阅读说明：本技术 一种考虑钻杆动效应的隔水管充气双梯度钻井实验台架 (Double-gradient drilling experiment bench for air inflation of marine riser in consideration of dynamic effect of drill rod ) 是由 祝效华 冉亮 敬俊 汤历平 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种考虑钻杆动效应的隔水管充气双梯度钻井实验台架,主要由隔水管、下钻杆、流量计、密度计、压力计、伸缩节、上钻杆、传动总成、电机、输流管、脉动阻尼器、背压阀、泥浆泵、电磁阀、单向阀、气液振动分离器、水箱、空气压缩机、溢流泵、紧急切断阀、输气管和平衡机构组成,所述隔水管与传动总成竖直固定于台架上；所述隔水管上设有流量计、密度计、压力计；在隔水管内设有下钻杆,在传动总成内设置上钻杆,上钻杆由电机驱动；所述输气管安装于空气压缩机与隔水管间,输气管上设有流量计、压力计、单向阀和紧急切断阀；所述气液振动分离器和隔水管间设有脉动阻尼器、流量计、压力计和背压阀；所述下钻杆和上钻杆间设有伸缩节,使下钻杆既能上下微幅伸缩也能横向微幅摆动。(The invention discloses a riser inflation double-gradient drilling experiment bench considering dynamic effect of a drill rod, which mainly comprises a riser, a lower drill rod, a flowmeter, a densimeter, a pressure meter, a telescopic joint, an upper drill rod, a transmission assembly, a motor, a flow transmission pipe, a pulsation damper, a back pressure valve, a slurry pump, an electromagnetic valve, a one-way valve, a gas-liquid vibration separator, a water tank, an air compressor, an overflow pump, an emergency cut-off valve, a gas pipe and a balance mechanism, wherein the riser and the transmission assembly are vertically fixed on the bench; the marine riser is provided with a flowmeter, a densimeter and a pressure gauge; a lower drill rod is arranged in the marine riser, an upper drill rod is arranged in the transmission assembly, and the upper drill rod is driven by a motor; the gas transmission pipe is arranged between the air compressor and the water resisting pipe, and is provided with a flow meter, a pressure gauge, a one-way valve and an emergency cut-off valve; a pulsation damper, a flowmeter, a pressure gauge and a back pressure valve are arranged between the gas-liquid vibration separator and the marine riser; and a telescopic joint is arranged between the lower drill rod and the upper drill rod, so that the lower drill rod can slightly stretch up and down and also can slightly swing transversely.)

一种考虑钻杆动效应的隔水管充气双梯度钻井实验台架

技术领域

本发明涉及一种实验台架，特别是一种针对海洋油气开发考虑钻杆动效应的隔水管充气双梯度钻井实验台架，属于机械工程或海洋油气工程技术领域。

背景技术

随着我国国民经济的持续快速发展，对资源的需求不断增长，油气资源勘探开发不断向深部地层和深海发展。海洋油气是我国油气资源的重要组成部分，但我国深海油气开发起步较晚，缺乏自主的关键技术。与陆地和浅海钻井相比，深海钻井环境更复杂，常规钻井装备和方法难以克服的技术难题频繁出现。

在深水油气钻井中，地层孔隙压力和破裂压力之间的密度很小，长井段所堆积的压力在钻井底部很容易压坏地层。在现有海底疏松层和易漏产层钻井中，为保证井身质量，通常采用下多层套管的方式。现有技术的建井周期长，操作效率低，对钻井平台和钻机等设备要求高、隔水管余量大。通过注入气体来改变海床以上至钻井船上的隔水管环空中钻井液的密度实现双梯度钻井，可使破裂压力和孔隙压力之间的余量相对增大，使井涌和井漏等事故以及处理钻井事故的时间和成本减少，这一技术即隔水管充气双梯度钻井技术。

隔水管充气双梯度钻井作为一项非常有潜力的钻井技术，目前鲜见有关于该技术方面的结构报道。由于注气量和注气压力以及钻井液参数对隔水管环空压力控制具有重要影响，因此开发考虑钻杆动效应的隔水管充气双梯度钻井实验台架，具有重要意义。

