CN102108858A - 一种随钻地层压力地面模拟测量装置及模拟测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种随钻地层压力地面模拟测量装置及测量方法，其特征在于：试压缸内设置有岩芯；试压缸两端的其中一法兰盘上设置有一地层压力注入孔，地层压力注入孔的输入端连接地层压力注入装置；另一法兰盘上设置有一环空泥浆压力注入口，环空泥浆压力注入口的输入端连接泥浆注入装置，且在该法兰盘中心穿设有一推力杆，推力杆另一端连接推送油缸内的推送活塞；推力杆内穿设有一抽吸通道，抽吸通道的一端连通试压缸内，且在其上设置有一探头，抽吸通道的另一端穿出推力杆连接抽吸测压装置；推送活塞密封端的推送油缸上设置有一推送油缸压力入口，推送活塞活塞杆端的推送油缸上设置有一反推油缸压力入口；推送油缸压力入口和反推油缸压力入口的输入端均连接推送压力装置。

Description

一种随钻地层压力地面模拟测量装置及模拟测量方法

技术领域

本发明涉及一种应用于石油勘探开发领域的随钻地层压力测量仪器(PWD)，特别是关于一种随钻地层压力地面模拟测量装置及测量方法。

背景技术

随钻地层压力测量仪器主要用于在钻井过程中实时获取地层压力参数，指导钻井作业安全高效进行。

地层压力是石油钻井的一项重要基础参数。实时获取地层压力数据，可以使钻井工艺得到优化，早期检测高压地层，根据地层压力进行井眼导向，确定压力梯度和流体界面，实时调整泥浆密度，使钻井作业、下套管和完井作业得到优化，从而实现安全、快速钻进。但是如何准确、实时的获得地层压力数据是一个技术难点，也一直是国内外研究的热点。目前常用的方法有：(1)地球物理测井方法：通过测井资料对地层压力进行检测，但该方法是钻井完成后的事后技术，对所测井的开发具有一定意义，对同一区块的待钻井的压力预测有一定借鉴意义，但对正在实施钻井的地层压力准确值无法获得。(2)地震方法预测地层压力：通过地震波在地层的传播速度预测地层压力，实现压力预测需要建立该地区正常压实地层的速度变化趋势曲线，分析地震速度异常，建立地层压力与速度异常的统计关系，从而可以预测地层压力。这种方法在钻井施工之前使用，可以大致获得地层压力，但该方法获得的数据误差比较大，尤其是在进行探井钻井时，资料有限，获得的压力数据远远不能表征地下的复杂情况。(3)钻井资料分析方法：利用钻井过程中反映的信息监测地层压力，可以及时发现地层压力变化情况。常用的方法有页岩岩屑密度法，dc指数法，返出泥浆温度，机械钻速法等，但这类方法获得的数据精度不高。(4)常规的电缆地层测试法：通过电缆进行地层测试，可以准确测量地层压力，但测量的地层压力数据不具有实时性，因此不能有效地用于在复杂地质环境中钻井的地层压力实时监测，并且费用高。为了在钻井过程中准确、实时的获得地层压力数据，实时预测钻井期间随时可能出现的问题，必须采用随钻地层压力测量仪器(PWD)。

为了加速随钻地层压力测量仪器(PWD)的研制，需要提供合理的设计参数(如抽吸量、抽吸速度、推靠力等)，研究并验证地层压力测试解释算法，研究并验证随钻地层压力仪器智能控制，从而提高随钻地层压力仪器的可靠性和安全性，目前还没有一套完整的随钻地层压力地面模拟测量装置及测量方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可以作为随钻地层压力测量仪器的实验仿真平台的随钻地层压力地面模拟测量装置及测量方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种随钻地层压力地面模拟测量装置，其特征在于：它包括设置在机架上的试压缸和推送油缸；所述试压缸内设置有岩芯和垫片；所述试压缸两端分别设置一法兰盘，其中一所述法兰盘上设置有一地层压力注入孔，所述地层压力注入孔的输入端连接地层压力注入装置；另一所述法兰盘中心穿设有一推力杆，所述推力杆一端连通所述试压缸内部，且所述推力杆该端与该所述法兰盘之间留有环空，在该所述法兰盘上设置有环空泥浆压力注入口，所述环空泥浆压力注入口的输入端连接泥浆注入装置；所述推力杆的另一端连接所述推送油缸内的推送活塞；所述推力杆内设置有一抽吸通道，所述抽吸通道的一端连通所述试压缸内，且在其上设置有一探头，所述抽吸通道的另一端穿出推力杆连接抽吸测压装置；所述推送活塞密封端的所述推送油缸上设置有一推送油缸压力入口，所述推送活塞活塞杆端的所述推送油缸上设置有一反推油缸压力入口；所述推送油缸压力入口和反推油缸压力入口的输入端均连接推送压力装置。

