CN107505207A - 一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置，它包括主体装置、压头结构、围压系统、声发射系统、温度控制系统和孔隙物料注入系统。本发明的有益效果是：能够在密闭环境下模拟地层真实的温度，地应力，孔隙压力，同时完成三轴力学测试和钻头破岩测试，可以测定岩样的应力应变曲线，钻头、钻柱的动态振动、钻压、进尺对岩样破碎的影响，为多种条件下复杂油气藏力学性质和钻头破岩研究提供实验依据，并且在测试岩石常规力学性质的同时进行破岩实验，达到设计温度压力条件后可一次性完成两个实验，总体耗时短，能有效提高井下岩心的利用率。

Description

一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置 及方法
技术领域
本发明涉及石油与天然气工程领域，特别是一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置及方法。
背景技术
我国经过半个多世纪的勘探与开发，浅层常规油气资源勘探开发程度越来越高，为了缓解国内油气供需压力，国家把深层油气资源与海洋及深水油气资源和非常规油气资源并列为国家油气战略发展的三大领域。
深层油气资源一般赋存在6000米以上的深层地层中，岩石致密，三向地应力高、孔隙压力大、温度高等都是制约我国深层油气资源开采的关键问题。针对该类岩层，钻井耗时长、成本高、钻具易损坏和岩石的可钻性研究困难成为制约深层油气资源开发的主要瓶颈。而目前可以通过加温度变化及孔隙压力变化来模拟真实地层条件的破岩装置几乎没有。如CN 104749052 A，CN 104237484 A，CN 104297049 A和CN 104198311 A中破岩都是处于常温常压的开放环境中，无法对岩样进行加温、加孔隙压力等操作。而由于温度和孔隙压力、孔隙介质的变化，岩石的力学性质及与钻头作用机理将产生显著的变化，故不能采用常规破岩装置来研究深层油气岩层的破岩问题。
地热资源的开发，主要面临着地层温度高（中温地热为90到150℃，而高温地热资源则在150℃以上），岩石坚硬致密，钻井、压裂难度大等实际问题。而目前可以通过加温度变化来模拟真实地热开发有关地层条件的破岩装置几乎没有。如CN 104749052 A，CN104237484 A，CN 104297049 A和CN 104198311 A中破岩都是处于常温常压的开放环境中，无法对岩样进行加温或者无法达到150℃以上（常规水浴加热最高仅能达到100℃）。而由于温度和孔隙压力、孔隙介质的变化，岩石的力学性质及与钻头作用机理将产生显著的变化，故不能采用常规破岩装置来研究地热开采相关的破岩问题。
天然气水合物，作为深水油气资源中和非常规油气资源的重要组成之一，也面临着极大的开发难度。天然气水合物俗称“可燃冰”，由沙土、水和甲烷在低温高压的条件下结合而成的冰状固体，对温度、压力条件极为敏感，极易在应力干扰和微裂缝较多时从固体变为气体，迅速分解并将甲烷逸散到海水和空气中，成为巨大的安全隐患，将对生态环境造成严重的威胁。目前可以在密闭条件下，通过调整温度变化和压力变化来模拟真实天然气水合物开发时的低温（-10℃）条件的破岩装置几乎没有。如CN 104749052 A，CN 104237484A，CN 104297049 A和CN 104198311 A中破岩都是处于常温常压的开放环境中。而其他天然气水合物相关实验装置又无法满足破岩实验的需求。故不能采用常规破岩装置来研究天然气水合物开采相关的破岩问题。
另一方面，目前的破岩实验装置仅能完成破岩这一目的，不能在破岩的同时测得岩石的力学性质。而由于井下取样困难、花费极大，井下岩样的珍贵，若能将岩石力学性质测试和破岩实验同时进行，将大大节约实验资金投入和对井下岩心岩样的最大化利用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置及方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置，它包括主体装置、压头结构、围压系统、声发射系统、温度控制系统和孔隙物料注入系统；所述主体装置包括高压釜基座和高压釜盖板，高压釜盖板固设于高压釜基座顶部，高压釜基座与高压釜盖板之间形成有实验腔，高压釜盖板上开设有连通实验腔的导向孔，实验腔内设置有围压套，围压套内设置有岩样，实