一种高温高压钻井液启动扭矩及沉降稳定性评价装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种高温高压钻井液启动扭矩及沉降稳定性评价装置，属于石油钻井液沉降稳定性能分析测试领域。


背景技术：

2.随着油田勘探开发的不断加大，钻井的深度和难度也在不断增加，在钻井过程中的温度压力不断升高，钻井异常情况也较多遇到。由于钻井深度增加，钻井液体系密度会相应调大，在高温高压条件下，部分处理剂高温条件下降解，粘土高温分散造成钻井液胶凝、稠化，致使钻井流变性和沉降稳定性变差，体系稳定性能难以控制，则会影响钻井安全顺利施工。钻井过程中遇到复杂问题后，会停泵或停钻，一段时间后再次启动时，偶尔会遇到掐钻等复杂现象。因此，高温高压钻井液沉降后启动扭矩测试及沉降稳定性在现场的评价的重要性也更加突出。
3.传统的钻井液高温高压流变方法，由于设备费用昂贵，且若模拟钻井情况，可能需要在高温高压条件下静置数天，严重影响了设备的使用效率和安全性。目前的其他类沉降稳定性的装置，多是通过不同深度的密度变化来进行表征，不能够给出钻井液沉降后对旋转启动时扭矩大小的影响。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型设计了一种高温高压钻井液启动扭矩及沉降稳定性评价装置，可以满足钻井施工现场及实验室内对钻井液高温高压条件下沉降后性能的快速检测和评价，对钻井现场的应用有着很强的指导意义。
5.本实用新型的技术方案：
6.一种高温高压钻井液启动扭矩及沉降稳定性评价装置，包括可容纳实验流体的密闭的实验釜体，所述实验釜体配置可控温加热系统、液体及气体增压装置、磁力传动模拟钻具、高温高压取样系统和数据采集及控制系统；
7.所述可控温加热系统位于所述实验釜体，用于加热所述实验釜体内的实验流体；
8.所述液体及气体增压装置包括液体增压装置和气体增压装置，二者分别与所述实验釜体连通，用于向所述实验釜体施加压力；
9.所述磁力传动模拟钻具具有高精度可调速电机、磁力旋转系统和模拟钻具，所述模拟钻具位于所述密闭实验釜体中且通过所述磁力旋转系统与密闭实验釜体外的高精度可调速电机传动连接；
10.所述数据采集及控制系统包括配置于所述实验釜体的温度传感器和压力传感器、配置于所述可控温加热系统的温控调节器、配置于所述可调速电机的转速调节器和高精度扭矩传感器、数据传输装置和集成显示器；所述数据传输装置分别连接每个传感器与集成显示器、每个调节器与显示器，以将每个传感器测试的数据和每个调节器的数据传送至所述集成显示器，所述集成显示器接受所述数据并显示；
11.所述高温高压采样系统包括气体增压装置和活塞式高压取样器，所述实验釜体侧壁在不同深度分别设置至少两个取样口，设置至少一个活塞式高压取样器分别连通每个取样口，取样时，所述活塞式高压取样器的活塞被提供缓慢退液压力，同时所述气体增压装置向所述密闭实验釜体中施加压力，不同位置的高温高压流体经过对应的取样口进入活塞式高压取样器，以利用压力平衡的方式来实现密闭实验釜体的高温高压取样。
12.所述模拟钻具通过连杆与磁力旋转系统传动，所述密闭实验釜体内外的连杆通过磁力耦合连接。
13.所述实验釜体为耐压硬性密封，容器内有效高度不低于70cm，内径不小于14cm，耐压70mpa，耐温230℃。
14.实验釜体侧壁上在高、中、低三部位分别设置一个取样口。
15.所述液体增压装置由活塞式中间容器和恒流恒压驱替泵组成，所述活塞式中间容器分别与所述恒流恒压驱替泵和所述实验釜体连通。
16.所述气体增压装置包括高压储气单元、气体增压单元和外置气源，所述高压储气单元与所述实验釜体连通，所述气体增压单元分别连通所述高压储气单元和外置气源。
17.所述高温高压取样系统由所述气体增压装置、活塞式高压取样器和所述恒流恒压驱替泵组成，所述恒流恒压驱替泵与活塞式高压取样器连通，取样时，所述恒流恒压驱替泵为所述活塞式高压取样器的活塞提供缓慢退液压力。
