CN105275461B - 煤层气直井钻进过程煤粉产出测试装置 - Google Patents

Abstract

煤层气直井钻进过程煤粉产出测试装置，包括地层压力模拟系统（1）、钻井模拟系统（2）、钻井液循环系统（3）和煤粉产出测控系统（4）；地层压力模拟系统（1）包括伺服液压油源（5）、轴压模拟装置和围压模拟装置；煤粉产出测控系统（4）包括计算机（87）和测控仪器（88）；本发明能对不同煤储层参数、不同钻井参数下煤粉产出量及产出粒径进行较准确的测试，以便能优化钻井参数，减少煤层气直井钻进过程煤粉的产出量和井径扩大率，降低其对储层的伤害，为提高煤层气井排采压力传播和产气量提供有利支撑。

Description

煤层气直井钻进过程煤粉产出测试装置

技术领域

[0001]本发明属于煤层气井产出测试技术领域，尤其涉及一种煤层气直井钻进过程煤粉 产出测试装置。

背景技术

[0002]煤层气作为一种新型清洁能源，受到了人们广泛的关注，国内纷纷投入煤层气资 源勘探开发中。煤层气主要赋存在煤层中，为了开发埋藏在地下的煤层气，地面钻井是其主 要的开发方式。我煤层在形成后，大多遭受了多期构造运动作用，煤层松软，钻井过程中 易产生煤粉，这些产出的煤粉可能堵塞煤储层裂隙通道，使煤储层的导流能力显著降低，进 而影响了煤层气井的产气量。

[0003]煤储层主要属性参数(主要包括煤层厚度、岩石力学性质、煤层段力学性质差异组 合等）、钻井参数(主要包括钻井液密度、钻压、转速、钻头直径等)等差异，造成钻井过程中 煤粉产出量及粒径的不同，进而造成对储层导流能力伤害的差异。为了研究煤层气直井钻 进过程这些参数对煤粉产出量的影响，一些研宄者进行了理论推导及简单的模拟试验，由 于测试装置简单，导致测试时无法进行钻进过程中煤粉的提取，无法较准确的测试煤层受 力情况，更不能有效分离煤粉、岩肩与泥浆，更无法测试煤粉产出量和煤粉粒度分布特征， 导致研究成果在指导现场施工时存在较大偏差。

发明内容

[0004] 本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种煤层气直井钻进过程煤粉产 出测试装置，该测试系统能对不同储层属性参数、不同钻井参数下煤粉产出量及粒径的分 布进行较准确测试，为优化钻井工艺参数，减少钻井过程中煤粉产出和井径扩大率提供理 论依据。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:煤层气直井钻进过程煤粉产出 测试装置，包括地层压力模拟系统1、钻井模拟系统2、钻井液循环系统3和煤粉产出测控系 统4;

[0006] 地层压力模拟系统1包括伺服液压油源5、轴压模拟装置和围压模拟装置；

[0007] 轴压模拟装置包括轴压伺服油箱6、轴压增压器7、轴压伺服控制器8、轴压充液控 制阀9和轴压充液油箱10;轴压伺服油箱6通过轴压主油管11与伺服液压油源5连接，轴压伺 服油箱6通过第一轴压增压油管12与轴压增压器7连接，轴压增压器7通过第二轴压增压油 管13与轴压充液控制阀9连接，轴压充液控制阀9通过第三轴压增压油管14与轴压充液油箱 10连接;第一轴压增压油管I2上沿轴压伺服油箱6到轴压增压器7方向依次设有第一轴压过 滤器15、轴压油泵电机组16、第二轴压过滤器17、轴压蓄能器18和轴压伺服阀19,第一轴压 增压油管12上在轴压油泵电机组I6和第二轴压过滤器17之间连接有轴压溢流管20,轴压溢 流管20的一端伸入到轴压伺服油箱6内，轴压溢流管2〇沿油液流向依次设有轴压压力表21、 轴压溢流阀22和轴压冷却器23;第三轴压增压油管14上沿轴压充液油箱10到轴压增压器7 方向依次设有轴压充液过滤器24和轴压充液油泵电机组25，第三轴压增压油管14上在轴压 充液油泵电机组25和轴压充液控制阀9之间连接有轴压充液溢流管26,轴压充液溢流管26 上沿油液流向依次设有轴压充液压力表27、轴压充液溢流阀28和轴压充液冷却器29;

[0008]围压模拟装置包括围压伺服油箱30、围压增压器31、围压伺服控制器32、围压充液 油箱33和围压充液控制阀36;围压伺服油箱3〇通过围压主油管对与伺服液压油源5连接，围 压伺服油箱30通过第一围压增压油管35与围压增压器3丨连接，围压增压器31通过第二围压 增压油管37与围压充液控制阀36连接，围压充液控制阀36通过第三围压增压油管38与围压 充液油箱33连接;第一围压增压油管35上沿围压伺服油箱30到围压增压器31方向依次设有 第一围压过滤器39、围压油栗电机组40、第二围压过滤器41、围压蓄能器42和围压伺服阀 43,第一围压增压油管35上在围压油栗电机组40和第二围压过滤器41之间连接有围压溢流 管44,围压溢流管44的一端伸入到围压伺服油箱3〇内，围压溢流管44沿油液流向依次设有 围压压力表45、围压溢流阀46和围压冷却器47;第三围压增压油管38上沿围压充液油箱33 到围压增压器31方向依次设有围压充液过滤器48和围压充液油栗电机组49,第三围压增压 油管38上在围压充液油泵电机组49和围压充液控制阀36之间连接有围压充液溢流管50,围 压充液溢流管50上沿油液流向依次设有围压充液压力表51、围压充液溢流阀52和围压充液 冷却器53;

