CN108572247A - 多功能深层地热资源钻完井实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种多功能深层地热资源钻完井实验装置；包括围压装置，围压装置上能拆卸地设有压裂结构，围压装置上还能拆卸地设有钻井结构；围压装置包括围压筒体，围压筒体内设置能容置岩样的岩心室，围压筒体内设置有能给岩样施加围压的加压单元，围压筒体的上方设置上压板，围压筒体的下方设置下压板，所述下压板自底部密封所述岩心室；上压板的下方设有上加热管，下压板的上方设有下加热管，围压筒体内设有侧加热管；压裂结构包括压裂液注入管，钻井结构包括钻井支撑架，钻井支撑架上设置钻头加载部和钻头旋转驱动部。该装置能够用于地热资源安全高效开发及装备的发展研究，结构简单，通用性强，安全性高且成本较低，适于推广使用。

Description

多功能深层地热资源钻完井实验装置

技术领域

本发明涉及新能源增产技术领域，尤其涉及一种多功能深层地热资源钻完井实验装置。

背景技术

随着国民经济的持续快速增长，我国对能源的需求量日益扩大。与此同时，传统化石能源带来的资源枯竭和环境污染问题日益突出。作为具有重要应用价值和利用潜力的清洁可再生能源，地热资源在我国储量巨大，被认为是实现能源资源续接的重要路径之一。

我国200m以下浅层地热资源量相当于95亿吨标准煤。到2015年底，全国浅层地热能供暖/制冷面积达到3.92亿平方米，实现年替代标煤1160万吨，年减排二氧化碳3000万吨。中深层(200-4000m)中低温资源量达到13700亿吨标准煤、高温资源发电潜力为8466MW。但截至2015年底，仅实现年替代标煤290万吨。此外，中国大陆3-10公里深处干热岩资源总计为2.09×1025J，合860万亿吨标准煤，约为2014年全国能源消耗总量的26万倍，但我国干热岩地热资源利用尚处起步阶段。因此，加快中深层、干热岩等地热资源的高效开发和利用，对改善我国能源战略布局、优化能源结构及促进转型发展具有重大政治、经济意义。

由于地热储层地质条件的复杂性和特殊性，与常规油气资源钻采过程相比，建立地热开发利用技术体系尚面临很多技术瓶颈，制约了地热资源的高效开发利用。其关键技术难题有：地质条件复杂、钻采方案设计难度大；高温岩体可钻性差，钻速极慢；高温高压下井筒中气、液、固多相流动规律复杂，易发生井涌井喷；地层完井改造难度大、成本高，多相渗流与热交换机制复杂。现有开采方式效率低，主要体现在高温地热储层钻完井难度大、成本高、安全风险高，岩石抗压强度200MPa，可钻性差，钻头损耗大，成本高；高温井壁遇低温钻井液，易产生热破裂，井壁坍塌，引起卡钻；钻经地层复杂，天然裂缝发育地层，井漏现象严重，易诱发井喷；热应力-天然裂缝-注入水耦合作用下的裂缝扩展机制仍不明确，裂缝连通效果差，难以预测裂缝空间展布和优选井位。现有钻完井技术在地热井中并不完全适用。

综上所述，目前现有的实验设备已不能满足地热资源安全高效开发新技术及装备的发展。为了更好的开发深层地热资源，本发明人根据多年从事深层复杂地层油气资源钻完井技术及工具研发的经验，提出了本发明的一种多功能深层地热资源钻完井实验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能深层地热资源钻完井实验装置，克服目前深层地热资源钻完井关键技术及工具开发实验装置缺乏、成本高、风险高等缺点，该装置能够用于地热资源安全高效开发及装备的发展研究，结构简单，通用性强，安全性高且成本较低，适于推广使用。

本发明的目的是这样实现的，一种多功能深层地热资源钻完井实验装置；所述多功能深层地热资源钻完井实验装置包括围压装置，所述围压装置上能拆卸地设有压裂结构，所述围压装置上还能拆卸地设有钻井结构；

