CN103806907B - 一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置及测试方法 - Google Patents

一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置及测试方法 Download PDF

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孟英峰
陈一健
李皋
刘厚彬
陶祖文
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西南石油大学
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Abstract

本发明公开了一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置及测试方法,该测试装置包括机架(1)、设置于机架(1)上的高温高压加载机构以及微钻头破岩钻深测量机构,其向三轴腔室内的岩样施加围压、孔隙压力以及液柱压力,利用液压泵向岩样施加上覆岩层压力,模拟井底地层高压环境,并通过微钻头处位移传感器测试钻深与时间的关系,实现钻压、转速、钻井液类型优选,以及钻井机械钻速预测。本发明的有益效果是:可以满足模拟深井、超深井钻井过程中对井底温度和压力要求,并且具有深钻孔单次实验测量多组岩石可钻性值的功能,极大地提高了单次实验测试的效率,节约实验成本。

Description

一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置及测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及油气田勘探开发领域应用的岩石可钻性测试技术领域,特别是一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置及测试方法。
背景技术
[0002] 岩石可钻性概念由Til Ison在1927年美国哥伦比亚大学采矿工程会议上首次提出,指在一定的技术条件下岩石被破岩工具钻碎的难易程度。对岩石可钻性的研究,广泛应用于石油勘探开发、矿山开采、隧道建设等工程领域。岩石可钻性除了与岩石矿物组分、孔隙发育情况、地质构造等岩石自身因素有关外,还与破岩工具类型、钻压、转速等施工参数密切相关。因此,从不同角度出发形成了种类繁多的岩石可钻性测试方法,比较有代表性的方法包括压入硬度法、点载法、微钻法、钻速方程反求法、分形法等。相比而言,微钻法能够更好地反映井底钻头破岩的过程。为此,2000年国家石油和化学工业局参考1962年RollowA.G.提出的微钻法制订了《中华人民共和国石油天然气行业标准(SY/T5426-2000)》,规定了岩石可钻性测定及分级方法。
[0003] 近年来随着我国石油天然气勘探开发领域不断向深部地层发展,深井、超深井成为勘探开发主流,深井是指井深为4500m〜6000m的井,超深井指井深6000m〜8000m的井,深井、超深井钻遇地层具有的温度高、压力高、地质条件复杂、地层岩性致密、可钻性差等特征成为了制约油气勘探开发的主要技术瓶颈,实际深井、超深井钻井过程中地层应力和温度条件对岩石力学性能影响显著,从而严重影响岩石可钻性和钻井机械钻速,例如《岩土力学》2011年6月第32卷第6期的文章“深部地层岩石力学性质测试与分析研究”对模拟地层温度和压力条件下的岩石抗压强度、内聚力、泊松比以及弹性模量进行测试,测试结果表明深部地层岩石力学性质较上部地层而言发生显著变化,同时,重庆大学2009年的一篇硕士毕业论文“深部井眼岩石可钻性与岩石力学特性实验研究”对深部地层高温高压环境下岩石可钻性级值和机械钻速进行研究,结果表明高压对岩石可钻性级值影响较大,而在井底温度范围内的高温对岩石可钻性级值的影响相对较小,由此可见,目前未考虑井底地层特性的微钻法测试岩石可钻性装置已经不再满足石油天然气勘探开发领域中深井、超深井钻井技术要求,尤其是不能有效揭示深井、超深井地层条件下实钻过程中的岩石可钻性特征。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点,提供一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置及测试方法,可以实现深井、超深井钻井条件下钻头、钻压、转速以及钻井液类型优选,预测深井、超深井钻井机械钻速。