[0009] 钻井模拟系统2包括框架58和上下两端均敞口的圆筒体54,框架58内底部设有底 座56,圆筒体54下端通过卡箍55与底座56可拆卸密封连接，圆筒体54上端设有圆环顶盖57， 圆筒体54内设有将圆筒体54内部分隔为导向腔59和试验腔60的圆环隔板61，圆筒体54、圆 环顶盖57和圆环隔板61的中心线重合，圆环顶盖57和圆环隔板61的内孔滑动密封连接有轴 向压轴62,框架58上部设有缸体63,轴向压轴62上部外侧设有与缸体63内壁滑动密封配合 的活塞柱64;框架58顶部上下滑动设有活动架65,活动架上设有驱动电机66,轴向压轴62内 沿中心线方向设有导向孔72，导向孔72内同轴向设有钻杆67,钻杆67外径小于导向孔72内 径，轴向压轴62顶部设有与钻杆67外壁滑动密封配合的环形堵盖68,钻杆67上端向上穿过 环形堵盖68与驱动电机66传动连接，钻杆67下端设有模拟钻头69,底座56上设有位于试验 腔6〇内的样品煤块7〇，样品煤块70侧部设有用于监测样品煤块70变形量的引伸计71，轴向 压轴62外侧设有位于导向腔59内并与导向腔59内壁滑动配合的导向板73;钻杆67中心沿轴 向方向设有上下通透的钻井液注入孔76;

[0010]轴压充液控制阀9通过轴向模拟注压管74与缸体63内部连通；围压充液控制阀36 通过圆周向模拟注压管75与圆筒体54的试验腔60连通；

[0011]钻井液循环系统3包括沉淀箱77，沉淀箱77内设有液位传感器78，沉淀箱77的出液 口与钻井液注入孔76之间设有钻井液注入管79，钻井液注入管79沿液流方向依次设有流量 计S1、钻井液水泵电机组80、进液阀82和钻井液压力计91，沉淀箱77的进液口与轴向压轴62 内的导向孔72之间设有浆液排出管83,浆液排出管83上沿液流方向顺次设有出液阀84、煤 粉浓度传感器85和煤粉粒度分离器86;

[0012]煤粉产出测控系统4包括计算机87和测控仪器88,测控仪器88连接有集线器89、钻 井液控制器90和煤粉浓度传感器即，集线器洲通过数据信号线分别与驱动电机66、轴压伺 服控制器8、围压伺服控制器32和伺服液压油源5连接；

[0013]钻井液控制器90通过控制信号线分别与钻井液水泵电机组8〇、流量计81和液位传 感器78连接；

[00M]轴压伺服控制器8通过轴压控制电缆分别与轴压增压器7、轴压充液控制阀9、轴压 油栗电机组I6、轴压蓄能器18、轴压伺服阀I9、轴压压力表21、轴压溢流阀22、轴压充液油栗 电机组25、轴压充液压力表27和轴压充液溢流阀28连接；

[0015]围压伺服控制器32通过围压控制电缆分别与围压增压器31、围压充液控制阀36、 围压油栗电机组40、围压蓄能器42、围压伺服阀43、围压压力表45、围压溢流阀46、围压充液 油泵电机组49、围压充液压力表51和围压充液溢流阀52连接。

[0016]煤粉粒度分离器86包括沿沿液流方向依次同轴向设置的第一连接套管95、第一煤 粉筛筒92、第二煤粉筛筒93、第三煤粉筛筒M和第二连接套管96,第一煤粉筛筒92与第二煤 粉筛筒93之间通过第一法兰盘97连接，第二煤粉筛筒93与第三煤粉筛筒94之间通过第二法 兰盘98连接；

[0017]第一煤粉筛筒92内倾斜设有第一筛板99,第二煤粉筛筒93内倾斜设有第二筛板 100,第三煤粉筛筒94内倾斜设有第三筛板101，第一筛板99上筛孔的孔径大于第二筛板100 上筛孔的孔径，第二筛板1〇〇上筛孔的孔径大于第三筛板101上筛孔的孔径。

[0018]采用上述技术方案，本发明主要包括地层压力模拟系统、钻井模拟系统、钻井液循 环系统和煤粉产出测控系统等四大部分。地层压力模拟系统主要是充分模拟原始状态下煤 储层所受的应力和储层压力条件。钻井模拟系统为试验测试提供钻井动力。钻井液循环系 统主要是模拟钻井液循环过程以及测试钻进过程中的煤粉。测控系统主要实现对钻进过程 中钻井参数、煤粉产出量实时监控和测试的目的。

