CN103075147A - 一种井下环境模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种井下环境模拟装置及方法，属于油田、矿山等行业的试验装置领域。该装置包括模拟井筒、地层岩心模拟模块、地层流体模拟模块、地层压力模拟模块、环空压力模拟模块、井底温度模拟模块。利用本发明可以在室内模拟井下环境，包括不同岩性、不同物理性质(如渗透率等)的地层、地层流体、地层压力、环空压力、井底温度。本发明的装置可作为地层压力测量短节及其它井下工具、仪器的地面试验测试平台，还可进行地层压力测量算法的研究。本发明解决了野外试验工作周期长，费用高，检测手段欠缺等问题，降低了试验难度，提高了经济效益，具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于油田、矿山等行业的试验装置领域，具体涉及一种井下环境模拟装置及方法。
背景技术
目前，有关井下环境模拟的技术包括以下几种：
西南石油大学设计了模拟3000m井下工况的高温高压模拟井筒，是一种井下工具和仪器仪表研发的试验平台。该装置通过泵和电加热器循环加热井筒内的液压油，使其基本达到预期温度。用加压泵循环加压至设定压力，再由循环泵和盘管保持设定温度，实现井下温度和压力环境。该装置由加温系统与加压系统两部分构成，包括循环泵、电加热器、电磁换向阀、井筒、加压柱塞泵、加压阀等。该装置的井筒内径为φ177.8mm，模拟井内温度120℃，井底压力40MPa。该装置没有地层岩心模块与地层流体模拟模块。另外，试验时可放入到模拟井筒内部的仪器外径范围较小，且模拟的井底压力较小，因此其应用范围受到了限制。
原地矿部探矿工艺研究所研制了M150模拟井筒，用来模拟井底状况和井底参数，解决野外试验研制工作周期长，费用高，检测手段欠缺等问题。该装置由底座、筒体、观察筒、出水口组件、密封部分组成。最大模拟井底压力2.45MPa，模拟温度最高150℃。
胜利石油管理局钻井工艺研究院提出了研制模拟6000m深井钻进模拟井筒的机构的方案。该装置主要由上固定帽、支座、泥浆出口、上密封塞、上钢端帽、高压胶囊、加热层等部分组成。利用该装置可进行井下钻具工艺技术研究，深井钻井液特性与钻进地层相适应试验等工作。模拟上覆岩层压力150MPa，围压70MPa，井底压力82.5MPa，岩样温度220℃。井底温度由岩样周围的加热套模拟，井底压力由钻井液密闭回路控制。
大庆石油管理局研制了可模拟6000m井下环境的钻井全尺寸综合模拟试验装置。其中高温高压模拟井筒由油压泵组合体、轴压泵、调压泵、密封压力泵、岩石试样等组成。可模拟井底岩石温度210℃，孔隙压力64.2MPa，。井底温度由安装在井筒外壁的加热套及从钻头喷出的高温钻井液来维持。井底压力采用钻井液密闭回路来控制。该装置为钻井模拟台架，动态模拟钻井过程，井筒内岩心模拟垂直方向地层。
上述原地矿部探矿工艺研究所研制的M150模拟井筒、胜利石油管理局钻井工艺研究院研制的模拟6000m深井钻井模拟井筒和大庆石油管理局研制的模拟6000m井下环境钻井全尺寸综合模拟试验装置，都是动态模拟井下钻具工况，进行钻井液、岩样、性能试验研究，还可进行地层岩石特征、破碎机理、破岩工具等课题研究。但是，这三种装置中岩心均安装在装置的井筒中部，模拟的是垂直方向地层，不能模拟水平方向地层。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种井下环境模拟装置及方法，可在地面模拟井下真实环境，可作为随钻地层压力测量短节及其它井下工具、仪器的地面试验、测试平台。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种井下环境模拟装置，该装置包括模拟井筒1、地层岩心模拟模块2、地层流体模拟模块3、地层压力模拟模块4、环空压力模拟模块5和数据采集与控制模块7；
所述模拟井筒1用于模拟井眼，待测的井下工具或仪器放置在所述模拟井筒1内；
所述地层岩心模拟模块2用于模拟水平方向地层，其安装在所述模拟井筒1的筒壁上，其一端与模拟井筒1的内腔相连通，另一端与地层流体模拟模块3的一端相连通；
所述地层流体模拟模块3用于模拟真实地层流体，其一端与地层岩心模拟模块2相连通，另一端与地层压力模拟模块4相连通；
所述地层压力模拟模块4用于模拟地层压力，其输出的压力通过地层流体模拟模块3的传递，作用在地层岩心模拟模块2上；
所述环空压力模拟模块5用于模拟井底环空压力，其与模拟井筒1的内腔连通，向模拟井筒1内部施加高压；
所述数据采集与控制模块7用于对地层压力模拟模块4的输出值即地层压力、环空压力模拟模块5的输出值即环空压力做闭环反馈控制，使地层压力、环空压力的输出值与各自的预设值相近，对地层压力与环空压力进行精确控制。
所述模拟井筒1包括上端盖、井壁和下端盖，所述井壁为套筒结构，两端带有外翻边，上端盖与井壁上端的外翻边通过螺栓连接，下端盖与井壁下端的外翻边通过螺栓连接；井筒的内腔形成了测试井下工具与仪器的空间；在所述模拟井筒1的筒壁上开有入口，在上端盖上开有出口。