[0005] 本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置,它包括机架、设置于机架上的高温高压加载机构以及微钻头破岩钻深测量机构,所述的高温高压加载机构包括游梁升降机构、钻压作动器、钻压传感器、覆层压作动器、覆层压载荷传感器、上覆岩层压力加载活塞、三轴腔室、三轴腔室升降器和高温高压釜体加热器。
[0006] 所述的游梁升降机构包括垂直设置于机架上表面的两个立柱、两端分别滑动设置于立柱上的滑块和垂直支撑滑块的可调支杆,钻压作动器固定安装于滑块上,钻压作动器的输出轴固定连接钻压传感器,钻压传感器的下部固定连接覆层压作动器,覆层压作动器的底部固定安装有上加载板,覆层压作动器的输出轴固定连接覆层压载荷传感器,覆层压载荷传感器的下部固定连接上覆岩层压力加载活塞。
[0007] 三轴腔室升降器一端固定安装于覆层压作动器的一侧,三轴腔室升降器的另一端固定连接三轴腔室,三轴腔室的底部依次连接有钻套和下加载板,上加载板和下加载板之间连接有覆层压反力杆,高温高压釜体加热器套装于三轴腔室的外部。
[0008] 所述的三轴腔室包括本体,本体的内部设置有一个封闭的容腔,容腔内设置有橡胶套,本体的上部设置有一个连通所述容腔的活塞孔,上覆岩层压力加载活塞的下端设置于该活塞孔内,本体的下部设置有一个连通所述容腔的钻孔,活塞孔的下边缘和钻孔的上边缘均设置有伸入容腔内部的凸出部,橡胶套的两端分别套装在对应侧的凸出部外,位于容腔下部一侧的本体上设置有连通容腔与本体外部空间的第二压力接端,位于容腔上部一侧的本体上设置有连通容腔与本体外部空间的第三压力接端,本体下部设置有连通钻孔与本体外部空间的第四压力接端,上覆岩层压力加载活塞本体上设置有连通容腔与本体外部空间的第一压力接端。
[0009] 微钻头破岩钻深测量机构包括钻杆和位移传感器,位移传感器安装于钻杆上,钻杆安装于位于三轴腔室下部的机架上,钻杆通过推力轴承安装于机架上,钻杆上部穿过钻套后伸入三轴腔室的钻孔内,钻杆的顶部安装有微钻头,钻杆与设置在机架内的可调速电机的输出轴连接。
[0010] 所述的机架上设置有用于引导下加载板垂直方向运动的导向杆。
[0011] 所述的机架上设置有用于引导钻杆相对于三轴腔室垂直方向运动的导向座,导向座套装于下加载板的外部,且导向座的内壁与下加载板的外壁间隙配合。
[0012] 所述的上覆岩层压力加载活塞与活塞孔之间、钻杆与钻孔之间均设置有耐腐蚀橡胶密封环。
[0013] 采用所述的一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置的测试方法,它包括以下步骤:
[0014] S1、通过调节游梁升降机构和三轴腔室升降器将岩样通过活塞孔放置于三轴腔室内部,岩样位于橡胶套内;然后通过调节三轴腔室升降器,使三轴腔室在导向杆引导下向上提升,上覆岩层压力加载活塞伸入活塞孔预压紧岩样,从而将岩样封闭在三轴腔室内;
[0015] S2、覆层压作动器控制上覆岩层压力加载活塞对岩样进行上覆岩层压力加载,并通过覆层压反力杆进行平衡,上覆岩层压力加载载荷由覆层压载荷传感器进行采集,上覆岩层压力由液压栗提供动力源并作用于上覆岩层压力加载活塞,上覆岩层压力加载过程受覆层压作动器控制;
[0016] S3、待上覆岩层压力加载完毕,对岩样施加模拟井底围压、孔隙压力、液柱压力以及温度,并测量微钻头有效钻深与时间关系,其具体操作步骤为:
[0017] S31、施加模拟井底围压,向第二压力接端栗入液压油,三轴腔室内的空气通过第三压力接端排除,关闭第三压力接端,继续栗入液压油,液压油挤压橡胶套定量产生围压并作用于岩样;
[0018] S32、施加模拟井底孔隙压力,通过孔隙压力液压伺服系统向第一压力接端栗入模拟地层流体,模拟地层流体侵入岩样产生孔隙压力;
[0019] S33、施加模拟井底液柱压力,向第四压力接端栗入钻井液,钻井液作用于岩样的端面;
[0020] S34、施加模拟井底温度,通过高温高压釜体加热器向三轴腔室加载温度条件;
