一种冻土层钻井过程中温度变化的监测装置及监测方法
阅读说明：本技术 一种冻土层钻井过程中温度变化的监测装置及监测方法 (Monitoring device and monitoring method for temperature change in frozen soil layer drilling process ) 是由 王磊 柯珂 李莅临 杨进 张辉 张东清 徐东升 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种冻土层钻井过程中温度变化的监测装置及方法,该装置包括低温恒温试验箱,其内铺设预设含水率的砂土/粘土,用于形成冻土模拟层；双层循环管,至少部分位于低温恒温试验箱内；钻井液循环系统,与双层循环管相连,用于使预设温度的钻井液在双层循环管循环；温度测量系统,设置在低温恒温试验箱内,用于监测整个钻井循环过程中低温试验箱内的冻土层的温度变化情况。该方法包括：在低温恒温试验箱内制备冻土模拟地层；在冻土模拟地层内通过双层循环管进行钻井液循环,并对冻土模拟地层进行温度动态监测。本发明采用低温恒温试验箱内制备冻土模拟地层,可以完整监测整个钻井循环过程中低温试验箱内冻土层的温度变化情况。(The invention provides a device and a method for monitoring temperature change in a frozen soil layer drilling process, wherein the device comprises a low-temperature constant-temperature test box, wherein sandy soil/clay with preset water content is paved in the low-temperature constant-temperature test box and is used for forming a frozen soil simulation layer; the double-layer circulating pipe is at least partially positioned in the low-temperature constant-temperature test chamber; the drilling fluid circulating system is connected with the double-layer circulating pipe and is used for circulating the drilling fluid at the preset temperature in the double-layer circulating pipe; and the temperature measuring system is arranged in the low-temperature constant-temperature test box and is used for monitoring the temperature change condition of the frozen soil layer in the low-temperature test box in the whole drilling circulation process. The method comprises the following steps: preparing a frozen soil simulation stratum in a low-temperature constant-temperature test box; and (3) circulating drilling fluid in the frozen soil simulation stratum through a double-layer circulating pipe, and dynamically monitoring the temperature of the frozen soil simulation stratum. The frozen soil simulation stratum is prepared in the low-temperature constant-temperature test box, so that the temperature change condition of the frozen soil layer in the low-temperature test box in the whole drilling circulation process can be completely monitored.)
技术领域
本发明属于石油钻井行业，具体涉及一种冻土层钻井过程中温度变化的监测装置。
背景技术
北极和亚北极低温地区的浅部地层广泛分布着大面积的多年冻土，永久冻土层覆盖陆地和海洋，厚度从几十米到上百米。然而冻土层钻井困难重重，其中一个重要难题是在钻井过程中由于钻井液等循环介质与地层发生热交换以及钻头和地层间的切削摩擦生热，使冻土中的孔隙冰融化，冻土的承载能力大幅下降。俄罗斯西西伯利亚气田的一些井由于冻土层融化而导致井口出现下沉，最大下沉深度超3m，因此监测冻土层钻井过程中的温度变化对于低温冻土层钻井具有重要意义。
国内对于冻土层钻井方面的研究基本处于空白状态，在CN108104716A内公开的一种模拟冻土地带钻井的装置，其主要用于模拟冻土层钻井过程，包括钻头和钻柱及循环装置，也包括钻井液循环装置，但是仍然存在受到外部温度环境影响实验精度，且无法监控冻土层的温度动态变化情况的问题。
发明内容
本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
为克服现有技术的问题，本发明提供一种冻土层钻井过程中温度变化的监测装置，包括：
低温恒温试验箱，其内铺设预设含水率的砂土/粘土，用于形成冻土模拟层；
双层循环管，至少部分位于所述低温恒温试验箱内；
钻井液循环系统，与所述双层循环管相连，用于使预设温度的钻井液在所述双层循环管循环；
温度测量系统，设置在所述低温恒温试验箱内，用于监测整个钻井循环过程中所述低温试验箱内的冻土层的温度变化情况。
可选地，所述低温恒温试验箱外包水加套。
可选地，所述双层循环管包括内管以及套设在所述内管外部的外管，所述内管上设有钻井液入口，所述外管上设有钻井液返出口。
可选地，所述钻井液循环系统包括：
钻井液容器，与所述钻井液返出口相连；
恒速恒压泵，一端与所述钻井液入口相连，另一端与所述钻井液容器相连；
