一种双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置的制作方法

本实用新型涉及一种实验装置，尤其是一种双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，属于海洋钻探设备技术领域。

背景技术：

随着社会经济的发展，人类对石油天然气的需求也日益增加，但是由于目前陆地油田不断消耗和老化，油气资源的勘探开发逐步迈向海洋。海洋钻井，特别是深海钻井的作业环境比陆地钻井更加复杂苛刻，其突出的问题就是由于海水的存在，地层的孔隙压力和破裂压力的间隙很小，很难控制井筒内的压力处于安全密度窗口，为了解决这一问题，双梯度钻井技术应运而生。

双梯度钻井是一种控制压力的钻井技术，即采用两个或两个以上的压力梯度来控制井眼压力剖面。实现双梯度钻井的方式很多，如海底泵举升钻井液方式，无隔水管钻井和双密度钻井方式等。其中无隔水管钻井方式的工作原理是下入海底泵，将上返至井口的泥浆通过海底泵举升返回至钻井平台；同时对海底泵排量进行实时控制，使井口压力始终与同水平面外部海水压力相等，达到双梯度钻井目的。虽然目前无隔水管钻井技术国外已投入商业应用并取得了良好的经济效果，但由于国外的技术封锁，国内对无隔水管钻井技术还处于理论研究及室内试验阶段，因此，需结合无隔水管钻井原理设计一种实验装置，为双梯度钻井关键的检测及控制系统提供实验平台。

技术实现要素：

本实用新型提供一种双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，旨在通过模拟无隔水管钻井过程，为双梯度钻井的压力检测及控制技术提供实验平台。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，包括泥浆罐、泥浆泵、泥浆输入管线、吸入模块、泥浆举升泵、泥浆返回管线和plc控制系统；所述泥浆罐设有出液口和回液口，其中出液口与泥浆泵的输入端口连接；所述泥浆泵的输出端口通过泥浆输入管线连接吸入模块的进浆口；所述吸入模块还设有出浆口，所述出浆口与泥浆举升泵的输入端口连接；所述泥浆举升泵输出端口通过泥浆返回管线和泥浆罐的回液口连通；所述泥浆泵和泥浆举升泵均由变频电机驱动；所述plc控制系统包括一组传感器和处理器，所述传感器输出端与处理器的输入端连接，所述处理器的输出端连接泥浆泵和泥浆举升泵的变频电机控制器。

上述双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，所述吸入模块还设有底座和密封盖；所述底座固定在水平地面上，在吸入模块的顶部装配密封盖，所述进浆口布置在吸入模块的底部，所述出浆口布置在吸入模块的侧壁上，在吸入模块与密封盖接合部位设置密封垫；所述密封盖上设有放气阀。

上述双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，在所述吸入模块的进浆口处设置单向阀，在吸入模块的出浆口处设置阀门比例执行器。

上述双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，在所述泥浆罐的出液口和回液口处均设置流量阀。

上述双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，在所述泥浆输入管线、泥浆返回管线上均设置流量计。

上述双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，在所述泥浆返回管线上设置减压阀。

上述双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，所述plc控制系统中传感器包括布置在泥浆输入管线和泥浆返回管线中减压阀两侧的压力传感器、布置在吸入模块侧壁上的内外压差传感器，通过传感器将采集的泥浆输入管线、泥浆返回管线中压力信息及吸入模块的内外压差信息传递给处理器。

上述双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，在所述泥浆罐中设置搅拌器，所述搅拌器为电动搅拌器。

本实用新型为一种双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，它设有泥浆罐、泥浆泵、泥浆输入管线、吸入模块、泥浆举升泵和泥浆返回管线，通过与plc控制系统的配合，模拟无隔水管钻进作业时上返至井口的泥浆通过海底泵举升返回的过程；本实用新型将泥浆泵和泥浆举升泵设计为变频电机驱动模式，并在泥浆输入管线、泥浆返回管线及吸入模块筒体侧壁上设置传感器，在泥浆输入管线、泥浆返回管线、泥浆罐的进出液口和吸入模块的进出浆口等位置处设有不同类型的控制阀，因此可由plc控制系统中处理器根据传感器采集的信息，向各控制阀及泥浆泵、泥浆举升泵发出动作指令，以实现在不同工况下对泥浆泵和泥浆举升泵流量的控制。由此可见，本实用新型为双梯度钻井关键的检测及控制系统提供了实验平台，为无隔水管钻井技术在国内推广应用提供了技术支持。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是吸入模块结构示意图；

图3是图2中i处结构放大图；

图4是图2的k向视图。

图中各标号清单为：

1、泥浆罐；2、搅拌器；3、流量阀；4、泥浆泵；5、泥浆输入管线；6、单向阀；7、内外压差传感器；8、吸入模块，8-1、密封盖，8-2、密封垫，8-3出浆口，8-4、底座，8-5、进浆口；9、阀门比例执行器；10、泥浆举升泵；11、处理器；12、泥浆返回管线；13、流量计1；14、压力传感器；15、放气阀；16、减压阀。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明。