[0021] S35、测量微钻头有效钻深与时间关系,施加模拟深井、超深井井底压力和温度载荷后,钻压作动器的输出轴对稳定连接为一体的钻压传感器、覆压动作器、上加载板、覆层压反力杆、下加载板和钻套施加向下的压力,使钻套向下移动,微钻头通过钻套,顶住岩心产生钻压,利用推力轴承在导向套的引导下、通过钻压作动器控制将钻杆相对三轴腔室向上提升,钻杆上顶部的微钻头被顶入三轴腔室内并接触岩样,钻杆由驱动装置驱动旋转,测试岩石可钻性时推力轴承向钻杆和微型钻头施加钻压,上述加载过程的钻压加载载荷由钻压传感器进行采集,并由钻压作动器对钻压加载过程进行控制,由位移传感器记录有效钻深及相应的时间。
[0022] 本发明具有以下优点:本发明解决了现有的岩石可钻性测试方法在模拟深井、超深井井底温度和压力,评价钻压、转速、钻井液类型对岩石可钻性影响以及钻井机械钻速预测方面的不足,可以满足模拟深井、超深井钻井过程中对井底温度和压力要求,同时实现对钻压和转速的优选,钻井液类型对钻井机械钻速影响评价,以及钻井机械钻速预测,并且具有深钻孔单次实验测量多组岩石可钻性值的功能,极大地提高了单次实验测试的效率,节约实验成本。
[0023] 本发明通过高温高压釜体加热器对三轴腔室加温,模拟井底地层高温环境;利用三套独立的液压伺服系统分别向三轴腔室内的岩样施加围压、孔隙压力以及液柱压力,利用液压栗向岩样施加上覆岩层压力,模拟井底地层高压环境;微钻头固定于三轴腔室下部的钻压活塞杆上,倒置于岩样下端面,利用重力分离作用分离破碎的岩肩,形成非重复切削条件;钻压活塞杆同耐高压耐腐蚀橡胶环配合,实现钻压活塞杆动密封深穿透加载功能;通过微钻头处位移传感器测试钻深与时间的关系,实现钻压、转速、钻井液类型优选,以及钻井机械钻速预测。
附图说明
[0024] 图1为本发明的结构示意图
[0025] 图2为本发明的三轴腔室的结构示意图
[0026] 图中,1-机架,2-游梁升降机构,3-钻压作动器,4-钻压传感器,5-覆层压作动器,6-覆层压载荷传感器,7-上覆岩层压力加载活塞,8-三轴腔室,9-三轴腔室升降器,10-高温高压釜体加热器,11-立柱,12-滑块,13-可调支杆,14-上加载板,15-钻套,16-下加载板,17-覆层压反力杆,18-本体,19-容腔,20-橡胶套,21-活塞孔,22-钻孔,23-凸出部,24-第二压力接端,25-第三压力接端,26-第四压力接端,27-第一压力接端,28-钻杆,29-位移传感器,30-推力轴承,31-微钻头,32-导向杆,33-导向座,34-耐腐蚀橡胶密封环,35-岩样。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图对本发明做进一步的描述,本发明的保护范围不局限于以下所述:
[0028] 发明人在科研过程中发现,现有装置测试岩石可钻性装置不再满足石油天然气勘探开发领域中深井、超深井钻井技术要求,尤其是不能有效揭示深井、超深井地层条件下实钻过程中的岩石可钻性特征的原因,主要有以下几个方面:
[0029] 第一是未加载上覆岩层压力,深井、超深井钻井过程中井底岩石受到覆盖在该岩石上部的地层岩石以及孔隙流体的重力作用,在测试岩石可钻性过程中表现为岩样上端面非切肩破坏面所承受的压力,该压力对井底岩石应力场具有显著影响;
[0030] 第二未加载井筒液柱压力,随着钻井井深的增加,尤其在深井、超深井钻井过程中井筒中作用在井底岩石上端面切肩破坏面的液柱压力明显增大,在测试岩石可钻性过程中已经不能再忽略井筒液柱压力对岩样端面的作用,同时,为模拟实际钻井过程,应该考虑不同类型钻井流体对岩样端面的理化作用,因此也需要在岩样破坏面作用不同类型钻井流体,也必然产生井筒液柱压力;
[0031] 第三是未加载围压,井底岩石处于复杂的地层应力环境当中受到地层围岩的作用,将岩石所受的复杂的地层围岩作用表示为等效围压的作用,对于研究实际钻井过程中的岩石可钻性具有重要意义;
[0032] 第四是未加载地层孔隙压力,岩石由岩石骨架和孔隙组成,外界施加的载荷由岩石骨架和孔隙中的流体承担,地层当中连通孔隙中的流体压力即为孔隙压力,孔隙压力对于岩石强度等岩石力学性能具有显著影响;
[0033] 第五是未加载地层温度,虽然温度对岩石可钻性和钻井机械钻速影响较小,但是随着钻井井深的增加,尤其是在深井、超深井钻井过程中井底岩石所处温度环境将明显升高,温度对于岩石的力学性能具有明显影响,此时已经不能再忽视温度对岩石的作用,模拟地层条件下测试岩石可钻性需要加载井底地层温度条件;
