CN103728175A - 一种钻井岩石力学多参数测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井岩石力学多参数测试装置，主要是利用划痕刀具和感应式力矩测量机构测试岩石单轴抗压强度，测试结束后能保证岩样的完整性，对于极少数硬度较高的岩心，则更换平底压头直接测量岩石单轴抗压强度，更换牙轮微钻头即可测试岩石可钻性，利用液压作动器、齿轮变速机构以及可变速电机配合实现钻压和转速优选，在批量测试时该装置相比直接压入测试装置而言具有显著优势，可极大地减少岩心使用量，提高了单台实验设备的利用率，降低实验成本，同时，测试结果对钻井提速提效以及指导现场施工具有重要意义。

Description

一种钻井岩石力学多参数测试装置

技术领域

本发明涉及石油钻井领域，特别是涉及一种钻井岩石力学多参数测试装置，可同时实现岩石单轴抗压强度和岩石可钻性测试，以及钻压和转速优选。

背景技术

岩石力学在石油钻井工程中的应用变得日趋重要，获取与钻井工程相关的岩石力学参数对于完成高质量的钻井工程设计必不可少。

钻井工程中主要涉及的岩石力学参数包括岩石单轴抗压强度和岩石可钻性，岩石单轴抗压强度和岩石可钻性主要表征岩石抵抗工具破岩的能力，是钻井工程中钻具优选的基本依据，而钻压和转速作为钻井工程设计方案中指导现场施工的主要依据，钻压和转速的优选对于安全、高效、快速钻进具有重要意义。

钻井工程中所涉及的地层多为2000米以下的深部地层，岩心获取非常困难且昂贵，由于绝大部分岩石力学实验都是破坏性试验，因此，地质取心所获取的岩心数量远不能满足工程设计的需要，如何以尽可能少的岩心获取尽可能多的钻井岩石力学参数成为石油工程领域亟待解决的问题。

钻井工程中岩样需要测试的相关岩石力学参数较多，现有的岩石单轴抗压强度测试设备和岩石可钻性测试设备完全独立，如果可以在一台设备上完成所有测试，并且尽可能使用较少的岩心，那么不仅可以提高单台设备利用率，也可以极大地节约实验成本。

划痕法测试岩石单轴抗压强度是一种基于统计回归和机械比能原理的非破坏性岩石单轴抗压强度测试方法，可以在完成测试后保证岩样的完整性，在批量测试时相比直接压入法而言具有显著优势。

感应式力矩测量机构，采用感应式集流环，利用电磁感应的原理将旋转部分的电信号传到固定部分上去，不存在各种接触点，所以不存在接触电阻等问题，由于实现了无接触信号传递，因而消除了摩擦升温的热电势，适用于旋转体的力矩测试。

微钻头法是石油工程钻井领域一种常用的室内岩石可钻性测试方法，并已形成石油与天然气行业标准。

液压作动器是按照确定的控制规律通过液压对控制对象施加控制力的装置，主要应用于动力学试验设备。

齿轮变速机构是利用不同半径齿轮间的切换，实现不同转速输出的一种机械结构。

可变速电机根据变速方式的不同分为调压调速、变极调速、变频调速和抽头调速等多个类型，主要应用于机械制造和节能改造等领域。

微型水龙头与水龙头原理一致，水龙头是一种旋转注入机构，具有较好的旋转密封特性，主要应用于石油钻井工程领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻井岩石力学多参数测试装置，利用划痕刀具和感应式力矩测量机构配合测试岩石单轴抗压强度，利用微钻头测试岩石可钻性，利用液压作动器、齿轮变速机构以及可变速电机配合实现钻压和转速优选。

