CN102288742B - 钻井模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种钻井模拟实验装置，该钻井模拟实验装置包括岩心夹持机构、钻进机构、施压机构和施压控制管路；岩心夹持机构与钻进机构同心安装在实验架的上下，施压机构的恒压泵对岩心上端所施加的恒压液和钻进机构的恒压泵或高压气源对岩心施压的恒压液或高压气在井底模拟腔体汇聚，并通过由过滤器、回压器和流量计组成的施压控制管路进行控制流出；回压器与钻进机构的高压气源相连，通过控制高压气源的供气压力控制井底模拟腔体的压力，施压机构和回压器的压力传感器及流量计给计算机传递信号，通过计算机程序控制相关参数变化，从而模拟试验各种钻井方案，为提高钻井速度、钻井质量和降低钻井成本提供室内试验数据。

Description

钻井模拟实验装置

技术领域

本发明是关于一种油田钻井相关参数模拟实验装置，尤其涉及一种为油田近平衡、欠平衡、过平衡钻井提供可靠理论数据，以便制定出更加合理的钻井实施方案的钻井模拟实验装置。

背景技术

钻井技术发展到今天，近平衡、欠平衡、过平衡钻井技术均在应用，其中欠平衡钻井技术已被证明是一种可行和经济有效的方法。在常规过平衡或近平衡钻井中，钻井液除具携带岩屑、稳定井壁、冷却钻头等作用以外，更为重要的是平衡地层压力，防止地层流体进入井筒。而欠平衡钻井则有意识地改变井底循环压力，使其低于地层压力，当继续钻进时，这个欠平衡压力使产层流体流入井筒，从而避免井漏和降低地层伤害等系列问题。此外，欠平衡钻井还具有延长钻头寿命，利于发现油气藏和保护环境以及降低增产措施作业成本等优点。

但是，国内外现有的可钻性的测定仪，仅仅只能在常压下对岩石可钻性进行测定，而不能测定出岩石在井下应力场中真实的受力环境的可钻性。因此，在本技术领域中，需要有一种可以模拟岩石在井底中所受的上覆岩层压力、地层压力、井底压力，以较真实的测定岩石在井底条件下可钻性的钻井模拟实验装置。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种钻井模拟实验装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻井模拟实验装置，通过该装置可以模拟钻井过程中的转速、钻压、上覆压力、地层压力、井底循环压力等参数，从而在室内对钻井的过程、机理、效果等进行模拟试验，对钻井过程中各种因素的相互作用进行研究，为油田钻井提供可靠的理论数据，以便制定出更加合理的钻井实施方案。

本发明的目的是这样实现的，一种钻井模拟实验装置，该模拟实验装置包括上、下对应同轴安装的岩心夹持机构和钻进机构，岩心夹持机构上连接有第一施压机构，岩心夹持机构的上、下端分别连接有第一施压控制管路和第二施压控制管路，钻进机构上连接有第二施压机构；所述岩心夹持机构包括有夹持器外壳，外壳顶部设有密封壳盖，外壳内设置围设有岩心的围压筒，所述围压筒与外壳之间构成围压腔；所述岩心底部由一卡环支撑，岩心与外壳内底面之间构成一井底模拟腔体；所述岩心的顶面设有一上小下大的轴压柱塞，轴压柱塞的上部伸出所述壳盖，轴压柱塞的轴肩与壳盖之间构成一轴压腔体；所述轴压柱塞内设有轴向贯通的注压孔；所述钻进机构的钻杆由岩心夹持机构下方密封穿过夹持器外壳底部并垂直抵顶在岩心底部，所述钻杆内设有钻井液孔；所述第一施压机构包括通过第一恒压管路连接于注压孔的第一恒压泵、通过轴压管路连通于轴压腔体的轴压泵和通过围压管路连通于围压腔的围压泵；所述第二施压机构包括通过第二恒压管路连接于钻井液孔的第二恒压泵和通过气源管路连接于钻井液孔的高压气源；各管路中分别设有压力传感器；所述第一施压控制管路和第二施压控制管路均由过滤器、回压器和流量计串接构成，各回压器的控制口分别与高压气源连接并设有压力传感器，所述第一施压控制管路连通于轴压柱塞的注压孔，所述第二施压控制管路连通于井底模拟腔体；各施压机构及回压器的压力传感器和流量计与计算机电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述夹持器外壳由贯通的上壳体和凹形的下壳体固定密封对接构成；所述下壳体固定设置在一实验台上；所述下壳体的底部设有一透孔，该透孔中安装有用于穿设钻杆的钻杆密封件；所述围压筒和岩心设置在上壳体内，所述下壳体的内腔形成所述的井底模拟腔体；该下壳体侧壁设有回流孔，所述第二施压控制管路连通于该回流孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述上壳体的底部外侧和下壳体的顶部外侧分别设有对应的环形凸缘，上、下壳体的凸缘对接后由一环形卡箍将对接的两凸缘固定。

