冻胶阀动态性能评价装置的制作方法

本发明涉及石油技术领域，尤其涉及一种冻胶阀动态性能评价装置。

背景技术：

全过程欠平衡钻井技术是保护储层、高效开发三低(低丰度、低渗透、低产出)油气田的有力手段。而影响欠平衡钻井效果的主要原因是起钻前或起钻过程中需要压井以平衡地层压力。但压井作业有可能完全抵消了欠平衡钻井带来的好的效果，甚至可能对地层造成更大的损害。通常，采取不压井起下钻装置和套管阀两种方式实现欠平衡钻井，但不压井起下钻装置涉及工具多，施工复杂，而套管阀技术主要靠进口，成本昂贵，且套管阀一旦失效就无法达到欠平衡钻井的目的。

为此，现有技术中，通常采用冻胶阀以实现欠平衡钻井。冻胶阀利用冻胶的黏性实现其一定的抗压差能力，在井筒中保持静止，即“阀”固定；利用冻胶的固体力学特性隔离密封井筒油气，即“阀”密封；利用冻胶的黏弹性实现管柱的顺利穿透及自身的恢复，即“阀”开、关；利用冻胶的可破胶特性实现其在作业结束后破胶返排至地面，即解“阀”。

但是，冻胶阀在井筒中的承压能力和气密性会直接影响欠平衡钻井的成功与安全，为此需要本申请发明人提出一种冻胶阀动态性能评价装置，以模拟冻胶阀在井筒中气密性，提高欠平衡钻井的施工安全及成功率。

技术实现要素：

本发明提供一种冻胶阀动态性能评价装置，以模拟冻胶阀在井筒中的动态，评价冻胶阀的动态性能，提高欠平衡钻井的施工安全及成功率。

本发明实施例提供一种冻胶阀动态性能评价装置，其包括井筒、油管、气源、起下装置、数据采集装置以及控制装置；所述井筒内设置有冻胶阀，且所述冻胶阀以下的所述井筒设置有与所述气源输出端口连通的进气口；所述起下装置与所述油管固定连接，以将所述油管下放至所述井筒内或将所述油管从所述井筒中上提出；所述数据采集装置包括设置在所述冻胶阀以下的所述井筒内的压力传感器、设置在所述井筒外壁的温度传感器、设置在所述油管上的速度传感器以及设置在所述油管和所述起下装置之间的拉力传感器；所述控制装置分别与所述压力传感器、所述温度传感器、所述速度传感器以及所述拉力传感器通信连接。

如上所述的冻胶阀动态性能评价装置，其中，所述井筒上设置有观察窗。

如上所述的冻胶阀动态性能评价装置，其中，所述观察窗为多个，多个所述观察窗沿所述井筒的圆周方向间隔设置，且相邻两个所述观察窗之间沿所述井筒的轴向具有预设距离。

如上所述的冻胶阀动态性能评价装置，其中，所述井筒的顶端设置有溢流口；所述冻胶阀动态性能评价装置还包括与所述溢流口固定连接的溢流管。

如上所述的冻胶阀动态性能评价装置，其中，所述井筒的底端设置有排液口，所述冻胶阀动态性能评价装置还包括与所述排液口固定连接的排液管道。

如上所述的冻胶阀动态性能评价装置，还包括配液装置，所述配液装置包括配液容器、搅拌器、出液管以及安装在所述出液管上的出液阀门；所述配液容器的上端设置有加料口，所述配液容器的下端设置有出液口；所述出液管分别与所述出液口和所述井筒连接；所述搅拌器包括搅拌电机以及与所述搅拌电机输出轴固定连接的搅拌杆，所述搅拌杆位于所述配液容器内。

如上所述的冻胶阀动态性能评价装置，还包括设置在所述井筒外侧的电加热元件。

如上所述的冻胶阀动态性能评价装置，还包括井架，所述井架包括基座以及设置在所述基座上的支架，所述支架上设有限位孔；所述井筒的底端固定在所述基座上，且所述井筒的顶端位于所述限位孔内。