所述地层压力注入装置包括高压泵组，所述高压泵组的一端连通模拟地层液体，另一端依次连接单向阀和卸荷阀，最终连通所述试压缸上的所述地层压力注入孔，且在该所述管线上设置有溢流阀和压力表。

所述泥浆注入装置包括高压泵组，所述高压泵组的输入端连通模拟地层泥浆，另一端依次连接单向阀和卸荷阀，最终连通所述试压缸上的所述环空泥浆压力注入口，且在该所述管线上设置有溢流阀和压力表。

所述推送压力装置包括通过管线连接所述泥浆注入装置中所述高压泵组的减压阀，所述减压阀的另一端连接换向阀，所述换向阀的另一端连接由两单向阀和两溢流阀组成的液压锁，所述液压锁的另一端分别连通所述推送油缸的推送油缸压力入口和反推油缸压力入口。

所述抽吸测压装置包括一内部设置有抽吸活塞的抽吸缸，靠近所述抽吸活塞的活塞杆端的所述抽吸缸上设置有抽吸管线、信号线和抽吸动力管线；所述抽吸管线的另一端连通所述推力杆内的所述抽吸通道，所述信号线的另一端连接信号采集处理系统；靠近所述抽吸活塞的密封端的所述抽吸缸上设置有喷射动力管线；所述抽吸动力管线和喷射动力管线的输入端均连接液压油装置；所述液压油装置包括直流电机泵站，所述直流电机泵站的输入端连通液压油，另一端连接换向阀，所述换向阀的另一端连接由两单向阀组成的液压锁，所述液压锁的另一端分别连通所述抽吸动力管线和喷射动力管线；其中所述直流电机泵站和换向阀通过控制总线连接控制系统。

一种上述随钻地层压力地面模拟测量装置的测量方法，其包括以下步骤：1)在试压缸内装入岩芯和垫片后，在试压缸端部安装法兰盘；2)启动地层压力注入装置，通过试压缸上的地层压力注入孔向岩芯输入模拟地层液体，并进行压力控制；3)启动泥浆注入装置，通过试压缸上的环空泥浆压力注入口向推力杆与法兰盘之间的环空内输入模拟地层泥浆，并进行压力控制；4)启动推送压力装置，驱动液压油通过推送油缸压力入口进入推送油缸，推动推送活塞向试压缸方向移动，使探头与岩芯紧密接触；5)启动抽吸测压装置，驱动探头抽吸地层液体，并通过抽吸通道送入抽吸测压装置进行压力信号的采集测量；6)抽吸测压完成后，通过泥浆注入装置卸去试压缸上的环空泥浆压力；7)通过推送压力装置驱动液压油通过反推油缸压力入口进入推送油缸，推动推送活塞向远离试压缸方向运动，带动推力杆运动，从而使探头与岩芯分离；8)通过抽吸测压装置使抽吸通道中的地层液体通过探头喷射出；9)重新调整模拟地层液体压力和模拟泥浆压力，重复上述过程，直到实验完毕。

