CN102011582A - 地层条件下岩石可钻性测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地层条件下岩石可钻性测试仪，包括夹持机构、压力平衡机构和动力机构，夹持机构设置在压力平衡机构下端，动力机构设置在压力平衡机构和夹持机构内。夹持机构由夹持器釜体、锥套、橡胶套、上柱塞和下柱塞组成；压力平衡机构由井筒压力釜体、钻压釜体和钻压活塞组成；动力机构由电机、减速器、犬齿冲击器和钻杆组成。它采用机电一体化的结构，能够模拟地层条件下的温度、围压、孔隙压力和井筒泥浆压力进行真实准确的岩石可钻性测试，对地层上覆围压、孔隙压力和泥浆井筒压力可以模拟到90MPa以上，对于钻井施工具有更为实际的指导意义。

Description

地层条件下岩石可钻性测试仪

技术领域

本发明属于石油/天然气开采设备，具体是一种地层条件下岩石可钻性测试仪，它是石油/天然气开采工程中模拟地层条件钻井进行研究岩石可钻性的必备设备。

背景技术

在石油/天然气钻井工程中，为了选择合理的钻头和钻井工艺，需要了解岩石的可钻性。由于岩石的可钻性除了与岩石本身机械强度有关外，还与钻井工艺密切相关，特别是岩石温度、地应力状态、泥浆钻、气体钻、过平衡钻井或欠平衡钻井工艺对钻速影响很大，极容易造成室内测量的岩石可钻性分级不能应用到现场钻井中。

为此，许多石油/天然气钻井设备企业积极研发地层条件下岩石可钻性测试装置，模拟地层温度、上覆围压、孔隙压力和泥浆柱压力条件，模拟在过平衡、近平衡和欠平衡状态下测量泥浆或气体回转钻井和冲击回转钻井地层的可钻性。例如中国专利文献公开的“一种岩石可钻性测定仪”（公开号: CN85205092，公开日: 1986.09.17），它虽然可以用来模拟冲击钻、回转钻、冲击回转钻、测定各类岩石的可钻性指标，但其只能在常温常压条件下测量岩石可钻性，不能在高温高压和有井筒压力以及欠平衡条件下测量岩石可钻性。中国专利文献还公开了一种“油井高温高压动态测试釜（公开号: CN2399726，公开日: 2000.10.04），它由釜体、釜衬、高精度滤网、膨胀测量杆、集滤器等部件组成，其中釜体装置在保温箱内，釜体侧壁分别设置高压进油管，钻井液进液管，高压出油管，钻井液出液管，釜衬落置在釜体内，膨胀测量杆通过密封组间并以密封组件滑动配合。它虽然测试岩层动态物理特性较为真实，但其釜体内外有动密封件相连，这些密封件容易引起密封失效，导致产生较大测量误差。

关于地层条件下岩石可钻性的测试装置，在公开出版物上也屡见有关报道，但未见有与本发明相同的报道。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种能够真实准确的测试地层条件下岩石可钻性的测试仪，它对于钻井施工具有更为实际的指导意义。