验腔内设置有温度传感器和压力传感器，温度传感器和压力传感器分别与位于主体装置外部的温度计和压力表连接；所述压头结构包括压头和定位液压泵，压头滑动安装于导向孔内，压头的底部且位于其两侧均铰接有密封板，密封板表面设置有磁铁，密封板经磁铁吸附于压头底部，压头内开设有液压腔，液压腔内由上往下顺次设置有活塞、电机、钻杆和钻头，压头上安装有力传感器和位移传感器，所述定位液压泵的出液口与液压腔连通；所述围压系统由顺次连接的液压油罐和围压泵组成，围压泵的出口端与实验腔连通；所述声发射系统由声发射采集探头和三维声发射采集计算机组成，声发射采集探头设置于围压套内，声发射采集探头与三维声发射采集计算机电连接；所述的温度控制系统包括换热系统控制器、设置于实验腔内且套于围压套外部的冷凝换热圈、套于高压釜基座外部的电磁加热圈，所述换热系统控制器与冷凝换热圈和电磁加热圈电连接；所述的孔隙物料注入系统由物料泵、液罐和气罐，所述液罐和气罐均与物料泵的入口端连接，物料泵的出口端经管线从实验腔底部向上伸入实验腔内且与岩样下端面接触。
所述的钻头为单牙轮、三牙轮钻头或PDC钻头中任意一种。
所述的密封板为半圆形状。
所述的高压釜基座和高压釜盖板的外部均涂敷有隔热层。
所述的高压釜基座内设置有环形槽，所述的冷凝换热圈设置于环形槽内。
所述的实验装置测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩的方法，它包括以下步骤：
S1、打开高压釜盖板，围压套内装入岩样，围压套放置于实验腔内；将压头结构安装于导向孔内，同时保证两个密封板经磁铁吸合于压头底端面上，此时两个密封板处于水平状态，关闭高压釜盖板使实验腔密封；
S2、将物料泵与液罐和气罐连接，并将物料泵与管线连接，随后将管线的端口与岩样的底表面接触，连接压力传感器和温度传感器，连接好三维声发射采集计算机和声发射采集探头，准备开始加温度和压力；
S3、开启换热系统控制器控制冷凝换热圈或电磁加热圈启动，从而对整个高压釜基座整体进行降温或降温，以到达设定温度，实现了模拟地层真实温度；打开围压泵，围压泵将液压油罐中的液压油泵入实验腔内，液压油给围压套施加压力，围压套收缩以给岩样施加压力，实现了模拟地层真实的应力状态；开启物料泵，物料泵将液罐中的水经管线泵入岩样中，同时将气罐中的甲烷气体经管线泵入岩样中，从而使整个岩样达到设定的孔隙压力，实现了模拟地层真实孔隙压力状态；
S4、调整压头的高度，将两个密封板所形成的平面轻压到岩样顶表面，准备开始轴压加载测试岩石力学参数；
S5、对压头缓慢施加恒定向下作用力，力传感器和位移传感器分别实时记录压头所受应力和位移量，当岩样破裂损伤无法承受应力时，停止给压头施加向下力，根据收集到的应力和位移量绘制岩样在三轴力学条件下的应力与应变曲线；
S6、当岩样刚好破裂后，上提压头到合适位置，打开定位液压泵，定位液压泵向液体腔内泵入液体，活塞向下移动从而推动钻头向下顶开两个密封板，此时两个密封板绕着铰接点做向下旋转运动，当钻头伸出压头一段距离后锁死定位液压泵即固定活塞的位置，从而准备开始破岩实验；
S7、打开电机，电机带动钻杆做旋转运动，相应的钻杆上的钻头做旋转运动，此时对压头施加轴向压力，钻头钻削岩样以进行破岩，当岩样完全破碎或达到实验测试采集数据要求时，停止破岩，在破岩期间通过力传感器和位移传感器分别实时记录钻头所受钻压和位移量，根据受力绘制钻压与时间的关系曲线，根据位移量绘制钻头进尺与时间的关系曲线；通过温度传感器实时记录岩样周围温度；通过压力传感器实时记录岩样围压压力；通过声发射采集探头监测在岩样产生裂缝时声发射信号，并将声发射信号给三维声发射采集计算机，分析计算形成不同时刻岩样声发射点三维分布情况；绘制在不同围压和温度条件下，钻头承受载荷与钻头位移量的关系曲线；
S8、实验结束后，关闭声发射采集系统停止采集信号，关闭围压泵，释放围压套对岩样的作用力，使用物料泵抽净设备内的水和甲烷，关闭换热系统控制器，保证安全后打开高压釜盖板，取出岩样碎屑。
本发明具有以下优点：（1）可以在密闭环境下模拟地层真实的温度，地应力，孔隙压力，同时完成三轴力学测试和钻头破岩测试，可以测定岩样的应力应变曲线，钻头、钻柱的动态振动、钻压、进尺对岩样破碎的影响，为多种条件下复杂油气藏力学性质和钻头破岩研究提供实验依据。（2）在测试岩石常规力学性质的同时进行破岩实验，达到设计温度压力条件后可一次性完成两个实验，总体耗时短，能有效提高井下岩心的利用率。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为压头结构的示意图；