所述井下环境模拟装置进一步包括井底温度模拟模块6，其向模拟井筒1内提供高温流体，用于模拟井底温度。
所述井下环境模拟装置进一步包括热交换器8，所述热交换器8螺旋缠绕在所述模拟井筒1的外壁上；
所述井底温度模拟模块6包括电机、高温液压泵、电加热器、双向液压锁、电磁换向阀、电磁阀和温度传感器；所述电机与高温液压泵相连，带动高温液压泵回转；高温液压泵有2个接口，第一个接口与电磁换向阀相连，第二个接口与电磁阀相连；电磁换向阀有3个接口，第一个接口与液压泵连接，第二个接口与油箱相连，第三个接口与双向液压锁连接；双向液压锁的4个接口，分别连接模拟井筒1筒壁上的入口、模拟井筒1的上端盖上的出口、电磁换向阀及油箱；电磁阀有2个接口，第一个接口与液压泵连接，第二个接口与热交换器8的上端连接，热交换器8的下端接入油箱；在双向液压锁与模拟井筒1的上端盖上的出口之间的管路上装有温度传感器；在所述双向液压锁与模拟井筒1上端盖上的出口之间的管路上安装有截止阀；数据采集与控制模块7分别连接电加热器和温度传感器；
所述数据采集与控制模块7进一步用于对井底温度模拟模块6的输出值即井底温度做闭环反馈控制，使井底温度的输出值与预设值相近，对井底温度进行精确控制。
所述环空压力模拟模块5包括电机、液压泵、电磁阀、调速阀、增压缸、电磁换向阀和压力传感器；
所述电机与液压泵相连，电磁换向阀的第一个接口与液压泵相连通，第二个接口与冷却器相连通，冷却器再与过滤器相连通，第三个接口与调速阀的一端相连通，调速阀的另一端与增压缸的下腔相连通，第四个接口与增压缸的上腔连通，增压缸的上腔与电磁阀的一个接口相连通，电磁阀的另一个接口与模拟井筒1的筒壁上的入口连接；所述压力传感器安装在所述环空压力模拟模块5与模拟井筒1连接的管路上；所述数据采集与控制模块7分别与液压泵和压力传感器连接。
在所述地层岩心模拟模块2内部装有岩心；
根据试验要求，可更换不同物理性质的岩心，模拟水平方向地层；
根据试验要求，在所述地层流体模拟模块3内可更换不同性质的流体模拟真实地层流体。
所述地层压力模拟模块4采用液压系统，其输出的高压油液先进入地层流体模拟模块3，再通过地层流体模拟模块3进入地层岩心模拟模块2；
所述地层岩心模拟模块2包括外安装座、法兰盘、高压油口、模拟岩心安装座、岩心和密封件；所述模拟岩心安装座和外安装座均为一端带法兰的套筒状结构，岩心外包裹有密封件，岩心及密封件一起安装在所述模拟岩心安装座内，模拟岩心安装座再安装在外安装座内，模拟岩心安装座的法兰的内端面与外安装座的法兰的外端面接触，模拟岩心安装座的法兰的外端面与法兰盘接触，通过螺栓将法兰盘、模拟岩心安装座和外安装座固定在一起；所述外安装座固定在模拟井筒1的井壁上，模拟岩心安装座一端插入地层岩心模拟模块安装孔内，在法兰盘的中心安装有高压油口，模拟地层流体通过高压油口进入岩心，再通过岩心渗透进入模拟井筒1内；
所述地层流体模拟模块3为液压缸结构，缸体内装有活塞，活塞将缸体分为两个腔，活塞的一侧为高压液压油腔，另一侧为模拟地层流体腔；在所述高压液压油腔一侧开有液压油入口，在高压液压油腔上端开有排气口；在所述模拟地层流体腔的一侧开有模拟地层流体出口，在模拟地层流体腔的上端开有模拟地层流体注入口；所述液压油入口与地层压力模拟模块4相连通，所述模拟地层流体出口与地层岩心模拟模块2上的高压油口相连通；电机与液压泵相连，电磁换向阀的第一个接口与液压泵相连通，第二个接口与冷却器相连通，冷却器与过滤器相连通，第三个接口通过双向液压锁与调速阀的接口相通，调速阀与增压缸的下腔相连通，第四个接口通过双向液压锁与增压缸的上腔连通；增压缸的上腔也与电磁阀连通；液压泵的出油口还接有溢流阀；
所述地层压力模拟模块4包括电磁阀、增压缸、调速阀、电磁换向阀、液压泵和电机；电机与液压泵相连，电磁换向阀的第一个接口与液压泵相连通，第二个接口与冷却器相连通，冷却器与过滤器相连通，第三个接口通过双向液压锁与调速阀的接口相通，调速阀与增压缸的下腔相连通，第四个接口通过双向液压锁与增压缸的上腔连通。增压缸的上腔也与电磁阀连通。液压泵的出油口还接有溢流阀。
所述数据采集与控制模块7通过压力传感器采集地层压力模拟模块4与环空压力模拟模块5输出的地层压力与环空压力信号，然后经A/D转化与调制处理送入工控机，分别与预设的地层压力和环空压力数值做比较，两者的差值作为控制信号，控制地层压力模拟模块4与环空压力模拟模块5的输出压力，使输出的地层压力、环空压力与预先设定的地层压力数值、环空压力数值相近或相似，达到精确闭环反馈控制地层压力、环空压力的目的。
所述数据采集与控制模块7通过温度传感器采集井底温度模拟模块6输出的温度信号，然后经A/D转化与调制处理送入工控机，与预设的井底温度做比较，两者的差值作为控制信号，控制井底温度模拟模块6的输出值，使井底温度模拟模块6的输出温度与预先设定的井底温度数值相近或相似，达到精确闭环反馈控制井底温度的目的。
所述井下环境模拟装置的使用方法包括以下步骤：