[0019] 地层压力模拟系统主要由轴压模拟装置、围压模拟装置和伺服液压油源等装置组 成。轴压模拟装置和围压模拟装置主要模拟现场煤层所受应力条件，为试验腔内的样品煤 块提供轴压和围压。轴压模拟装置和围压模拟装置均采用相同的伺服控制装置和增压装 置。

[0020] 轴压模拟装置的具体工作原理如下:轴压充液控制阀由测控仪器控制，对轴压增 压器进行调节，使轴压增压器保持一定压力满足试验腔内样品煤块的轴向压力。轴压伺服 油箱为轴压增压器提供工作油。轴压伺服油箱通过第一轴压增压油管连接有轴压油泵电机 组，并与轴压伺服阀相连，为轴压伺服阀提供工作油，轴压冷却器和轴压溢流阀连接至第一 轴压增压油管和轴压伺服油箱与供油管路形成循环，轴压伺服阀连接轴压蓄能器和轴压增 压器，同时与轴压伺服控制器相连，通过控制轴压伺服阀为轴压增压器提供液压油。当轴压 油栗电机组工作时，高压油依次经过第一轴压过滤器、轴压伺服阀等进入轴压增压器，通过 轴压伺服控制器控制轴压伺服阀，实现对轴压增压器的压力控制。增压装置的轴压增压器 为试验腔内提供工作油和高压油，轴压充液油箱为轴压增压器和试验腔提供工作油。轴压 增压器通过第三轴压增压油管连接轴压充液油泵电机组和轴压充液控制阀，同时通过轴压 充液溢流管、轴压充液溢流阀连接轴压充液油箱，与轴压充液油箱形成循环。工作时，工作 油通过轴压充液油泵电机组和轴压充液溢流阀进入轴压增压器，当需要为试验腔提供压力 时，轴压伺服控制器通过控制轴压充液控制阀控制轴压增压器为试验腔提供高压油增压， 卸压时轴压充液控制阀控制轴压伺服阀和轴压充液油栗电机组为轴压增压器卸压。

[0021] 钻井模拟系统主要包括圆筒体内的试验腔和钻井装置两部分。试验腔主要为样品 煤块提供轴压和围压，并固定样品煤块，试验腔中装有压力传感器为测控系统提供压力数 据，同时通过测控系统控制样品煤块压力。试验腔采用自平衡结构，试验过程中自平衡结构 可以实时进行自反馈调节，保证样品煤块的轴向变形对围压无任何影响，提高试验机控制 精度，圆筒体和底座采用卡箍式连接结构，拆卸方便、快捷。

[0022]钻井装置中的驱动电机为钻杆提供动力。同时，钻杆驱动模拟钻头进行钻进工作。 驱动电机与测控系统相连，通过测控系统控制驱动电机功率，控制钻进参数。

[0023]钻井模拟系统工作时，轴压模拟装置通过向缸体内注入高压油控制轴压，围压模 拟装置通过试验腔内注入高压油控制围压。当围压和轴压达到试验值时，测控系统控制发 出指令，指示驱动电机带动钻杆和模拟钻头进行钻进，同时测控系统控制钻井液循环系统 由钻井液注入孔注入钻井液至模拟钻头处，对样品煤块进行水力喷射破岩同时润滑钻头， 冲洗样品煤块表面，携带煤粉通过导向孔和浆液排出管进入钻井液循环系统。

[0024]钻井液循环系统可以通过钻井液注入管和浆液排出管为钻井过程提供钻井液，将 冲刷试样后的钻井液从钻井模拟系统中带出，同时将产生出的煤粉带出，进入煤粉产出测 控系统中进行测试。当开始试验时，钻井液循环系统工作，钻井液水栗电机组为钻井液提供 动力输出，煤粉浓度传感器用于监测浆液中的煤粉含量，通过煤粉粒度分离器将煤粉分离， 煤粉粒度分离器采用逐步减小筛孔的筛板，最后将钻井液排入沉淀箱中，形成钻井液循环。 钻井液控制器与测控系统相连，通过煤粉产出测控系统控制钻井液流量。煤粉浓度传感器 与煤粉产出测控系统相连，实时监测煤粉浓度。第一连接套管和第二连接套管轴向连接在 浆液排出管上。

[0025]煤粉产出测控系统由轴压伺服测控系统、围压伺服测控系统、钻井控制系统、钻井 液栗入系统和测试系统及相关线路等组成。煤粉产出测控系统采用德国EDC全数字伺服测 控器，对设定控制参数或控制目标进行控制。钻井控制系统可通过设定相关钻井工艺参数 对钻进参数和水力喷射参数进行设定，并控制钻井液栗入系统，调节钻井液循环流量。测控 伩器采用MFB-1测试仪，通过煤粉浓度传感器测试煤粉浓度并通过计算机显示。测控仪器与 计算机相连，通过计算机进行试验参数的设定及测试结果的响应。