本发明是采用这样的技术方案实现其目的：

一种地层条件下岩石可钻性测试仪，包括夹持机构、压力平衡机构和动力机构，所述夹持机构设置在压力平衡机构下端，动力机构设置在压力平衡机构和夹持机构内，所述夹持机构由夹持器釜体、锥套、橡胶套、上柱塞和下柱塞组成，橡胶套和下柱塞依次设在夹持器釜体内，橡胶套与夹持器釜体间具有环形空腔，夹持器釜体的上端和锥套连接，上柱塞下端穿过锥套伸入夹持器釜体内，下柱塞设有地层孔隙压力口，夹持器釜体上径向设有围压口和围压排气口，上柱塞上径向设有泥浆压力入口，上柱塞为轴向空心状，该空心为井眼，井眼内具有微钻头、岩屑和泥浆的储存空间；所述压力平衡机构由井筒压力釜体、钻压釜体和钻压活塞组成，井筒压力釜体的上、下端分别连接钻压釜体和夹持机构的上柱塞，钻压釜体内设有钻压活塞，钻压活塞的下端连接钻压力传感器，钻压釜体、钻压活塞和井筒压力釜体间具有井筒压力自平衡腔，钻压活塞上设有压力平衡油孔，井筒压力釜体内设有压力平衡膜，钻压釜体上分别连接有位移传感器和钻速测量器，钻压釜体上径向分别设有钻压口和钻杆复位压力口，井筒压力釜体内充满变压器油，通过压力平衡膜与上柱塞的井眼内泥浆形成压力连通；所述动力机构由电机、减速器、犬齿冲击器和钻杆组成，电机的上端连接钻压力传感器，下端依次连接减速器、犬齿冲击器和钻杆，钻杆穿入上柱塞连接有微钻头，电机依靠设在井筒压力釜体内的电机导向键轴向移动。

所述夹持器釜体外围圆周上装有加热器，该加热器由温度控制器控制。

所述井筒压力釜体上设有陶瓷引线器，用于引出电机的电源线和钻压力传感器的信号线。

所述夹持器釜体上的围压排气口位置高于围压口位置。

所述围压口内设有围压控制器。

所述钻压口设在钻压釜体的上端，钻杆复位压力口设在钻压釜体的下端。

所述钻压口内设有钻压控制器。

所述钻杆复位压力口内设有钻头复位控制器。

所述地层孔隙压力口内设有孔隙压力控制器。

所述泥浆压力入口内设有泥浆压力控制器。

本发明的有益效果是：采用上述结构能够模拟地层条件下的温度、围压、孔隙压力和井筒泥浆压力进行真实准确的岩石可钻性测试；动力机构和钻压传感器设计在井筒压力釜体内可以有效减小高压动密封带来的设备失效和高压密封圈摩擦力影响；井筒压力自平衡腔，可以自动平衡由于钻进引起井筒压力增高和施加井筒压力而影响钻压，从而提高测量精度和效率。它对地层上覆围压、孔隙压力和泥浆井筒压力可以模拟到90MPa以上。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图中代号含义：1—地层孔隙压力口；2—下柱塞；3—岩心；4—橡胶套；5—夹持器釜体；6—围压排气口；7—锥套；8—上柱塞；9—井筒压力釜体；10—钻压活塞；11—井筒压力自平衡腔；12—钻压釜体；13—位移传感器；14—钻速测量器；15—钻压口；16—钻杆复位压力口；17—围压口；18—加热器；19—泥浆；20—陶瓷引线器；21—压力平衡油孔；22—钻压力传感器；23—电机；24—减速器；25—犬齿冲击器；26—压力平衡油；27—电机导向键；28—压力平衡膜；29—钻杆；30—泥浆压力入口；31—微钻头；32—井眼。

具体实施方式

参见图1：本发明包括夹持机构、压力平衡机构和动力机构，夹持机构、压力平衡机构和动力机构相互关联，相互依靠，夹持机构设置在压力平衡机构下端，动力机构设置在压力平衡机构和夹持机构内。