图3 为压头向下伸出状态的结构示意图；
图4 为岩样在三轴力学条件下的应力与应变曲线；
图5 为钻压与时间的关系曲线；
图6 为钻头进尺与时间的关系曲线；
图7 为钻头承受载荷与钻头位移量的关系曲线；
图8 为某时刻岩样声发射点三维分布情况；
图中，1-高压釜基座，2-高压釜盖板，3-围压套，4-岩样，5-温度传感器，6-压力传感器，7-温度计，8-压力表，9-压头，10-定位液压泵，11-密封板，12-活塞，13-电机，14-钻杆，15-钻头，16-液压油罐，17-围压泵，18-声发射采集探头，19-三维声发射采集计算机，20-换热系统控制器，21-冷凝换热圈，22-电磁加热圈，23-物料泵，24-液罐，25-气罐，26-管线。
具体实施方式
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：
如图1~3所示，一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置，它包括主体装置、压头结构、围压系统、声发射系统、温度控制系统和孔隙物料注入系统。
所述主体装置包括高压釜基座1和高压釜盖板2，高压釜盖板2固设于高压釜基座1顶部，高压釜基座1与高压釜盖板2之间形成有实验腔，高压釜盖板2上开设有连通实验腔的导向孔，实验腔内设置有围压套3，围压套3内设置有岩样4，实验腔内设置有温度传感器5和压力传感器6，温度传感器5和压力传感器6分别与位于主体装置外部的温度计7和压力表8连接。
所述压头结构包括压头9和定位液压泵10，压头9滑动安装于导向孔内，压头9的底部且位于其两侧均铰接有密封板11，密封板11为半圆形状，密封板11表面设置有磁铁，密封板11经磁铁吸附于压头9底部，压头9内开设有液压腔，液压腔内由上往下顺次设置有活塞12、电机13、钻杆14和钻头15，钻头15为单牙轮、三牙轮钻头或PDC钻头中任意一种，压头9上安装有力传感器和位移传感器，所述定位液压泵10的出液口与液压腔连通。
所述围压系统由顺次连接的液压油罐16和围压泵17组成，围压泵17的出口端与实验腔连通；所述声发射系统由声发射采集探头18和三维声发射采集计算机19组成，声发射采集探头18设置于围压套3内，声发射采集探头18与三维声发射采集计算机19电连接。
所述的温度控制系统包括换热系统控制器20、设置于实验腔内且套于围压套3外部的冷凝换热圈21、套于高压釜基座1外部的电磁加热圈22，所述换热系统控制器20与冷凝换热圈21和电磁加热圈22电连接。
所述的孔隙物料注入系统由物料泵23、液罐24和气罐25，所述液罐24和气罐25均与物料泵23的入口端连接，物料泵23的出口端经管线26从实验腔底部向上伸入实验腔内且与岩样4下端面接触。
本实施例中，所述的高压釜基座1和高压釜盖板2的外部均涂敷有隔热层。高压釜基座1内设置有环形槽，所述的冷凝换热圈21设置于环形槽内。
所述的实验装置测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩的方法，它包括以下步骤：
S1、打开高压釜盖板2，围压套3内装入岩样4，围压套3放置于实验腔内；将压头结构安装于导向孔内，同时保证两个密封板11经磁铁吸合于压头9底端面上，此时两个密封板11处于水平状态如图2所示，关闭高压釜盖板2使实验腔密封；
S2、将物料泵23与液罐24和气罐25连接，并将物料泵23与管线26连接，随后将管线26的端口与岩样4的底表面接触，连接压力传感器6和温度传感器5，连接好三维声发射采集计算机19和声发射采集探头18，准备开始加温度和压力；
S3、开启换热系统控制器20控制冷凝换热圈21或电磁加热圈22启动，若冷凝换热圈21启动，冷凝换热圈21对实验腔进行冷却，达到-30摄氏度低温，可满足天然气水合物相关试验条件；若电磁加热圈22启动，电磁加热圈22对实验腔加热，达到180摄氏度高温，可满足地热开发目的层相关实验条件，从而对整个高压釜基座1整体进行降温或升温，以到达设定温度，实现了模拟地层真实温度；打开围压泵17，围压泵17将液压油罐16中的液压油泵入实验腔内，液压油给围压套3施加压力，围压套3收缩以给岩样4施加压力，实现了模拟地层真实的应力状态；开启物料泵23，物料泵23将液罐24中的水经管线26泵入岩样4中，同时将气罐25中的甲烷气体经管线26泵入岩样4中，从而使整个岩样达到设定的孔隙压力，实现了模拟地层真实孔隙压力状态；
