一种钻井模拟试验系统
技术领域
本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种钻井模拟试验系统。
背景技术
钻井是一项复杂度高、难度高、成本高的工程，经常需要测试验证钻井方案、工具、材料的有效性、合理性。然而，从一方面来说，现有试验方式需要直接到实钻现场进行试验，其实施过程风险极高，不受施工单位欢迎，因此很难实施。从另一方面来说，虽然专门钻一口用于试验的井可以开展很多钻井试验，但造价高，且无法更换岩石体，难以模拟真正实钻环境。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种钻井模拟试验系统，所述系统包括：
岩石腔，其用于放置钻井试验中的被钻岩石；
井下钻具组合，其设置在BHA腔内，用于对所述被钻岩石进行钻进操作，其中，所述BHA腔与所述岩石腔连通；
动力装置，其与所述井下钻具组合连接，用于向所述井下钻具组合提供驱动力，以调整所述井下钻具组合的运行状态。
根据本发明的一个实施例，所述岩石腔为六面体腔或圆柱体腔。
根据本发明的一个实施例，所述动力装置的动力输出机构与所述井下钻具组合的顶端连接，其能够为所述井下钻具组合提供纵向拉压以及旋转扭矩。
根据本发明的一个实施例，所述系统还包括：
循环装置，其与所述井下钻具组合连接，用于向所述井下钻具组合的内环空注入钻井液。
根据本发明的一个实施例，所述循环装置的钻井液流出口与位于所述井下钻具组合顶端的内环空入口连接，所述循环装置配置为以指定排量和/或指定流压向所述井下钻具组合注入钻井液。
根据本发明的一个实施例，所述系统还包括：
控制伺服装置，其与所述动力装置和循环装置连接，用于控制所述动力装置和循环装置的运行状态。
根据本发明的一个实施例，所述控制伺服装置包括：
显示模块，其用于通过三维虚拟的方式将所述井下钻具组合动作以及钻进参数进行可视化显示。
根据本发明的一个实施例，所述控制伺服装置包括：
控制模块，其用于根据获取到的钻井参数配置指令生成相应的钻具控制指令和/或循环控制指令，从而根据所述钻具控制指令和/或循环控制指令控制与所述动力装置和/或循环装置的运行状态。
根据本发明的一个实施例，所述系统还包括：
测量装置，其与所述井下钻具组合、动力装置、循环装置和控制伺服装置连接，用于获取钻进过程中的力学参数和流体特性参数，并将所述力学参数和流体特性参数传输至所述控制伺服装置。
根据本发明的一个实施例，所述控制伺服装置还配置为根据所述力学参数和流体特性参数生成相应的钻具控制指令和/或循环控制指令，从而根据所述钻具控制指令和/或循环控制指令控制与所述动力装置和/或循环装置的运行状态。
本发明所提供的钻井模拟试验系统能够实现在实验室内开展微缩版实钻试验和实时分析实时分析，其能够用于钻井方案预演、钻井方案实钻对比、钻具测试、新工艺新材料试验、岩石特性的实钻测量等。相较于现有技术，本系统使得钻井试验不再必须到钻井现场或采用物理试验井来开展实施，从而免除了现场试验所耗费的成本，大大降低了整个钻井试验的成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：
图1是根据本发明一个实施例的钻井模拟试验系统的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的控制伺服装置的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的钻井模拟试验系统的工作流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
通过对现有技术进行分析发现，现有技术中存在多种针对于钻井设备的仿真系统。
