评价水平井和大位移井的钻井液的润滑性能的装置

摘要

本发明公开了一种用于评价水平井和大位移井的钻井液润滑性能的装置，包括：支撑组件；与支撑组件连接井筒，且包括直型井筒段、弯管筒段和水平井筒段，所述弯管筒段的一端连接直型井筒段，其另一端连接水平井筒段；钻具，其设在井筒内，包括直型钻具部、造斜钻具部和水平钻具部，所述造斜钻具部的一端连接直型钻具部，其另一端连接水平钻具部；驱动机构，其与钻具的一端连接，用于驱动钻具在井筒内运动以模拟钻井过程；和控制测试组件，其控制钻具的受力和运动，并测量相应的受力和运动参数用于对钻井液的润滑性能进行评价。该装置能在室内条件下通过模拟水平井或大位移井滑动钻进过程并能较准确地测定模拟钻具与模拟井壁之间的动摩擦系数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种评价钻井液的性能的实验装置，具体涉及一种用于评价水平 井和大位移井的钻井液润滑性能的装置。

背景技术

随着社会经济的迅速发展，世界各国对石油与天然气的需求不断增长，整装 油气资源逐渐枯竭，使得对散装油气资源的开发受到更多的重视。水平井和大位 移井钻井技术是开发散装油气资源最为经济和有效的开发方法。目前，水平井和 大位移井的钻井施工普遍采用滑动钻进的钻井方式。在水平井和大位移井的造斜 段和水平段，钻具与井壁的接触面积大，客观上造成了摩擦阻力，给快速钻井造 成困难。

改善钻井液的润滑性能是克服摩擦、避免井下事故的重要手段。尤其是在水 平井和大位移井的滑动钻进过程中，高密度钻井液中的加重材料则会进一步增加 钻具与井壁之间的摩擦阻力，导致钻速降得更低，从而会进一步增大引发粘卡、 泥包等井下事故发生的可能性。因此，在对水平井和大位移井的钻井液体系进行 设计时，需要特别关注钻井液的润滑性能。

对于水平井和大位移井而言，钻具与井壁之间的动摩擦系数是评价钻井液的 润滑性能的优劣的最重要的参考指标。然而，目前还未有专门针对水平井或大位 移井的钻井液润滑性能评价的专用设备，常是利用极压润滑仪测定的极压润滑系 数来近似表征应用于水平井或大位移井的钻井液的润滑性能。从仪器测定的机理 来看，极压润滑仪是通过模拟直井施工中钻具的旋转运动过程获取钻具与井壁接 触时产生的扭矩，继而换算成钻井液的润滑系数并用于表征钻井液润滑性能的优 劣。但是，该润滑系数的大小用于表征直井施工中钻井液润滑性能优劣是有效的， 并不适用于评价应用于水平井和大位移井的钻井液的润滑性能。因此，需要研制 一种可以用于评价适用于水平井和大位移井钻井液润滑性能的实验装置，以便用 于评价应用于水平井和大位移井钻井液的润滑性能。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是，提供一种用于评价水平井和大位移井的 钻井液润滑性能的装置，其能在室内条件下通过模拟水平井或大位移井滑动钻进 过程并能较准确地测定模拟钻具与模拟井壁之间的动摩擦系数。

针对该问题的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的用于评价水平井和 大位移井的钻井液润滑性能的装置，包括：

支撑组件；

井筒，其与支撑组件连接，且包括直型井筒段、弯管筒段和水平井筒段，所 述弯管筒段的一端连接直型井筒段，其另一端连接水平井筒段；

钻具，其设在井筒内，包括直型钻具部、造斜钻具部和水平钻具部，所述造 斜钻具部的一端连接直型钻具部，其另一端连接水平钻具部；

驱动机构，其与钻具的一端连接，用于驱动钻具在井筒内运动以模拟钻井过 程；和

控制测试组件，其控制钻具的受力和运动，并测量相应的受力和运动参数用 于对钻井液的润滑性能进行评价。

与现有技术相比，本发明具有以下优点。井筒、钻具或驱动机构一起，可在 室内条件下模拟水平井和大位移井的滑动钻进过程。在钻进过程中添加钻井液模 拟钻井过程时，通过控制测试组件能较准确地测定模拟钻具与井筒之间的动摩擦 系数。由于该动摩擦系数能较准确地表征钻井液的润滑性能的优劣，因此为应用 于水平井或大位移井的钻井液的优选提供可靠的实验数据，以达到制定合理的钻 井实施方案的目的。

在一个实施例中，所述控制测试组件包括运动控制机构和参数测试机构，所 述运动控制机构通过提供作用在钻具上的贴靠力来模拟实际钻井中钻具与井壁 之间的滑动摩擦。一般为了钻具能方便地放入井筒内和钻具能在井筒内运动，钻 具与井筒之间会留有一定的间隙，通过运动控制机构可施加一定的贴靠力到钻具 上，以模拟在添加钻井液后钻具与井壁之间的滑动摩擦。这种模拟状态与实际钻 井过程更接近，因此，能使测试结果更准确。