18.包括多个高压阀门，分别位于所述外置气源与所述气体增压单元之间、所述气体增压单元与所述高压储气单元之间、所述高压储气单元与所述实验釜体之间、所述活塞式中间容器与所述实验釜体之间、所述恒流恒压驱替泵与所述活塞式中间容器之间、所述恒流恒压驱替泵与所述活塞式高压取样器之间、每个所述取样口与对应的所述活塞式高压取样器之间。
19.所述恒流恒压驱替泵的压力上限为70mpa，具备限压报警功能。
20.所述温度传感器位于所述实验釜体的内部。
21.本实用新型的有益技术效果
22.该装置通过可控温加热系统加热实验釜体内的实验流体至实验所需高温，通过液体装置为密闭实验釜体内的实验流体施加压力至实验所需高压，可以通过数据采集及控制系统测量密闭实验釜体内高温高压流体静置前后同一转速下可调速电机的扭矩值大小，来模拟高温高压条件下钻井液静置一段时间后的启动扭矩的测试，以对流体的沉降稳定性进行判定。并可以通过高温高压取样系统与气体增压装置的配合，利用压力平衡的方式对高温高压状态的样品进行取样，待放置常温常压后进行密度和黏度测定，从而得到其沉降稳定性的密度及黏度参数，实现对高温高压条件下钻井液沉降稳定性通过密度法进行测定。测定结果可以用于钻井现场对井下流体性质的分析判定，为钻井液高温高压触变性能提供一种方便、快捷的实验装置，方便了钻井现场工作人员及实验室内的实验和评价需求，减少异常情况的发生。
23.相对于现有技术的测定装置，该装置还具有以下优势：
24.1)本实用新型采用磁力传动，避免了高温高压条件下的转动轴对实验釜体的密闭性问题；
25.2)本实用新型采用了较长的实验釜体，实验釜体内径有效高度不低于70cm，较高
的耐温和承压能力，基本可以适用于国内的大部分钻井液条件；
26.3)装置的测温点位于实验釜体的内部，可以更加精准的测定实验流体的温度；
27.4)高精度可调速电机和高精度扭矩传感器可以使采集数据的精度更高；
28.5)该装置满足高温高压钻井液沉降后启动扭矩测试及沉降稳定性模拟评价需求；
29.6)该装置操作安全，具备限压报警。
30.综上，该装置可以较好的模拟高温高压的底层条件进行流体沉降稳定性的分析，同时也为高温高压条件下钻井液静置后的流动度特征分析提供了一种方法。不仅取样单元的密封效好，取样成功率高，且安全性好，而且装置功能全面，成本较为低廉，测量准确度高。
附图说明
31.图1为一种高温高压钻井液启动扭矩及沉降稳定性评价装置的实施例的简图。
32.附图标记：1-高精度可调速电机，2-高精度扭矩传感器，3-磁力旋转系统，4-模拟钻具及连杆，5-可控温加热系统，6-取样口，7-压力传感器，8-活塞式中间容器，9-恒流恒压驱替泵，10-高压储气单元，11-气体增压单元，12-外置气源，13-转速调节器，14-温控调节器，15-集成显示器，16-设备开关，17～27-高压阀门，28-活塞式高压取样器，29-实验釜体，30-温度传感器。
具体实施方式
33.为了清楚、完整的公开本实用新型的技术方案，并为了便于更容易的地理解本实用新型的技术方案，下面将结合附图1和具体实施例详细介绍本实用新型的内容。
34.如图1所示，本实施例的一种高温高压钻井液启动扭矩及沉降稳定性评价装置，由控温加热实验釜体、磁力传动模拟钻具、液体及气体增压装置、高温高压取样系统和数据采集及控制系统组成。控温加热实验釜体具有密闭实验釜体29、可控温加热系统5和取样口6。所述实验釜体29配置可控温加热系统5、液体及气体增压装置、磁力传动模拟钻具、高温高压取样系统和数据采集及控制系统，以实现对密闭实验釜体29进行精准控温控压和对沉降前后的实验流体进行扭矩测试和沉降稳定性测试。
35.所述可控温加热系统5位于所述实验釜体29的侧壁，用于加热所述实验釜体29内的实验流体。