如上所述的冻胶阀动态性能评价装置，其中，所述支架包括与所述基座固定连接的立架、与所述立架固定连接的操作平台以及设置在所述操作平台和所述基座之间的扶梯，所述限位孔设置在所述操作平台上。

如上所述的冻胶阀动态性能评价装置，其中，所述起下装置包括吊钩、缆绳、与所述支架固定连接的滑轮以及与所述控制装置通信连接的卷扬机，所述缆绳的一端与所述卷扬机的卷筒固定连接，所述缆绳的另外一端绕过所述滑轮与所述吊钩固定连接。

本发明实施例提供的冻胶阀动态性能评价装置，在井筒内设置冻胶阀，利用起下装置将油管从冻胶阀内提出，在此过程中利用压力传感器测量井筒内的压力，速度传感器测量油管的速度，拉力传感器测量油管的拉力，对冻胶阀的动态承压能力和密封能力进行模拟实验，为后续冻胶阀性能的改进提供实验数据支撑，从而提高欠平衡钻井的施工安全及成功率。

附图说明

通过参照附图的以下详细描述，本发明实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将以示例以及非限制性的方式对本发明的多个实施例进行说明，其中：

图1为本发明实施例一提供的冻胶阀动态性能评价装置的结构示意图；

图2为图1中的井筒一实施例的结构示意图；

图3为图2中的井筒另一实施例的结构示意图；

图4为图1中的配液装置的结构示意图；

图5为本发明实施例二提供的冻胶阀动态性能评价装置的结构示意图；

图6为图5中的井架的结构示意图。

附图标记说明：

1：井筒；11：进气口；12：观察窗；

2：油管；

3：气源；

4：起下装置；41：吊钩；42：缆绳；43：滑轮；44：卷扬机；

5：冻胶阀；

6：压力传感器；

7：速度传感器；

8：拉力传感器；

9：配液装置；91：配液容器；92：出液管；93：出液阀门；94：端盖；95：加料口；

10：井架；101：基座；102：立架；103：操作平台；104：扶梯；105：护栏；106：限位孔；

20：温度传感器；

30：电加热元件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1为本发明实施例一提供的冻胶阀动态性能评价装置的结构示意图。

参照图1，本发明实施例提供一种冻胶阀动态性能评价装置，其包括井筒1、油管2、气源3、起下装置4、数据采集装置以及控制装置；井筒1内设置有冻胶阀5，且冻胶阀5以下的井筒1设置有与气源3输出端口连通的进气口11；起下装置4与油管2固定连接，以将油管2下放至井筒1内或将油管2从井筒1中上提出；数据采集装置包括设置在冻胶阀5以下的井筒1内的压力传感器6、设置在井筒1外壁上的温度传感器20、设置在油管2上的速度传感器7以及设置在油管2和起下装置4之间的拉力传感器8；控制装置分别与压力传感器6、温度传感器20、速度传感器7以及拉力传感器8通信连接。

具体地，井筒1模拟井下套管，其可以是以n80钢套管，也可以是其他钢管，本发明实施例对此不做限定。本发明实施例对井筒1的具体尺寸不做限定，例如，井筒1的外径可以为7寸，内径可以为5寸，高度为3米。井筒1的上部可以焊接有吊耳，以方便实验装置的安装和拆卸。井筒1中的冻胶阀5可以采用现有的冻胶阀制造工艺进行制作。在冻胶阀5以下的井筒1设置有进气口11，用于通入气体。进气口11可以设置有螺纹，与进气管道连接；或者，进气口11设置有法兰盘，与进气管道法兰连接，本发明实施例对此不做限定。冻胶阀5以下的井筒1设置有压力测量孔，用于安装压力传感器6。

