CN104297049A - 考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置及方法，该装置由一层板、钻压检测装置、二层板、平面推力球轴承、三层板、夹持装置、扭矩检测装置、位移检测装置、数据采集系统、钻柱和钻头组成。其特征在于：一层板和二层板之间的中心位置安装有悬臂梁压力传感器；二层板和三层板之间的平面推力球轴承使三层板可自由旋转，钻柱的扭矩通过三层板的转动作用于固定在一层板上的悬臂梁压力传感器上；位移传感器拉杆连接塑料圆环，塑料圆环内粘贴有滚动轴承，粘接在滚动轴承内的“T”形钢管连接钻柱，以测量钻柱位移。采用本发明装置及方法，可以测定钻柱的动态振动、钻压、进尺和扭矩对页岩破碎的影响，为各向异性页岩优化钻井提供实验依据。

Description

考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及石油与地质钻井工程中的岩石破碎实验装置，特别涉及一种考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置及实验方法。

背景技术

随着我国国民经济持续快速增长，能源需求急剧增加，石油天然气资源供需矛盾加剧。2013年我国石油的对外依存度达58.1％，天然气达到31.6％，大大超过国际公认的警戒线，严重威胁到国家能源战略的安全，必须寻找新的资源。天然气作为一种清洁能源，在我国能源消费中所占比例低(2011年仅为4.5％)。2012年中国天然气产量约1000亿方，进口约400亿方。如果要将我国天然气消费比例提高至10％，天然气供需差距将达到2000亿方以上，必须寻找新的天然气资源，页岩气的勘探开发是最现实的选择。我国页岩气分布广泛，资源量丰富，开发潜力巨大。据国际能源署估计，我国14个盆地中的25个页岩构造含有页岩气资源，总资源量约为15～30×10¹²m³，与美国主要盆地和地区的28.3×10¹²m³资源量大致相当，蕴含巨大的经济潜力。

页岩气水平井的多段体积压裂是实现页岩气商业化开采的关键，长水平段对钻柱的水平极限延伸能力以及由此引起的长水平段钻柱的动态振动特性提出更高的要求。钻柱振动引起牙齿与页岩的高频碰撞，极易致使牙齿的加速磨损、碎齿和断齿，直接影响页岩气储层的安全、高效钻井；同时，由于钻头的横向、纵向跳动，极易钻出“葫芦形”的井眼形状，为后期的固井和压裂改造带来一系列难题。

美国页岩气产区主要分布在比较稳定的大地构造单元内，地层呈现较为强烈的横观各向同性。而我国页岩层均经历了强烈的后期改造，地质条件相对复杂，页岩分布不稳定，地层倾斜，页岩呈现较强的各向异性特征。我国页岩气埋藏普遍超过3000米，页岩更加致密。钻井过程中高强度和高研磨性页岩致使其可钻性极差，机械钻速较低，钻井周期长而引起井壁垮塌，单井钻井成本平均比美国高40-50％。这主要是由于各向异性页岩的破碎机理没有掌握、钻头选型不当和不能实现长水平段“一趟钻”完井等造成的。

目前，现有的各向同性砂岩的破岩装置仅能考虑岩石的破碎体积，难以测量钻柱的动态振动对破岩体积、钻压、钻速、进尺和扭矩的影响，而页岩的各向异性易引起钻柱的动态振动又是页岩破碎必须考虑的主要因素之一。

鉴于此，本发明人凭借多年的相关设计和制造经验，采用实验测定钻柱动态振动对破岩体积、钻压、钻速和扭矩的影响，提出一种考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置及实验方法，为页岩气钻井个性化钻头优化设计以及钻井参数优化提供实验装置与方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置及实验方法，通过实验研究页岩的破碎机理以及钻柱动态振动对页岩破岩体积、钻压、钻速和扭矩的影响。