所述步骤5)中，由抽吸测压装置中的控制系统发出指令，启动直流电机泵站产生液压油，液压油通过换向阀换向，进入抽吸缸的抽吸活塞的活塞杆端，推动抽吸活塞向密封端移动，从而使抽吸管线通过抽吸通道和探头抽吸地层液体，将地层液体抽入抽吸缸，通过与抽吸缸相连的信号线和信号采集处理系统进行信号处理、记录压力与时间数据，并将结果传送到控制系统进行处理。

所述8)中，通过抽吸测压装置中的控制系统发出信号，换向阀改变油路方向，使液压油通过喷射动力管线进入抽吸缸内抽吸活塞的密封端，推动抽吸活塞向活塞杆端移动，将抽吸缸内的地层液体沿抽吸管线和抽吸通道喷射到试压缸。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置有试压缸，试压缸内设置有岩芯，并且通过垫片组合适应不同岩芯长度的变化，因此，可以用来模拟井下不同地层岩芯状况。2、本发明由于在试压缸上设置有地层压力注入孔和环空泥浆压力注入口，并通过高压泵组提供液体压力，因此，可以用于模拟地层压力和泥浆压力，并且可根据情况在5～70Mpa范围内调节压力。3、本发明由于设置有推送油缸，推送油缸内推送活塞的推送端和反推端分别通过管线连接高压泵组，通过高压泵组提供推送力和反推力液压油，实现推送活塞的双向移动，带动探头与岩芯接触或分离，进而可以通过调节推送油缸压力而改变探头组件与岩芯的推靠力，实现探头与岩芯紧密接触，并可靠密封，以进行抽吸测压。本发明可实时获取模拟地层压力数据，作为随钻压力测量仪器试验过程中的仿真平台、地层压力测量算法研究的试验平台、随钻压力测量仪器的标定及系统测试平台、随钻压力测量仪器的智能控制系统实验及测试平台，为随钻地层压力仪器提供合理的设计参数，从而提高随钻地层压力仪器的可靠性和安全性，加速随钻地层压力仪器的研制。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明工作原理示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一固定在机架1上的试压缸2，试压缸2的两端分别通过螺栓连接一法兰盘31和法兰盘32。试压缸2的一端法兰盘31中心设置有一连通试压缸2内部的地层压力注入孔4，地层压力注入孔4的输入端连接地层压力注入装置5。试压缸2的另一端法兰盘32中心穿设有一推力杆6，推力杆6的一端连通试压缸2内部，且推力杆6的该端部与法兰盘32之间留有环空61，法兰盘32上设置有连通该环空61的环空泥浆压力注入口7，环空泥浆压力注入口7的输入端连接一泥浆注入装置8；推力杆6的另一端通过连接套9连接一推送油缸10内部的推送活塞11，推送油缸10固定设置在机架1上。推力杆6中心设置有一抽吸通道12，抽吸通道12的一端连通试压缸2内部，且其上设置有一探头13；抽吸通道12的另一端穿出推力杆6连接抽吸测压装置14。推送油缸10上靠近推力杆6的位置设置有反推油缸压力入口15，推送油缸10远离推力杆6的位置设置有推送油缸压力入口16。反推油缸压力入口15和推送油缸压力入口16的输入端连接推送压力装置17。试验过程中，试压缸2内装有不同的岩芯18，并根据岩芯18的长度，在试压缸2内部靠近设置有地层压力注入孔4的法兰盘31上并排设置有若干垫片19，每一垫片19中心均设置有与地层压力注入孔4同心的通孔。

如图2所示，地层压力注入装置5包括高压泵组51，高压泵组51的一端通过管线连通模拟地层液体，另一端通过管线依次连接单向阀52和卸荷阀53，最终连通试压缸2上的地层压力注入孔4，且在该管线上设置有溢流阀54和压力表55。

如图2所示，泥浆注入装置8包括高压泵组81，高压泵组81的输入端通过管线连通模拟地层泥浆，另一端通过管线依次连接单向阀82和卸荷阀83，最终连通试压缸2上的环空泥浆压力注入口7，且在该管线上设置有溢流阀84、压力表85和推送压力装置17。