[0034] 第六是钻压和转速不可调,目前根据微钻法制造的全自动岩石可钻性测试仪只能在转速为55r/min的条件下,对牙轮微钻头施加890N±20N的钻压或者对PDC微钻头施加500N土 10N的钻压,测试有效钻深为2.4mm或者3mm时的岩石可钻性,但对于深部地层可钻性级值极高的部分地层岩石而言,在规定的钻压和转速的条件下微钻头牙齿根本无法钻进,难以保证有效钻深,从而无法定量评价岩石可钻性,同时,钻压和转速作为钻井施工的主要参数,实验测试不同钻压和转速对岩石可钻性的影响,在指导现场施工方面具有重要的实际工程应用价值。
[0035] 为此,需要一种既能模拟深井、超深井井底地层高温高压环境,又能调节钻压、钻速以及改变钻井液类型的岩石可钻性测试装置,同时,考虑到模拟地层条件下测试操作的复杂性和实验成本,这种岩石可钻性测试装置最好能够实现单次测量多组岩石可钻性,即实现深钻孔功能。目前,也有资料显示通过增加温度和压力加载装置测试地层条件下的岩石可钻性,但是在压力和温度加载范围,钻压、转速调节和精密控制,模拟不同钻井液类型,深钻孔动密封测试方面存在明显不足,难以满足深井、超深井岩石可钻性测试要求。例如中国专利201010559174.3公开了一种地层条件下岩石可钻性测试仪,该测试仪包括以下几个部分: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。上述装置采用机电一体化结构,能够模拟地层条件下的温度、围压、孔隙压力和井筒液柱压力进行岩石可钻性测试,但是上述装置并没有上覆岩层压力加载机构、钻压和转速调节机构以及深钻孔加载和测试机构,上述装置仅能反映温度、围压、孔隙压力和井筒液柱压力对岩石可钻性的影响,不能反映钻压、转速以及流体类型对岩石可钻性的影响,同时也不能实现深钻孔功能。此外,上述专利文献中没有给出任何测试钻压、转速以及流体类型对岩石可钻性影响和实现深钻孔功能的技术方案或技术启示。
[0036] 如图1所示,一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置,它包括机架1、设置于机架1上的高温高压加载机构以及微钻头破岩钻深测量机构,所述的高温高压加载机构包括游梁升降机构2、钻压作动器3、钻压传感器4、覆层压作动器5、覆层压载荷传感器6、上覆岩层压力加载活塞7、三轴腔室8、三轴腔室升降器9和高温高压釜体加热器10。
[0037] 所述的游梁升降机构2包括垂直设置于机架1上表面的两个立柱11、两端分别滑动设置于立柱11上的滑块12和垂直支撑滑块12的可调支杆13,可调支杆13由固定杆和调节杆构成,固定杆底部固定安装于机架1上,调节杆的下端滑动安装于固定杆内,且通过锁紧套锁紧固定,调节杆的上端与滑块12固定连接。
[0038] 钻压作动器3固定安装于滑块12上,钻压作动器3的输出轴穿过滑块12上预设的通孔后固定连接钻压传感器4,钻压传感器4的下部固定连接覆层压作动器5,覆层压作动器5的底部固定安装有上加载板14,覆层压作动器5的输出轴穿过上加载板14上预设的通孔后固定连接覆层压载荷传感器6,覆层压载荷传感器6的下部固定连接上覆岩层压力加载活塞7 ;
[0039] 三轴腔室升降器9 一端固定安装于覆层压作动器5的一侧,三轴腔室升降器9的另一端固定连接三轴腔室8,三轴腔室8的底部依次连接有钻套15和下加载板16,上加载板14和下加载板16之间连接有覆层压反力杆17,高温高压釜体加热器10套装于三轴腔室8的外部。
[0040] 如图1、图2所示,所述的三轴腔室8包括本体18,本体18的内部设置有一个封闭的容腔19,容腔19内设置有一个呈筒形、容置岩样35的橡胶套20,本体18的上部设置有一个垂直方向延伸、连通所述容腔19的活塞孔21,上覆岩层压力加载活塞7的下端设置于该活塞孔21内,本体18的下部设置有一个垂直方向延伸、连通所述容腔19的钻孔22,活塞孔21的下边缘和钻孔22的上边缘均设置有伸入容腔19内部的凸出部23,橡胶套20的两端分别套装在对应侧的凸出部23外,位于容腔19下部一侧的本体18上设置有连通容腔19与本体18外部空间的第二压力接端24,位于容腔19上部一侧的本体18上设置有连通容腔19与本体18外部空间的第三压力接端25,本体18下部设置有连通钻孔22与本体18外部空间的第四压力接端26,上覆岩层压力加载活塞7本体18上设置有连通容腔19与本体18外部空间的第一压力接端27,所述的第一压力接端27、第二压力接端24、第三压力接端25和第四压力接端26均为设置有通孔的连接座和连通连接座的通孔的孔道。