所述围压装置包括围压筒体，所述围压筒体内上下贯通地设置能容置岩样的岩心室，所述围压筒体内设置有能给岩样施加围压的加压单元，所述围压筒体的上方设置有能自顶部压紧岩样的上压板，所述围压筒体的下方设置有能与所述上压板配合压紧岩样的下压板，所述下压板自底部密封所述岩心室；所述上压板的下方设有能自顶部给岩样加热升温的上加热管，所述下压板的上方设有能自底部给岩样加热升温的下加热管，所述围压筒体内设有能自岩样侧面给岩样加热升温的侧加热管；

所述压裂结构包括能穿设于岩样内的压裂液注入管，所述压裂液注入管的侧壁上设置压裂液透孔，所述上压板上设有贯通的且能封闭的压裂液注入孔，所述压裂液注入孔与所述压裂液注入管的入口能连通地设置；

所述钻井结构包括钻井支撑架，所述钻井支撑架上设置钻头加载部和钻头旋转驱动部，所述上压板上设有贯通的且能封闭的钻头过孔，所述钻头旋转驱动部的底部设置能穿设通过钻头过孔的钻头，所述钻头旋转驱动部能驱动所述钻头旋转，所述钻头加载部能对所述钻头施加轴向载荷且能带动所述钻头上下移动。

在本发明的一较佳实施方式中，所述上加热管与所述上压板之间设有上隔热板，所述上隔热板上贯通设置能与压裂液注入孔连通的上隔热板压裂孔，所述上隔热板上还贯通设置能与钻头过孔连通的上隔热板钻透孔，所述下加热管与所述下压板之间设有下隔热板，所述侧加热管与所述加压单元之间设有侧面隔热板。

在本发明的一较佳实施方式中，所述加压单元包括能自岩样的侧面加压夹紧岩样的侧部油缸，所述底部油缸能密封所述岩样的侧壁，所述侧部油缸的油管密封穿设通过所述围压筒体的底部后与供油结构连通设置；所述加压单元还包括能自岩样的底面加压夹紧岩样的底部油缸，所述底部油缸位于所述下压板和岩样之间，所述底部油缸能密封岩样的底面，所述底部油缸的油管密封穿设通过所述围压筒体的底部后与供油结构连通设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述围压筒体的外部四周设置多个螺杆立柱，各螺杆立柱的底部分别能拆卸地安装于固定设置的对应的支撑脚上，所述上压板和所述下压板上对应地设置多个立柱过孔，各所述螺杆立柱分别穿设通过相对设置的立柱过孔，各所述螺杆立柱的顶部位于所述上压板的上方分别套设有上螺母，各所述螺杆立柱位于所述下压板的下方分别套设有下螺母。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钻井支撑架包括多个呈对称设置于所述围压装置两侧的竖直的支架立杆，位于围压装置两侧的支架立杆的顶部设置能跨设于所述围压装置上方的支架横梁，所述钻头加载部包括所述支架立杆上滑动套设的升降支架，所述支架横梁上设置有升降电机，所述升降电机能驱动所述升降支架上下移动，所述升降电机能通过所述升降支架给所述钻头施加轴向载荷；

所述钻头旋转驱动部包括转动设置于所述升降支架上的竖直的钻取主轴，所述钻取主轴的顶部与钻取电机连接，所述钻取主轴的底部转动通过所述升降支架的底部后通过中空的钻头连接杆固定连接所述钻头。

在本发明的一较佳实施方式中，所述升降电机通过升降减速机连接有升降丝杠，所述升降丝杠的底部通过压力传感器支架与所述升降支架的顶部固定连接；所述升降支架的底部设置转轴底护板，所述转轴底护板上固定设置铰接套，所述钻取主轴能转动地穿设通过所述铰接套，所述转轴底护板上设置有能将升降支架的轴向载荷传递给所述钻头连接杆的贴板，所述钻头连接杆的外壁上设置直径呈增大设置的第一台阶部，所述贴板的底面与所述第一台阶部轴向抵靠。