在本发明的一较佳实施方式中，所述上壳体的侧壁设有围压孔，所述围压管路连通于该围压孔；所述壳盖的顶部设有轴压孔，所述轴压管路连通于该轴压孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钻进机构通过一支架固定设置在下壳体下方；所述钻进机构包括一钻压模拟腔体，该钻压模拟腔体内设有一轴向密封滑动的活塞，该活塞的上下活塞杆分别伸出钻压模拟腔体的上下两端，所述活塞中设有轴向贯通活塞杆的通孔，所述钻杆由下方穿过该通孔和夹持器外壳底部并垂直抵顶在岩心底面，所述钻杆与通孔之间设有轴承，该钻杆顶端设有钻头，钻杆由一驱动装置驱动旋转；所述钻压模拟腔体下部侧壁设有钻压注入孔，该钻压注入孔与高压气源连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述活塞是由上活塞体和下活塞体密封对接构成；所述轴承的外圈嵌设在上下活塞体结合部位的一环槽中；所述钻杆底部密封连接一设有透孔的旋转接头，所述第二恒压管路和气源管路通过该旋转接头与钻杆的钻井液孔连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述驱动装置包括套设在钻杆上并通过另一轴承转动地设置在支架上的第一皮带轮，所述钻杆外壁和第一皮带轮内壁的相互配合面分别设有驱动齿；一电机固定设置在支架上，该电机上设有一第二皮带轮，该第二皮带轮通过皮带驱动第一皮带轮转动。

由上所述，第一施压机构的恒压管路通过轴压柱塞上的注入孔向岩心内注入液体，以模拟地层某层段的地层压力；第一施压机构的轴压管路向轴压柱塞环形断面上的轴压腔体注入液体，通过轴压柱塞向岩心表面施加压力以模拟地层的轴向压力；第一施压机构的围压管路通过围压腔向围压筒施压，围压筒向岩心施压以模拟地层环周的上覆压力；第一施压机构的恒压泵对岩心上端所施加的恒压液和第二施压机构的恒压泵或高压气源对岩心下端施压的恒压液或高压气在井底模拟腔体汇聚并通过由过滤器、回压器和流量计构成的第一施压控制管路和第二施压控制管路进行控制流出，以模拟钻井液注入压力和流量；各回压器与高压气源的气管相连，通过控制高压气源的供气压力来控制井底模拟腔体的压力，各施压机构和回压器的压力传感器以及流量计给计算机传递信号，通过计算机程序控制相关参数变化，从而模拟试验各种钻井方案，为提高钻井速度、钻井质量和降低钻井成本提供室内试验数据。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明钻井模拟实验装置的结构示意图。