[0026]本发明能进行不同煤层属性参数、不同应力状态、不同煤层气直井钻进参数下煤 粉产出速度、产出量的较准确的测量。本发明可以对不同煤层属性参数、不同应力状态、不 同钻进参数、不同钻进时间下煤粉产出浓度和产出粒度进行分离分析，更准确分析煤粉产 出与钻井工程的关系，为煤层气井钻井参数优化提供理论支撑。

[0027]综上所述，本发明能对不同煤储层参数、不同钻井参数下煤粉产出量及产出粒径 进行较准确的测试，以便能优化钻井参数，减少煤层气直井钻进过程煤粉的产出量和井径 扩大率，降低其对储层的伤害，为提高煤层气井排采压力传播和产气量提供有利支撑。

附图说明

[0028]图1是本发明的结构示意图；

[0029]图2是图1中地层压力模拟系统的轴压模拟装置和围压模拟装置的结构示意图；

[0030] 图3是图1中钻井模拟系统的结构示意图；

[0031] 图4是图1中钻井液循环系统的结构示意图；

[0032]图5是图4中煤粉粒度分离器的结构示意图；

[0033]图6是图5中第一筛板的结构示意图；

[0034] 图7是图5中第二筛板的结构示意图；

[0035] 图8是图5中第三筛板的结构示意图。

具体实施方式

[0036] 如图1 -图8所示，本发明的煤层气直井钻进过程煤粉产出测试装置，包括地层压力 模拟系统1、钻井模拟系统2、钻井液循环系统3和煤粉产出测控系统4。

[0037] 地层压力模拟系统1包括伺服液压油源5、轴压模拟装置和围压模拟装置。

[0038] 轴压模拟装置包括轴压伺服油箱6、轴压增压器7、轴压伺服控制器8、轴压充液控 制阀9和轴压充液油箱1〇;轴压伺服油箱6通过轴压主油管11与伺服液压油源5连接，轴压伺 服油箱6通过第一轴压增压油管I2与轴压增压器7连接，轴压增压器7通过第二轴压增压油 管13与轴压充液控制阀9连接，轴压充液控制阀9通过第三轴压增压油管14与轴压充液油箱 1〇连接;第一轴压增压油管12上沿轴压伺服油箱6到轴压增压器7方向依次设有第一轴压过 滤器15、轴压油泵电机组16、第二轴压过滤器17、轴压蓄能器18和轴压伺服阀19,第一轴压 增压油管12上在轴压油泵电机组16和第二轴压过滤器17之间连接有轴压溢流管20,轴压溢 流管20的一端伸入到轴压伺服油箱6内，轴压溢流管20沿油液流向依次设有轴压压力表21、 轴压溢流阀22和轴压冷却器23;第三轴压增压油管14上沿轴压充液油箱10到轴压增压器7 方向依次设有轴压充液过滤器24和轴压充液油栗电机组25,第三轴压增压油管14上在轴压 充液油泵电机组25和轴压充液控制阀9之间连接有轴压充液溢流管26,轴压充液溢流管26 上沿油液流向依次设有轴压充液压力表27、轴压充液溢流阀28和轴压充液冷却器29。

[0039] 围压模拟装置包括围压伺服油箱30、围压增压器31、围压伺服控制器32、围压充液 油箱33和围压充液控制阀36;围压伺服油箱30通过围压主油管34与伺服液压油源5连接，围 压伺服油箱30通过第一围压增压油管35与围压增压器31连接，围压增压器31通过第二围压 增压油管37与围压充液控制阀36连接，围压充液控制阀36通过第三围压增压油管38与围压 充液油箱33连接;第一围压增压油管35上沿围压伺服油箱30到围压增压器31方向依次设有 第一围压过滤器39、围压油栗电机组40、第二围压过滤器41、围压蓄能器42和围压伺服阀 43,第一围压增压油管35上在围压油栗电机组40和第二围压过滤器41之间连接有围压溢流 管44,围压溢流管44的一端伸入到围压伺服油箱30内，围压溢流管44沿油液流向依次设有 围压压力表45、围压溢流阀46和围压冷却器47;第三围压增压油管38上沿围压充液油箱33 到围压增压器31方向依次设有围压充液过滤器48和围压充液油栗电机组49,第三围压增压 油管38上在围压充液油栗电机组49和围压充液控制阀36之间连接有围压充液溢流管50,围 压充液溢流管50上沿油液流向依次设有围压充液压力表51、围压充液溢流阀52和围压充液 冷却器53。