S4、调整压头的高度，将两个密封板11所形成的平面轻压到岩样4顶表面，准备开始轴压加载测试岩石力学参数；
S5、对压头缓慢施加恒定向下作用力，力传感器和位移传感器分别实时记录压头9所受应力和位移量，当岩样4破裂损伤无法承受应力时，停止给压头施加向下力，根据收集到的应力和位移量绘制岩样在三轴力学条件下的应力与应变曲线，如图4所示；
S6、当岩样4刚好破裂后，上提压头到合适位置，打开定位液压泵10，定位液压泵10向液体腔内泵入液体，活塞向下移动从而推动钻头15向下顶开两个密封板11如图3所示，此时两个密封板11绕着铰接点做向下旋转运动，当钻头15伸出压头9一段距离后锁死定位液压泵10即固定活塞的位置，从而准备开始破岩实验；
S7、打开电机13，电机13带动钻杆14做旋转运动，相应的钻杆14上的钻头15做旋转运动，此时对压头施加轴向压力，钻头15钻削岩样4以进行破岩，当岩样4完全破碎或达到实验测试采集数据要求时，停止破岩，在破岩期间通过力传感器和位移传感器分别实时记录钻头所受钻压和位移量，根据受力绘制钻压与时间的关系曲线如图5所示，根据位移量绘制钻头进尺与时间的关系曲线如图6所示；通过温度传感器5实时记录岩样周围温度；通过压力传感器6实时记录岩样4围压压力；通过声发射采集探头18监测在岩样产生裂缝时声发射信号，并将声发射信号给三维声发射采集计算机19，分析计算形成不同时刻岩样声发射点三维分布情况如图8所示，信号点越大说明声发射信号越强，信号点越多，说明裂缝越多越复杂，信号点越大说明声发射信号越强，信号点越多，说明裂缝越多越复杂。绘制在不同围压和温度条件下，钻头承受载荷与钻头位移量的关系曲线如图7所示，图中P代表实验腔中的压力，T代表实验腔中的温度；
S8、实验结束后，关闭声发射采集系统停止采集信号，关闭围压泵17，释放围压套3对岩样的作用力，使用物料泵23抽净设备内的水和甲烷，关闭换热系统控制器20，保证安全后打开高压釜盖板2，取出岩样碎屑。因此本装置能够在密闭环境下模拟地层真实的温度，地应力，孔隙压力，同时完成三轴力学测试和钻头破岩测试，可以测定岩样的应力应变曲线，钻头、钻柱的动态振动、钻压、进尺对岩样破碎的影响，为多种条件下复杂油气藏力学性质和钻头破岩研究提供实验依据，并且在测试岩石常规力学性质的同时进行破岩实验，达到设计温度压力条件后可一次性完成两个实验，总体耗时短，且对井下岩心岩样的最大化利用。

Claims (6)

1.一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置，其特征在于：它包括主体装置、压头结构、围压系统、声发射系统、温度控制系统和孔隙物料注入系统；所述主体装置包括高压釜基座（1）和高压釜盖板（2），高压釜盖板（2）固设于高压釜基座（1）顶部，高压釜基座（1）与高压釜盖板（2）之间形成有实验腔，高压釜盖板（2）上开设有连通实验腔的导向孔，实验腔内设置有围压套（3），围压套（3）内设置有岩样（4），实验腔内设置有温度传感器（5）和压力传感器（6），温度传感器（5）和压力传感器（6）分别与位于主体装置外部的温度计（7）和压力表（8）连接；所述压头结构包括压头（9）和定位液压泵（10），压头（9）滑动安装于导向孔内，压头（9）的底部且位于其两侧均铰接有密封板（11），密封板（11）表面设置有磁铁，密封板（11）经磁铁吸附于压头（9）底部，压头（9）内开设有液压腔，液压腔内由上往下顺次设置有活塞（12）、电机（13）、钻杆（14）和钻头（15），压头（9）上安装有力传感器和位移传感器，所述定位液压泵（10）的出液口与液压腔连通；所述围压系统由顺次连接的液压油罐（16）和围压泵（17）组成，围压泵（17）的出口端与实验腔连通；所述声发射系统由声发射采集探头（18）和三维声发射采集计算机（19）组成，声发射采集探头（18）设置于围压套（3）内，声发射采集探头（18）与三维声发射采集计算机（19）电连接；所述的温度控制系统包括换热系统控制器（20）、设置于实验腔内且套于围压套（3）外部的冷凝换热圈（21）、套于高压釜基座（1）外部的电磁加热圈（22），所述换热系统控制器（20）与冷凝换热圈（21）和电磁加热圈（22）电连接；所述的孔隙物料注入系统由物料泵（23）、液罐（24）和气罐（25），所述液罐（24）和气罐（25）均与物料泵（23）的入口端连接，物料泵（23）的出口端经管线（26）从实验腔底部向上伸入实验腔内且与岩样（4）下端面接触。