图2：为本发明中岩心夹持机构的结构示意图。

图3：为本发明中钻进机构的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2、图3所示，本发明提出一种钻井模拟实验装置100，该模拟实验装置100包括上、下对应同轴安装的岩心夹持机构1和钻进机构2，岩心夹持机构1上连接有第一施压机构3，岩心夹持机构1的上、下端分别连接有第一施压控制管路4和第二施压控制管路5，钻进机构2上连接有第二施压机构6；如图1、图2所示，所述岩心夹持机构1包括有夹持器外壳11，外壳11顶部设有密封壳盖12，外壳11内轴向设置围设有岩心13的围压筒14，所述围压筒14侧壁与外壳11内壁之间构成围压腔A；所述岩心13底部由一卡环113支撑，岩心13与外壳11内底面之间构成一井底模拟腔体B；所述岩心13的顶面设有一上小下大的轴压柱塞15，轴压柱塞15的上部伸出所述壳盖12，轴压柱塞15的轴肩与壳盖12之间构成一轴压腔体C；所述轴压柱塞15内设有轴向贯通的注压孔151；所述钻进机构2的钻杆21由岩心夹持机构1下方密封穿过夹持器外壳11底部并垂直抵顶在岩心13底部，所述钻杆21内设有钻井液孔211；所述第一施压机构3包括通过第一恒压管路31连接于注压孔151的第一恒压泵311、通过轴压管路32连通于轴压腔体C的轴压泵321和通过围压管路33连通于围压腔A的围压泵331；所述第二施压机构6包括通过第二恒压管路61连接于钻井液孔211的第二恒压泵611和通过气源管路62连接于钻井液孔211的高压气源621；各管路中分别设有压力传感器7；所述第一施压控制管路4由过滤器41、回压器42和流量计43串接构成，所述第二施压控制管路5由过滤器51、回压器52和流量计53串接构成，各回压器42、52的控制口分别与高压气源621连接并设有压力传感器7，所述第一施压控制管路4通过截止阀8连通于轴压柱塞15的注压孔151，所述第二施压控制管路5通过另一截止阀8连通于井底模拟腔体B；各施压机构及回压器的压力传感器和流量计与计算机电连接。

由上所述，第一施压机构的恒压管路通过轴压柱塞上的注入孔向岩心内注入液体(油或水)，以模拟地层某层段的地层压力；第一施压机构的轴压管路向轴压柱塞环形断面上的轴压腔体注入液体，通过轴压柱塞向岩心表面施加压力以模拟地层的轴向压力，轴压腔体的压力在O形密封圈的密封下不泄漏；第一施压机构的围压管路通过围压腔向围压筒施压，围压筒向岩心施压以模拟地层环周的上覆压力；在本实施方式中，所述围压筒上方还设置一密封端盖18，在该密封端盖的密封和限位作用下，压力不会泄漏和分解。第一施压机构的恒压泵对岩心上端所施加的恒压液和第二施压机构的恒压泵或高压气源对岩心下端施压的恒压液或高压气在井底模拟腔体汇聚并通过由过滤器、回压器和流量计构成的第一施压控制管路和第二施压控制管路进行控制流出，以模拟钻井液注入压力和流量；在本实施方式中，若为过平衡钻井或近平衡钻井(第二施压机构的恒压泵611压力大于或等于第一施压机构的恒压泵311压力，即：模拟的钻井液注入压力大于或平衡于模拟的地层压力)工作液从岩心上部的第一施压控制管路4流出；若为欠平衡钻井(第二施压机构的恒压泵611压力小于第一施压机构的恒压泵311压力，即：模拟的钻井液注入压力小于模拟的地层压力)工作液从岩心下部第二施压控制管路5流出；各回压器与高压气源的气管相连，通过控制高压气源的供气压力来控制井底模拟腔体的压力，各施压机构和回压器的压力传感器以及流量计给计算机传递信号，通过计算机程序控制相关参数变化，从而模拟试验各种钻井方案，为提高钻井速度、钻井质量和降低钻井成本提供室内试验数据。

进一步，如图2所示，在本实施方式中，所述夹持器外壳11由贯通的上壳体111和凹形的下壳体112固定密封对接构成；所述下壳体112通过螺钉固定设置在一实验台9上，所述实验台9设有一中孔91，所述下壳体112设置在实验台9上表面并与所述中孔91对应；所述下壳体112的底部设有一透孔，该透孔中安装有用于穿设钻杆21的钻杆密封件16；所述围压筒14和岩心13设置在上壳体111内，所述下壳体112的内腔形成所述的井底模拟腔体B；该下壳体112侧壁设有回流孔1122，所述第二施压控制管路5连通于该回流孔1122。

在本实施方式中，所述上壳体111的底部外侧和下壳体112的顶部外侧分别设有对应的环形凸缘1111、1121，上、下壳体的凸缘对接后由一环形卡箍17将对接的两凸缘1111、1121固定。

在本实施方式中，所述上壳体111的侧壁设有围压孔1112，所述围压管路33连通于该围压孔1112；所述壳盖12的顶部设有轴压孔121，所述轴压管路32连通于该轴压孔121。