油管2是圆形钢管，其顶端设置有与起下装置4固定连接的连接件，连接件可以是挂钩、卡接扣等，本发明实施例对此不做限定。

气源3用于向井筒1内通入预设压力的气体，其可以是气泵。气源3也可以是其他通气设备。气源3的输出端口与井筒1的进气口11连通，或者，气源3的输出端口通过进气管道与井筒1的进气口11连通。

起下装置4与油管2固定连接，用于将油管2下放至井筒1内或将油管2从井筒1中上提出，其可以天车、吊车等，在此不做限定。可选地，起下装置4的起下速度范围可以为0到1米/秒，且连续可调。

数据采集装置包括压力传感器6、速度传感器7和拉力传感器8，其中，压力传感器6设置在冻胶阀5以下的井筒1内，或者，压力传感器6安装在井筒1的侧壁设置的压力测量孔内。压力传感器6可以是现有的压电传感器、压阻传感器等，本发明实施例对此不做限定。压力传感器6的测量范围0.001mpa到2.5mpa，精度0.075％。速度传感器7安装在油管2上，用于测量油管2下放或者上提时的速度，其可以是现有的速度传感器，本发明实施例对此不做限定。拉力传感器8设置在油管2和起下装置4之间，用于测量油管2下放或者上提的拉力，其可以是现有的s型拉力传感器、板环拉力传感器等，本发明实施例对此不做限定。温度传感器20设置在井筒1外壁和电加热元件30之间，用于测量井筒1内的温度。温度传感器20可以是热电阻式温度传感器，也可以是热电偶式温度传感器，本发明实施例对此不做限定。

控制装置分别与压力传感器6、温度传感器20、速度传感器7和拉力传感器8通信连接，用于接收压力传感器6发送的测量压力值、温度传感器20发送的温度值、速度传感器7发送的测量速度值以及拉力传感器8发送的拉力测量值。控制装置可以包括存储器，用于存储压力传感器6测量的压力值、温度传感器20发送的温度值、速度传感器7测量的速度值以及拉力传感器8测量的拉力值。

本发明实施例提供的冻胶阀动态性能评价装置还可以包括与控制装置通信连接的显示屏，用于显示压力传感器6测量的压力值、速度传感器7测量的速度值以及拉力传感器8测量的拉力值。

冻胶阀是一种用于欠平衡完井的智能化学胶体，在套管中形成高黏性半固体状胶体段塞，具备一定的抗压差性能，密封井筒油气。完井管柱能顺利穿透冻胶阀，管柱穿透过程中冻胶阀靠自身黏附性实现环空动密封，避免油气溢出。完井结束后冻胶阀能实现破胶液化，采用氮气或清水即可实现残液的全部返排。可以理解的是，在本发明实施例中，冻胶阀5的加工工艺及材料配比不做限定。

下面详细描述本发明实施例提供的冻胶阀动态性能评价装置的使用过程：

控制起下装置4将油管2下放至井筒1内，然后向井筒1内加入冻胶阀液体并加热形成冻胶阀5。

通过气源3向冻胶阀5以下的井筒1内通入预设压力的气体。为了方便观察，在冻胶阀5的上表面加少量的水。

控制起下装置4以预设速度上提油管2预设距离，直至油管2全部从冻胶阀5中提出。与此同时，观察冻胶阀5上表面的水有无气泡产生，如果在整个上提过程中，均没有气泡产生，则冻胶阀5在预设压力下气密性良好；否则，气密性差；压力传感器6、速度传感器7以及拉力传感器8进行数据测量。

可以理解是，在其他条件不便的前提下，可以更改冻胶阀5以下的井筒1内的预设压力，观察不同压力下冻胶阀的气密性；或者，在其他条件不便的前提下，更改上提速度，观察上提速度对冻胶阀气密性的影响；再或者，将起下装置的拉力作为变量，观察拉力对冻胶阀气密性的影响。