第一步：根据试验要求选取地层岩心模拟模块2的岩心、地层流体模拟模块3内的流体，并设定地层压力模拟模块4、环空压力模拟模块5、井底温度模拟模块6的预设值；
第二步：将待测试的井下工具或仪器放置于模拟井筒1内；
第三步：将模拟井筒1密封；
第四步：井底温度模拟模块6开机，数据采集与控制模块7初始化，设定井底温度初始值；
第五步：在井底温度模拟模块6内加热液压油至设定温度，并注入到模拟井筒1内，液压油从模拟井筒1筒壁上的的入口进入，从模拟井筒1上端盖上的出口排出，循环一段时间，这样将模拟井筒1内空气完全排出，让模拟井筒1内完全充满液压油，形成井底高温环境；
第六步：如数据采集与控制模块7采集到的井底温度达到设定值，井底温度模拟模块6停止向模拟井筒1内注入高温液压油，进行下一步操作，否则数据采集与控制模块7继续调整井底温度模拟模块6的高温液压油输出温度，使高温液压油的输出温度接近或达到设定初始值，继续向模拟井筒1内注入液压油；
第七步：从井底温度模拟模块6出来的高温油液进入热交换器8内循环，保持模拟井筒1内的设定温度；
第八步：设定地层压力、环空压力初始值，地层压力模拟模块4、环空压力模拟模块5开机；
第九步：地层压力模拟模块4、环空压力模拟模块5分别持续向地层岩心模拟模块2、模拟井筒1加压；
第十步：如果数据采集与控制模块7采集到的地层压力与环空压力达到设定值，进行下一步操作，否则数据采集与控制模块7继续调整地层压力模拟模块4、环空压力模拟模块5的输出压力，使输出压力接近或达到地层压力、环空压力设定值；
第十一步：如果需要开始测试试验，进行下一步操作，否则等待；
第十二步：对模拟井筒1内的井下工具或仪器开始测试试验；
第十三步：如果结束本次测试，进行下一步操作，否则转到第六步；
第十四步：关闭井下温度模拟模块6；
第十五步：关闭地层压力模拟模块4、环空压力模拟模块5；
第十六步：装置冷却、泄压；
第十七步：数据采集与控制模块7关机；
第十八步：取出测试的井下工具或仪器；
第十九步：数据后期处理与解释；
第二十步：装置保养，准备下次测试。
在所述第二步中，一般的井下工具与仪器可放置在模拟井筒1的中部，做抗高温、抗高压试验；如果是测试地层压力测量短节，则将地层压力测量短节放入模拟井筒1内，并将其探头顶靠在地层岩心模拟模块2位于模拟井筒1内的一侧。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)利用本发明可以在室内模拟井下环境，包括不同岩性、不同物理性质(如渗透率等)的地层、地层流体、地层压力、环空压力、井底温度；
(2)利用该装置，可进行井下工具、仪器抗高温、抗高压的工作寿命的地面测试；
(3)利用该装置可进行随钻地层压力测量短节工作可靠性测试；
(4)利用该装置，避免了在钻井现场进行井下工具、仪器试验时的设备搬迁、操作维护不便、影响钻进效率以及增大钻井成本的问题，同时也降低了试验难度，提高了经济效益。
附图说明
图1是本发明井下环境模拟装置的结构示意图。
图中，1为模拟井筒，2为地层岩心模拟模块，3为地层流体模拟模块，4为地层压力模拟模块，5为环空压力模拟模块，6为井底温度模拟模块，7为数据采集及控制模块，8为热交换器。
图2是本发明井下环境模拟装置中的环空压力模拟模块5的组成图。
图中，9为液压泵，10为电磁阀，11为调速阀，12为增压缸，13为电磁换向阀，14为压力传感器。
图3是本发明井下环境模拟装置中的井底温度模拟模块6的组成图。
图中，15为高温液压泵，16为电加热器，17为电磁换向阀，18为电磁阀，19a和19b为温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明井下环境模拟装置的结构如图1所示，包括以下部分：
(1)模拟井筒1
模拟井筒1包括上端盖、井壁和下端盖，根据钻井实际井下环境与尺寸进行耐高温高压设计，其内径为280mm，高2400mm，但不限于这些尺寸。井壁外侧安装地层岩心模拟模块2，井筒内壁形成了测试井下工具与仪器的空间。在所述模拟井筒1的筒壁上开有入口，在上端盖上开有出口。
(2)地层岩心模拟模块2
地层岩心模拟模块2安装在模拟井筒1的筒壁上，用于模拟水平方向地层。地层岩心模拟模块2一端与地层流体模拟模块3相通，另一端与模拟井筒1的内腔相通。地层岩心模拟模块2内部装有岩心，根据试验需求，可更换不同物理性质的岩心，模拟水平方向地层。
具体来说，所述地层岩心模拟模块2包括外安装座、法兰盘、高压油口、模拟岩心安装座、岩心和密封件；
所述模拟岩心安装座和外安装座均为一端带法兰的套筒状结构，岩心外包裹有密封件，岩心及密封件一起安装在所述模拟岩心安装座内，模拟岩心安装座再安装在外安装座内，模拟岩心安装座的法兰的内端面与外安装座的法兰的外端面接触，模拟岩心安装座的法兰的外端面与法兰盘接触，通过螺栓将法兰盘、模拟岩心安装座和外安装座固定在一起；
所述外安装座固定在模拟井筒1的井壁上，模拟岩心安装座一端插入地层岩心模拟模块安装孔内，在法兰盘的中心安装有高压油口，模拟地层流体通过高压油口进入岩心，再通过岩心渗透进入模拟井筒1内。