发明内容

本发明为实现上述目的，特提出一种考虑钻杆动效应的隔水管充气双梯度钻井实验台架，有助于推动海洋油气开发技术的发展。

为达到上述目的，本发明解决此技术问题采用的技术方案是：

一种考虑钻杆动效应的隔水管充气双梯度钻井实验台架，主要由隔水管、下钻杆、流量计、密度计、压力计、伸缩节、上钻杆、传动总成、电机、输流管、脉动阻尼器、背压阀、泥浆泵、电磁阀、单向阀、气液振动分离器、水箱、空气压缩机、溢流泵、紧急切断阀、输气管和平衡机构组成，其特征在于：所述隔水管与传动总成竖直固定于台架上；所述隔水管上设有流量计、密度计、压力计；在隔水管内设有下钻杆，在传动总成内设置上钻杆，上钻杆由电机驱动；在传动总成和泥浆泵间、泥浆泵和水箱间、水箱和气液振动分离器间、气液振动分离器和隔水管间、水箱和溢流泵间、溢流泵和隔水管间均设有输流管；所述输气管安装于空气压缩机与隔水管间，输气管上设有流量计、压力计、单向阀和紧急切断阀；所述气液振动分离器和隔水管间设有脉动阻尼器、流量计、压力计和背压阀；所述下钻杆和上钻杆间设有伸缩节；所述传动总成包括三通管、下扶正管、上扶正管、下盖板、上盖板、支撑盖、动力罩、齿轮盘、注液管、丝杠、止推轴承、弹簧端座、弹簧、套筒、传动杆、径向轴承和密封环；所述三通管与隔水管、三通管与下扶正管、下扶正管与上扶正管、上扶正管与下盖板、上盖板与支撑盖、支撑盖与动力罩间均采用螺栓连接；所述传动杆与上钻杆通过螺栓连接，传动杆与齿轮盘固定连接，齿轮盘与丝杠啮合，丝杠由电机驱动；所述套筒上下两端分别与上盖板和下盖板通过花键连接；所述齿轮盘通过止推轴承作用于支撑盖的上端；所述传动杆的外部和上钻杆的外部均设有弹簧且弹簧的两端均设有弹簧端座；所述上钻杆与弹簧端座间、注液管与传动杆间均设有密封环。

所述考虑钻杆动效应的隔水管充气双梯度钻井实验台架，其特征在于所述电机带动丝杆转动并驱动齿轮盘旋转，齿轮盘与传动杆为过盈配合使得齿轮盘的旋转时驱动传动杆转动，传动杆与上钻杆为螺栓连接，传动杆进一步驱动上钻杆转动；所述注液管位于传动杆内部，注液管与传动杆间由密封环密封；所述水箱中的钻井液通过泥浆泵经输流管和注液管注入传动杆中，随后经上钻杆和下钻杆到达底部钻头旋转喷出；在钻井液循环此过程中，空气压缩机通过输气管向隔水管注气，隔水管底部的钻井液上返并进入气液振动分离器，分离出的液相返回水箱；钻头上的平衡机构用于控制钻杆的横向摆动；所述溢流泵的作用在于模拟溢流和井下事故。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：(1)本发明可模拟隔水管充气双梯度钻井工作原理；(2)本发明可用于研究钻井液参数和充气参数等对隔水管环空压力特性的影响；(3)本发明可模拟正常钻井、溢流和井下事故等多种工况。