本发明实施例提供的冻胶阀动态性能评价装置，在井筒内设置冻胶阀，利用起下装置将油管从冻胶阀内提出，在此过程中利用压力传感器测量井筒内的压力，速度传感器测量油管的速度，拉力传感器测量油管的拉力，对冻胶阀的动态承压能力和密封能力进行模拟实验，为后续冻胶阀性能的改进提供实验数据支撑，从而提高欠平衡钻井的施工安全及成功率。

进一步地，为了更好地观察在油管2上提过程中，冻胶阀5的状态，本发明实施例提供的冻胶阀动态性能评价装置的井筒1上设置有观察窗12。观察窗12有耐温要求，观察窗12可以采用高强玻璃制成，以清晰观察内部流体运动状态。

图2为图1中的井筒一实施例的结构示意图。

在一些实施例中，观察窗12设置有一个。例如，参照图2，一个观察窗12呈螺旋状，绕井筒1的中心轴螺旋设置，以方便各个角度观察冻胶阀的运动状态。

图3为图2中的井筒另一实施例的结构示意图。

在另外一些实施例中，观察窗12为多个，多个观察窗12沿井筒1的圆周方向间隔设置，且相邻两个观察窗12之间沿井筒1的轴向具有预设距离。

具体参照图3，观察窗12可以设置两个、三个、四个、五个等，本发明实施例对观察窗12的具体数量不做限定。多个观察窗12沿井筒1的圆周方向间隔设置，且相邻两个观察窗12之间沿井筒1的轴向具有预设距离，即，多个观察窗12绕井筒1螺旋设置。当观察窗12设置有多个时，观察窗12可以是圆形、正方形等，本发明对每个观察窗12的大小及形状不做限定。例如，观察窗12设置五个，每个观察窗12的有效可视面积大于等于300×20mm，从上到下螺旋、均匀分布，相位角72°。

进一步地，井筒1的顶端设置有溢流口；冻胶阀动态性能评价装置还包括与溢流口固定连接的溢流管(未示出)。

更进一步地，井筒1的底端设置有排液口，冻胶阀动态性能评价装置还包括与排液口固定连接的排液管道。在实验结束后，对冻胶阀进行液化，液化后的冻胶阀经过排液口、排液管道排出。可选地，排液口为直径50mm的圆形口。

图4为图1中的配液装置的结构示意图。

参照图4，本发明实施例提供的冻胶阀动态性能评价装置还包括配液装置9，配液装置9包括配液容器91、搅拌器(未示出)、出液管92以及安装在出液管92上的出液阀门93；配液容器91的上端设置有加料口95，配液容器91的下端设置有出液口；出液管92分别与出液口和井筒1连接；搅拌器包括搅拌电机以及与搅拌电机输出轴固定连接的搅拌杆，搅拌杆位于配液容器91内。

具体地，配液装置9的配液容器91可以是圆柱形、方形等，配液容器91可以是不锈钢体结构，也可以是其他材质，本发明实施例对配液容器的形状及材质不做限定。优选地，配液容器91包括上部的圆筒部以及下部的漏斗部，且出液口设置在漏斗部的最底端。出液口可以是直径为30mm的圆形口。

配液装置9还包括端盖94，端盖94盖设在配液容器91的顶端，端盖94与配液容器91螺纹连接，或者，端盖94与配液容器91法兰连接，本发明实施例对端盖与配液容器的连接方式不做限定。其中，加料口95设置在端盖94上。可选地，加料口95为直径100mm的圆形口。

搅拌器包括搅拌电机以及与搅拌电机输出轴固定连接的搅拌杆，搅拌杆上设置有螺旋状叶片，搅拌杆位于配液容器91内。可选地，搅拌杆的长度小于配液容器91的高度10cm。搅拌电机可以是现有的步进电机、伺服电机等，本发明实施例对此不做限定。可选地，搅拌器的转速可以调节，例如转速从100转/分钟到3000转/分钟连续可调。