在本实施方式中，所述钻进机构2通过一支架29固定设置在下壳体112下方，所述支架29设置在实验台9的下表面；所述钻进机构2包括一钻压模拟腔体22，该钻压模拟腔体22内设有一轴向密封滑动的活塞23，该活塞23的上下活塞杆分别密封伸出钻压模拟腔体22上下两端的透孔，所述活塞23中设有轴向贯通活塞杆的通孔231，所述钻杆21由下方穿过该通孔231及夹持器外壳11底部的钻杆密封件16并垂直抵顶在岩心13的底面，所述钻杆21与通孔231之间设有轴承24，该钻杆21顶端设有钻头25，钻杆21由一驱动装置26驱动旋转；所述钻压模拟腔体22下部侧壁设有钻压注入孔221，该钻压注入孔221通过一减压阀10与高压气源621连通。

在本实施方式中，所述活塞23是由上活塞体232和下活塞体233密封对接构成；所述轴承24的外圈嵌设在上下活塞体结合部位的一环槽中；所述钻杆21底部密封连接一设有透孔的旋转接头27，所述第二恒压管路61和气源管路62通过该旋转接头27与钻杆的钻井液孔211连通。

在本实施方式中，所述驱动装置26包括套设在钻杆21上并通过另一轴承28转动地设置在支架29上的第一皮带轮261，所述钻杆21外壁和第一皮带轮261内壁的相互配合面分别设有驱动齿；一电机264固定设置在支架29上，该电机264上设有一第二皮带轮262，该第二皮带轮262通过皮带263驱动第一皮带轮261转动。

在本实施方式中，通过钻压模拟腔体22的钻压注入孔221注入高压气，通过活塞23和将活塞23与钻杆21以旋转方式连接一体的轴承24推动钻杆前进，由此模拟钻进压力和钻进速度。

本发明的钻井模拟实验装置具有以下优点：

1、具有上、下两套带有回压器的施压控制管路，能模拟欠平衡钻井、常规过平衡钻井或近平衡钻井过程中相互作用的参数变化，总结出合理钻井的规律，给制定合理钻井方案提供可靠的依据。

2、控制钻井过程中相互作用的参数变化、流量压力的变化、钻井速度的快慢、钻头钻压的大小、回流压力的大小、钻井液压力和地层压力的大小，参数的采集都是通过计算机程序控制，实验数据准确。

3、模拟试验数据可用来优化钻井方案，为保护油气层，节约钻井成本，提高钻井效率和成功率提供依据。

本发明的主要技术指标如下：

①钻头直径：31.75mm

②转速：0～200rpm连续可调，并可由计算机设定；

③钻压：牙轮钻头890N±10N，PDC钻头500N±10N；

④上覆压力：100MPa，清水；

⑤地层压力：70MPa，油或水；

⑥井底循环压力：70MPa，空气和清水；

⑦岩心尺寸：76.2mm(3′)×[50～88.9mm(3.5′)]；

⑧预钻深度、钻深：计算机输入控制；

⑨清水流量、空气流量都由流量计计量；

⑩围压、轴压、孔隙压力大小都由计算机输入控制；

本发明的钻井液注入循环系统采用空气和清水作为循环介质，因此该系统主要分两部分，一部分是高压空气循环系统，一部分是高压液体循环系统，两部分相互独立，又相互联系。

围压和轴压的提供是采用MP-I型多功能液压泵自动提供。MP-I型多功能液压泵有如下特点：

a、既可手动也可电动，也可由计算机控制运行；

b、压力0-100MPa；

c、压力自动跟踪技术，可以通过控制软件自动跟踪围压的变化，自动调整泵的运行，按照预设的围压参数实现恒压控制；

d、设计有柱塞前后限位、超压断电保护、脱机强制停止等安全保护措施。

模拟地层压力系统选用美国进口的ISCO 100D型精密注射泵，流量范围0～25ml/min，压力范围0～70MPa，即可恒压也可恒速。该泵由美国ISCO公司生产，是D系列的连续注射泵。整个系统主要由控制器；A、B两个单泵体和连接管线阀门组成。控制器主要由采集电路、控制电路和显示模块组成，它与单泵体之间信号线连接，该系统不仅可以采用水、煤油、酒精等作为工作液，还可以采用液态二氧化碳等压缩气体作为工作液，对实际的实验具有更大的意义。