(3)地层流体模拟模块3
地层流体模拟模块3一端连通地层压力模拟模块4，另一端与地层岩心模拟模块2相连。根据试验要求，可更换不同性质的流体模拟真实地层流体。
具体来说，所述地层流体模拟模块3为液压缸结构，缸体内装有活塞，活塞将缸体分为两个腔，活塞的一侧为高压液压油腔，另一侧为模拟地层流体腔；
在所述高压液压油腔一侧开有液压油入口，在高压液压油腔上端开有排气口；
在所述模拟地层流体腔的一侧开有模拟地层流体出口，在模拟地层流体腔的上端开有模拟地层流体注入口；
所述液压油入口与地层压力模拟模块4相连通，所述模拟地层流体出口与地层岩心模拟模块2上的高压油口相连通；
电机与液压泵相连，电磁换向阀的第一个接口与液压泵相连通，第二个接口与冷却器相连通，冷却器与过滤器相连通，第三个接口通过双向液压锁与调速阀的接口相通，调速阀与增压缸的下腔相连通，第四个接口通过双向液压锁与增压缸的上腔连通；增压缸的上腔也与电磁阀连通；液压泵的出油口还接有溢流阀。
(4)地层压力模拟模块4
地层压力模拟模块4通过地层流体模拟模块3向地层岩心模拟模块2提供不同压力的高压油，模拟地层压力。地层压力模拟模块4由液压元件等组成。高压油液的压力通过地层流体模拟模块3的传递，作用在地层岩心模拟模块2的岩心端面上，模拟真实地层压力。模拟地层压力值最高可达70MPa(范围为0.1-70MPa。)，但不限于这些数值。
具体来说，该模块包括电磁阀、增压缸、调速阀、电磁换向阀、液压泵和电机。液压油的压力通过地层流体模拟模块作用在地层岩心模拟模块内的岩心上，来模拟真实的地层压力。液压泵的输出压力有限，为模拟更大压力范围的地层压力，采用增压缸放大液压泵输出压力的方法模拟地层压力。
电机与液压泵相连，电磁换向阀的第一个接口与液压泵相连通，第二个接口与冷却器相连通，冷却器与过滤器相连通，第三个接口通过双向液压锁与调速阀的接口相通，调速阀与增压缸的下腔相连通，第四个接口通过双向液压锁与增压缸的上腔连通。增压缸的上腔也与电磁阀连通。液压泵的出油口还接有溢流阀。
使用时，向电动机供电，带动液压泵回转，高压液压油经过换向阀，再通过双向液压锁与调速阀进入增压缸的下腔，通过增压缸的增压作用，高压油的压力数值在增压缸的上腔被放大，通过电磁阀后进入地层流体模拟模块3，然后作用在地层岩心模拟模块2内的岩心上，模拟地层压力。换向阀控制增压缸内活塞的运动方向，高压油进入增压缸的下腔，活塞向上运动到增压缸的上腔顶端后，控制换向阀，关闭电磁阀，高压油作用在增压缸的上腔顶端，活塞向下运动，回到增压缸的下腔低端，恢复初始状态。需要再次增压时，控制换向阀，使高压油进入液压缸的下腔，活塞再次向上运动，放大液压泵的输出压力，模拟地层压力。调速阀控制液压缸内的活塞运动速度，使液压缸上腔的压力匀速增大，保持地层压力增长的稳定性，提高地层压力控制精度。当地层压力升高到预先设定的数值后，电磁阀可切断地层流体模拟模块3的液压源，进而保持地层岩心模拟模块内的地层压力。此时液压泵可停止转动，节省能量。当地层压力减小时，控制系统自动开启液压泵，继续通过地层流体模拟模块3向地层岩心模拟模块2内的岩心提供模拟地层流体，直到地层压力与预设值相近，液压泵再次停止运转。
(5)环空压力模拟模块5
环空压力模拟模块5采用高温液压油作为介质，通过液压系统向模拟井筒1内提供不同压力的高压油，用来模拟环空压力。具体到图1，环空压力模拟模块5的高压油从模拟井筒1的筒壁上的入口进入模拟井筒1，给模拟井筒1加压。模拟环空压力的高压油不能从上端盖进入模块6，如图3所示，从上端盖出口出来的管线有截止阀，可以关闭，阻止高压油液进入井底温度模拟模块6，而且井底温度模拟模块6里面也有双向液压锁，阻止模拟环空压力的液压油进入。
如图2所示，该模块包括电机、液压泵9、电磁阀10、调速阀11、增压缸12、电磁换向阀13、压力传感器14。环空压力模拟模块5输出的液压油作用在模拟井筒1内，来模拟环空压力。液压泵9的输出压力有限，为模拟更大压力范围的环空压力，采用增压缸12放大液压泵9输出压力的方法模拟环空压力。
电机与液压泵9相连，电磁换向阀10的第一个接口与液压泵9相连通，第二个接口与冷却器相连通，冷却器再与过滤器相连通，第三个接口与调速阀11的一端相连通，调速阀11的另一端与增压缸12的下腔相连通，第四个接口与增压缸12的上腔连通，增压缸12的上腔与电磁阀13的一个接口相连通，电磁阀13的另一个接口与模拟井筒1的筒壁上的入口连接；在环空压力模拟模块5与模拟井筒1连接的管路上接有压力传感器14；所述数据采集与控制模块7分别与液压泵9和压力传感器14连接。