附图说明

图1为本发明一种考虑钻杆动效应的隔水管充气双梯度钻井实验台架的结构示意图；

图2为本发明一种考虑钻杆动效应的隔水管充气双梯度钻井实验台架的传动总成的结构示意图；

图3为图2中的A-A横截面示意图；

图4为图2中的B-B横截面示意图；

图5为图2中的C-C横截面示意图；

图6为图2中的D-D横截面示意图；

图7为图2中的E-E横截面示意图；

图8为下钻杆底部所连钻头处的结构示意图；

图9为图8中的F-F横截面示意图。

图中：1.隔水管，2.下钻杆，3.流量计，4.密度计，5.压力计，6.伸缩节，7.上钻杆，8.传动总成，9.电机，10.输流管，11.脉动阻尼器，12.背压阀，13.泥浆泵，14.电磁阀，15.单向阀，16.气液振动分离器，17.水箱，18.空气压缩机，19.溢流泵，20.紧急切断阀，21.输气管，22.平衡机构，801.三通管，802.下扶正管，803.上扶正管，804.下盖板，805.上盖板，806支撑盖，807.动力罩，808.齿轮盘，809.注液管，810.丝杠，811.止推轴承，812.弹簧端座，813.弹簧，814.套筒，815.传动杆，816.径向轴承，817.密封环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1-图9所示，一种考虑钻杆动效应的隔水管充气双梯度钻井实验台架，主要由隔水管1、下钻杆2、流量计3、密度计4、压力计5、伸缩节6、上钻杆7、传动总成8、电机9、输流管10、脉动阻尼器11、背压阀12、泥浆泵13、电磁阀14、单向阀15、气液振动分离器16、水箱17、空气压缩机18、溢流泵19、紧急切断阀20、输气管21和平衡机构22组成，其特征在于：所述隔水管1与传动总成8竖直固定于台架上；所述隔水管1上设有流量计3、密度计4、压力计5；在隔水管1内设有下钻杆2，在传动总成8内设置上钻杆7，上钻杆7由电机9驱动；在传动总成8和泥浆泵13间、泥浆泵13和水箱17间、水箱17和气液振动分离器16间、气液振动分离器16和隔水管1间、水箱17和溢流泵19间、溢流泵19和隔水管1间均设有输流管10；所述输气管21安装于空气压缩机18与隔水管1间，输气管21上设有流量计3、压力计5、单向阀15和紧急切断阀20；所述气液振动分离器16和隔水管1间设有脉动阻尼器11、流量计3、压力计5和背压阀12；所述下钻杆2和上钻杆7间设有伸缩节6，使下钻杆2既能上下微幅伸缩也能横向微幅摆动；所述传动总成8包括三通管801、下扶正管802、上扶正管803、下盖板804、上盖板805、支撑盖806、动力罩807、齿轮盘808、注液管809、丝杠810、止推轴承811、弹簧端座812、弹簧813、套筒814、传动杆815、径向轴承816和密封环817；所述三通管801与隔水管1、三通管801与下扶正管802、下扶正管802与上扶正管803、上扶正管803与下盖板804、上盖板805与支撑盖806、支撑盖806与动力罩807间均采用螺栓连接；所述传动杆815与上钻杆7通过螺栓连接，传动杆815与齿轮盘808固定连接，齿轮盘808与丝杠810啮合，丝杠810由电机9驱动；所述套筒814上下两端分别与上盖板805和下盖板804通过花键连接；所述齿轮盘808通过止推轴承811作用于支撑盖806的上端；所述传动杆815的外部和上钻杆7的外部均设有弹簧813且弹簧813的两端均设有弹簧端座812；所述上钻杆7与弹簧端座812间、注液管809与传动杆815间均设有密封环817。

如图2所示，所述考虑钻杆动效应的隔水管充气双梯度钻井实验台架，其特征在于所述电机9带动丝杆801转动并驱动齿轮盘808旋转，齿轮盘808与传动杆815为过盈配合使得齿轮盘808的旋转时驱动传动杆815转动，传动杆815与上钻杆7为螺栓连接，传动杆815进一步驱动上钻杆7转动；所述注液管809位于传动杆815内部，注液管809与传动杆815间由两层密封环817密封；所述水箱17中的钻井液通过泥浆泵13经输流管10和注液管809注入传动杆815中，随后经上钻杆7和下钻杆2到达底部钻头旋转喷出；在钻井液循环此过程中，空气压缩机18通过输气管21向隔水管1注气，隔水管1底部的钻井液上返并进入气液振动分离器16，分离出的液相返回水箱17；钻头上的平衡机构22用于控制钻杆的横向摆动；所述溢流泵19的作用在于模拟溢流和井下事故。

如图1所示，当所述考虑钻杆动效应的隔水管充气双梯度钻井实验台架在正常工作时，溢流泵19处于停机状态；当模拟井下溢流工况时，溢流泵19开机，来自水箱17的钻井液经溢流泵19、电磁阀14和单向阀15向隔水管1注入多余的钻井液，此时经溢流泵19排出的钻井液流量大小由管路上的电磁阀14控制；当隔水管1底部压力变大，隔水管1上的压力计5检测到溢流，此时空气压缩机18增大注气量而泥浆泵13减少钻井液注入量，达到快速平衡由溢流泵19输入钻井液引起底部压力突增的现象，有效地控制底部压力处于安全值。当井喷事故发生时，溢流泵19和该管路上的电磁阀14处于全开状态，隔水管1上的压力计5监测到参数不正常时，紧急切断阀20立刻切断输气管21防止管路被破坏，随后泥浆泵13停机，背压阀12全开，这样就完成了井喷事故应急响应的模拟过程；随后溢流泵19管路上的电磁阀14开度逐渐减小，钻井液经三通管801出口排出(背压阀12状态为全开)，待隔水管1内部钻井液达到正常的压力值后，关闭溢流泵19和电磁阀14即可开始其他工况的模拟。

以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限制本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所作出的等同变化与修改，均属于本发明系统的保护范围。