钻井液温度控制器，与所述钻井液容器相连，用于使所述钻井液容器内的钻井液的温度达到预设值。
可选地，所述外管的底部设有金属筛管。
可选地，所述温度测量系统包括从所述低温恒温试验箱的底端竖直向上插入的多根针状温度传感器。
可选地，所述针状温度传感器上设置3至8个温度测量点。
可选地，所述针状温度传感器为12～48根。
本发明提供一种冻土层钻井过程中温度变化的监测方法，包括：
S1、在低温恒温试验箱内制备冻土模拟地层；
S2、在冻土模拟地层内通过双层循环管进行钻井液循环；
S3、在钻井液循环过程中对所述冻土模拟地层进行温度动态监测。
可选地，所述步骤S1包括：
在所述低温恒温试验箱内分将预定含水率的砂土/粘土层压实；
将所述双层循环管从插入所述砂土/粘土；
通过低温水浴降低所述低温恒温试验箱到预设温度并静置4到6小时。
本发明提供的冻土层钻井过程中温度变化的监测装置及方法，通过低温恒温试验箱模拟极地冻土带的钻井液循环过程，并监测钻井液循环过程中冻土层温度动态变化。
附图说明
图1为本发明实施例的冻土层钻井过程中温度变化的监测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的低温恒温试验箱及双层循环管的结构示意图；
图3为本发明实施例的低温恒温试验箱内针状温度传感器的分布示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1至图3所示，本发明提供一种冻土层钻井过程中温度变化的监测装置，包括：低温恒温试验箱10、双层循环管20、钻井液循环系统30、温度测量系统40、数据采集系统50。
低温恒温试验箱10内的温度可以由低温恒温水浴控制，温度控制范围-15～90℃，控制精度0.5℃。更具体地，低温恒温试验箱10外包水夹套11，水夹套11内可以进行冷水循环，通过控制冷水的温度实现对低温恒温试验箱10内的温度的控制，低温恒温试验箱10用于模拟极地冻土带的低温环境，实验时在试验箱内铺设预设含水率的砂土/粘土，使用水浴降温制成模拟冻土地层。在具体实施时，还包括箱盖(图中未显示)，箱盖用于密封低温恒温试验箱10。在本发明的一个实施例中，密封低温恒温试验箱10上可以设置圆形观测视窗，用于在密封试验箱后观测里面填土的冻结情况。
本实施例中，低温恒温试验箱10是一个内径0.5m，高度1.5m，有效容积295L的圆筒型容器。需要说明的是，低温恒温试验箱10也可以是其他尺寸，本发明对此不作限制。
双层循环管20为一个双层不锈钢管，包括内管21和套设在内管21外部的外管22，内管21和外管22之间形成环空23。外管22上设有钻井液返出口25，内管21上设有钻井液入口24，且该钻井液入口24穿过外管22的外壁。试验时将双层循环管20从顶部插入低温恒温试验箱内模拟钻井套管和钻杆。内管底部与外管底部之间的距离为150-300mm，例如是200mm。试验箱和双层管之间可以采用密封橡胶以实现滑动密封。
钻井液循环系统30包括恒速恒压泵31、钻井液容器32、钻井液温度控制器(图中未显示)；钻井液温度控制器与钻井液容器相连，能直接控制钻井液温度，例如通过热电阻丝加热或者通过冷机制冷直接升高或者降低钻井液的温度。钻井液入口24通过第一连接管26与恒速恒压泵31相连，恒速恒压泵31通过连接硬管28与钻井液容器32相连，钻井液返出口25通过第二连接管27与钻井液容器32相连。通过恒速恒压泵31向内管21泵入钻井液，使钻井液在内外管之间的环空23，从而循环模拟钻井过程中的钻井液循环过程，在具体实施时，双层管底部安装金属筛网29，金属筛网可以安装在外管的底部，金属筛网的设置可以保证钻井液侵入冻土层同时防止沙土进入管内环空堵塞循环泵。
温度测量系统40包括多根从低温恒温试验箱的底端竖直向上插入针状温度传感器41，上述针状温度传感器41可以阵列分布。针状温度传感器41可以由12～48根，本实施例中，针状温度传感器41共24根，其阵列分布如图3所示。针状温度传感器41可以用于监测钻井过程中的冻土层的温度变化，以每根从下至上每隔10cm布置一个测点，每根传感器布置3至8个温度测量点，例如是6个。当采用24根针状温度传感器时，每根设置6个温度测量点时，则共计144个温度测点，可以完整监测整个钻井循环过程中低温试验箱内冻土层的温度变化情况。
所有针状温度传感器获取的数据通过计算机数据采集系统进行收集和保存。
本发明提供一种冻土层钻井过程中温度变化的监测方法，可以采用本发明提供的冻土层钻井过程中温度变化的监测装置实施，包括步骤：
S1、在低温恒温试验箱内制备冻土模拟地层；
选用指定粒径的砂土或者粘土与水均匀混合配置成预定含水率的砂土/粘土，然后在低温恒温试验箱内分层压实，然后将双层循环管从顶部通孔插入低温恒温试验箱内的土体后密封，降低低温恒温试验箱低温水浴的预设温度，预设温度可以是一个很低的固定温度，例如设置成零下10度快速降温，使低温恒温试验箱内的温度降低至0℃以下，静置4到6小时后进入步骤S2。
S2、在冻土模拟地层内进行钻井液循环；
打开钻井液循环系统的恒速恒压泵向双层循环管的内管钻井液入口泵入钻井液，在内管和外管的环空间循环，并从外管的钻井液返出口返出，双层循环管的底部装有金属筛网可以组织冻土层内的土颗粒进入双层循环管内部，钻井液的温度由钻井液容器的钻井液温度控制器调节。
S3、在钻井液循环过程中进行温度动态监测。
通过多根从所述低温恒温试验箱的底端竖直向上插入针状温度传感器测量低温恒温试验箱内部的三维温度场分布并通过数据采集系统进行数据采集和处理。处理时，可以把每一个点的温度用软件画成云图。
本发明提供的冻土层钻井过程中温度变化的监测装置及方法，采用低温恒温试验箱内制备冻土模拟地层，并进行钻井液循环过程和温度动态监测。能够模拟极地冻土带的低温恒温环境，实验时在试验箱内铺设预设含水率的砂土/粘土，使用水浴降温制成模拟冻土地层；从低温恒温试验箱的底端竖直向上插入若干根针状温度传感器用于监测钻井过程中的冻土层的温度变化，每根传感器布置多个温度测点，可以完整监测整个钻井循环过程中低温试验箱内冻土层的温度及压力变化情况。
本发明主要应用于低温地区冻土层钻井领域的研究，通过水浴控制试验箱里面的温度，使冻土层形成，冻土层形成之后再进行循环试验，循环过程中水浴温度保持不变，钻井液温度是由钻井液温度控制器来控制；从而同时实现低温环境、钻井液循环和温度三维动态监控；填补了国内冻土层钻井领域研究的空白，该装置对于研究钻井液和冻土层相互作用机理、大温变条件下的冻土层性质变化具有重要意义。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
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