CN105626035B - 用于模拟钻井受阻遇卡的井壁实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟钻井受阻遇卡的井壁实验装置，包括：缸体，其上设有用于钻井液进出的流体通道；钻杆，贯穿缸体并与缸体活动连接；岩芯，其设在缸体内并套接在钻杆上，岩芯与钻杆之间留有间隙，钻井液经过该间隙时在岩芯表面形成滤饼；双相压力加载机构，分别作用在岩芯上以模拟钻井液的压力和地层流体的压力，和岩芯运动机构，对岩芯施加作用力，使其紧贴或者远离钻杆，并记录岩芯的径向位移。该井壁实验装置能更准确地评价钻井过程中受阻遇卡的风险等级。

Description

用于模拟钻井受阻遇卡的井壁实验装置

技术领域

本发明涉及一种油田钻井实验装置，具体涉及一种用于模拟钻井受阻遇卡的井壁实验装置。

背景技术

钻井防卡技术主要包括钻井液润滑技术、泥饼质量控制、泥包钻具诊断与处理和钻井参数控制与调整等方面，其对保证水平井、大位移井等的施工安全、提高钻井时效至关重要。

然而，尚未有专门模拟钻井受阻遇卡的井壁实验装置。现有技术多是利用极压润滑仪，通过测定钻井液的极压润滑系数来作为评价钻井过程中受阻遇卡的风险等级。但在实际的钻井过程中，井下钻具受阻遇卡的风险不仅仅与钻井液的润滑性能有关，而且与泥饼质量、泥包钻具程度和钻井参数有关，仅仅通过钻井液的极压润滑系数的大小作为划分井下钻具遇卡的风险等级具有很大的局限性。

另外，极压润滑仪是通过模拟钻具与井壁贴靠时的旋转运动来进行测量的，并不能模拟钻具与井壁贴靠时的滑动运动以及旋转与滑动的复合运动的运动模式。从而造成通过该装置测定的极压润滑系数仅仅适用于以旋转运动为主要钻进方式的直井，而不适用于以滑动运动以及旋转与滑动复合运动为主要钻进方式的水平井、大位移井等特殊井，这进一步加大了将极压润滑系数作为划分钻井过程中受阻遇卡的风险等级的局限性。

因此，有必要研究一种用于模拟钻井受阻遇卡的井壁实验装置，以更准确地评价钻井过程中受阻遇卡的风险等级。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于模拟钻井受阻遇卡的井壁实验装置以更准确地评价钻井过程中受阻遇卡的风险等级。

针对该问题的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的用于模拟钻井受阻遇卡的井壁实验装置，包括：

缸体，其上设有用于钻井液进出的流体通道；

钻杆，贯穿缸体并与缸体活动连接；

岩芯，其设在缸体内并套接在钻杆上，岩芯与钻杆之间留有间隙，钻井液经过该间隙时在岩芯表面形成滤饼；

双相压力加载机构，分别作用在岩芯上以模拟钻井液的压力和地层流体的压力，和

岩芯运动机构，对岩芯施加作用力，使其紧贴或者远离钻杆，并记录岩芯的径向位移。

与现有技术相比，本发明的用于模拟钻井受阻遇卡的井壁实验装置具有以下优点。由于在岩芯运动机构的作用下，不仅能模拟钻杆的转动，还能模拟钻杆与岩芯贴靠时的滑动运动或旋转与滑动的复合运动，因此能够更接近于实际的运动过程。另外，双相压力加载机构能模拟作用在岩芯上的钻井液的压力和地层流体的压力，因此，能与实际工况吻合度更高，测量结果更准确。

在一个实施例中，所述岩芯运动机构包括液压缸、岩芯加压板和位移传感器，所述液压缸的活塞杆端与岩芯加压板连接，所述位移传感器连接在液压缸的活塞上并跟随活塞一起运动。位移传感器与活塞一起运动，因此，在设置好初始位置后，能直接读取活塞的移动位移，更方便。