夹持机构由夹持器釜体5、锥套7、橡胶套4、上柱塞8和下柱塞2组成，夹持器釜体5外围圆周上装有加热器18，该加热器18由温度控制器控制夹持器釜体温度，模拟地层高温。橡胶套4和下柱塞2依次设在夹持器釜体5内，下柱塞2设在夹持器釜体5内底部，橡胶套设在下柱塞2外圆周上，橡胶套4与夹持器釜体5之间形成了一个环形空腔，即围压腔。夹持器釜体5的上端和锥套7下端连接，上柱塞8下端穿过锥套7伸入夹持器釜体5内，岩心3装在橡胶套4内，底部放在下柱塞2上，顶部由上柱塞8的下端压紧。下柱塞2的中心设有地层孔隙压力口1，在该地层孔隙压力口1内设有孔隙压力控制器，地层孔隙压力由孔隙压力控制器控制，通过地层孔隙压力口1注入。夹持器釜体5上径向设有围压口17和围压排气口6，围压排气口6设在夹持器釜体5的上部，围压口17设在夹持器釜体5的下部，在围压口17内设有围压控制器，围压由围压控制器提供油压，通过围压口17加入，围压腔中的气体通过围压排气口6放出，围压控制器控制围压大小，模拟地层上覆围压。上柱塞8为轴向空心状，该空心为井眼32，上柱塞8上径向设有泥浆压力入口30，泥浆压力入口30内设有泥浆压力控制器，泥浆19通过泥浆压力入口30注入井眼32，泥浆压力由泥浆压力控制器控制，以此模拟钻井井筒压力。井眼32内具有微钻头31、岩屑和泥浆19的储存空间。

压力平衡机构由井筒压力釜体9、钻压釜体12和钻压活塞10组成，井筒压力釜体9的上端和钻压釜体12的下端连接，井筒压力釜体9的下端连接夹持机构的上柱塞8上端，钻压釜体12内设有钻压活塞10，钻压活塞10穿入井筒压力釜体9内，钻压活塞10的下端连接设在井筒压力釜体9内的钻压力传感器22，钻压釜体12、钻压活塞10和井筒压力釜体9之间形成井筒压力自平衡腔11，钻压活塞10上设有压力平衡油孔21。井筒压力釜体9内充满变压器油（即压力平衡油26），井筒压力釜体9内设有压力平衡膜28，该压力平衡膜28设在井筒压力釜体9下部，夹持机构的上柱塞8的顶部，通过压力平衡膜28与上柱塞8的井眼32内泥浆19形成压力连通。钻压釜体12上分别连接有位移传感器13和钻速测量器14，钻压釜体12上部径向设有钻压口15，钻压口15内设有钻压控制器，钻压釜体12下部设有钻杆复位压力口16，钻杆复位压力口16内设有钻头复位控制器。

动力机构由电机23、减速器24、犬齿冲击器25和钻杆29组成，电机23的上端连接钻压力传感器22，钻压值由钻压力传感器22测量，电机23下端依次连接减速器24、犬齿冲击器25和钻杆29，钻杆29穿入上柱塞8连接有微钻头31，通过上柱塞8的井眼32向下钻入岩心3表面。电机23依靠设在井筒压力釜体9内的电机导向键27做轴向直线运动。

电机23的电源线和钻压力传感器22的信号线通过井筒压力釜体9上设置的陶瓷引线器20引出，并送到转速控制器和钻压测量仪上，进行转速控制和钻压测量。

钻进转动动力由装在井筒压力釜体9内的电机23提供，电机23的动力通过减速器24降低转速，获得较大的转动力矩，减速器24的力矩输出轴通过犬齿冲击器25连接到钻杆29上，给微钻头31提供冲击或回转动力。在施加井筒泥浆压力的同时，井筒压力釜体9内的压力平衡油26也同时被施加压力，同时压力平衡油26通过钻压活塞10下部的压力平衡油孔21进入井筒压力自平衡腔11，自动平衡由于井筒泥浆压力增加而引起钻压的变化。钻进动力电机23和钻压力传感器22设计在井筒压力釜体9内可以有效减小高压动密封带来的设备失效和高压密封圈摩擦力影响。钻压由钻压控制器提供油压，通过钻压口15注入，在钻压活塞10上产生压力，并传递到钻压力传感器22上，推动电机23向下移动，再由电机23叠加旋转力，或由犬齿冲击器25叠加冲击力，由钻杆29传递到微钻头31上。钻压活塞10向下移动减小井筒压力釜体9内的油，可以通过压力平衡油孔21，进入井筒压力自平衡腔11，保持井筒压力不变。将钻进行程设计为能钻穿全部岩心，可以在同一块岩心上实现改变钻井条件，多次测量钻速。