为达到上诉目的，本发明采用以下技术方案：一种钻井岩石力学和机械参数测试装置，包括机架、岩心夹持器、钻压加载机构、转速加载机构以及岩屑清理机构；所述机架包括底座、第一支撑杆、第二支撑杆、顶板；其特征在于：第一支撑杆和第二支撑杆通过螺纹连接底座，并通过键槽连接顶板；所述岩心夹持器包括T型加压板、底板、第一升降螺杆、第二升降螺杆、第一升降螺母、第二升降螺母；其特征在于：通过调节第一升降螺杆和第二升降螺杆使岩心同底板上界面和T型加压板下界面接触，通过固紧第一升降螺母和第二升降螺母，实现岩心夹持；所述钻压加载机构包括液压泵、液压伺服控制系统、液压作动器；其特征在于：液压泵在液压伺服系统的控制下为液压作动器提供动力，液压作动器带动T型加压板向下移动，钻具从进尺通道进入并顶住岩心，实现钻压加载；所述转速加载机构包括可变速电机、变速箱、传动杆、过渡杆、钻具；其特征在于：可变速电机通过第一定位螺钉和第二定位螺钉固定于底座，变速箱中设置有齿轮变速机构和力矩测试机构，可变速电机传递转矩给齿轮变速机构，齿轮变速机构带动传动杆旋转，通过调节可变速电机转速和齿轮变速机构组合形式实现传动杆转速调节，传动杆传递转矩给过渡杆，传动杆和过渡干具有内部清洗流道，过渡杆通过螺纹连接钻具，带动钻具旋转破岩，实现转速加载，感应式力矩测量机构获得钻具旋转破岩时的力矩，用于划痕法计算岩石单轴抗压强度；所述岩屑清理机构包括岩屑槽、升降筒、第一升降活塞、第二升降活塞、第一升降活塞杆、第二升降活塞杆、流体入口、流体出口、微型水龙头；其特征在于：岩屑槽通过第三定位螺钉和第四定位螺钉固定于变速箱，岩屑槽通过第一密封环和第二密封环实现与传动杆之间的动密封，升降筒通过第五定位螺钉与第一升降活塞杆连接，升降筒通过第六定位螺钉与第二升降活塞杆连接，第一升降活塞和第二升降活塞带动第一升降活塞杆和第二升降活塞杆上下移动，实现升降筒的上提和下放，升降筒通过第三密封环和第四密封环实现与岩屑槽之间的动密封，升降筒上提并与底板接近，升降筒与底板通过防碰橡胶环接触和密封，形成密闭腔室，流体通过流体入口进入微型水龙头，流体入口通过第七定位螺钉和第八定位螺钉与岩屑槽连接，并通过第一密封胶芯实现密封，微型水龙头和传动杆旋转动密封，流体进入清洗流道内并到达钻具，对钻具清洗、冷却、润滑，流体携带岩屑进入密闭腔室，经岩屑槽底部斜坡面进入流体出口，流体出口通过第九定位螺钉和第十定位螺钉与岩屑槽连接，并通过第二密封胶芯实现密封，流体携带岩屑通过流体出口完成返排。

钻具包括三种类型：微型牙轮钻头、划痕刀具、平底压头，分别用于测试岩石可钻性和岩石单轴抗压强度，微型牙轮钻头测试岩石可钻性方法依据石油和天然气行业标准SY/T 5426-2000实施，采用划痕刀具测试岩石单轴抗压强度时，需要同感应式力矩测量机构配合，由于钻井工程中存在极少数硬度较高的岩心，如果划痕刀具无法在岩心上刻痕，则采用平底压头直接测量岩石单轴抗压强度。

利用液压作动器、齿轮变速机构以及可变速电机配合，实现钻压和转速优选，主要依据是单位时间钻具有效进尺。

T型加压板底部中心带有凹槽，可防止钻具钻穿岩心后撞击金属壁面。

底板的进尺通道两侧设置有第一微型弧面和第二微型弧面，减小岩样受力加载过程中的应力集中，同时使岩心夹持器不仅适合于方形岩心也适合于圆柱形岩心。

岩屑槽和升降筒采用钢化玻璃材料，具有足够的透明度和强度，满足观察岩屑返排情况的要求，同时保证破碎岩屑无法击碎筒壁。

岩屑槽底部斜坡面的倾角足够大，保证岩屑顺利返排，岩屑无法沉积在岩屑槽底部。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：利用划痕刀具和感应式力矩测量机构配合测试岩石单轴抗压强度，在完成测试后保证岩样的完整性，在批量测试时相比直接压入法而言具有显著优势，利用液压作动器、齿轮变速机构以及可变速电机配合实现钻压和转速优选，不仅提高了单台设备利用率，而且测试结果对钻井提速提效以及指导现场施工具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为岩屑槽底部的局部放大视图。