本发明解决此技术问题的技术方案是：一种考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置，该装置包括一层板1、钻压检测装置、二层板2、平面推力球轴承27、三层板3、夹持装置、扭矩检测装置、位移检测装置、数据采集系统、钻柱14和钻头10；所述一层板1是通过螺栓槽37和螺栓槽38用螺栓将其固定在摇臂钻床的工作台上；所述钻压检测装置是在所述一层板1和所述二层板2之间安装一个或三个悬臂梁压力传感器29，用于测量钻压；所述二层板2与所述三层板3之间通过所述平面推力球轴承27连接；所述夹持装置是在所述三层板3上通过螺栓安装角钢4和角钢26，其中角钢4的侧壁开圆孔，并在圆孔内焊接一个螺母6，螺母6内预先放置一个六角螺栓5，通过所述六角螺栓5旋转推动所述角钢4和角钢26之间的一个活动板7，从而夹紧页岩9；所述扭矩检测装置是在一层板1上通过螺栓连接角钢32，垫片33通过螺栓与所述角钢32连接，在所述垫片33上安装有一个悬臂梁压力传感器30，垫片34通过螺栓连接所述悬臂梁压力传感器30，角钢8通过螺栓连接在三层板3上；位移检测装置由角钢25通过螺栓槽36用螺栓将其连接在摇臂钻床的工作台上，条形钢板19使用螺栓连接在角钢25上，在条形钢板19上螺栓连接角钢18，在角钢18上焊接连接板17，在连接板17上通过螺栓连接安装位移传感器15，位移传感器15的拉杆16螺栓连接塑料圆环11，所述塑料圆环11的内环面通过高强度胶水与滚动轴承12的外圈环面粘接，滚动轴承12的内圈环面通过高强度胶水与“T”形钢管13的外表面粘接，“T”形钢管13的内表面与钻柱14的外表面通过螺钉33固定在一起。

所述钻压检测装置的所述悬臂梁压力传感器29的一端固定在所述一层板1上，另一端固定在所述二层板2的中心处。

所述二层板2和所述三层板3均呈正方形，且相对应面的中心处均采用铣刀铣出一个深度为5mm的环形槽，所述平面推力球轴承27的轴圈和轴套分别放置于二层板2与三层板3的环形槽内。

所述夹持装置固定于所述三层板3的中心位置，所述夹持装置的角钢4和角钢26的间距为110mm，所述活动板7为100mm×100mm×10mm的矩形板。

所述数据采集系统采用数据传输线连接所述悬臂梁压力传感器29、所述悬臂梁压力传感器30、所述位移传感器15、位移数据转换模块20、压力变送器23、压力变送器24、数据采集卡22和电脑终端21，用于记录实验过程中测量到的钻压、扭矩和位移数据。

所述钻柱14为一外径为20mm和内径为18mm的钢管，其上端固定于摇臂钻床的夹持器中，下端内圆攻丝螺纹连接所述钻头10。

所述钻头10为聚晶金刚石复合片微钻头或三牙轮微钻头。

本发明还提出使用该考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置的方法包含以下步骤：

1)将该页岩破碎实验装置通过螺栓固定在摇臂钻床的工作台上；

2)将所述钻头10安装在所述钻柱14攻丝的一端上，将所述位移检测装置的“T”形钢管13固定在所述钻柱14上的合适位置，采用摇臂钻床的夹持器将所述钻柱的上端固定在摇臂钻床上，同时应确保所述钻柱14和所述钻头10位于所述夹持装置的中心位置；

3)连接所述悬臂梁压力传感器29、悬臂梁压力传感器30、位移传感器15、转换模块20、压力变送器23、压力变送器24和电脑终端21，并进行调试与校准，标定所述悬臂梁压力传感器29、悬臂梁压力传感器30和位移传感器15；

4)用高精度电子称称出加工好的页岩9(规格长×宽×高为100mm×100mm×100mm)的初始重量，并将所述页岩9和所述活动板7放置于所述夹持装置中，拧紧螺钉以固定所述页岩9；

5)设定摇臂钻床的主轴转速和进给量，启动摇臂钻床；

6)观察当所述钻头10开始接触并破碎所述页岩9时，所述数据采集系统立即启动，开始记录钻压、扭矩、位移三种数据，同时秒表开始计时。

7)计时一定时间后，立即停止摇臂钻床主轴进给，提出所述钻头10并停止主轴转动，同时所述数据采集系统终止数据采集并将其保存。

8)将所述页岩9从所述夹持装置中取下，用高精度电子称称出所述页岩9在破碎实验后的重量，并记录；

9)重复实验步骤4至步骤8，直至实验结束。

本发明有六个显著的特点：一是可以考虑钻井过程中钻柱的动态振动对钻头破岩的影响；二是可以实时测量钻头破岩过程中的钻压、扭矩、进尺(钻柱位移)和页岩破碎量等实验数据；三是页岩夹持装置部分简易可行；四是传感器、转换模块、压力变送器、数据采集卡与电脑终端连接实现数据的实时精确测量与记录；五是实验参数主轴的转速、进尺以及页岩层理倾角选取范围较宽，实验重复性高，为岩石破碎研究提供了可以实际操作的实验装置；六是装置简易，采用钢板和角钢材料设计加工，操作方便，成本低，采集的数据质量高，安全系数高。采用本发明考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置及实验方法，可以弄清各向异性页岩的破岩机理；将钻柱动态振动引入页岩的钻进实验中，可以找出钻柱的动态振动、钻井参数对页岩破碎效果的影响，为各向异性页岩钻井中个性化钻头的研制、钻井参数的优选提供实验依据，从而提高页岩钻井的钻速和井眼质量，节约页岩气开发的成本。