如图2所示，推送压力装置17包括通过管线连接泥浆注入装置8中高压泵组81的减压阀171，减压阀171的另一端通过管线连接换向阀172，换向阀172的另一端通过管线连接由两单向阀和两溢流阀组成的液压锁173，液压锁173的另一端通过管线分别连通推送油缸10上的反推油缸压力入口15和推送油缸压力入口16。

如图2所示，抽吸测压装置14包括抽吸缸141，抽吸缸141内设置有抽吸活塞142。靠近抽吸活塞142的活塞杆端的抽吸缸141上设置有抽吸管线143、信号线144和抽吸动力管线145。抽吸管线143的另一端连通推力杆6内的抽吸通道12，信号线144的另一端连接信号采集处理系统146，抽吸动力管线145的另一端连接液压油装置。靠近抽吸活塞142的密封端的抽吸缸141上设置有喷射动力管线147，喷射动力管线147的另一端也连接液压油装置。液压油装置包括直流电机泵站148，直流电机泵站148的输入端通过管线连通液压油，另一端通过管线连接换向阀149，换向阀149的另一端通过管线连接由两单向阀组成的液压锁150，液压锁150的另一端通过两条管线分别连通抽吸动力管线145和喷射动力管线147。其中直流电机泵站148和换向阀149通过控制总线连接控制系统151。

上述实施例中，地层压力注入装置5、泥浆注入装置8、推送压力装置17和抽吸测压装置14也可以采用现有技术中的其他具有相同功能的装置。

如图1、图2所示，本发明装置的模拟试验方法包括以下步骤：

1)在试压缸2内装入岩芯18，并根据岩芯长18的长度调整放入的垫片19的数量，以模拟地层岩芯，然后在试压缸2端部安装法兰盘31和法兰盘32；

2)开启地层压力注入装置5中的高压泵组51，调节系统压力，通过试压缸2上的地层压力注入孔4向岩芯18输入模拟地层液体，以模拟井眼地层压力状态；

3)开启泥浆注入装置8中的高压泵组81，调节系统压力，通过试压缸2上的环空泥浆压力注入口7向推力杆6与法兰盘32之间的环空输入模拟地层泥浆，以模拟井眼环空泥浆压力状态；

4)当模拟井眼地层压力和模拟井眼环空泥浆压力达到指定值时，系统保持该指定的模拟井眼地层压力和模拟井眼环空泥浆压力，模拟地层液体通过岩芯18流动；

5)通过泥浆注入装置8中高压泵组81泵出的液压油通过推送压力装置17中的减压阀171进行减压后，通过换向阀172换向进入推送油缸压力入口16，液压油进入推送油缸10，推动推送活塞11向试压缸2方向移动，从而使探头13与岩芯18紧密接触，并可靠密封，从而隔开模拟环空泥浆，以保证探头13抽吸的是通过岩芯18渗透过来的模拟地层液体；

6)当地层液体模拟准备就绪，由抽吸测压装置14中的控制系统151发出指令，启动直流电机泵站148产生液压油，液压油通过换向阀149换向，进入抽吸缸141的抽吸活塞142的活塞杆端，推动抽吸活塞142向密封端移动，从而使抽吸管线143通过抽吸通道12和探头13抽吸地层液体，从而将地层液体抽入抽吸缸141，通过与抽吸缸141相连的信号线144和信号采集处理系统146进行信号处理、记录压力与时间数据，并将结果传送到控制系统151进行处理，以操作指令；

7)抽吸测压过程完成以后，通过泥浆注入装置8中的卸荷阀83卸去试压缸2上的环空泥浆压力；

8)通过推送压力装置17的换向阀172改变油路方向，液压油通过反推油缸压力入口15进入推送油缸10，推动推送活塞11向远离试压缸2方向运动，带动推力杆6运动，从而使探头13回缩，探头13与岩芯18分离；

9)通过抽吸测压装置14中的控制系统151发出信号，换向阀149改变油路方向，使液压油通过喷射动力管线147进入抽吸缸141内抽吸活塞113的密封端，推动抽吸活塞113向活塞杆端移动，将抽吸缸141内的地层液体沿抽吸管线143和抽吸通道12喷射到试压缸2；