使用时，向电动机供电，带动液压泵9回转，高压液压油经过换向阀10，再经过调速阀11进入增压缸12的下腔，通过增压缸的增压作用，高压油的压力数值在增压缸12的上腔被放大，通过电磁阀13后进入模拟井筒1内，模拟环空压力。换向阀10控制增压缸12内活塞的运动方向，当活塞运动到增压缸12的上腔顶端后，控制换向阀10，高压油作用在增压缸12上腔顶端，增压缸12内的活塞向下运动，回复到初始位置。需要再次增压时，控制换向阀10，使高压油进入液压缸12的下腔，液压缸12内的活塞再次向上运动，放大液压泵9的输出压力，模拟环空压力。调速阀11控制液压缸12内的活塞运动速度，使液压缸12上腔的压力匀速增大，保持环空压力增长的稳定性，提高环空压力控制精度。当环空压力升高到预先设定的数值后，电磁阀13可切断环空压力模拟模块5的液压源，进而保持模拟井筒1内的环空压力。此时液压泵9可停止转动，节省电能。当环空压力减小时，数据采集与控制模块7自动开启液压泵9，打开电磁阀13，继续向模拟井筒1内提供高压油，压力传感器14检测到环空压力与预设值相近，液压泵9再次停止运转。
模拟井底环空压力值最高可达70MPa(范围是0.1-70MPa。)，但不限于这些数值。
(6)井底温度模拟模块6
井底温度模拟模块6向模拟井筒1提供高温流体，模拟井底温度。该模块由抗高温液压元件组成。
如图3所示，井底温度模拟模块6模拟井底高温状态，最高温度125℃，包括电机、高温液压泵15、电加热器16、电磁换向阀17、电磁阀18、温度传感器19a、19b。
电机与高温液压泵15相连，带动高温液压泵15回转；高温液压泵15有2个接口，第一个接口与电磁换向阀17相连，第二个接口与电磁阀18相连；电磁换向阀17有3个接口，第一个接口与液压泵15连接，第二个接口与油箱相连，第三个接口与双向液压锁连接。双向液压锁的4个接口，分别连接模拟井筒1筒壁上的入口、模拟井筒1的上端盖上的出口、电磁换向阀17及油箱。电磁阀18有2个接口，第一个接口与液压泵15连接，第二个接口与热交换器8的上端连接，热交换器8的下端接入油箱。在双向液压锁与模拟井筒1的上端盖上的出口之间的管路上装有温度传感器19a，数据采集与控制模块7分别连接电加热器16和温度传感器19a。另外，在在下部油箱内安装有温度传感器19b，其测定的温度不需要给控制模块7。
测试开始时，电加热器16先将油液加热至设计温度，电磁阀18关闭，电磁阀17阀芯处于右位，液压泵15将高温油液泵入模拟井筒1内，并注满。模拟井眼内注满高温液压油后，在模拟井筒1外围安装有热交换器8，电磁阀17处于左位，打开电磁阀18，向热交换器内通入循环的高温油液，通过热传导控制并保持模拟井眼内的油液温度在设定温度，起微调温度作用。温度传感器19a检测模拟井眼内的温度，如低于设定温度，则向电加热器16供电，加热液压油，通过在热交换器8内循环，经热传导使模拟井筒1内温度上升至设定温度。如模拟井筒1内温度高于设定温度，则数据采集与控制模块7停止向电加热器16供电，使系统冷却至设定温度，达到闭环反馈精确控制井底温度的目的。
高温流体被送至模拟井筒1周围的热交换器8，通过热传导加热并保持模拟井筒内流体的温度，模拟井底温度，温度值最高可达125℃(范围是25-125℃。)，但不限于这些数值。
(7)数据采集与控制模块7
数据采集与控制模块7的作用是对地层压力模拟模块4、环空压力模拟模块5、井底温度模拟模块6的输出值，即地层压力、环空压力、井底温度做闭环反馈控制，使这些压力、温度输出值与预设值相近，对地层压力与环空压力进行精确控制。
使用时，井底温度模拟模块6内的加热装置将流体(比如液压油)加热至预设温度，然后将流体注入模拟井筒1的密闭空间内，如图3所示，流体从模拟井筒1筒壁上的的入口进入，从模拟井筒1上端盖上的出口排出，循环一段时间，采用这种低进高出的循环方式是为了模拟井筒1内完全充满液压油，将模拟井筒1内空气完全排出，形成井底高温环境。通过温度传感器实时监测模拟井筒1内的温度，然后高温流体停止注入，并在模拟井筒1外围的热交换器8内循环。通过热传递，对模拟井筒1内的高温流体保温，使模拟井筒1内的温度维持在设定温度。如果模拟井筒1内的温度降低，则向热交换器8内通入温度更高的高温流体，使模拟井筒1内的温度上升至设定温度，起到调节模拟井筒温度与保温的作用。
模拟井筒1内的温度达到预先设定值后，启动环空压力模拟模块5。环空压力模拟模块5向模拟井筒1内注入一定量的高压油液，模拟环空压力。此时模拟井筒1内的压力逐步升高，达到环空压力预先设定值后，环空压力模拟模块5停止工作。压力传感器持续监测模拟井筒1内的环空压力，如低于预设值，环空压力模拟模块5继续工作，直至恢复到环空压力预设值。高压油液与上述高温液压油有一定混合，直到试验结束，在环空压力模拟模块5加压过程中，没有流体从上端盖的出口流出。
环空压力模拟模块5工作的同时，地层压力模拟模块4也处于工作状态。地层压力模拟模块4向地层流体模拟模块3内注入一定量的高压油液，模拟地层压力。此时地层压力模拟模块4的输出压力逐步升高，达到预先设定好的地层压力后，地层压力模拟模块4停止工作。压力传感器持续监测地层压力，如果低于预设值，地层压力模拟模块4继续工作，直至恢复到预设的地层压力值。