[0041 ] 微钻头破岩钻深测量机构包括钻杆28和位移传感器29,位移传感器29安装于钻杆28上,钻杆28安装于位于三轴腔室8下部的机架1上,钻杆28通过推力轴承30安装于机架1上,钻杆28上部穿过钻套15后伸入三轴腔室8的钻孔22内,钻杆28的顶部安装有微钻头31,钻杆28与设置在机架内的可调速电机的输出轴连接,由可调速电机驱动钻杆28旋转。
[0042] 机架1上设置有用于引导下加载板16垂直方向运动的导向杆32,下加载板16上设置有与导向杆32配合的垂直通孔,下加载板16的通过垂直通孔套装于导向杆32上;
[0043] 机架1上设置有用于引导钻杆28相对于三轴腔室8垂直方向运动的导向座33,导向座33套装于下加载板16的外部,且导向座33的内壁与下加载板16的外壁间隙配合。
[0044] 上覆岩层压力加载活塞7与活塞孔21之间、钻杆28与钻孔22之间均设置有耐腐蚀橡胶密封环34,且沿垂直方向上覆岩层压力加载活塞7与活塞孔21之间、钻杆28与钻孔22之间均依次设置有两个耐腐蚀橡胶密封环34。
[0045] 所述的机架1采用250KN机架1,所述的覆层压作动器5采用750KN覆层压作动器5,所述的覆层压载荷传感器6采用750KN覆层压载荷传感器6,所述的钻压作动器3采用250KN钻压作动器3,所述的钻压传感器4采用250KN钻压传感器4。
[0046] 采用上述测试装置进行岩石可钻性测试的方法,其包括以下步骤:
[0047] S1、通过调节游梁升降机构2和三轴腔室升降器9将岩样35通过活塞孔21放置于三轴腔室8内部,岩样35位于橡胶套20内;然后通过调节三轴腔室升降器9,使三轴腔室8在导向杆32引导下向上提升,上覆岩层压力加载活塞7伸入活塞孔21预压紧岩样35,从而将岩样35封闭在三轴腔室8内;
[0048] S2、覆层压作动器5控制上覆岩层压力加载活塞7对岩样35进行上覆岩层压力加载,并通过覆层压反力杆17进行平衡,上覆岩层压力加载载荷由覆层压载荷传感器6进行采集,上覆岩层压力由液压栗提供动力源并作用于上覆岩层压力加载活塞7,上覆岩层压力加载过程受覆层压作动器5控制;
[0049] S3、待上覆岩层压力加载完毕,对岩样35施加模拟井底围压、孔隙压力、液柱压力以及温度,并测量微钻头31有效钻深与时间关系,其具体操作步骤为:
[0050] S31、施加模拟井底围压,通过围压液压伺服系统向第二压力接端24栗入液压油,三轴腔室8内的空气通过第三压力接端25排除,关闭第三压力接端25,继续栗入液压油,液压油挤压橡胶套20定量产生围压并作用于岩样35 ;
[0051] S32、施加模拟井底孔隙压力,通过孔隙压力液压伺服系统向第一压力接端27栗入模拟地层流体,模拟地层流体侵入岩样35产生孔隙压力,加载过程受到耐高压和耐腐蚀橡胶密封环34作用以保证满足高孔隙压力要求和实现上覆岩层压力加载活塞7往复式动密封,所述橡胶密封环最高承压能力为120MPa ;
[0052] S33、施加模拟井底液柱压力,通过钻井液液柱压力液压伺服系统向第四压力接端26栗入钻井液,钻井液作用于岩样35的端面,加载过程受到耐高压和耐腐蚀橡胶密封环34作用以保证满足高孔隙压力要求和实现上覆岩层压力加载活塞7往复式动密封,所述橡胶密封环最高承压能力为120MPa ;
[0053] S34、施加模拟井底温度,通过高温高压釜体加热器10向三轴腔室8加载温度条件;
[0054] S35、测量微钻头31有效钻深与时间关系,施加模拟深井、超深井井底压力和温度载荷后,钻压作动器3的输出轴对稳定连接为一体的钻压传感器4、覆压动作器5、上加载板14、覆层压反力杆17、下加载板16和钻套15施加向下的压力,使钻套15向下移动,微钻头31通过钻套15,顶住岩心产生钻压,利用推力轴承30在导向套的引导下、使钻杆28相对三轴腔室8向上提升,钻杆28上顶部的微钻头31被顶入三轴腔室8内并接触岩样35,钻套15作为二者的过渡连接结构一方面保证结构的密封性能,另一方面起支持岩样35下端面的作用。