36.所述液体及气体增压装置包括液体增压装置和气体增压装置，二者分别与所述实验釜体29连通，用于向所述实验釜体29施加压力。液体增压主要靠恒压恒流驱替泵9通过中间容器8给实验釜体29内的实验流体加压。恒流恒压驱替泵9的压力上限70mpa，具备限压报警功能；高压储气单元10耐压70mpa；气体增压单元11耐压70mpa。气体增压时通过外置气源12，例如钢瓶气源，带动体增压单元11的增压泵对气体增压，并储存在高压储气单元10中，气体增压装置主要是在实验高温高压取样时作为平衡动力气源来使用。
37.磁力传动模拟钻具具有高精度可调速电机1、磁力旋转系统3和模拟钻具及连杆4。位于密闭实验釜体29中的模拟钻具及连杆4与密闭实验釜体29外的高精度可调速电机1通过磁力旋转系统3传动和连接，从而通过高精度可调速电机1的转动带动模拟钻具及连杆4等速转动，模拟钻具，并具备搅拌实验流体快速达到温度平衡的功能。密闭实验釜体29内外
的连杆不穿透实验釜体29，而是通过磁力耦合连接，确保实验釜体29的密封。
38.数据采集及控制系统由温度传感器30、压力传感器7、温控调节器14、转速调节器13、高精度扭矩传感器2、集成显示器15以及设备开关16组成。其中温度传感器30位于实验釜体29内、压力传感器7与实验釜体29相连，分别用于测试实验釜体29内的温度和压力；高精度扭矩传感器2与测量高精度可调速电机1相连，用于测试其扭矩值；温控调节器14、转速调节器13、集成显示器15以及设备开关16均设置于数据采集及控制系统设备上，温控调节器14与可控温加热系统5连接，用于调节可控温加热系统5的加热温度；转速调节器13与调节高精度电机1相连，用于调节高精度电机1的转速。通过传感器和调节器可以实时采集实验釜体29内的温度、压力、高精度可调速电机1的转速、扭矩等实时信息并记录，并通过数据传输装置将这些数据传送至集成显示器15，集成显示器15可显示实时的转速、扭矩值、实验釜体29中的压力值、温度值。
39.所述高温高压采样系统由上述气体增压装置、恒流恒压驱替泵9和活塞式高压取样器28组成。实验釜体29侧壁上在高、中、低三部位分别设置一个取样口6，本实施例中，活塞式高压取样器28为一个，分别与每个位置的取样口6连通，也可做三个一样的活塞式高压取样器28分别连在不同深度的取样口6。所述恒流恒压驱替泵9与活塞式高压取样器28连通。取样时，活塞式高压取样器28的活塞被所述恒流恒压驱替泵9提供缓慢退液压力，所述实验釜体29受气体增压装置向实验釜体29中稳定施加压力，排驱不同深度的液体进入高、中、低不同部位的取样口6对应的活塞式高压取样器28内，实现高温高压不同深度处的取样，待恢复至常温常压后测定其粘度及密度等信息，来分析其沉降稳定性。
40.实验釜体29为耐压硬性密封，容器内有效高度不低于70cm，内径不小于14cm，耐压70mpa，耐温230℃。
41.工作原理
42.实验前，将控温加热实验釜体29内充满实验流体/样品，采用连接有磁力传动模拟钻具的釜盖进行密封，然后启动可控温加热系统5开始加热，通过液体增压装置对实验流体进行加压；待达到实验温度和压力后，例如150℃、60mpa，根据实验方案静置一段时间，然后启动高精度可调速电机1并通过磁力旋转系统3的传动带动模拟钻具及连杆4转动搅拌实验样品，并使用高精度扭矩传感器2测量同一转速下实验样品静置前后的启动时及启动后的扭矩值，来分析样品是否发生了沉降、以及沉降的程度。同时，静置一段时间后，通过高温高压取样系统采集实验釜体29静置前后不同深度的高温高压样品，待恢复至常温常压后测定其粘度及密度等信息，从而得到其沉降稳定性的密度及黏度参数。
43.以上所述仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的防伪塑封尺寸的变化或裂缝线尺寸和数目等都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。