[0040] 钻井模拟系统2包括框架58和上下两端均敞口的圆筒体54,框架58内底部设有底 座56,圆筒体54下端通过卡箍55与底座56可拆卸密封连接，圆筒体54上端设有圆环顶盖57， 圆筒体54内设有将圆筒体54内部分隔为导向腔59和试验腔60的圆环隔板61，圆筒体54、圆 环顶盖57和圆环隔板61的中心线重合，圆环顶盖57和圆环隔板61的内孔滑动密封连接有轴 向压轴62,框架58上部设有缸体63,轴向压轴62上部外侧设有与缸体63内壁滑动密封配合 的活塞柱64;框架58顶部上下滑动设有活动架65，活动架上设有驱动电机66，轴向压轴62内 沿中心线方向设有导向孔72,导向孔72内同轴向设有钻杆67,钻杆67外径小于导向孔72内 径，轴向压轴62顶部设有与钻杆e7外壁滑动密封配合的环形堵盖68,钻杆67上端向上穿过 环形堵盖68与驱动电机66传动连接，钻杆67下端设有模拟钻头69，底座56上设有位于试验 腔60内的样品煤块70，样品煤块7〇侧部设有用于监测样品煤块70变形量的引伸计71，轴向 压轴62外侧设有位于导向腔59内并与导向腔59内壁滑动配合的导向板73;钻杆67中心沿轴 向方向设有上下通透的钻井液注入孔76。

[0041]轴压充液控制阀9通过轴向模拟注压管74与缸体63内部连通；围压充液控制阀36 通过圆周向模拟注压管75与圆筒体54的试验腔60连通。

[0042]钻井液循环系统3包括沉淀箱77，沉淀箱77内设有液位传感器78，沉淀箱77的出液 口与钻井液注入孔76之间设有钻井液注入管79，钻井液注入管79沿液流方向依次设有流量 计81、钻井液水栗电机组8〇、进液阀82和钻井液压力计91，沉淀箱7了的进液口与轴向压轴62 内的导向孔72之间设有浆液排出管83，浆液排出管83上沿液流方向顺次设有出液阀84、煤 粉浓度传感器85和煤粉粒度分离器86。

[0043] 煤粉产出测控系统4包括计算机87和测控仪器88，测控仪器88连接有集线器89、钻 井液控制器90和煤粉浓度传感器85,集线器89通过数据信号线分别与驱动电机66、轴压伺 服控制器8、围压伺服控制器32和伺服液压油源5连接。

[0044] 钻井液控制器90通过控制信号线分别与钻井液水泵电机组80、流量计81和液位传 感器78连接。

[0045] 轴压伺服控制器8通过轴压控制电缆分别与轴压增压器7、轴压充液控制阀9、轴压 油栗电机组16、轴压蓄能器18、轴压伺服阀19、轴压压力表21、轴压溢流阀22、轴压充液油泵 电机组25、轴压充液压力表27和轴压充液溢流阀28连接。

[0046]围压伺服控制器32通过围压控制电缆分别与围压增压器31、围压充液控制阀36、 围压油栗电机组40、围压蓄能器42、围压伺服阀43、围压压力表45、围压溢流阀46、围压充液 油泵电机组49、围压充液压力表51和围压充液溢流阀52连接。

[0047]煤粉粒度分离器86包括沿沿液流方向依次同轴向设置的第一连接套管95、第一煤 粉筛筒92、第二煤粉筛筒93、第三煤粉筛筒94和第二连接套管96，第一煤粉筛筒92与第二煤 粉筛筒93之间通过第一法兰盘97连接，第二煤粉筛筒93与第三煤粉筛筒94之间通过第二法 兰盘98连接。

[0048] 第一煤粉筛筒92内倾斜设有第一筛板99,第二煤粉筛筒93内倾斜设有第二筛板 100,第三煤粉筛筒94内倾斜设有第三筛板101，第一筛板99上筛孔的孔径大于第二筛板100 上筛孔的孔径，第二筛板1〇〇上筛孔的孔径大于第三筛板101上筛孔的孔径。

[0049] 地层压力模拟系统主要由轴压模拟装置、围压模拟装置和伺服液压油源等装置组 成。轴压模拟装置和围压模拟装置主要模拟现场煤层所受应力条件，为试验腔60内的样品 煤块70提供轴压和围压。轴压模拟装置和围压模拟装置均采用相同的伺服控制装置和增压 装置。

[0050] 轴压模拟装置的具体工作原理如下:轴压充液控制阀9由测控仪器88控制，对轴压 增压器7进行调节，使轴压增压器7保持一定压力满足试验腔60内样品煤块70的轴向压力。 轴压伺服油箱6为轴压增压器7提供工作油。轴压伺服油箱6通过第一轴压增压油管12连接 有轴压油泵电机组16,并与轴压伺服阀19相连，为轴压伺服阀19提供工作油，轴压冷却器23 和轴压溢流阀22连接至第一轴压增压油管12和轴压伺服油箱6与供油管路形成循环，轴压 伺服阀19连接轴压蓄能器18和轴压增压器7,同时与轴压伺服控制器相连，通过控制轴压伺 服阀19为轴压增压器7提供液压油。当轴压油泵电机组I6工作时，高压油依次经过第一轴压 过滤器15、轴压伺服阀19等进入轴压增压器7，通过轴压伺服控制器8控制轴压伺服阀19，实 现对轴压增压器7的压力控制。增压装置的轴压增压器7为试验腔60内提供工作油和高压 油，轴压充液油箱10为轴压增压器7和试验腔60提供工作油。轴压增压器7通过第三轴压增 压油管14连接轴压充液油栗电机组25和轴压充液控制阀9,同时通过轴压充液溢流管26、轴 压充液溢流阀28连接轴压充液油箱10,与轴压充液油箱10形成循环。工作时，工作油通过轴 压充液油泵电机组25和轴压充液溢流阀28进入轴压增压器7，当需要为试验腔60提供压力 时，轴压伺服控制器8通过控制轴压充液控制阀9控制轴压增压器7为试验腔60提供高压油 增压，卸压时轴压充液控制阀9控制轴压伺服阀19和轴压充液油泵电机组25为轴压增压器7 卸压。