[0055] 测试岩石可钻性时推力轴承30向钻杆28和微型钻头施加890N±20N牙轮微钻头31或500N±10NPDC微钻头31的钻压和55r/min的转速,上述加载过程的钻压加载载荷由钻压传感器4进行采集,并由钻压作动器3对钻压加载过程进行控制,由位移传感器29记录有效钻深2.4mm牙轮微钻头31或3mmPDC微钻头31时的时间,微钻头31倒置于岩样35下端面,利用重力分离作用分离破碎岩肩,避免重复切削。
[0056] 钻井液液柱压力液压伺服系统向第四压力接端26栗入钻井液的类型可以调整,同时微钻头31的钻压和转速也可调整,以有效钻深对应时间为标准,实现钻压、转速以、钻井液类型优选,以及深井、超深井模拟环境中指定钻压、转速、钻井液类型时的机械钻速预测。
[0057] 测量完毕后,高温高压釜体加热器10停止加热,从第一压力接端27卸载孔隙压力,从第四压力接端26卸载液柱压力以及从第二压力接端24卸载围压,打开第三压力接端25,并向第二压力接端24接入氮气源返排液压油,由钻压作动器3控制通过推力轴承30下拉钻杆28使微型钻头脱离岩样35的下端面,由覆层压作动器5控制上提覆层压加载活塞使之脱离岩样35上端面,调节游梁升降机构2和三轴腔室升降器9取出岩样35。
[0058] 本发明通过高温高压加载机构对三轴腔室8加温,模拟深井、超深井钻井井底地层高温高压环境,通过微钻头破岩钻深测量机构测试钻深与时间的关系,由此获得模拟深井、超深井钻井岩石可钻性。
[0059] 高温环境获取方法是,利用高温高压釜体加热器10对三轴腔室8加温,实现高温环境,高温高压釜体加热器10采用MCH金属陶瓷发热器,MCH最高加载热温度为200°C,地温梯度按1°C /100m〜3°C /100m计算,符合极限钻深至少6.7Km处地层温度要求,对于大多数地温梯度正常的地层而言完全满足超深井地层温度要求,同时,MCH是一种新型高效环保节能陶瓷发热元件,同PTC陶瓷发热体相比,在相同加热效果情况下节约20〜30%电能,也明显优于常规的金属电热丝加热器,同时,MCH具有耐腐蚀、耐高温、寿命长、高效节能、温度均勾、导热性能良好、热补偿速度快等优点,而且不含铅、镉、萊、六价络、多溴联苯、多溴二苯醚等有害物质。
[0060] 高压环境获取方法是,利用三套独立的液压伺服系统和液压栗向三轴腔室8中岩样35施加围压、孔隙压力、液柱压力以及上覆岩层压力,液压伺服系统和液压栗采用计算机软件控制系统,实现高精度动态平衡加载,同时,加压活塞内置耐高压和耐腐蚀橡胶环实现往复式动密封,提高活塞承压能力。
[0061] 三套独立的液压伺服系统采用耐高压和耐腐蚀橡胶环实现往复式动密封,并利用计算机软件实现动态平衡压力加载,孔隙压力、液柱压力以及上覆岩层压力最高加载压力为lOOMPa,围压最高加载压力为120MPa,控制精度0.0lMPa,地层压力梯度一般为0.0lMPa/m,可满足10Km井深钻井要求,因此满足深井、超深井钻井的井底压力要求,同时,液柱压力的压力传递介质可由不同类型钻井液代替,模拟实际钻井过程中钻井液对井底岩石的理化作用,实现钻井液类型优选。
[0062] 岩石可钻性获取方法是,利用微钻头31和钻压活塞杆上的位移传感器29,测试微钻头31破岩有效钻深与时间的关系,获得岩石可钻性。同时微钻头31的钻压、转速、钻压活塞杆轴向位移均由计算机软件控制系统控制,实现动态平衡加载,加压活塞内置耐高压和耐腐蚀橡胶环,实现动密封功能,满足单次测量多组岩石可钻性要求。
[0063] 在岩样35下端面施加钻压,钻压加载活塞内置有耐高压和耐腐橡胶环,最高加载压力为lOOMPa,实现加载过程中的往复式动密封,微钻头31固定于钻杆28上,倒置于岩样35下端面,钻杆28上的位移传感器29测试微钻头31有效钻深,由于重力分离作用,破碎后的岩肩将在重力作用下落入钻压活塞杆下部的岩肩盘,有效避免了破碎岩肩的重复切削,提高了岩石可钻性测量值准确性。微钻头31破岩时钻压、转速可以调节,同时由于实现了往复式动密封,使微钻头31具有了深穿透功能,最高加载钻压为250KN,控制精度0.01KN,最高加载转速为250r/min,控制精度为lr/min,测试岩石可钻性时一般采用55r/min的转速,对牙轮微钻头31施加890N±20N的钻压或者对PDC微钻头31施加500N±10N的钻压,同时,可以在此基础上以“高钻压,低转速”为原则,逐级升高钻压,降低转速,评价钻压和转速对可钻性极高岩石破岩效果的影响,预测一定钻压和转速条件下的钻井机械钻速,实现钻压和转速的优选,并利用测得的岩石可钻性结合岩样35岩性,以各钻头厂选型标准为依据,实现钻头优选。