附图说明

图1是本发明装置的三维结构图。

图2是本发明装置的俯视图。

图3是本发明装置的左视图。

图4是本发明装置的后视图。

图5是本发明装置的A-A放大图。

图6是本发明装置的B-B放大图。

图7是本发明实施例中的钻压-时间曲线图。

图8是本发明实施例中的扭矩-时间曲线图。

图9是本发明实施例中的钻头进尺-时间曲线图。

图10是本发明装置的现场实验图。

图中各部分名称及编号：1-一层板，2-二层板，3-三层板，4、8、18、25、26、32-角钢，5-六角螺栓,6-螺母，7-活动板，9-页岩，10-钻头,11-塑料圆环,12-滚动轴承，13-“T”形钢管，14-钻柱，15-位移传感器，16-位移传感器拉杆，17-连接板，19-条形钢板，20-转换模块，21-电脑终端，22-数据采集卡，23、24-压力变送器，27-平面推力球轴承，28、31、33、34-垫片，29、30-悬臂梁压力传感器，35-螺钉,36、37、38-螺栓槽。

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、图4、图5、图6所示，本发明提出一种考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置，该装置包括一层板1、钻压检测装置、二层板2、平面推力球轴承27、三层板3、夹持装置、扭矩检测装置、位移检测装置、数据采集系统、钻柱14和钻头10。

如图1和图2所示，一层板由一层板1通过螺栓槽37和螺栓槽38用螺栓将其固定在摇臂钻床的工作台上；如图4所示，钻压检测装置的悬臂梁压力传感器29的一端与垫片31和一层板1螺栓连接，另一端与垫片28和二层板2螺栓连接；如图3所示，平面推力球轴承27是在二层板2和三层板3相对应面的中心处均采用铣刀铣出一个深度为5mm的圆槽，然后将平面推力球轴承27的轴圈和轴套分别放置于二层板2与三层板3的环形槽内；如图3和图6所示，夹持装置是在三层板3上通过螺栓安装角钢4和角钢26，其中角钢4的侧壁开圆孔，并在圆孔内焊接螺母6，螺母6内预先放置一个六角螺栓5，通过六角螺栓5的旋转推动角钢4和角钢26之间的一个活动板7，从而夹紧页岩9；如图2、图3所示，扭矩检测装置由角钢8、角钢32、垫片33、垫片34和悬臂梁压力传感器30组成，角钢32安装在一层板1上，垫片33通过螺栓与角钢32连接，悬臂梁压力传感器30通过螺栓连接在垫片33上，垫片34通过螺栓连接在悬臂梁压力传感器30，在三层板上采用螺栓固定的角钢8随三层板3的转动作用于悬臂梁压力传感器30上，用于测量钻头10破碎页岩9时产生的扭矩大小；如图1、图4和图5所示，位移检测装置由角钢25通过螺栓槽36用螺栓将其连接在摇臂钻床的工作台上，条形钢板19使用螺栓连接在角钢25上，在条形钢板19上螺栓连接角钢18，在角钢18上焊接连接板17，在连接板17上安装位移传感器15，位移传感器15的拉杆16螺栓连接塑料圆环11，塑料圆环11的内环面通过高强度胶水与滚动轴承12的外圈环面粘接，滚动轴承12的内圈环面通过高强度胶水与“T”形钢管13的外表面粘接，“T”形钢管13的内表面与钻柱14的外表面通过螺钉33固定在一起。