在一个实施例中，所述液压缸的活塞杆内设有与双相压力加载机构的液相压力连通的通道，所述通道包括两个液压口，所述两个液压口分别位于液压缸缸体外的活塞杆中部以及与岩芯加压板连接的活塞杆的底部。

在一个优选的实施例中，所述岩芯加压板上设有用于与液压缸活塞杆的通道连通的通道从而使得双相压力加载机构中的地层流体压力经活塞杆和岩芯加压板后作用在岩芯的外表面。在一个实施例中，所述岩芯加压板设在缸体内且位于岩芯的外表面，也就是岩芯加压板位于岩芯与液压缸的活塞之间。所述岩芯加压板上设有用于与液压缸活塞的内部通道连通的通道，这样，加载在岩芯加压板上的流体压力能够顺利进入岩芯外表面从而作用在岩芯的外表面。在一个优选的实施例中，所述岩芯运动机构中的液压缸活塞上连接有用于测试对岩芯加载压力大小的压力传感器。

在一个实施例中，位于岩芯加压板及岩芯的四周连接有用于密封的岩芯胶套。岩芯胶套能避免岩芯的内表面与外表面直接连通，从而保证双相压力加载机构分别控制模拟地层流体压力和钻井液压力。在一个优选的实施例中，岩芯胶套的外侧分别设有与缸体内表面固定连接的胶套固定板。

在一个实施例中，所述双相压力加载机构包括钻井液压力加载机构和地层流体压力加载机构，钻井液压力加载机构作用在岩芯的内侧，地层流体压力加载机构作用在岩芯的外侧。与实际钻井过程更接近，能更准确地模拟钻进过程。

在一个实施例中，所述双相压力加载机构包括钻井液压力加载机构和地层流体压力加载机构，所述钻井液压力加载机构通过缸体的流体通道从而作用在岩芯的内表面，所述地层流体压力加载机构通过液压缸活塞的内部通道和岩芯加压板的通道从而作用在岩芯的外表面。充分利用了液压缸的活塞杆，同时由于活塞杆与缸体是动密封连接，因此能减少泄漏的发生。

在一个实施例中，所述液压缸通过活塞杆作用在岩芯加压板以对岩芯加载压力。液压缸通过活塞杆施加贴靠力或压力到岩芯上，使得岩芯与钻杆贴靠，从而能模拟滑动钻进过程。在一个优选的实施例中，岩芯运动机构中的液压缸活塞杆上连接有用于测试加载压力大小的压力传感器。压力传感器有利于精确地测量加载压力的大小从而更利于模拟和测量的重复性。

在一个实施例中，所述钻井液压力加载机构和/或地层流体压力加载机构都连接有用于测试压力大小的压力传感器。压力传感器能较准确地反应施加到岩芯的内表面和/或外表面的压力，从而为模拟真实工况提供数据支持。

附图说明

图1所示是本发明的用于模拟钻井受阻遇卡的井壁实验装置的一种具体实施例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明的用于模拟钻井受阻遇卡的井壁实验装置的一种具体实施例。在该实施例中，该井壁实验装置包括缸体、岩芯5、钻杆3、双相压力加载机构和岩芯运动机构。其中，缸体包括本体1和设在本体1的左右两端的盖板2。另外，钻杆3依次穿过左右两端的盖板2和位于本体1内的岩芯5。在一个实施例中，钻杆3与左右两端的盖板2通过设在左盖板上的O型密封圈和设在右盖板上的O型密封圈4实现动密封。也就是说，钻杆3沿左右两端的盖板2来回抽动时，不容易出现缸体内的流体向外泄漏。

此外，在缸体的左盖板上设有出液口19，在缸体的右盖板上设有进液口18。加压升温后的钻井液从进液口18进入，从出液口19流出，并在岩芯5的表面形成滤饼。也就是说，进液口18和出液口19形成了缸体内的钻井液进出的流动通道。