[0064] 微钻头31测试岩石可钻性时,单次有效钻进深度为牙轮微钻头312.4mm或者TOC微钻头313mm,通过在钻压加载活塞内置耐高压和耐腐橡胶环,实现加载过程中的往复式动密封,不仅能够提高加载液柱压力时活塞的承压能力,而且通过电脑软件控制钻压加载活塞沿岩样35轴向的位移,实现了钻压活塞的动态位移加载控制,最大有效钻深位移为100mm,控制精度为0.01mm,单次岩石可钻性实验理论上可以获得41组牙轮微钻头31岩石可钻性测试值或者33组PDC微钻头31岩石可钻性测试值。
[0065] 第一压力接端27、第二压力接端24、第四压力接端26分别连接有一个液压伺服系统,液压伺服系统、钻压作动器3、钻压传感器4、覆层压作动器5、覆层压载荷传感器6、位移传感器29和驱动钻杆28旋转的驱动系统均与控制系统连接。
[0066] 控制系统用于控制温度、压力、转速的动态平衡加载,测试过程中钻压、转速、钻井液类型可以改变,实现其优选以及机械钻速预测。
[0067] 钻头、钻压、转速以及钻井液类型优选方法是,钻头优选以有效钻深对应时间为主要依据,结合实验岩样35的具体岩性,以各钻头生产厂家钻头选型标准为参考进行钻头优选,钻压、转速以及钻井液类型优选以有效钻深对应时间为主要依据,有效钻深对应时间越小,则对应的钻压、转速以及钻井液类型组合越好。
[0068] 机械钻速预测方法是,模拟深井、超深井钻井过程中某一地层深度时井底地层温度和压力环境,在指定的钻压、转速、钻井液类型条件下测试微钻头31破岩机械钻速,以此为依据对现场钻井施工机械钻速进行预测。
[0069] 本发明可以满足模拟深井、超深井钻井过程中对井底温度和压力要求,同时实现对钻压和转速的优选,钻井液类型对钻井机械钻速影响评价,以及钻井机械钻速预测,并且极大地提高了单次实验测试的效率,节约实验成本。

Claims (5)

1.一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置,其特征在于:它包括机架(1)、设置于机架(1)上的高温高压加载机构以及微钻头破岩钻深测量机构,所述的高温高压加载机构包括游梁升降机构(2)、钻压作动器(3)、钻压传感器(4)、覆层压作动器(5)、覆层压载荷传感器(6)、上覆岩层压力加载活塞(7)、三轴腔室(8)、三轴腔室升降器(9)和高温高压釜体加热器(10), 所述的游梁升降机构(2 )包括垂直设置于机架(1)上表面的两个立柱(11 )、两端分别滑动设置于立柱(11)上的滑块(12)和垂直支撑滑块(12)的可调支杆(13),钻压作动器(3)固定安装于滑块(12)上,钻压作动器(3)的输出轴固定连接钻压传感器(4),钻压传感器(4)的下部固定连接覆层压作动器(5),覆层压作动器(5)的底部固定安装有上加载板(14),覆层压作动器(5)的输出轴固定连接覆层压载荷传感器(6),覆层压载荷传感器(6)的下部固定连接上覆岩层压力加载活塞(7); 三轴腔室升降器(9)一端固定安装于覆层压作动器(5)的一侧,三轴腔室升降器(9)的另一端固定连接三轴腔室(8),三轴腔室(8)的底部依次连接有钻套(15)和下加载板(16),上加载板(14)和下加载板(16)之间连接有覆层压反力杆(17),高温高压釜体加热器(10)套装于三轴腔室(8)的外部; 所述的三轴腔室(8)包括本体(18),本体(18)的内部设置有一个封闭的容腔(19),容腔(19)内设置有橡胶套(20),本体(18)的上部设置有一个连通所述容腔(19)的活塞孔(21),上覆岩层压力加载活塞(7)的下端设置于该活塞孔(21)内,本体(18)的下部设置有一个连通所述容腔(19)的钻孔(22),活塞孔(21)的下边缘和钻孔(22)的上边缘均设置有伸入容腔(19)内部的凸出部(23),橡胶套(20)的两端分别套装在对应侧的凸出部(23)外,位于容腔(19)下部一侧的本体(18)上设置有连通容腔(19)与本体(18)外部空间的第二压力接端(24),位于容腔(19)上部一侧的本体(18)上设置有连通容腔(19)与本体(18)外部空间的第三压力接端(25),本体(18)下部设置有连通钻孔(22)与本体(18)外部空间的第四压力接端(26),上覆岩层压力加载活塞(7)本体(18)上设置有连通容腔(19)与本体(18)外部空间的第一压力接端(27); 微钻头破岩钻深测量机构包括钻杆(28)和位移传感器(29),位移传感器(29)安装于钻杆(28 )上,钻杆(28 )安装于位于三轴腔室(8 )下部的机架(1)上,钻杆(28 )通过推力轴承(30)安装于机架(1)上,钻杆(28)上部穿过钻套(15)后伸入三轴腔室(8)的钻孔(22)内,钻杆(28 )的顶部安装有微钻头(31),钻杆(28 )与设置在机架内的可调速电机的输出轴连接。