[0051] 钻井模拟系统主要包括圆筒体内的试验腔60和钻井装置两部分。试验腔60主要为 样品煤块70提供轴压和围压，并固定样品煤块70,试验腔60中装有压力传感器为煤粉产出 测控系统4提供压力数据，同时通过煤粉产出测控系统4控制样品煤块70压力。试验腔60采 用自平衡结构，试验过程中自平衡结构可以实时进行自反馈调节，保证样品煤块70的轴向 变形对围压无任何影响，提高试验机控制精度，圆筒体54和底座56采用卡箍式连接结构，拆 卸方便、快捷。

[0052] 钻井装置中的驱动电机66为钻杆提供动力。同时，钻杆驱动模拟钻头69进行钻进 工作。驱动电机66与煤粉产出测控系统4相连，通过煤粉产出测控系统4制驱动电机66功率， 控制钻进参数。

[0053]钻井模拟系统工作时，轴压模拟装置通过向缸体63内注入高压油控制轴压，围压 模拟装置通过试验腔60内注入高压油控制围压。当围压和轴压达到试验值时，煤粉产出测 控系统4控制发出指令，指示驱动电机66带动钻杆和模拟钻头69进行钻进，同时煤粉产出测 控系统4控制钻井液循环系统3由钻井液注入孔注入钻井液至模拟钻头69处，对样品煤块70 进行水力喷射破岩同时润滑模拟钻头69,冲洗样品煤块70表面，携带煤粉通过导向孔72和 浆液排出管83进入钻井液循环系统。

[0054]钻井液循环系统可以通过钻井液注入管79和浆液排出管83为钻井过程提供钻井 液，将冲刷试样后的钻井液从钻井模拟系统2中带出，同时将产生出的煤粉带出，进入煤粉 产出测控系统4中进行测试。当开始试验时，钻井液循环系统3工作，钻井液水泵电机组为钻 井液提供动力输出，煤粉浓度传感器用于监测浆液中的煤粉含量，通过煤粉粒度分离器86 将煤粉分离，煤粉粒度分离器86采用逐步减小筛孔的筛板，最后将钻井液排入沉淀箱77中， 形成钻井液循环。钻井液控制90器与煤粉产出测控系统4相连，通过煤粉产出测控系统4控 制钻井液流量。煤粉浓度传感器85与煤粉产出测控系统4相连，实时监测煤粉浓度。第一连 接套管95和第二连接套管96轴向连接在浆液排出管83上。

[GG55]煤粉产出测控系统4由轴压伺服测控系统、围压伺服测控系统、钻井控制系统、钻 井液泵入系统和测试系统及相关线路等组成。煤粉产出测控系统4采用德国H)C全数字伺服 测控器，对设定控制参数或控制目标进行控制。钻井控制系统可通过设定相关钻井工艺参 数对钻进参数和水力喷射参数进行设定，并控制钻井液泵入系统，调节钻井液循环流量。测 控仪器S8采用MFB-1测试仪，通过煤粉浓度传感器85测试煤粉浓度并通过计算机87显示。测 控仪器88与计算机87相连，通过计算机87进行试验参数的设定及测试结果的响应。

[0056]本发明的试验步骤如下：

[0057] ⑴试样(即样品煤块70)制作

[0058]根据试验要求选取所需区块的煤样，破碎煤样，筛选不同粒径煤粉。根据不同粒径 比例制作试样。例如模拟煤层不同构造煤比例条件在试验室将不同粒径煤粉进行筛选分 离，选择粒径不同的煤粉进行胶结、压制成圆柱形煤样。模拟单一煤层条件，在试验室将筛 选的同等粒径的煤粉制作成圆柱形煤样。

[0059] (2)试样力学性质测试

[0060]将制作的不同圆柱形煤样每组选取若干进行力学性质测试。这里主要声波时差监 测仪对不同部位、层位进行测试，反算得出其力学参数。也可以通过电子万能压力试验机上 进行煤样岩石力学性质测试，得出煤样的单轴抗压强度、弹性模量、松泊比等岩石力学性质 参数。

[0061] (3)组装试验装置与气密性检测

[0062]安装框架、圆筒体54、底座56和顶盖，将轴向压轴与试样接触面密封好，钻头与试 样接触，固定好底座56,连接好试验线路与管路，向试验腔60中注入液压油，向缸体63内中 注入液压油，检测装置气密性，准备进行试验。