10)重新调整模拟地层液体压力和模拟泥浆压力，重复上述过程，直到实验完毕。

本发明方法中的模拟地层液体压力由地层压力注入装置5中的高压泵组51(100Mpa，1L/Min)，通过卸荷阀53调整，其压力可在5～70Mpa之间进行调节，其压力精度为0.2Mpa；模拟泥浆系统压力由泥浆注入装置8中的高压泵组81(80Mpa，4L/Min)，通过卸荷阀83调整，其压力可在5～70Mpa之间进行调节，其压力精度为0.2Mpa。

本发明装置的主要技术指标为：

1)井眼为φ280mm×2000mm，具备防锈功能；

2)模拟环空泥浆压力环境，最大70MPa，控制精度±1％FS；

3)探头13为测试座封探头，直径为φ50～φ60mm，探头13的行程为40～60mm，采样室体积25立方厘米(可调)；

4)地层压力测试时间≤5min；测试探头输出力15～30KN；

5)连续无故障工作时间不小于240小时，期间测量次数不少于30次，系统寿命不小于10年；压力容器要满足JB47321995《钢制压力容器-分析设计标准》。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种随钻地层压力地面模拟测量装置，其特征在于：它包括设置在机架上的试压缸和推送油缸；所述试压缸内设置有岩芯和垫片；所述试压缸两端分别设置一法兰盘，其中一所述法兰盘上设置有一地层压力注入孔，所述地层压力注入孔的输入端连接地层压力注入装置；另一所述法兰盘中心穿设有一推力杆，所述推力杆一端连通所述试压缸内部，且所述推力杆该端与该所述法兰盘之间留有环空，在该所述法兰盘上设置有环空泥浆压力注入口，所述环空泥浆压力注入口的输入端连接泥浆注入装置；所述推力杆的另一端连接所述推送油缸内的推送活塞；所述推力杆内设置有一抽吸通道，所述抽吸通道的一端连通所述试压缸内，且在其上设置有一探头，所述抽吸通道的另一端穿出推力杆连接抽吸测压装置；

所述推送活塞密封端的所述推送油缸上设置有一推送油缸压力入口，所述推送活塞活塞杆端的所述推送油缸上设置有一反推油缸压力入口；所述推送油缸压力入口和反推油缸压力入口的输入端均连接推送压力装置。

2.如权利要求1所述的一种随钻地层压力地面模拟测量装置，其特征在于：所述地层压力注入装置包括高压泵组，所述高压泵组的一端连通模拟地层液体，另一端依次连接单向阀和卸荷阀，最终连通所述试压缸上的所述地层压力注入孔，且在该所述管线上设置有溢流阀和压力表。

3.如权利要求1所述的一种随钻地层压力地面模拟测量装置，其特征在于：所述泥浆注入装置包括高压泵组，所述高压泵组的输入端连通模拟地层泥浆，另一端依次连接单向阀和卸荷阀，最终连通所述试压缸上的所述环空泥浆压力注入口，且在该所述管线上设置有溢流阀和压力表。

4.如权利要求2所述的一种随钻地层压力地面模拟测量装置，其特征在于：所述泥浆注入装置包括高压泵组，所述高压泵组的输入端连通模拟地层泥浆，另一端依次连接单向阀和卸荷阀，最终连通所述试压缸上的所述环空泥浆压力注入口，且在该所述管线上设置有溢流阀和压力表。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种随钻地层压力地面模拟测量装置，其特征在于：所述推送压力装置包括通过管线连接所述泥浆注入装置中所述高压泵组的减压阀，所述减压阀的另一端连接换向阀，所述换向阀的另一端连接由两单向阀和两溢流阀组成的液压锁，所述液压锁的另一端分别连通所述推送油缸的推送油缸压力入口和反推油缸压力入口。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种随钻地层压力地面模拟测量装置，其特征在于：所述抽吸测压装置包括一内部设置有抽吸活塞的抽吸缸，靠近所述抽吸活塞的活塞杆端的所述抽吸缸上设置有抽吸管线、信号线和抽吸动力管线；所述抽吸管线的另一端连通所述推力杆内的所述抽吸通道，所述信号线的另一端连接信号采集处理系统；靠近所述抽吸活塞的密封端的所述抽吸缸上设置有喷射动力管线；所述抽吸动力管线和喷射动力管线的输入端均连接液压油装置；所述液压油装置包括直流电机泵站，所述直流电机泵站的输入端连通液压油，另一端连接换向阀，所述换向阀的另一端连接由两单向阀组成的液压锁，所述液压锁的另一端分别连通所述抽吸动力管线和喷射动力管线；其中所述直流电机泵站和换向阀通过控制总线连接控制系统。