在一个实施例中，由于钻杆3与岩芯5之间要模拟实际钻井工况中的摩擦，因此，与钻杆3接触的岩芯5的中部一般为与钻杆3的外形相配的形状。例如，钻杆3为圆柱状，岩芯5中部的横截面也相应为相匹配的圆弧面。

在本实施例中，具体采用的岩芯5的截面的高度为25.4mm，长度为35.1mm，与钻杆3配合的弧面半径为20.0mm，弧度为65.0°。且弧面所在圆的圆心与钻杆3的截面为同心圆，从而可以保证在岩芯5与钻杆3贴近后产生的磨损是在岩芯5的弧面上。因此，也保证了每次实验时岩芯5与钻杆3之间的接触面积保持恒定，从而避免了再次实验时接触面积不一致的问题。

在一个实施例中，岩芯5可以是一整块，也可以是2～6块组合起来。岩芯5以钻杆的中心为轴，等距的同心分布在缸体的内部。多块岩芯组合的运用可以避免加载力过大，导致钻杆因长期使用后偏心而导致摩擦增大的现象，同时可以尽量减少钻杆与缸体连接处的摩擦力过大而对密封性的影响。

在一个实施例中，岩芯运动机构主要包括液压缸、岩芯加压板8和位移传感器。液压缸的活塞杆端与岩芯加压板8连接从而经岩芯加压板8将贴靠力传递给岩芯5。岩芯加压板8位于活塞杆与岩芯5之间。在一个优选的实施例中，位移传感器连接在液压缸的活塞上并跟随活塞一起运动。

在一个实施例中，在岩芯加压板8及岩芯5的四周连接有用于密封的岩芯胶套6。岩芯胶套6能避免岩芯5的内表面与外表面直接连通，从而保证双相压力加载机构分别控制以模拟地层流体压力和钻井液压力。另外，岩芯胶套6的两端的外侧设有胶套固定板7。该胶套固定板7与缸体的本体1的内腔固定连接，从而能保证在钻杆3来回抽动的过程中岩芯5不会跟随钻杆3来回运动。

在一个实施例中，液压缸的活塞杆内设有与双相压力加载机构的液相压力连通的通道。该通道包括两个液压口，两个液压口分别位于液压缸缸体外的活塞杆中部以及与岩芯加压板连接的活塞杆的底部。在一个优选的实施例中，岩芯加压板8上设有用于与液压缸活塞杆的通道连通的通道从而使得双相压力加载机构中的地层流体压力经活塞杆的通道和岩芯加压板8后作用在岩芯5的外表面。

在一个实施例中，采用的双相压力加载机构，该双相压力加载机构作用在岩芯5的内表面和外表面上以分别对岩芯5加载钻井液压力和地层压力这两相压力。地层压力通过第一液压缸10和第二液压缸15对岩芯5的作用来分别模拟双向的地层压力，也会使得作用在岩芯5上的地层压力更均匀。其中，在图1中，第一液压缸10设在上面，第二液压缸15设在下面。

另外，在一个优选的实施例中，第一液压缸10的活塞12和第二液压缸15的活塞14上均设有用于液相压力加载的液相压力的通道。相应地，在第一液压缸10的活塞12上设有液压口20，在第二液压缸15的活塞14上设有液压口21。

在一个优选的实施例中，活塞12下端的液口和活塞14上端的液口均与岩芯加压板8上设置的液口连通，而活塞12与活塞14中部的液口与大气连通。因此，缸体1内的钻井液经岩芯5发生滤失，在岩芯5的内表面形成泥饼后，滤液经液压口20和21口流出。

在一个实施例中，第一液压缸10的活塞12和/或第二液压缸15的活塞14上连接有用于测试加载压力大小的压力测试机构。

在本实施例中，优选地，在第二液压缸15的活塞14的下部连接有L型的测试杆16，并在缸体的本体1的下部连接有位移标尺17。通过在压力加载过程中的岩芯5的径向位移来计算压力加载的大小。但本发明不限于该具体实施例，只要是能实现测试加载压力大小的机构和元件都可以用于本发明中。例如，通过设置压力传感器来测试加载在岩芯上的地层压力的大小。