进一步地，本实施例提供的冻胶阀动态性能评价装置还包括设置在井筒1外侧的电加热元件30。电加热元件30用于对井筒1进行加热，其可以是电伴热带，电加热元件30也可以是其他的加热设备，例如，加热套。可选地，在电加热元件30的外侧设置有保温层。电加热元件30的控温范围可以是20℃到90℃，误差小于2℃。电加热元件可以采用pid控温技术。

图5为本发明实施例二提供的冻胶阀动态性能评价装置的结构示意图，图6为图5中的井架的结构示意图。

参照图5和图6，本实施例提供的冻胶阀动态性能评价装置还包括井架10，井架10包括基座101以及设置在基座101上的支架，支架上设有限位孔106；井筒1的底端固定在基座101上，且井筒1的顶端位于限位孔106内。

具体地，基座101可以是钢板，基座101也可以是水泥地板等，本发明实施例对此不做限定。优选地，基座101采用具有花纹的钢板，且可以承重不小于一吨的重量。

支架可以包括立柱以及固定在立柱上的平板，其中限位孔106设置在平板上。优选地，支架包括与基座101固定连接的立架102、与立架102固定连接的操作平台103以及设置在操作平台103和基座101之间的扶梯104，限位孔106设置在操作平台103上。其中，立架102可以采用强度较高的槽钢、工字钢搭建焊接形成。立架102的高度可以是7.5米，其顶部设置有天车，以吊装井筒1。在立架102的中部设置有操作平台103，操作平台103的周围设置有护栏105。操作平台103与立架102固定连接，可选地，操作平台103焊接到立架102，或者，操作平台10与立架102螺纹连接。在操作平台103和基座101之间设置有扶梯104，扶梯104可以是竖直爬梯，或者，扶梯104还可以是与基座101形成夹角的倾斜爬梯。扶梯104的两侧还可以设置有防护扶手，以增加操作人员的安全性。扶梯104的底端与基座101可以焊接，或者，扶梯104的底端与基座101通过法兰固定连接；扶梯104的顶端与操作平台103可以焊接，或者，扶梯104的顶端与操作平台103通过法兰固定连接。

井筒1的底端固定在基座101上，可选地，井筒1的底端通过丝扣连接法兰，通过螺栓将法兰固定在基座101上。

继续参照图5，本发明实施例提供的起下装置4包括吊钩41、缆绳42、与支架固定连接的滑轮43以及与控制装置通信连接的卷扬机44，缆绳42的一端与卷扬机44的卷筒固定连接，缆绳42的另外一端绕过滑轮43与吊钩41固定连接。

具体地，起下装置4包括吊钩41、缆绳42、滑轮43以及卷扬机44，其中，滑轮43通过安装座固定安装在立架102的顶端，卷扬机44可以是现有的卷扬机设备，本发明实施例对此不做限定。缆绳42的一端与卷扬机44的卷筒固定连接，缆绳42的另外一端绕过滑轮43与吊钩41固定连接。

可选地，起下装置4设置有上、下定位装置，以保证起下安全。

参照图5，进一步对本发明实施例提供的冻胶阀动态性能评价装置的工作过程进行详细说明：

开启起下装置4，设定下放速度10cm/min、下放距离3m(初始油管2下端位于井筒1上口处)，然后打开卷扬机44电源，吊钩41开始下放油管2，油管2插入井筒1内至井筒1底部。

开启配液装置9，配制冻胶阀液体20l，倒入井筒1内，打开井筒1电加热元件，设定温度70℃，开始加温，加热6小时使胶体成胶。

打开数据采集装置，准备数据记录。

调节起下装置4的工作参数，设定上提速度10cm/min，上提距离10cm，上提总行程定位限制为3m，记录实时压力变化和冻胶阀5变化，为便于观察气体，在冻胶阀上表面加少量水，观察10min后进行下一次上提油管2操作，重复此操作，直至油管2被全部拔出冻胶阀5。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在以上描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。