Claims (10)

1.一种地层条件下岩石可钻性测试仪，包括夹持机构、压力平衡机构和动力机构，所述夹持机构设置在压力平衡机构下端，动力机构设置在压力平衡机构和夹持机构内，其特征在于：所述夹持机构由夹持器釜体（5）、锥套（7）、橡胶套（4）、上柱塞（8）和下柱塞（2）组成，橡胶套（4）和下柱塞（2）依次设在夹持器釜体（5）内，橡胶套（4）与夹持器釜体（5）间具有环形空腔，夹持器釜体（5）的上端和锥套（7）连接，上柱塞（8）下端穿过锥套（7）伸入夹持器釜体（5）内，下柱塞设有地层孔隙压力口（1），夹持器釜体（5）上径向设有围压口（17）和围压排气口（6），上柱塞（8）上径向设有泥浆压力入口（30），上柱塞（8）为轴向空心状，该空心为井眼（32），井眼（32）内具有微钻头（31）、岩屑和泥浆（19）的储存空间；所述压力平衡机构由井筒压力釜体（9）、钻压釜体（12）和钻压活塞（10）组成，井筒压力釜体（9）的上、下端分别连接钻压釜体（12）和夹持机构的上柱塞（8），钻压釜体（12）内设有钻压活塞（10），钻压活塞（10）的下端连接钻压力传感器（22），钻压釜体（12）、钻压活塞（10）和井筒压力釜体（9）间具有井筒压力自平衡腔（11），钻压活塞（10）上设有压力平衡油孔（21），井筒压力釜体（9）内设有压力平衡膜（28），钻压釜体（12）上分别连接有位移传感器（13）和钻速测量器（14），钻压釜体（12）上径向分别设有钻压口（15）和钻杆复位压力口（16），井筒压力釜体（9）内充满变压器油，通过压力平衡膜（28）与上柱塞（8）的井眼（32）内泥浆（19）形成压力连通；所述动力机构由电机（23）、减速器（24）、犬齿冲击器（25）和钻杆（29）组成，电机（23）的上端连接钻压力传感器（22），下端依次连接减速器（24）、犬齿冲击器（25）和钻杆（29），钻杆（29）穿入上柱塞（8）连接有微钻头（31），电机（23）依靠设在井筒压力釜体（9）内的电机导向键（27）轴向移动。

2.根据权利要求1所述的地层条件下岩石可钻性测试仪，其特征在于：所述夹持器釜体（5）外围圆周上装有加热器（18），该加热器（18）由温度控制器控制。

3.根据权利要求1所述的地层条件下岩石可钻性测试仪，其特征在于：所述井筒压力釜体（9）上设有陶瓷引线器（20），用于引出电机（23）的电源线和钻压力传感器（22）的信号线。

4.根据权利要求1所述的地层条件下岩石可钻性测试仪，其特征在于：所述夹持器釜体（5）上的围压排气口（6）位置高于围压口（17）位置。

5.根据权利要求1或4所述的地层条件下岩石可钻性测试仪，其特征在于：所述围压口（17）内设有围压控制器。

6.根据权利要求1所述的地层条件下岩石可钻性测试仪，其特征在于：所述钻压口（15）设在钻压釜体（12）的上端，钻杆复位压力口（16）设在钻压釜体（12）的下端。

7.根据权利要求1或6所述的地层条件下岩石可钻性测试仪，其特征在于：所述钻压口（15）内设有钻压控制器。

8.根据权利要求1或6所述的地层条件下岩石可钻性测试仪，其特征在于：所述钻杆复位压力口（16）内设有钻头复位控制器。

9.根据权利要求1所述的地层条件下岩石可钻性测试仪，其特征在于：所述地层孔隙压力口（1）内设有孔隙压力控制器。

10.根据权利要求1所述的地层条件下岩石可钻性测试仪，其特征在于：所述泥浆压力入口（30）内设有泥浆压力控制器。

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