自动控制和数据采集系统：

应用软件采用Visual Basic6.0编程，最后生成的可执行文件作成安装光盘，操作控制软件全中文界面，操作灵活、方便，所有输入和提示都使用窗口式的对话框，实验流程示意，便于熟悉系统操作；试验完后计算机直接输出的数据报表。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种钻井模拟实验装置，其特征在于：该模拟实验装置包括上、下对应同轴安装的岩心夹持机构和钻进机构，岩心夹持机构上连接有第一施压机构，岩心夹持机构的上、下端分别连接有第一施压控制管路和第二施压控制管路，钻进机构上连接有第二施压机构；所述岩心夹持机构包括有夹持器外壳，外壳顶部设有密封壳盖，外壳内设置围设有岩心的围压筒，所述围压筒与外壳之间构成围压腔；所述岩心底部由一卡环支撑，岩心与外壳内底面之间构成一井底模拟腔体；所述岩心的顶面设有一上小下大的轴压柱塞，轴压柱塞的上部伸出所述壳盖，轴压柱塞的轴肩与壳盖之间构成一轴压腔体；所述轴压柱塞内设有轴向贯通的注压孔；所述钻进机构的钻杆由岩心夹持机构下方密封穿过夹持器外壳底部并垂直抵顶在岩心底部，所述钻杆内设有钻井液孔；所述第一施压机构包括通过第一恒压管路连接于注压孔的第一恒压泵、通过轴压管路连通于轴压腔体的轴压泵和通过围压管路连通于围压腔的围压泵；所述第二施压机构包括通过第二恒压管路连接于钻井液孔的第二恒压泵和通过气源管路连接于钻井液孔的高压气源；各管路中分别设有压力传感器；所述第一施压控制管路和第二施压控制管路均由过滤器、回压器和流量计串接构成，各回压器的控制口分别与高压气源连接并设有压力传感器，所述第一施压控制管路连通于轴压柱塞的注压孔，所述第二施压控制管路连通于井底模拟腔体；各施压机构及回压器的压力传感器和流量计与计算机电连接； 

所述夹持器外壳由贯通的上壳体和凹形的下壳体固定密封对接构成；所述下壳体固定设置在一实验台上；所述下壳体的底部设有一透孔，该透孔中安装有用于穿设钻杆的钻杆密封件；所述围压筒和岩心设置在上壳体内，所述下壳体的内腔形成所述的井底模拟腔体；该下壳体侧壁设有回流孔，所述第二施压控制管路连通于该回流孔。 

2.如权利要求1所述的钻井模拟实验装置，其特征在于：所述上壳体的底部外侧和下壳体的顶部外侧分别设有对应的环形凸缘，上、下壳体的凸缘对接后由一环形卡箍将对接的两凸缘固定。 

3.如权利要求1所述的钻井模拟实验装置，其特征在于：所述上壳体的侧壁设有围压孔，所述围压管路连通于该围压孔；所述壳盖的顶部设有轴压孔，所述轴压管路连通于该轴压孔。 

4.如权利要求1所述的钻井模拟实验装置，其特征在于：所述钻进机构通过一支架固定设置在下壳体下方；所述钻进机构包括一钻压模拟腔体，该钻压模拟腔体内设有 一轴向密封滑动的活塞，该活塞的上下活塞杆分别伸出钻压模拟腔体的上下两端，所述活塞中设有轴向贯通活塞杆的通孔，所述钻杆由下方穿过该通孔和夹持器外壳底部并垂直抵顶在岩心底而，所述钻杆与通孔之间设有轴承，该钻杆顶端设有钻头，钻杆由一驱动装置驱动旋转；所述钻压模拟腔体下部侧壁设有钻压注入孔，该钻压注入孔与高压气源连通。 

5.如权利要求4所述的钻井模拟实验装置，其特征在于：所述活塞是由上活塞体和下活塞体密封对接构成；所述轴承的外圈嵌设在上下活塞体结合部位的一环槽中；所述钻杆底部密封连接一设有透孔的旋转接头，所述第二恒压管路和气源管路通过该旋转接头与钻杆的钻井液孔连通。 

6.如权利要求4所述的钻井模拟实验装置，其特征在于：所述驱动装置包括套设在钻杆上并通过另一轴承转动地设置在支架上的第一皮带轮，所述钻杆外壁和第一皮带轮内壁的相互配合而分别设有驱动齿；一电机固定设置在支架上，该电机上设有一第二皮带轮，该第二皮带轮通过皮带驱动第一皮带轮转动。 

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