图3为岩屑槽和升降筒动密封的局部放大视图。

图4为密闭腔室上顶部的局部放大视图。

图5为变速箱的局部放大视图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步说明本发明。

如图1至图5所示，一种钻井岩石力学多参数测试装置，包括机架、岩心夹持器、钻压加载机构、转速加载机构以及岩屑清理机构；所述机架包括底座1、第一支撑杆2、第二支撑杆17、顶板14；其特征在于：第一支撑杆2和第二支撑杆17通过螺纹连接底座1，并通过键槽连接顶板14；所述岩心夹持器包括T型加压板13、底板9、第一升降螺杆11、第二升降螺杆29、第一升降螺母12、第二升降螺母30；其特征在于：通过调节第一升降螺杆11和第二升降螺杆29使岩心10同底板9上界面和T型加压板13下界面接触，通过固紧第一升降螺母12和第二升降螺母30，实现岩心夹持；所述钻压加载机构包括液压泵、液压伺服控制系统、液压作动器15；其特征在于：液压泵在液压伺服系统的控制下为液压作动器15提供动力，液压作动器15带动T型加压板13向下移动，钻具28从进尺通道45进入并顶住岩心10，实现钻压加载；所述转速加载机构包括可变速电机16、变速箱31、传动杆21、过渡杆25、钻具28；其特征在于：可变速电机16通过第一定位螺钉49和第二定位螺钉48固定于底座1，变速箱31中设置有齿轮变速机构50和感应式力矩测量机构51，可变速电机16传递转矩给齿轮变速机构50，齿轮变速机构50带动传动杆21旋转，通过调节可变速电机16转速和齿轮变速机构50组合形式实现传动杆21转速调节，传动杆21传递转矩给过渡杆25，传动杆21和过渡杆25具有内部清洗流道26，过渡杆25通过螺纹连接钻具28，带动钻具28旋转破岩，实现转速加载，感应式力矩测量机构51获得钻具28旋转破岩时的力矩，用于划痕法计算岩石单轴抗压强度；所述岩屑清理机构包括岩屑槽4、升降筒24、第一升降活塞6、第二升降活塞22、第一升降活塞杆7、第二升降活塞杆23、流体入口5、流体出口19、微型水龙头20；其特征在于：岩屑槽4通过第三定位螺钉3和第四定位螺钉18固定于变速箱31，岩屑槽4通过第一密封环32和第二密封环33实现与传动杆21之间的动密封，升降筒24通过第五定位螺钉8与第一升降活塞杆7连接，升降筒24通过第六定位螺钉27与第二升降活塞杆23连接，第一升降活塞6和第二升降活塞22带动第一升降活塞杆7和第二升降活塞杆23上下移动，实现升降筒24的上提和下放，升降筒24通过第三密封环42和第四密封环43实现与岩屑槽4之间的动密封，升降筒24上提并与底板9接近，升降筒24与底板9通过防碰橡胶环44接触和密封，形成密闭腔室36，流体通过流体入口5进入微型水龙头20，流体入口5通过第七定位螺钉34和第八定位螺钉35与岩屑槽4连接，并通过第一密封胶芯37实现密封，微型水龙头20和传动杆21旋转动密封，流体进入清洗流道26到达钻具28，对钻具28清洗、冷却、润滑，流体携带岩屑进入密闭腔室36，经岩屑槽4底部斜坡面41进入流体出口19，流体出口19通过第九定位螺钉38和第十定位螺钉39与岩屑槽4连接，并通过第二密封胶芯40实现密封，流体携带岩屑通过流体出口19完成返排。

钻具28包括三种类型：微型牙轮钻头、划痕刀具、平底压头，分别用于测试岩石可钻性和岩石单轴抗压强度，微型牙轮钻头测试岩石可钻性方法依据石油和天然气行业标准SY/T 5426-2000实施，采用划痕刀具测试岩石单轴抗压强度时，需要同感应式力矩测量机构51配合，由于钻井工程中存在极少数硬度较高的岩心，如果划痕刀具无法在岩心上刻痕，则采用平底压头直接测量岩石单轴抗压强度。

利用液压作动器15、齿轮变速机构50以及可变速电机16配合，实现钻压和转速优选，主要依据是单位时间钻具28有效进尺。

如图1所示，T型加压板13底部中心带有凹槽，可防止钻具28钻穿岩心10后撞击金属壁面。

如图4所示，底板9的进尺通道45两侧设置有第一微型弧面47和第二微型弧面46，减小岩心10受力加载过程中的应力集中，同时使岩心夹持器不仅适合于方形岩心10也适合于圆柱形岩心10。

如图1所示，岩屑槽4和升降筒24采用钢化玻璃材料，具有足够的透明度和强度，满足观察岩屑返排情况的要求，同时保证破碎岩屑无法击碎筒壁。

如图2所示，岩屑槽4底部斜坡面41的倾角足够大，保证岩屑顺利返排，岩屑无法沉积在岩屑槽4底部。

本发明装置需与液压泵和液压伺服系统配套使用，但本发明装置的部件并不包括液压泵和液压伺服系统，附图中也未出示液压泵和液压伺服系统。

Claims (6)