在一个实施例中，所述运动控制机构包括弯部贴靠件、弯部推力器、水平贴 靠件和水平推力器，其中，弯部推力器通过弯部贴靠件将贴靠力作用在钻具的造 斜钻具部，水平推力器通过水平贴靠件将贴靠力作用在水平钻具部。分别模拟和 测量作用在造斜钻具部和水平钻具部的贴靠力，以便能更准确地评价应用于水平 井和大位移井钻井液的润滑性能。

在一个优选的实施例中，所述弯部推力器和水平推力器均与参数测试机构连 接，且弯部推力器和水平推力器的推力大小均可控。弯部推力器和水平推力器的 推力可控，从而可根据实际情况来调节和设定贴靠力的大小，使得该室内测试的 结果更具参考性。

在一个实施例中，所述参数测试机构包括对运动控制机构的贴靠力进行控制 与调节的贴靠力控制器、测量作用在钻具上的推力的推力传感器以及对驱动机构 的参数进行控制的驱动控制器。对不同的部件通过不同的控制器进行控制和调 节，方便操作，也能使控制更准确。

在一个优选的实施例中，所述推力传感器连接有推力记录仪，所述推力记录 仪、贴靠力控制器和驱动控制器均连接到控制显示台上。所有的测试结果和数据 均通过控制显示台进行显示和存储，因此只需要一个人就能进行测试实验和对实 验过程的监控。

在一个实施例中，所述支撑组件包括：底座；

侧架，其与底座固定连接；

井筒固定机构，其连接在侧架上用于连接井筒；和

驱动连接机构，其与侧架连接且位于井筒固定机构的上方，用于连接驱动机 构。实际钻井中，井筒也是悬挂固定在地面的支撑机构上，受到自身重力的作用。 这样的结构能使测试过程与实际工况更接近。

在一个实施例中，所述井筒固定机构包括：

井筒高度调节螺栓，其连接在侧架上且可沿侧架上下调节；

井筒支撑杆，其一端与井筒高度调节螺栓固定连接；和

固定项圈，其固定套接在井筒的直型井筒段，且与井筒支撑杆的另一端固定 连接。根据测试需要，可通过井筒高度调节螺栓来调整井筒悬挂的高度。

在一个优选的实施例中，所述驱动机构为步进电机，所述驱动连接机构包括 电机调节螺栓和电机固定板，所述电机调节螺栓连接在侧架上且可沿侧架上下调 节，所述电机固定板与电机调节螺栓固定连接，所述步进电机固定在电机固定板 上且其输出轴与钻具的上端固定连接。

在一个实施例中，所述弯管筒段模拟水平井或大位移井造斜井段的井壁，弯 管筒段的弯曲角度可根据实际需要模拟的井壁来选择。在一个优选的实施例中， 所述造斜钻具部由多个造斜短节构成，且所述造斜钻具部的两端分别通过螺纹相 连直型钻具部和水平钻具部。在实际钻井中，造斜段的钻具不是一根或几根弯曲 角度较大的钻具组成，而是需要多个小角度的弯钻具连接构成。本发明的实施例 中，通过多个造斜短节连接来实现对造斜井段中钻具的模拟。

附图说明

图1所示是本发明的用于评价水平井和大位移井的钻井液润滑性能的装置的 一种具体实施例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明的用于评价水平井和大位移井的钻井液润滑性能的装置 的一种具体实施例。在该实施例中，该装置主要包括支撑组件、井筒、钻具、驱 动机构和控制测试组件。其中，井筒悬挂固定在支撑组件上，钻具位于井筒内。 驱动机构连接在支撑组件上且用于驱动钻具。而控制测试组件则用于控制钻具的 受力和运动，并测量相应的受力和运动参数。

在一个实施例中，用于模拟实际的水平井和大位移井的井筒主要包括直型井 筒段10、弯管筒段11和水平井筒段12。其中，直型井筒段10相当于直井段的 井壁。弯管筒段11相当于水平井或大位移井造斜井段的井壁。水平井筒段12相 当于水平井水平段的井壁。而且，直型井筒段10、弯管筒段11和水平井筒段12 这三段井筒依次固定连接构成本发明的用于水平井和大位移井的一体式井筒。另 外，直型井筒段10的上端开口，在放入钻具后，直型井筒段10上端面通过密封 件9连接有顶盖8以形成密封井筒。

在一个实施例中，钻具也主要包括三部分，分别为直型钻具部16、造斜钻具 部17和水平钻具部18。其中，直型钻具部16模拟的是直井段的钻具。造斜钻具 部17模拟的是造斜段的钻具。水平钻具部18模拟的是水平段的钻具。在一个优 选的实施例中，造斜钻具部17由多个小角度的造斜短节构成，以与实际钻井中 的由多个小角度弯钻具连接成的造斜段的钻具相符合。优选地，造斜钻具部17 的两端分别通过螺纹连接直型钻具部16和水平钻具部18，这三部分钻具构成本 发明中用于室内测试用的钻具。