例如，申请号为CN103760776B的发明公开了一种石油钻机集成控制虚拟仿真操作系统。该系统采用集成化控制司钻系统、虚拟现实技术、数字样机实现钻机所有关键设备的集中控制和监视，利用等离子拼接屏、大型的图像处理器、高配置的工作站、西门子PLC智能控制站、集成化的操控元件、主副操控一体化座椅构建了虚拟操作培训系统，应用多处理器、多线程、图像拼接技术和虚拟仿真技术，以Ethernet通讯的方式，实现了所有钻井设备、电控系统、工业监视、钻井仪表的集成，系统方案配备多个接口，可接收多路视频信号、音频信号等，主副两套操作座椅完全相同，互为备用。然而，该发明虽然实现了集成的一体化司钻控制虚拟仿真，但仅限于司钻操作及其信号反馈展示，无法实现实钻试验。
申请号为CN203134246U的实用新型公开了一种智能化钻井装置仿真培训系统。在该系统中，钻井机械配套装置涵盖钻机井架、模拟液压同步起升操作过程仿真系统、钻井液循环和固控装置动态运行仿真系统以及自动化操作控制仿真系统，能够展现钻机设备在现场作业的动态效果，能够重点展示钻井井架、底座模拟液压起升过程以及钻井液循环泵、固控装置的功能仿真、动态运行和模拟运行控制，同时应用自动化控制技术和无线遥控技术，使无线遥控和本地操作完全兼容，实现钻井机械配套装置及配套设备的真实操作和运行控制，并通过触摸人机界面实现同样的控制功能，同时显示钻机设备当前的运行状态和运行参数，达到钻井装置仿真培训系统模拟现场施工作业的效果。然而，该系统仍然是一套钻机操作仿真装置，同样无法实现完整的实钻试验。
同时，现有技术中还存在多种油田钻井虚拟仿真系统或是仿真平台，但是这些仿真系统或是仿真平台或是仅仅能够显示并控制并控制钻井工艺过程中参数的变化，或是仅仅能够针对钻井技术培训来实现将特定的仿真场景动画固化到系统中，无法完成真实的岩石钻进试验。
针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种新的钻井模拟试验系统，该系统能够有效保证井下钻具组合(Bottom Hole Assembly，简称BHA)与岩石作用的真实工况试验，从而避免现有技术中此工况试验必须到钻井现场或采用物理试验井来开展钻井试验的缺陷。
图1示出了本实施例所提供的钻井模拟试验系统的实现流程示意图。
如图1所示，本实施例所提供的钻井模拟试验系统优选地包括：岩石腔101、井下钻具组合103以及动力装置105。其中，岩石腔101用于放置钻井试验中的被钻岩石102。本实施例中，岩石腔101优选地为六面体腔或圆柱体腔。当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要(例如被钻岩石102的形状以及大小的不同)，岩石腔101的具体形状和大小可以配置为不同的合理值。
需要指出的是，岩石腔101的腔体空间越大，其能够适应的试验范围也就越广、试验效果越接近时间，但此时也就需要更大的被钻岩石102。
BHA腔104的下端与岩石腔101连通，井下钻具组合103设置在BHA腔104内，这样井下钻具组合103在钻进过程中也就可以在BHA腔104与岩石腔101中进行移动，从而实现对被钻岩石102的钻进操作。
本实施例中，BHA腔104同样优选地为六面体腔或是圆柱体腔。当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，BHA腔104内腔体的形状或是大小同样可以配置为不同的值，本发明不限于此。
如图1所示，本实施例中，井下钻具组合103与动力装置105连接，井下钻具组合103的动作是由动力装置105来驱动的。动力装置105能够向井下钻具组合103提供驱动力，从而调整井下钻具组合103的运行状态。
具体地，本实施例中，动力装置105的动力输出机构与井下钻具组合103的顶端连接，其优选地能够为井下钻具组合103提供纵向拉压以及旋转扭矩，这样也就可以控制井下钻具组合103进行上提、下压以及旋转动作。同时，动力装置105还能够进行上提、下压以及旋转力度大小的连续调整。
如图1所示，本实施例中，优选地，该系统还包括有循环装置106。循环装置106与井下钻具组合103连接，其能够向井下钻具组合103的内环空注入钻井液。根据实际需要，循环系统106还可以回收钻进过程中所返回的钻井液。