2.根据权利要求1所述的一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置，其特征在于：所述的钻头（15）为单牙轮、三牙轮钻头或PDC钻头中任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置，其特征在于：所述的密封板（11）为半圆形状。
4.根据权利要求1所述的一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置，其特征在于：所述的高压釜基座（1）和高压釜盖板（2）的外部均涂敷有隔热层。
5.根据权利要求1所述的一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置，其特征在于：所述的高压釜基座（1）内设置有环形槽，所述的冷凝换热圈（21）设置于环形槽内。
6.根据权利要求1~5中任意一项所述的实验装置测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、打开高压釜盖板（2），围压套（3）内装入岩样（4），围压套（3）放置于实验腔内；将压头结构安装于导向孔内，同时保证两个密封板（11）经磁铁吸合于压头（9）底端面上，此时两个密封板（11）处于水平状态，关闭高压釜盖板（2）使实验腔密封；
S2、将物料泵（23）与液罐（24）和气罐（25）连接，并将物料泵（23）与管线（26）连接，随后将管线（26）的端口与岩样（4）的底表面接触，连接压力传感器（6）和温度传感器（5），连接好三维声发射采集计算机（19）和声发射采集探头（18），准备开始加温度和压力；
S3、开启换热系统控制器（20）控制冷凝换热圈（21）或电磁加热圈（22）启动，从而对整个高压釜基座（1）整体进行降温或升温，以到达设定温度，实现了模拟地层真实温度；打开围压泵（17），围压泵（17）将液压油罐（16）中的液压油泵入实验腔内，液压油给围压套（3）施加压力，围压套（3）收缩以给岩样（4）施加压力，实现了模拟地层真实的应力状态；开启物料泵（23），物料泵（23）将液罐（24）中的水经管线（26）泵入岩样（4）中，同时将气罐（25）中的甲烷气体经管线（26）泵入岩样（4）中，从而使整个岩样达到设定的孔隙压力，实现了模拟地层真实孔隙压力状态；
S4、调整压头的高度，将两个密封板（11）所形成的平面轻压到岩样（4）顶表面，准备开始轴压加载测试岩石力学参数；
S5、对压头缓慢施加恒定向下作用力，力传感器和位移传感器分别实时记录压头（9）所受应力和位移量，当岩样（4）破裂损伤无法承受应力时，停止给压头施加向下力，根据收集到的应力和位移量绘制岩样在三轴力学条件下的应力与应变曲线；
S6、当岩样（4）刚好破裂后，上提压头到合适位置，打开定位液压泵（10），定位液压泵（10）向液体腔内泵入液体，活塞向下移动从而推动钻头（15）向下顶开两个密封板（11），此时两个密封板（11）绕着铰接点做向下旋转运动，当钻头（15）伸出压头（9）一段距离后锁死定位液压泵（10）即固定活塞的位置，从而准备开始破岩实验；
S7、打开电机（13），电机（13）带动钻杆（14）做旋转运动，相应的钻杆（14）上的钻头（15）做旋转运动，此时对压头施加轴向压力，钻头（15）钻削岩样（4）以进行破岩，当岩样（4）完全破碎或达到实验测试采集数据要求时，停止破岩，在破岩期间通过力传感器和位移传感器分别实时记录钻头所受钻压和位移量，根据受力绘制钻压与时间的关系曲线，根据位移量绘制钻头进尺与时间的关系曲线；通过温度传感器（5）实时记录岩样周围温度；通过压力传感器（6）实时记录岩样（4）围压压力；通过声发射采集探头（18）监测在岩样产生裂缝时声发射信号，并将声发射信号给三维声发射采集计算机（19），分析计算形成不同时刻岩样声发射点三维分布情况；绘制在不同围压和温度条件下，钻头承受载荷与钻头位移量的关系曲线；
S8、实验结束后，关闭声发射采集系统停止采集信号，关闭围压泵（17），释放围压套（3）对岩样的作用力，使用物料泵（23）抽净设备内的水和甲烷，关闭换热系统控制器（20），保证安全后打开高压釜盖板（2），取出岩样碎屑。
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