地层流体模拟模块3与地层压力模拟模块4相连。地层压力模拟模块4的高压油液作用在地层流体模拟模块3内。地层流体模拟模块3由活塞分隔为两部分，左侧容纳液压油，右侧容纳地层流体，由于活塞具有密封作用，两侧的流体不能相互混合。从地层压力模拟模块4出来的液压油直接进入到地层流体模拟模块左侧腔室，活塞在高压作用下将其右侧的地层流体注入到地层岩心模拟模块2内。根据试验要求，地层流体模拟模块3可更换不同性质的地层流体，模拟井下真实状况。
地层岩心模拟模块2与地层流体模拟模块3相连。在地层压力作用下，地层流体渗入地层岩心模拟模块2内的岩心中，再从岩心渗透到模拟井筒1内，模拟地层内的流体。岩心根据试验要求可更换，模拟不同物理性质的地层。本发明中，地层岩心模拟模块2安装在模拟井筒1的外侧，模拟水平方向地层。因此，除了对其它井下工具、仪器进行试验外，还可对地层压力测量短节进行地面测试。
模拟井筒1与地层岩心模拟模块2相连。试验时，一般的井下工具与仪器可放置在模拟井筒1的中部，做抗高温、抗高压试验。地层压力测量短节在模拟井筒1内做测试时，可将地层压力测量短节的探头顶靠在地层岩心模拟模块2位于模拟井筒1内的一侧，然后进行测试。
数据采集与控制模块7的作用是对地层压力模拟模块4、环空压力模拟模块5、井底温度模拟模块6的输出值，即地层压力、环空压力、井底温度做闭环反馈控制，使这些压力、温度输出值与预设值相近，对地层压力与环空压力进行精确控制。
数据采集与控制模块7的功能由工控机完成，其工作原理如下：
数据采集与控制模块7通过压力传感器采集地层压力模拟模块4与环空压力模拟模块5输出的地层压力与环空压力信号，经A/D转换与调制处理送入工控机，分别与预设的地层压力、环空压力数值做比较，两者的差值作为控制信号，控制地层压力模拟模块4与环空压力模拟模块5的输出压力，使地层压力模拟模块4与环空压力模拟模块5输出的地层压力、环空压力与预先设定的地层压力数值、环空压力数值相近或相似，达到精确闭环反馈控制地层压力、环空压力的目的。
数据采集及控制模块7通过温度传感器采集井底温度模拟模块6输出的温度信号，经A/D转换与调制处理送入工控机，与预设的井底温度做比较，两者的差值作为控制信号，控制井底温度模拟模块6的输出值，使井底温度模拟模块6的输出温度与预先设定的井底温度数值相近或相似，精确控制井底温度。
所述井下环境模拟装置的使用方法如下：
(1)根据试验要求选取地层岩心模拟模块2的岩心，地层流体模拟模块3内的流体，并设定地层压力模拟模块4、环空压力模拟模块5、井底温度模拟模块6的预设值；
(2)将待测试的井下工具或仪器放置于模拟井筒1内；
(3)将模拟井筒1密封；
(4)井底温度模拟模块6开机，数据采集与控制模块7初始化，设定井底温度初始值；
(5)第五步：在井底温度模拟模块6内加热液压油至设定温度，并注入到模拟井筒1内，液压油从模拟井筒1筒壁上的的入口进入，从模拟井筒1上端盖上的出口排出，循环一段时间，这样将模拟井筒1内空气完全排出，让模拟井筒1内完全充满液压油，形成井底高温环境；
(6)如数据采集与控制模块7采集到的井底温度达到设定值，井底温度模拟模块6停止向模拟井筒1内注入高温液压油，进行下一步操作，否则数据采集与控制模块7继续调整井底温度模拟模块6的高温液压油输出温度，使高温液压油的输出温度接近或达到设定初始值，继续向模拟井筒1内注入液压油；
(7)从井底温度模拟模块6出来的高温油液进入热交换器8内循环，保持模拟井筒1内的设定温度；
(8)设定地层压力、环空压力初始值，地层压力模拟模块4、环空压力模拟模块5开机；
(9)地层压力模拟模块4、环空压力模拟模块5分别持续向地层岩心模拟模块2、模拟井筒1加压；
(10)如果数据采集与控制模块7采集到的地层压力与环空压力达到设定值，进行下一步操作，否则数据采集与控制模块7继续调整地层压力模拟模块4、环空压力模拟模块5的输出压力，使输出压力接近或达到地层压力与环空压力设定值；
(11)如果需要开始测试试验，进行下一步操作，否则等待；
(12)模拟井筒1内井下工具或仪器开始测试试验；
(13)如果结束本次测试，进行下一步操作，否则转到(6)；
(14)关闭井下温度模拟模块6；
(15)关闭地层压力模拟模块4、环空压力模拟模块5；
(16)装置冷却、泄压；
(17)数据采集与控制系统7关机；
(18)取出测试的井下工具或仪器；
(19)数据后期处理与解释(待测试工具内带有数据存储装置，测试结束后将带测试工具取出，并下载测试数据)；
(20)装置保养，准备下次测试。
综合上述分析，与西南石油大学研制的高温高压模拟井筒相比，本发明的模拟井筒内径较大，模拟井内压力也较高，因此应用范围也较广。与原地矿部探矿工艺研究所等单位研制的钻进模拟井筒相比，本发明中模拟地层的岩心安装在井筒侧面，可模拟水平方向地层。而本发明除了进行其它井下工具与仪器地面测试外，还可对随钻地层压力测量短节进行地面测试、调试与试验，还可进行地层压力测量算法的研究。在该装置内，其它井下工具仪器可进行抗高温、抗高压试验。该装置可解决野外试验工作周期长，费用高，检测手段欠缺等问题，具有较好的应用前景。
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。