另外，该主要包括L型的测试杆16和位移标尺17的位移传感器的位置也能发生变化，如将L型的测试杆16设在第一液压缸10的活塞12上，或者在第一液压缸10的活塞12和/或第二液压缸15的活塞14上分别设置有L型的测试杆16等。L型的测试杆16和位移标尺17结合能直接读取岩芯5被第一液压缸10和/或第二液压缸15推动岩芯5移动的位移。此外，第一液压缸10的上端还设有开口11，能够用于安装测试杆16或用于其它用途。

在一个优选的实施例中，活塞12与缸体的本体1的连接处、活塞14与缸体的本体1的连接处分别设有O型密封圈9和密封件。第一液压缸10的缸体的下端与活塞12之间设有密封件，第二液压缸15的缸体上端与活塞14之间设有O型密封圈13。密封结构的设置能保证在活塞12以及活塞14在来回移动的过程中，第一液压缸10和第二液压缸15均不容易出现泄漏。

本发明的井壁实验装置，不仅可以用于水平井的模拟，而且也可以用于竖直井以及斜井的模拟。能够为现有钻井分析仪器提供模拟的井下钻井施工环境，因此能更准确地评价钻井过程中受阻遇卡的风险等级。

虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，然而可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进或替换。尤其是，只要不存在结构上的冲突，各实施例中的特征均可相互结合起来，所形成的组合式特征仍属于本发明的范围内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于模拟钻井受阻遇卡的井壁实验装置，包括：

缸体，其上设有用于钻井液进出的流体通道；

钻杆，贯穿缸体并与缸体活动连接；

岩芯，其设在缸体内并套接在钻杆上，岩芯与钻杆之间留有间隙，钻井液经过该间隙时在岩芯表面形成滤饼；

双相压力加载机构，作用在岩芯的内表面和外表面上以分别模拟钻井液的压力和地层流体的压力；以及

岩芯运动机构，对岩芯施加作用力，使其紧贴或者远离钻杆，并记录岩芯的径向位移。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述岩芯运动机构包括液压缸、岩芯加压板和位移传感器，所述液压缸的活塞杆端与岩芯加压板连接，所述位移传感器连接在液压缸的活塞上并跟随活塞一起运动。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述液压缸的活塞杆内设有与双相压力加载机构的液相压力连通的通道，所述通道包括两个液压口，所述两个液压口分别位于液压缸缸体外的活塞杆中部以及与岩芯加压板连接的活塞杆的底部。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述岩芯加压板设在缸体内且位于岩芯的外表面，所述液压缸通过活塞作用在岩芯加压板以对岩芯加载压力。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述岩芯加压板上设有用于与液压缸活塞杆的通道连通的通道从而使得双相压力加载机构中的地层流体压力经活塞杆和岩芯加压板后作用在岩芯的外表面。

6.根据权利要求2～5中任一项所述的装置，其特征在于，所述岩芯加压板及岩芯的四周连接有用于密封的岩芯胶套；所述岩芯胶套的外侧分别设有与缸体的内表面固定连接的胶套固定板。

7.根据权利要求2～5中任一项所述的装置，其特征在于，所述液压缸通过活塞杆作用在岩芯加压板以对岩芯加载压力；所述岩芯运动机构中的液压缸活塞杆上连接有用于测试加载压力大小的压力传感器。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的装置，所述岩芯的内表面为弧面，且岩芯环绕钻杆并与钻杆同轴连接。

9.根据权利要求1～5中任一项所述的装置，其特征在于，所述双相压力加载机构包括钻井液压力加载机构和地层流体压力加载机构，所述钻井液压力加载机构通过缸体的流体通道进入钻杆与岩芯之间的间隙从而作用在岩芯的内表面。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述钻井液压力加载机构和/或地层流体压力加载机构都连接有用于测试压力大小的压力传感器。