在一个实施例中，支撑组件包括由底座1和侧架2固定连接构成的支撑架， 在该支撑架的中部设有井筒固定机构，在该支撑架的上部设有驱动连接机构。在 一个优选的实施例中，井筒固定机构和驱动连接机构的位置均可沿侧架2上下调 节，但驱动连接机构始终位于井筒固定机构的上方。

在一个优选的实施例中，井筒固定机构主要由井筒高度调节螺栓3、井筒支 撑杆4和固定项圈5这三部分构成。其中，固定项圈5为中空的环状结构，其牢 固卡接在井筒的外壁上从而使得井筒不能相对固定项圈5上下滑动。另外，井筒 支撑杆4的一端与井筒高度调节螺栓3固定连接，其另一端与固定项圈5固定连 接。这样的结构，使得只需要调节井筒高度调节螺栓3相对侧架2的上下位移就 可实现上下调节井筒的最低面相对底座1的高度。

在一个优选的实施例中，驱动机构采用步进电机14。用于固定步进电机14 的驱动连接机构主要包括电机调节螺栓6和电机固定板7。在一个优选的实施例 中，电机调节螺栓6可采用与井筒高度调节螺栓3相同的结构从而实现步进电机 14上下位置的调节。另外，调节步进电机14的位置主要是为了与不同型号和尺 寸的井筒以及钻具相匹配。实际调节过程中，可以先调整后井筒的位置，然后通 过井筒固定机构将井筒固定在侧架2中部的某个位置后，再通过移动步进电机14 来与直型钻具部16的上端连接。此外，步进电机14是倒置固定在电机固定板7 上，以使与步进电机14的输出轴连接的推进连接轴15能方便地穿过顶盖8进入 井筒内从而与钻具连接。

在一个实施例中，控制测试组件主要包括模拟钻具与井壁之间的滑动钻进过 程的运动控制机构以及对模拟的钻井过程中的各参数进行测量与记录的参数测 试机构。其中，运动控制机构主要是对造斜段和水平段的滑动运动进行模拟。在 一个优选的实施例中，该运动控制机构主要包括对造斜段的滑动运动进行模拟的 弯部贴靠件21与弯部推力器22以及对水平段的滑动运动进行模拟的水平贴靠件 23和水平推力器24。在滑动过程中，弯部推力器22通过弯部贴靠件21将贴靠 力作用在钻具的造斜钻具部17，而水平推力器24通过水平贴靠件23将贴靠力作 用在水平钻具部18。

在一个优选的实施例中，弯部推力器22和水平推力器24的推力大小均可控。 弯部推力器22和水平推力器24均连接到参数测试机构中的贴靠力控制器25上。 通过贴靠力控制器25可调节弯部推力器22对造斜钻具部17以及水平推力器24 对水平钻具部18施加的贴靠力的大小。

在一个实施例中，参数测试机构除了贴靠力控制器25外，还包括设在步进 电机14的输出轴与直型钻具部16之间的推力传感器19以及对步进电机14的参 数进行控制的驱动控制器13。优选地，推力传感器19连接有能实时显示并记录 步进电机14的推力大小的推力记录仪20。为了更方便监控，将贴靠力控制器25、 驱动控制器13和推力记录仪20均连接到控制显示台26上，这样的话，进行测 试实验时，只需要一个人坐在控制显示台26前，就能清楚地看到测试的状况以 及测试实验的各部分是否出现故障。

在本发明的一个实施例中，测试过程分为两个步骤。第一步，将待测钻井液 注入整个模拟井筒(包括直井段、造斜段和水平段)后，弯部贴靠件21不贴靠 到造斜钻具部17上。即这步里面只有钻具在井筒内的钻井液上的滑动钻进的模 拟过程，而没有井壁与钻具的贴靠，即没有摩擦，这个时候通过推力记录仪20 记录一个推力值F₁。第二步，通过弯部推力器22给弯部贴靠件21一个贴靠的指 令，让弯部贴靠件21与造斜钻具部17之间产生贴靠力或压力N。说明的是，这 个贴靠力或压力N的大小是可控的，通过贴靠力控制器25可控制压力N的大小。 这步里面因贴靠而产生了摩擦，这是一个人为地制造摩擦的过程，这个时候再由 推力记录仪20记录推力值F₂。用公式f＝(F₂-F₁)，即可算出摩擦力f的大小。 根据摩擦力计算公式f＝μN，从而可推算出在造斜井段的滑动摩擦系数μ大小，这 个μ就可以用来表征钻井液的润滑性能的优劣。

另外，水平段的情况与上述造斜段原理相同，只是这种人为的摩擦发生在水 平井段而已。即水平推力器24通过水平贴靠件23将贴靠力作用在水平钻具部18 来人为模拟水平段的摩擦。

当然，如果井下情况复杂，有可能弯部推力器22和水平推力器24同时作用 以与实际工况更接近。

虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，然而可以理解，在不脱离本 发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进或替换。尤其是，只要不存在结构 上的冲突，各实施例中的特征均可相互结合起来，所形成的组合式特征仍属于本 发明的范围内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要 求的范围内的所有技术方案。