Claims (10)
1.一种井下环境模拟装置，其特征在于：所述井下环境模拟装置包括模拟井筒(1)、地层岩心模拟模块(2)、地层流体模拟模块(3)、地层压力模拟模块(4)、环空压力模拟模块(5)和数据采集与控制模块(7)；
所述模拟井筒(1)用于模拟井眼，待测的井下工具或仪器放置在所述模拟井筒(1)内；
所述地层岩心模拟模块(2)用于模拟水平方向地层，其安装在所述模拟井筒(1)的筒壁上，其一端与模拟井筒(1)的内腔相连通，另一端与地层流体模拟模块(3)的一端相连通；
所述地层流体模拟模块(3)用于模拟真实地层流体，其一端与地层岩心模拟模块(2)相连通，另一端与地层压力模拟模块(4)相连通；
所述地层压力模拟模块(4)用于模拟地层压力，其输出的压力通过地层流体模拟模块(3)的传递，作用在地层岩心模拟模块(2)上；
所述环空压力模拟模块(5)用于模拟井底环空压力，其与模拟井筒(1)的内腔连通，向模拟井筒(1)内部施加高压；
所述数据采集与控制模块(7)用于对地层压力模拟模块(4)的输出值即地层压力、环空压力模拟模块(5)的输出值即环空压力做闭环反馈控制，使地层压力、环空压力的输出值与各自的预设值相近，对地层压力与环空压力进行精确控制。
2.根据权利要求1所述的井下环境模拟装置，其特征在于：所述模拟井筒1包括上端盖、井壁和下端盖，所述井壁为套筒结构，两端带有外翻边，上端盖与井壁上端的外翻边通过螺栓连接，下端盖与井壁下端的外翻边通过螺栓连接；井筒的内腔形成了测试井下工具与仪器的空间；在所述模拟井筒(1)的筒壁上开有入口，在上端盖上开有出口。
3.根据权利要求2所述的井下环境模拟装置，其特征在于：所述井下环境模拟装置进一步包括井底温度模拟模块(6)，其向模拟井筒(1)内提供高温流体，用于模拟井底温度。
4.根据权利要求3所述的井下环境模拟装置，其特征在于：所述井下环境模拟装置进一步包括热交换器(8)，所述热交换器(8)螺旋缠绕在所述模拟井筒(1)的外壁上；
所述井底温度模拟模块(6)包括电机、高温液压泵、电加热器、双向液压锁、电磁换向阀、电磁阀和温度传感器；所述电机与高温液压泵相连，带动高温液压泵回转；高温液压泵有2个接口，第一个接口与电磁换向阀相连，第二个接口与电磁阀相连；电磁换向阀有3个接口，第一个接口与液压泵连接，第二个接口与油箱相连，第三个接口与双向液压锁连接；双向液压锁的4个接口，分别连接模拟井筒(1)筒壁上的入口、模拟井筒(1)的上端盖上的出口、电磁换向阀及油箱；电磁阀有2个接口，第一个接口与液压泵连接，第二个接口与热交换器(8)的上端连接，热交换器(8)的下端接入油箱；在双向液压锁与模拟井筒(1)的上端盖上的出口之间的管路上装有温度传感器；在所述双向液压锁与模拟井筒(1)上端盖上的出口之间的管路上安装有截止阀；数据采集与控制模块(7)分别连接电加热器和温度传感器；
所述数据采集与控制模块(7)进一步用于对井底温度模拟模块(6)的输出值即井底温度做闭环反馈控制，使井底温度的输出值与预设值相近，对井底温度进行精确控制。
5.根据权利要求1所述的井下环境模拟装置，其特征在于：所述环空压力模拟模块(5)包括电机、液压泵、电磁阀、调速阀、增压缸、电磁换向阀和压力传感器；
所述电机与液压泵相连，电磁换向阀的第一个接口与液压泵相连通，第二个接口与冷却器相连通，冷却器再与过滤器相连通，第三个接口与调速阀的一端相连通，调速阀的另一端与增压缸的下腔相连通，第四个接口与增压缸的上腔连通，增压缸的上腔与电磁阀的一个接口相连通，电磁阀的另一个接口与模拟井筒(1)的筒壁上的入口连接；所述压力传感器安装在所述环空压力模拟模块(5)与模拟井筒(1)连接的管路上；所述数据采集与控制模块(7)分别与液压泵和压力传感器连接。
6.根据权利要求1至5任一所述的井下环境模拟装置，其特征在于：在所述地层岩心模拟模块(2)内部装有岩心；
根据试验要求，可更换不同物理性质的岩心，模拟水平方向地层；
根据试验要求，在所述地层流体模拟模块(3)内可更换不同性质的流体模拟真实地层流体。
7.根据权利要求1至5任一所述的井下环境模拟装置，其特征在于：所述地层压力模拟模块(4)采用液压系统，其输出的高压油液先进入地层流体模拟模块(3)，再通过地层流体模拟模块(3)进入地层岩心模拟模块(2)；
所述地层岩心模拟模块(2)包括外安装座、法兰盘、高压油口、模拟岩心安装座、岩心和密封件；所述模拟岩心安装座和外安装座均为一端带法兰的套筒状结构，岩心外包裹有密封件，岩心及密封件一起安装在所述模拟岩心安装座内，模拟岩心安装座再安装在外安装座内，模拟岩心安装座的法兰的内端面与外安装座的法兰的外端面接触，模拟岩心安装座的法兰的外端面与法兰盘接触，通过螺栓将法兰盘、模拟岩心安装座和外安装座固定在一起；所述外安装座固定在模拟井筒(1)的井壁上，模拟岩心安装座一端插入地层岩心模拟模块安装孔内，在法兰盘的中心安装有高压油口，模拟地层流体通过高压油口进入岩心，再通过岩心渗透进入模拟井筒(1)内；