[0063] (4)试验分组与测试

[0064]根据试验要求模拟不同煤储层特征条件下钻井产生煤粉情况。例如按照模拟不同 构造煤比例煤层制作若干煤样和模拟单一煤层制作若干煤样分两组进行试验，不同构造煤 比例煤样采用相同钻井工艺参数试验，单一煤层煤样采用改变钻井工艺参数进行试验。 [0065]①单一煤层煤样钻井模拟试验测试

[0066]将单一煤层模拟试样放入压力室中，通过计算机控制向轴向加压，围压加压，直至 满足煤层原始状态下所受压力大小，模拟原始地层受力状态，控制钻井系统和钻井液循环 系统进行钻进作业，进行煤粉产出浓度检测、记录。钻进结束后将煤粉分离器取出，测试煤 粉粒径的分布，及煤粉产出量进行数据记录。设定不同钻井参数进行试验，采用相同方法对 煤粉浓度及产出量和粒度进行记录。

[0067]②不同构造煤比例煤样钻井模拟试验测试

[0068] 将不同构造煤比例煤样分别放入压力室中，由计算机控制使试样达到试验条件， 进行试验，记录不同构造煤比例下试样煤粉产出量和粒度分布特征。

[0069] (5)综合研究

[0070] 通过设定钻井工艺参数，结合试验分组，测试出不同钻井工艺参数情况下煤粉产 出量和产出粒径，对比分析煤粉产出与钻井工艺间的关系，得出不同钻井工艺下煤粉产出 规律。

[0071] 通过进行不同煤层属性下试验，测试出不同煤层属性参数下煤粉产出量与粒度的 分布特征，对比分析煤粉产出与煤层属性参数间的关系，得出不同煤层属性参数下煤粉产 出的规律。

[0072] (6)钻进参数优化

[0073]耦合分析不同情况组合下煤粉产出，得出不同煤层属性、地应力状态下的最佳钻 进参数组合。

[0074]本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发 明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方 案的保护范围。

Claims (2)