参看图1、图2，本实用新型为一种双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，包括泥浆罐1、泥浆泵4、泥浆输入管线5、吸入模块8、泥浆举升泵10、泥浆返回管线12和plc控制系统；所述泥浆罐1设有出液口和回液口，其中出液口与泥浆泵4的输入端口连接；所述泥浆泵4的输出端口通过泥浆输入管线5连接吸入模块8的进浆口8-5；所述吸入模块8还设有出浆口8-3，所述出浆口8-3与泥浆举升泵10的输入端口连接；所述泥浆举升泵10输出端口通过泥浆返回管线12和泥浆罐1的回液口连通；所述泥浆泵4和泥浆举升泵10均由变频电机驱动；所述plc控制系统包括一组传感器和处理器11，所述传感器包括布置在泥浆输入管线5和泥浆返回管线12中的压力传感器14、布置在吸入模块8侧壁上的内外压差传感器7，传感器输出端与处理器11的输入端连接，通过传感器将采集的泥浆输入管线5、泥浆返回管线12中压力信息及吸入模块8的内外压差信息传递给处理器11，所述处理器11的输出端连接泥浆泵4和泥浆举升泵10的变频电机控制器。

参看图2、图3、图4，本实用新型所述的双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，所述吸入模块8还设有底座8-4和密封盖8-1；所述底座8-4固定在水平地面上，在吸入模块8的顶部装配密封盖8-1，所述进浆口8-5布置在吸入模块8的底部，所述出浆口8-3布置在吸入模块8的侧壁上，在吸入模块8与密封盖8-1接合部位设置密封垫8-2；所述密封盖8-1上设有放气阀15。

参看图1，本实用新型所述的双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，在泥浆罐1中设置由电机驱动的搅拌器2，可通过搅拌器2不断搅拌来防止泥浆沉淀，泥浆罐1的出液口处设置流量阀3，用于阻止泥浆泵非工作状态下泥浆回流，泥浆罐1的回液口处也设置流量阀3，用于防止停泵时虹吸回流；本实用新型在吸入模块8的进浆口8-5处设置单向阀6，单向阀6用于防止吸入模块内的泥浆回流，在吸入模块8的出浆口8-3处设置阀门比例执行器9，阀门比例执行器9用于控制泥浆返回管线12的通闭，同时和泥浆举升泵10配合控制吸入模块8内压力，在吸入模块8的密封盖8-1上设有放气阀15，用于泥浆充入吸入模块8时从顶部排出气体；本实用新型在泥浆输入管线5、泥浆返回管线12上均设置流量计13，用于记录泥浆泵4和泥浆举升泵10的流量；本实用新型在泥浆返回管线12上设置减压阀16，用于增加举升泵负载，检验泥浆举升泵10的扬程。

参看图1，本实用新型所述的双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置，主要用于检验双梯度钻井检测及控制系统的功能性及稳定性，它可实现对泥浆泵4出口压力、泥浆泵4出口流量、吸入模块8内外压力差值、泥浆举升泵10出口压力、泥浆举升泵10出口流量和减压阀16出口压力的检测。采用本实用新型所述的双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置进行实验时，具体操作步骤为：首先在泥浆罐1内配好泥浆，开启泥浆罐1的出液口和回液口处流量阀3、吸入模块8密封盖8-1上的放气阀15，关闭吸入模块8出浆口8-3处的阀门比例执行器9；然后开启泥浆泵4，此时泥浆通过泥浆输入管线5进入吸入模块8中，吸入模块8内气体通过放气阀15排出；当泥浆充满吸入模块8时，关闭放气阀15，此时吸入模块内开始升压；当内外压差传感器7检测到压差已达预设值时，开启阀门比例执行器9和泥浆举升泵10，泥浆通过泥浆返回管线12返回至泥浆罐1中，完成泥浆循环。

参看图1，在上述实验过程中，plc控制系统会实时控制阀门比例执行器9的开度和泥浆举升泵10的排量，使吸入模块8内压力始终维持在预设值，以模拟双梯度钻井井口工况，例如：模拟无隔水管钻进工况时，需要时刻控制泥浆举升泵排量以保证吸入模块内部压力等于外部海水压力，控制系统可通过吸入模块8的内外压差传感器7来检测吸入模块8的内外压力差，当压力差值大于控制系统预设值时，控制系统会增大泥浆举升泵10的排量和阀门比例执行器9的开度，以降低吸入模块8内外压力差值；当压力差值小于控制系统预设值时，控制系统会减小泥浆举升泵10的排量和阀门比例执行器9的开度，以增大吸入模块内外压力差值。同时，系统会比对泥浆泵及泥浆举升泵10的出口压力及流量值，通过预设算法，快速调整泥浆举升泵10的排量和阀门比例执行器9的开度到达合适值附近，再进行精准微调。

参看图1，本实用新型所述的双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置不但可模拟正常钻进工况，也可模拟井涌、井漏等特殊工况。钻井井涌时，井底压力低于地层压力，地层内流体进入井内，上返泥浆增多，而通过该实验装置模拟井涌工况时，可人工干预调大泥浆泵4的流量，此时吸入模块8内压力增大，控制系统检测出吸入模块8内外压力差值增大，会自动增大泥浆举升泵10排量和阀门比例执行器9的开度，以降低吸入模块8内外压力差值。钻井井漏时，井底压力大于地层压力，泥浆进入地层内部，上返泥浆减小，而该实验装置模拟井漏工况时，可人工干预降低泥浆泵4的流量，此时吸入模块8内压力减小，控制系统检测出吸入模块8内外压力差值减小，会自动减小泥浆举升泵10排量和阀门比例执行器9的开度，以增大吸入模块8内外压力差值。

参看图1，本实用新型所述的双梯度钻井技术检测及控制系统实验装置还可检验泥浆举升泵10的举升能力，可通过调节减压阀16，为泥浆举升泵10增加工作负载，以检验泥浆举升泵10的举升扬程能力。