具体地，本实施例中，循环装置106的钻井液流出口与位于井下钻具组合103顶端的内环空入口连接，循环装置106能够根据实际需要以指定排量和/或指定流压向井下钻具组合103注入钻井液。
如图1所示，本实施例中，优选的，该钻井模拟试验系统优选地还包括控制伺服装置107。控制伺服装置107与动力装置105和循环装置106连接，其能够控制动力装置105和循环装置106的运行状态。
具体地，如图2所述，本实施例中，控制伺服装置107优选地包括显示模块107a和控制模块107b。其中，显示模块107a用于通过三维虚拟的方式将井下钻具组合动作以及钻进参数进行可视化显示。
显示模块107a优选地利用预设的三维仿真显示软件来实现对井下钻具组合动作以及钻进参数的可视化显示。例如，显示模块107a可以以计算三维虚拟方法将钻井控制面板控制下的钻机动作，以及钻井参数(例如通过井下测量反馈的BHA力学状态、岩石内井筒的力学状态和形态)，进行逼真时时展现，这样也就开使得试验操作人员如在钻井现场操作钻机一样进行室内钻井模拟试验。
控制模块107b则能够根据获取到的钻井参数配置指令来生成相应的钻具控制指令和/或循环控制指令，从而根据钻具控制指令和/或循环控制指令控制与动力装置105和/或循环装置106的运行状态。
本实施例中，控制模块107b优选地通过钻井控制面板来获取上述钻井参数配置指令。钻井控制面板提供了一个人机界面，操作人员可以通过钻井控制面板来试下钻井参数配置指令的输入。
再次如图1所示，本实施例所提供的钻井模拟试验系统优选地还包括测量装置108。测量装置108与井下钻具组合103、动力装置105、循环装置106以及控制伺服装置107连接，其能够在需要的情况下测量得到钻进过程中的力学参数和流体特性参数，并将上述力学参数和流体特性参数传输至与之连接的控制伺服装置108。
需要指出的是，在本发明的不同实施例中，测量装置108与控制伺服装置107之间的连接方式可以根据实际需要采用不同的通信连接方式，本发明并不对测量装置108与控制伺服装置107之间的具体通信方式进行限定。
本实施例中，控制伺服装置107在接收到测量装置108所传输来的力学参数和流体特性参数后，根据实际需要，其还能够根据上述力学参数和流体特性参数生成相应的钻具控制指令和/或循环控制指令，从而利用该钻具控制指令和/或循环控制指令控制与动力装置105和/或循环装置106的运行状态。由此可见，控制伺服装置107不仅仅可以根据操作人员所输入的相关参数来控制整个钻井试验过程，还能够在需要时根据测量装置108所实时测量得到的相关参数自动地对钻进过程进行实时分析以及控制。
如图3所示，在利用上述钻井模拟试验系统模拟钻井试验时，操作人员需要首先将待钻试验的岩石块(即被钻岩石102)装入岩石腔101中并加以固定，随后再将井下钻具组合103从BHA腔104下入直至被钻岩石102顶面，然后再将井下钻具组合103的上端与动力装置105的输出机构连接，同时将循环系统106的输出端(即管线出口)与井下钻具组合103的顶端入口(即钻井液入口)连接，再将控制伺服装置107的伺服机构分别与动力装置105、循环装置106连接。在井下钻具组合103的适当位置(包括一处或多处测量位置)安装测量装置108所包含的数据采集传感器，并将信号线连接到控制伺服装置107(例如安装钻井仿真软件的计算机)。操作人员通过控制面板设定或调整钻井参数，启动钻进，进而依据软件反馈的信息和计算结果，并观测试验结果。
从上述描述中可以看出，本发明所提供的钻井模拟试验系统能够实现在实验室内开展微缩版实钻试验和实时分析实时分析，其能够用于钻井方案预演、钻井方案实钻对比、钻具测试、新工艺新材料试验、岩石特性的实钻测量等。相较于现有技术，本系统使得钻井试验不再必须到钻井现场或采用物理试验井来开展实施，从而免除了现场试验所耗费的成本，大大降低了整个钻井试验的成本。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。