所述地层流体模拟模块(3)为液压缸结构，缸体内装有活塞，活塞将缸体分为两个腔，活塞的一侧为高压液压油腔，另一侧为模拟地层流体腔；在所述高压液压油腔一侧开有液压油入口，在高压液压油腔上端开有排气口；在所述模拟地层流体腔的一侧开有模拟地层流体出口，在模拟地层流体腔的上端开有模拟地层流体注入口；所述液压油入口与地层压力模拟模块(4)相连通，所述模拟地层流体出口与地层岩心模拟模块(2)上的高压油口相连通；电机与液压泵相连，电磁换向阀的第一个接口与液压泵相连通，第二个接口与冷却器相连通，冷却器与过滤器相连通，第三个接口通过双向液压锁与调速阀的接口相通，调速阀与增压缸的下腔相连通，第四个接口通过双向液压锁与增压缸的上腔连通；增压缸的上腔也与电磁阀连通；液压泵的出油口还接有溢流阀；
所述地层压力模拟模块(4)包括电磁阀、增压缸、调速阀、电磁换向阀、液压泵和电机；电机与液压泵相连，电磁换向阀的第一个接口与液压泵相连通，第二个接口与冷却器相连通，冷却器与过滤器相连通，第三个接口通过双向液压锁与调速阀的接口相通，调速阀与增压缸的下腔相连通，第四个接口通过双向液压锁与增压缸的上腔连通。增压缸的上腔也与电磁阀连通。液压泵的出油口还接有溢流阀。
8.根据权利要求4所述的井下环境模拟装置，其特征在于：所述数据采集与控制模块(7)通过压力传感器采集地层压力模拟模块(4)与环空压力模拟模块(5)输出的地层压力与环空压力信号，然后经A/D转化与调制处理送入工控机，分别与预设的地层压力和环空压力数值做比较，两者的差值作为控制信号，控制地层压力模拟模块(4)与环空压力模拟模块(5)的输出压力，使输出的地层压力、环空压力与预先设定的地层压力数值、环空压力数值相近或相似，达到精确闭环反馈控制地层压力、环空压力的目的；
所述数据采集与控制模块(7)通过温度传感器采集井底温度模拟模块(6)输出的温度信号，然后经A/D转化与调制处理送入工控机，与预设的井底温度做比较，两者的差值作为控制信号，控制井底温度模拟模块(6)的输出值，使井底温度模拟模块(6)的输出温度与预先设定的井底温度数值相近或相似，达到精确闭环反馈控制井底温度的目的。
9.一种使用权利要求8所述的井下环境模拟装置的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
第一步：根据试验要求选取地层岩心模拟模块(2)的岩心、地层流体模拟模块(3)内的流体，并设定地层压力模拟模块(4)、环空压力模拟模块(5)、井底温度模拟模块(6)的预设值；
第二步：将待测试的井下工具或仪器放置于模拟井筒(1)内；
第三步：将模拟井筒(1)密封；
第四步：井底温度模拟模块(6)开机，数据采集与控制模块(7)初始化，设定井底温度初始值；
第五步：在井底温度模拟模块(6)内加热液压油至设定温度，并注入到模拟井筒(1)内，液压油从模拟井筒(1)筒壁上的的入口进入，从模拟井筒(1)上端盖上的出口排出，循环一段时间，这样将模拟井筒(1)内空气完全排出，让模拟井筒(1)内完全充满液压油，形成井底高温环境；
第六步：如数据采集与控制模块(7)采集到的井底温度达到设定值，井底温度模拟模块(6)停止向模拟井筒(1)内注入高温液压油，进行下一步操作，否则数据采集与控制模块(7)继续调整井底温度模拟模块(6)的高温液压油输出温度，使高温液压油的输出温度接近或达到设定初始值，继续向模拟井筒(1)内注入液压油；
第七步：从井底温度模拟模块(6)出来的高温油液进入热交换器(8)内循环，保持模拟井筒(1)内的设定温度；
第八步：设定地层压力、环空压力初始值，地层压力模拟模块(4)、环空压力模拟模块(5)开机；
第九步：地层压力模拟模块(4)、环空压力模拟模块(5)分别持续向地层岩心模拟模块(2)、模拟井筒(1)加压；
第十步：如果数据采集与控制模块(7)采集到的地层压力与环空压力达到设定值，进行下一步操作，否则数据采集与控制模块(7)继续调整地层压力模拟模块(4)、环空压力模拟模块(5)的输出压力，使输出压力接近或达到地层压力、环空压力设定值；
第十一步：如果需要开始测试试验，进行下一步操作，否则等待；
第十二步：对模拟井筒(1)内的井下工具或仪器开始测试试验；
第十三步：如果结束本次测试，进行下一步操作，否则转到第六步；
第十四步：关闭井下温度模拟模块(6)；
第十五步：关闭地层压力模拟模块(4)、环空压力模拟模块(5)；
第十六步：装置冷却、泄压；
第十七步：数据采集与控制模块(7)关机；
第十八步：取出测试的井下工具或仪器；
第十九步：数据后期处理与解释；
第二十步：装置保养，准备下次测试。
10.根据权利要求9所述的使用井下环境模拟装置的方法，其特征在于：在所述第二步中，一般的井下工具与仪器可放置在模拟井筒1的中部，做抗高温、抗高压试验；如果是测试地层压力测量短节，则将地层压力测量短节放入模拟井筒1内，并将其探头顶靠在地层岩心模拟模块2位于模拟井筒1内的一侧。
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