和仓6中回收排出的气体，并通过气体增压泵8增压后存储在气体缓冲罐9中并作为高压气体再次注入釜体1中，实现气体的循环利用。
[0050] 该温度控制系统为恒温空气浴或者恒温水浴，以为釜体1钻井液调和仓6和气体缓冲罐9提供恒定的温度环境。但是钻井液调和仓6和气体缓冲罐9对温度要求并不严格，在不影响钻井液中各组分添加剂活性的条件下，可直接放置在室温环境中。
[0051] 高数据采集系统则包括数据采集仪11,分布于耐高压可视机械搅拌釜1、钻井液调和仓6和气体缓冲罐9上的电阻式温度计和压力传感器，分布于高压气体循环控制系统中的气体流量计以及分布于釜体1和钻井液调和仓6中机械搅拌器上的扭矩和转速传感器。数据采集仪系统只对收集到的温度、压力、气体流速以及机械搅拌器的扭矩和转速进行实时的显示和记录。
[0052] 综上，本实施例提出了一种模拟钻头在渗漏性地层中钻进的实验装置，该装置能够更加准确地考察钻井液中溶解气和气体水合物形成对钻井液流变性能以及钻头钻进过程的影响，分析钻井液各种添加剂在渗漏性地层中的各种性能。本装置的结构清晰且具有较高的安全性以及运行流畅性。另外，钻井液循环控制系统和高压气体循环控制系统充分考虑了钻井液和高压气体的重复利用性，提高了设备的安全性，也降低了制作成本和环境污染。本装置能够模拟室温到零下20℃和0-10MPa的低温高压环境，对于研究深海油气钻探技术的发展具有指导意义。
[0053] 本装置以实际深海油气开采过程为研究背景，着重模拟了钻头在渗漏性含气或含水合物地层中钻头钻进过程，进而研究钻井液中水合物
抑制剂等相关组分对钻井液的粘性、润滑性、
钻屑包被性、钻头钻进功率等的影响，本装置结构清晰，运行稳定，能耗较低，较好的还原了深海油气井钻进过程的实际环境，另外，本装置能耗较低，结构紧凑，也可用于深海油气井钻探的教学和科普，对于加快推广深海油气开发和应用具有重要意义。
[0054] 上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