2.根据权利要求1所述的一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置,其特征在于:所述的机架(1)上设置有用于引导下加载板(16)垂直方向运动的导向杆(32)。
3.根据权利要求1所述的一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置,其特征在于:所述的机架(1)上设置有用于引导钻杆(28)相对于三轴腔室(8)垂直方向运动的导向座(33),导向座(33)套装于下加载板(16)的外部,且导向座(33)的内壁与下加载板(16)的外壁间隙配合。
4.根据权利要求1所述的一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置,其特征在于:所述的上覆岩层压力加载活塞(7)与活塞孔(21)之间、钻杆(28)与钻孔(22)之间均设置有耐腐蚀橡胶密封环(34)。
5.采用如权利要求1所述的一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置的测试方法,其特征在于:它包括以下步骤: S1、通过调节游梁升降机构(2 )和三轴腔室升降器(9 )将岩样(35 )通过活塞孔(21)放置于三轴腔室(8)内部,岩样(35)位于橡胶套(20)内;然后通过调节三轴腔室升降器(9),使三轴腔室(8)在导向杆(32)引导下向上提升,上覆岩层压力加载活塞(7)伸入活塞孔(21)预压紧岩样(35),从而将岩样(35)封闭在三轴腔室(8)内; S2、覆层压作动器(5)控制上覆岩层压力加载活塞(7)对岩样(35)进行上覆岩层压力加载,并通过覆层压反力杆(17)进行平衡,上覆岩层压力加载载荷由覆层压载荷传感器(6)进行采集,上覆岩层压力由液压栗提供动力源并作用于上覆岩层压力加载活塞(7),上覆岩层压力加载过程受覆层压作动器(5)控制; S3、待上覆岩层压力加载完毕,对岩样(35)施加模拟井底围压、孔隙压力、液柱压力以及温度,并测量微钻头(31)有效钻深与时间关系,其具体操作步骤为: S31、施加模拟井底围压,向第二压力接端(24)栗入液压油,三轴腔室(8)内的空气通过第三压力接端(25)排除,关闭第三压力接端(25),继续栗入液压油,液压油挤压橡胶套(20)定量产生围压并作用于岩样(35); S32、施加模拟井底孔隙压力,通过孔隙压力液压伺服系统向第一压力接端(27)栗入模拟地层流体,模拟地层流体侵入岩样(35)产生孔隙压力; S33、施加模拟井底液柱压力,向第四压力接端(26)栗入钻井液,钻井液作用于岩样(35)的端面; S34、施加模拟井底温度,通过高温高压釜体加热器(10)向三轴腔室(8)加载温度条件; S35、测量微钻头(31)有效钻深与时间关系,施加模拟深井、超深井井底压力和温度载荷后,钻压作动器(3)的输出轴对稳定连接为一体的钻压传感器(4)、覆层压作动器(5)、上加载板(14)、覆层压反力杆(17)、下加载板(16)和钻套(15)施加向下的压力,使钻套(15)向下移动,微钻头(31)通过钻套(15),顶住岩心产生钻压,利用推力轴承(30)在导向套的引导下、通过钻压作动器(3 )控制将钻杆(28 )相对三轴腔室(8 )向上提升,钻杆(28 )上顶部的微钻头(31)被顶入三轴腔室(8 )内并接触岩样(35 ),钻杆(28 )由驱动装置驱动旋转,测试岩石可钻性时推力轴承(30)向钻杆(28)和微型钻头施加钻压,上述加载过程的钻压加载载荷由钻压传感器(4)进行采集,并由钻压作动器(3)对钻压加载过程进行控制,由位移传感器(29)记录有效钻深及相应的时间。
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