本发明产品使用时，首先用高精度电子称称出加工好的页岩(规格长×宽×高为100mm×100mm×100mm)的初始重量；将页岩9放于角钢8和活动板7之间，六角螺栓5通过螺母6往里旋转推动活动板7夹紧页岩9；将微型PDC钻头10安装在钻柱14攻丝的一端上，塑料圆环11中心处的滚动轴承12的内圆环面粘接“T”形钢管13的外圆，用螺钉35通过“T”形钢管13外壁面的螺纹孔旋转连接固定钻柱14的外壁面；将钻柱14没有攻丝的一端安装在摇臂钻床主轴上，并使钻头10位于页岩9中心上方；连接悬臂梁压力传感器29、悬臂梁压力传感器30、位移传感器15、转换模块20、压力变送器23、压力变送器24和电脑终端21，并进行调试与校准，标定所述悬臂梁压力传感器29、悬臂梁压力传感器30和位移传感器15；设定主轴的转速和进给量，启动摇臂钻床；观察当钻头10开始接触并破碎页岩9时，数据采集软件立即启动，开始记录钻压、扭矩、位移三种数据，同时秒表开始计时；计时1分钟到，立即停止主轴进给，提出钻头10并停止主轴转动，同时数据采集软件终止数据采集并将其保存；将页岩9从夹持装置中取下，用高精度电子称称出页岩9在1分钟破碎实验后的重量，并记录；用初始重量减去实验后的重量，所得为单位时间1分钟内钻头所破碎的岩屑重量，做好记录。

实施例：

本发明装置安装在摇臂钻床上进行实验，选择页岩层理倾角为15°，规格长×宽×高为100mm×100mm×100mm。

第1步，使用高精度电子称称出二层板2及其以上所有零件的重量194.64g(真实钻压为实验钻压减去二层板2及其以上所有零件的重量)，并做记录。

第2步，在钻柱14攻丝的一端安装微型PDC钻头10，塑料圆环11中心处的滚动轴承12的内圆环面粘接“T”形钢管13的外圆，用螺钉35通过“T”形钢管13外壁面的螺纹孔旋转连接固定钻柱14的外壁面，将钻柱14没有攻丝的一端安装于摇臂钻床主轴，使得微型PDC钻头10正对于岩石中心。

第3步，连接悬臂梁压力传感器29、悬臂梁压力传感器30、位移传感器15、转换模块20、压力变送器23、压力变送器24和电脑终端21，并进行调试与校准，标定所述悬臂梁压力传感器29、悬臂梁压力传感器30和位移传感器15。

第4步，使用高精度电子称称出页岩9的初始重量605.4g并记录，然后用夹持装置夹紧页岩9，使页岩9位于三层板3中心。

第5步，设定摇臂钻床主轴转速80r/min，进给量0.06mm/r；启动机床，主轴转动并向下进给。

第6步，观察到钻头10接触并破碎页岩9时，电脑端数据采集软件立即启动，采集钻压、扭矩、位移三种数据，与此同时秒表开始计时。

第7步，秒表计时1分钟到，立即停止主轴进给，提出钻头10并停止主轴转动，同时数据采集软件终止数据采集并将其保存。如图7、图8和图9分别为钻压、钻柱扭矩和钻头进尺随时间的变化曲线图。

第8步，将页岩9从夹持装置取下，用高精度电子称称出页岩9在破碎后的重量594.4g，再用页岩9初始重量减去破岩后重量即为单位时间1分钟内钻头所破碎岩屑的重量12.6g。

第9步，逐步改变主轴转速、进给量以及岩石层理倾角，重复步骤4至步骤8，测出钻头在不同转速、不同进给量、不同页岩层理倾角的情况下的破岩钻压、扭矩、钻头进尺和1分钟内所破碎岩屑重量等数据并做好记录保存。

以上是本发明的具体实验方法及其在生产中的具体应用，该实验装置及方法可得出在不同转速、不同进给量、不同层理倾角对破岩效率的影响。这对于页岩钻井个性化钻头研制和钻井参数优化具有极大的指导意。

Claims (8)