1.煤层气直井钻进过程煤粉产出测试装置，其特征在于:包括地层压力模拟系统（1)、 钻井模拟系统(2)、钻井液循环系统(3)和煤粉产出测控系统(4); 地层压力模拟系统（1)包括伺服液压油源(5)、轴压模拟装置和围压模拟装置； 轴压模拟装置包括轴压伺服油箱(6)、轴压增压器(7)、轴压伺服控制器(8)、轴压充液 控制阀（9)和轴压充液油箱（10);轴压伺服油箱（6)通过轴压主油管（11)与伺服液压油源 (5) 连接，轴压伺服油箱(6)通过第一轴压增压油管（12)与轴压增压器(7)连接，轴压增压器 (7)通过第二轴压增压油管（13)与轴压充液控制阀（9)连接，轴压充液控制阀（9)通过第三 轴压增压油管（14)与轴压充液油箱（10)连接;第一轴压增压油管（12)上沿轴压伺服油箱 (6) 到轴压增压器⑺方向依次设有第一轴压过滤器（15)、轴压油栗电机组（16)、第二轴压 过滤器（17)、轴压蓄能器（18)和轴压伺服阀（19)，第一轴压增压油管（12)上在轴压油泵电 机组(16)和第二轴压过滤器(17)之间连接有轴压溢流管(20)，轴压溢流管(20)的一端伸入 到轴压伺服油箱(6)内，轴压溢流管(20)沿油液流向依次设有轴压压力表(21)、轴压溢流阀 (22)和轴压冷却器(23);第三轴压增压油管（14)上沿轴压充液油箱（10)到轴压增压器(7) 方向依次设有轴压充液过滤器(24)和轴压充液油泵电机组(25)，第三轴压增压油管（14)上 在轴压充液油栗电机组(25)和轴压充液控制阀（9)之间连接有轴压充液溢流管(26)，轴压 充液溢流管(26)上沿油液流向依次设有轴压充液压力表(27)、轴压充液溢流阀（28)和轴压 充液冷却器(29); 围压模拟装置包括围压伺服油箱(30)、围压增压器(31)、围压伺服控制器(32)、围压充 液油箱(33)和围压充液控制阀（36);围压伺服油箱(30)通过围压主油管(34)与伺服液压油 源⑸连接，围压伺服油箱(30)通过第一围压增压油管(35)与围压增压器(31)连接，围压增 压器(31)通过第二围压增压油管(37)与围压充液控制阀（36)连接，围压充液控制阀（36)通 过第三围压增压油管(38)与围压充液油箱(33)连接;第一围压增压油管(35)上沿围压伺服 油箱(30)到围压增压器(31)方向依次设有第一围压过滤器(39)、围压油栗电机组(40)、第 二围压过滤器(41)、围压蓄能器(42)和围压伺服阀(43)，第一围压增压油管(35)上在围压 油栗电机组(40)和第二围压过滤器(41)之间连接有围压溢流管(44)，围压溢流管(44)的一 端伸入到围压伺服油箱(30)内，围压溢流管(44)沿油液流向依次设有围压压力表(45)、围 压溢流阀(46)和围压冷却器(47);第三围压增压油管(38)上沿围压充液油箱(33)到围压增 压器(31)方向依次设有围压充液过滤器(48)和围压充液油泵电机组(49)，第三围压增压油 管(38)上在围压充液油栗电机组(49)和围压充液控制阀（36)之间连接有围压充液溢流管 (50)，围压充液溢流管(50)上沿油液流向依次设有围压充液压力表(51)、围压充液溢流阀 (52)和围压充液冷却器(53); 钻井模拟系统（2)包括框架（58)和上下两端均敞口的圆筒体(54)，框架(58)内底部设 有底座(56)，圆筒体(54)下端通过卡箍(55)与底座(56)可拆卸密封连接，圆筒体(54)上端 设有圆环顶盖(57)，圆筒体(54)内设有将圆筒体(54)内部分隔为导向腔(59)和试验腔(60) 的圆环隔板(61)，圆筒体(54)、圆环顶盖(57)和圆环隔板(61)的中心线重合，圆环顶盖(57) 和圆环隔板(61)的内孔滑动密封连接有轴向压轴(62)，框架（58)上部设有缸体(63)，轴向 压轴(62)上部外侧设有与缸体(63)内壁滑动密封配合的活塞柱(64);框架(58)顶部设有沿 框架上下滑动的活动架(65)，活动架上设有驱动电机(册），轴向压轴(62)内沿中心线方向 设有导向孔(7¾，导向孔(7¾内同轴向设有钻杆(6乃，钻杆(67)外径小于导向孔(72)内径， 轴向压轴(62)顶部设有与钻杆(67)外壁滑动密封配合的环形堵盖(68)，钻杆(67)上端向上 穿过环形堵盖(68)与驱动电机(66)传动连接，钻杆(67)下端设有模拟钻头(69)，底座(56) 上设有位于试验腔(60)内的样品煤块(70)，样品煤块(70)侧部设有用于监测样品煤块(70) 变形量的引伸计(71)，轴向压轴(62)外侧设有位于导向腔(59)内并与导向腔59内壁滑动配 合的导向板(73);钻杆(67)中心沿轴向方向设有上下通透的钻井液注入孔(76); 轴压充液控制阀（9)通过轴向模拟注压管(74)与缸体(63)内部连通；围压充液控制阀 (36)通过圆周向模拟注压管(75)与圆筒体(54)的试验腔(60)连通； 钻井液循环系统（3)包括沉淀箱(77)，沉淀箱(77)内设有液位传感器(78)，沉淀箱(77) 的出液口与钻井液注入孔(76)之间设有钻井液注入管(79)，钻井液注入管(79)沿液流方向 依次设有流量计(81)、钻井液水栗电机组(80)、进液阀（82)和钻井液压力计(91)，沉淀箱 (77)的进液口与轴向压轴(62)内的导向孔(72)之间设有浆液排出管(83)，浆液排出管(83) 上沿液流方向顺次设有出液阀(84)、煤粉浓度传感器(85)和煤粉粒度分离器(86); 煤粉产出测控系统（4)包括计算机(87)和测控仪器(88)，测控仪器(88)连接有集线器 (89)、钻井液控制器(9〇)和煤粉浓度传感器(85)，集线器(89)通过数据信号线分别与驱动 电机(66)、轴压伺服控制器(8)、围压伺服控制器(32)和伺服液压油源(5)连接； 钻井液控制器(90)通过控制信号线分别与钻井液水栗电机组(80)、流量计(81)和液位 传感器(78)连接； 轴压伺服控制器(8)通过轴压控制电缆分别与轴压增压器(7)、轴压充液控制阀（9)、轴 压油栗电机组(16)、轴压蓄能器（18)、轴压伺服阀（19)、轴压压力表(21)、轴压溢流阀（22)、 轴压充液油泵电机组(25)、轴压充液压力表(27)和轴压充液溢流阀（28)连接； 围压伺服控制器（32)通过围压控制电缆分别与围压增压器（31)、围压充液控制阀 (36)、围压油栗电机组(40)、围压蓄能器(42)、围压伺服阀(43)、围压压力表(45)、围压溢流 阀(46)、围压充液油泵电机组(49)、围压充液压力表(51)和围压充液溢流阀（52)连接。

2.根据权利要求1所述的煤层气直井钻进过程煤粉产出测试装置，其特征在于:煤粉粒 度分离器(86)包括沿液流方向依次同轴向设置的第一连接套管(95)、第一煤粉筛筒(92)、 第二煤粉筛筒(93)、第三煤粉筛筒(94)和第二连接套管(％)，第一煤粉筛筒(92)与第二煤 粉筛筒(93)之间通过第一法兰盘(町)连接，第二煤粉筛筒(⑽)与第三煤粉筛筒(94)之间通 过第二法兰盘(98)连接； 第一煤粉筛筒(92)内倾斜设有第一筛板(⑽），第二煤粉筛筒(9¾内倾斜设有第二筛板 (100)，第三煤粉筛筒(94)内倾斜设有第三筛板（1〇1)，第一筛板(9g)上筛孔的孔径大于第 二筛板（100)上筛孔的孔径，第二筛板（100)上筛孔的孔径大于第三筛板（101)上筛孔的孔 径。