1.一种钻井岩石力学多参数测试装置，包括机架、岩心夹持器、钻压加载机构、转速加载机构以及岩屑清理机构；所述机架包括底座（1）、第一支撑杆（2）、第二支撑杆（17）、顶板（14）；其特征在于：第一支撑杆（2）和第二支撑杆（17）通过螺纹连接底座（1），并通过键槽连接顶板（14）；所述岩心夹持器包括T型加压板（13）、底板（9）、第一升降螺杆（11）、第二升降螺杆（29）、第一升降螺母（12）、第二升降螺母（30）；其特征在于：通过调节第一升降螺杆（11）和第二升降螺杆（29）使岩心（10）同底板（9）上界面和T型加压板（13）下界面接触，通过固紧第一升降螺母（12）和第二升降螺母（30），实现岩心夹持；所述钻压加载机构包括液压泵、液压伺服控制系统、液压作动器（15）；其特征在于：液压泵在液压伺服系统的控制下为液压作动器（15）提供动力，液压作动器（15）带动T型加压板（13）向下移动，钻具（28）从进尺通道（45）进入并顶住岩心（10），实现钻压加载；所述转速加载机构包括可变速电机（16）、变速箱（31）、传动杆（21）、过渡杆（25）、钻具（28）；其特征在于：可变速电机（16）通过第一定位螺钉（49）和第二定位螺钉（48）固定于底座（1），变速箱（31）中设置有齿轮变速机构（50）和感应式力矩测量机构（51），可变速电机（16）传递转矩给齿轮变速机构（50），齿轮变速机构（50）带动传动杆（21）旋转，通过调节可变速电机（16）转速和齿轮变速机构（50）组合形式实现传动杆（21）转速调节，传动杆（21）传递转矩给过渡杆（25），传动杆（21）和过渡杆（25）具有内部清洗流道（26），过渡杆（25）通过螺纹连接钻具（28），带动钻具（28）旋转破岩，实现转速加载，感应式力矩测量机构（51）获得钻具（28）旋转破岩时的力矩，用于划痕法计算岩石单轴抗压强度；所述岩屑清理机构包括岩屑槽（4）、升降筒（24）、第一升降活塞（6）、第二升降活塞（22）、第一升降活塞杆（7）、第二升降活塞杆（23）、流体入口（5）、流体出口（19）、微型水龙头（20）；其特征在于：岩屑槽（4）通过第三定位螺钉（3）和第四定位螺钉（18）固定于变速箱（31），岩屑槽（4）通过第一密封环（32）和第二密封环（33）实现与传动杆（21）之间的动密封，升降筒（24）通过第五定位螺钉（8）与第一升降活塞杆（7）连接，升降筒（24）通过第六定位螺钉（27）与第二升降活塞杆（23）连接，第一升降活塞（6）和第二升降活塞（22）带动第一升活塞杆（7）和第二升降活塞杆（23）上下移动，实现升降筒（24）的上提和下放，升降筒（24）通过第三密封环（42）和第四密封环（43）实现与岩屑槽（4）之间的动密封，升降筒（24）上提并与底板（9）接近，升降筒（24）与底板（9）通过防碰橡胶环（44）接触和密封，形成密闭腔室（36），流体通过流体入口（5）进入微型水龙头（20），流体入口（5）通过第七定位螺钉（34）和第八定位螺钉（35）与岩屑槽（4）连接，并通过第一密封胶芯（37）实现密封，微型水龙头（20）和传动杆（21）旋转动密封，流体进入清洗流道（26）到达钻具（28），对钻具(28)清洗、冷却、润滑，流体携带岩屑进入密闭腔室(36)，经岩屑槽(4)底部斜坡面(41)进入流体出口(19)，流体出口(19)通过第九定位螺钉(38)和第十定位螺钉(39)与岩屑槽(4)连接，并通过第二密封胶芯(40)实现密封，流体携带岩屑通过流体出口(19)完成返排。

2.如权利要求1所述的一种钻井岩石力学多参数测试装置，其特征在于：利用钻具（28）测试岩石单轴抗压强度和岩石可钻性，利用液压作动器（15）、齿轮变速机构（50）以及可变速电机（16）配合实现钻压和转速优选。

3.如权利要求2所述的一种钻井岩石力学多参数测试装置，其特征在于：钻具（28）包括三种类型，微型牙轮钻头、划痕刀具、平底压头，分别用于测试岩石可钻性和岩石单轴抗压强度，微型牙轮钻头测试岩石可钻性方法依据石油和天然气行业标准SY/T 5426-2000实施，采用划痕刀具测试岩石单轴抗压强度时，需要同感应式力矩测量机构（51）配合，由于钻井工程中存在极少数硬度较高的岩心，如果划痕刀具无法在岩心上刻痕，则采用平底压头直接测量岩石单轴抗压强度。

4.如权利要求2所述的一种钻井岩石力学多参数测试装置，其特征在于：利用液压作动器（15）、齿轮变速机构（50）以及可变速电机（16）配合，实现钻压和转速优选，主要依据是单位时间钻具（28）有效进尺。

5.如权利要求1所述的一种钻井岩石力学多参数测试装置，其特征在于：底板（9）的进尺通道（45）两侧设置有第一微型弧面（47）和第二微型弧面（46），减小岩心（10）受力加载过程中的应力集中，同时使岩心夹持器不仅适合于方形岩心也适合于圆柱形岩心。

6.如权利要求1所述的一种钻井岩石力学多参数测试装置，其特征在于：岩屑槽（4）底部斜坡面（41）的倾角足够大，保证岩屑顺利返排，岩屑无法沉积在岩屑槽（4）底部。

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