1.考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置及实验方法，其特征在于，由一层板(1)、钻压检测装置、二层板(2)、平面推力球轴承(27)、三层板(3)、夹持装置、扭矩检测装置、位移检测装置、数据采集系统、钻柱(14)和钻头(10)组成；所述一层板(1)是通过螺栓槽(37)和螺栓槽(38)用螺栓将其固定在摇臂钻床的工作台上；所述钻压检测装置是在所述一层板(1)和所述二层板(2)之间安装一个或三个悬臂梁压力传感器(29)，用于测量钻压；所述二层板(2)与所述三层板(3)之间通过所述平面推力球轴承(27)连接；所述夹持装置是在所述三层板(3)上通过螺栓安装角钢(4)和角钢(26)，其中角钢(4)的侧壁开圆孔，并在圆孔内焊接一个螺母(6)，螺母(6)内预先放置一个六角螺栓(5)，通过所述六角螺栓(5)旋转推动所述角钢(4)和角钢(26)之间的一个活动板(7)，从而夹紧页岩(9)；所述扭矩检测装置是在一层板(1)上通过螺栓连接角钢(32)，垫片(33)通过螺栓与所述角钢(32)连接，在所述垫片(33)上安装有一个悬臂梁压力传感器(30)，垫片(34)通过螺栓连接在所述悬臂梁压力传感器(30)上，角钢(8)通过螺栓连接在三层板(3)上；位移检测装置由角钢(25)通过螺栓槽(36)用螺栓将其连接在摇臂钻床的工作台上，条形钢板(19)使用螺栓连接在角钢(25)上，在条形钢板(19)上螺栓连接角钢(18)，在角钢(18)上焊接连接板(17)，在连接板(17)上安装位移传感器(15)，位移传感器(15)的拉杆(16)螺栓连接塑料圆环(11)，塑料圆环(11)的内环面通过高强度胶水与滚动轴承(12)的外圈环面粘接，滚动轴承(12)的内圈环面通过高强度胶水与“T”形钢管(13)的外表面粘接，“T”形钢管(13)的内表面与钻柱(14)的外表面通过螺钉(33)固定在一起。 

2.根据权利要求1所述的钻压检测装置，其特征在于：所述悬臂梁压力传 感器(29)的一端固定在所述一层板(1)上，另一端固定在所述二层板(2)的中心处。 

3.根据权利要求1所述的二层板和所述的三层板，其特征在于：所述二层板(2)和所述三层板(3)均呈正方形，且相对应面的中心处均采用铣刀铣出一个深度为5mm的圆槽，所述平面推力球轴承(7)的轴圈和轴套分别放置于二层板(2)与三层板(3)的环形槽内。 

4.根据权利要求1所述的夹持装置，其特征在于：所述夹持装置固定于所述三层板(3)的中心位置，所述夹持装置的角钢(4)和角钢(26)的间距为110mm，所述活动板(7)为100mm×100mm×10mm的矩形板。 

5.根据权利要求1所述的数据采集系统，其特征在于：采用数据传输线连接所述悬臂梁压力传感器(29)、所述悬臂梁压力传感器(30)、所述位移传感器(15)、位移数据转换模块(20)、压力变送器(23)、压力变送器(24)、数据采集卡(22)和电脑终端(21)，用于记录实验过程中测量到的钻压、扭矩和位移数据。 

6.根据权利要求1所述的钻柱，其特征在于：所述钻柱(14)为一外径为20mm和内径为18mm的钢管，其上端固定于摇臂钻床的夹持器中，下端内圆攻丝螺纹连接所述钻头(10)。 

7.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述钻头(10)为聚晶金刚石复合片微钻头或三牙轮微钻头。 

8.一种使用权利要求1所述的考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置的方法，其特征在于包含以下步骤： 

1)将该页岩破碎实验装置通过螺栓固定在摇臂钻床的工作台上； 

2)将所述钻头(10)安装在所述钻柱(14)攻丝的一端上，将所述位移检 测装置的“T”形钢管(13)固定在所述钻柱(14)上的合适位置，采用摇臂钻床的夹持器将所述钻柱的上端固定在摇臂钻床上，同时应确保所述钻柱(14)和所述钻头(10)位于所述夹持装置的中心位置； 

3)连接所述悬臂梁压力传感器(29)、悬臂梁压力传感器(30)、位移传感器(15)、转换模块(20)、压力变送器(23)、压力变送器(24)和电脑终端(21)，并进行调试与校准，标定所述悬臂梁压力传感器(29)、悬臂梁压力传感器(30)和位移传感器(15)； 

4)用高精度电子称称出加工好的页岩(9)(规格长×宽×高为100mm×100mm×100mm)的初始重量，并将所述页岩(9)和所述活动板(7)放置于所述夹持装置中，拧紧螺钉以固定所述页岩(9)； 

5)设定摇臂钻床的主轴转速和进给量，启动摇臂钻床； 

6)观察当所述钻头(10)开始接触并破碎所述页岩(9)时，所述数据采集系统立即启动，开始记录钻压、扭矩、位移三种数据，同时秒表开始计时。 

7)计时一定时间后，立即停止摇臂钻床主轴进给，提出所述钻头(10)并停止主轴转动，同时所述数据采集系统终止数据采集并将其保存。 

8)将所述页岩(9)从所述夹持装置中取下，用高精度电子称称出所述页岩9在破碎实验后的重量，并记录； 

9)重复实验步骤4至步骤8，直至实验结束。