7.如权利要求5所述的一种随钻地层压力地面模拟测量装置，其特征在于：所述抽吸测压装置包括一内部设置有抽吸活塞的抽吸缸，靠近所述抽吸活塞的活塞杆端的所述抽吸缸上设置有抽吸管线、信号线和抽吸动力管线；所述抽吸管线的另一端连通所述推力杆内的所述抽吸通道，所述信号线的另一端连接信号采集处理系统；靠近所述抽吸活塞的密封端的所述抽吸缸上设置有喷射动力管线；所述抽吸动力管线和喷射动力管线的输入端均连接液压油装置；所述液压油装置包括直流电机泵站，所述直流电机泵站的输入端连通液压油，另一端连接换向阀，所述换向阀的另一端连接由两单向阀组成的液压锁，所述液压锁的另一端分别连通所述抽吸动力管线和喷射动力管线；其中所述直流电机泵站和换向阀通过控制总线连接控制系统。

8.一种如权利要求1～7任一项所述随钻地层压力地面模拟测量装置的测量方法，其包括以下步骤：

1)在试压缸内装入岩芯和垫片后，在试压缸端部安装法兰盘；

2)启动地层压力注入装置，通过试压缸上的地层压力注入孔向岩芯输入模拟地层液体，并进行压力控制；

3)启动泥浆注入装置，通过试压缸上的环空泥浆压力注入口向推力杆与法兰盘之间的环空内输入模拟地层泥浆，并进行压力控制；

4)启动推送压力装置，驱动液压油通过推送油缸压力入口进入推送油缸，推动推送活塞向试压缸方向移动，使探头与岩芯紧密接触；

5)启动抽吸测压装置，驱动探头抽吸地层液体，并通过抽吸通道送入抽吸测压装置进行压力信号的采集测量；

6)抽吸测压完成后，通过泥浆注入装置卸去试压缸上的环空泥浆压力；

7)通过推送压力装置驱动液压油通过反推油缸压力入口进入推送油缸，推动推送活塞向远离试压缸方向运动，带动推力杆运动，从而使探头与岩芯分离；

8)通过抽吸测压装置使抽吸通道中的地层液体通过探头喷射出；

9)重新调整模拟地层液体压力和模拟泥浆压力，重复上述过程，直到实验完毕。

9.如权利要求8所述的一种随钻地层压力地面模拟测量方法，其特征在于：所述步骤5)中，由抽吸测压装置中的控制系统发出指令，启动直流电机泵站产生液压油，液压油通过换向阀换向，进入抽吸缸的抽吸活塞的活塞杆端，推动抽吸活塞向密封端移动，从而使抽吸管线通过抽吸通道和探头抽吸地层液体，将地层液体抽入抽吸缸，通过与抽吸缸相连的信号线和信号采集处理系统进行信号处理、记录压力与时间数据，并将结果传送到控制系统进行处理。

10.如权利要求8或9所述的一种随钻地层压力地面模拟测量方法，其特征在于：所述8)中，通过抽吸测压装置中的控制系统发出信号，换向阀改变油路方向，使液压油通过喷射动力管线进入抽吸缸内抽吸活塞的密封端，推动抽吸活塞向活塞杆端移动，将抽吸缸内的地层液体沿抽吸管线和抽吸通道喷射到试压缸。

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