在本发明的一较佳实施方式中，所述压力传感器支架内设置压力传感器，所述压力传感器的两端分别与所述压力传感器支架的顶端、底端连接，所述压力传感器通过数据线连接数据采集与控制系统。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钻取电机通过钻取减速机与所述钻取主轴连接，所述升降支架内设置电机支架，所述钻取电机和所述钻取减速机固定设置于所述电机支架上；

所述钻取主轴能转动地穿设通过一扭矩转速传感器，所述电机支架上设置有能固定所述扭矩转速传感器的扭矩转速传感器支架，所述扭矩转速传感器通过数据线连接数据采集与控制系统。

在本发明的一较佳实施方式中，所述转轴底护板的下方固定设置钻取水套，所述钻头连接杆的顶端转动通过所述钻取水套后与所述钻取主轴连接，所述钻取水套的内腔与所述钻头连接杆的内腔能连通地设置，所述钻取水套的侧壁上连通设有冷却水接口；所述钻头过孔的顶部能连通的设置排水结构，所述排水结构包括排水导向套，所述钻头能转动地穿设通过所述排水导向套，所述排水导向套的侧壁上连通设置排水嘴；

所述转轴底护板的底部向下延伸设置钻取水套固定架，所述钻取水套和所述冷却水接口固定设置于所述钻取水套固定架上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述围压筒体的外部四周设置多个螺杆立柱，各螺杆立柱的底部分别能拆卸地安装于固定设置的对应的支撑脚上，所述围压装置的两侧分别设置一钻取机架滑轨，两个所述钻取机架滑轨呈平行设置，所述支架立杆能滑动且能固定地设置于所述钻取机架滑轨上，各所述支架立杆分别能通过一钻取拉板与相应的所述支撑脚固定连接。

由上所述，本发明提供的多功能深层地热资源钻完井实验装置具有如下有益效果：

(1)本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置中，围压装置为通用结构，通过上压板、下压板和加压单元实现岩样加压，并能通过各加热管给岩样加热升温构成地热模拟环境，从而实现地热资源安全高效开发及装备的发展研究；围压装置上既能拆卸地设置压裂结构，又能拆卸地设置钻井结构，能够实现压裂过程和钻井过程的实验研究；本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置通用性强，功能多样，既可以开展常温下的钻井与完井相关实验，也可以开展高温高应力条件下的相关实验研究；

(2)本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置，性能先进，可将岩样加热到400℃的高温，能够较为真实地模拟深层地热高温及高应力环境；

(3)本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置，操作简便，安全性高且成本较低，机械化水平高，温度及应力施加均由电脑控制，操作简便，实验装置强度大，可满足实验要求；

(4)本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置，符合国家能源战略需求，通过本装置的研发，对于地热资源的高效开发具有重要意义，有望减少化石能源的碳排放，改善空气质量，促进我国能源结构调整。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置用于压裂实验时的结构示意图。

图2：为本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置用于钻井实验时的结构示意图。

图中：

100、多功能深层地热资源钻完井实验装置；

1、围压装置；11、围压筒体；

12、上压板；

13、下压板；

141、上隔热板；142、下隔热板；143、侧面隔热板；

151、上隔板；152、下隔板；153、侧隔板；

161、筒体支撑架；162、上垫板；163、圆弧过渡内垫板；

171、侧部油缸；172、底部油缸；

18、螺杆立柱；181、上螺母；182、下螺母；183、支撑脚；

2、压裂结构；21、压裂液注入管；

3、钻井结构；

30、钻取机架滑轨；

31、钻头；

32、钻井支撑架；321、支架立杆；322、支架横梁；323、钻取拉板；

33、升降支架；331、转轴底护板；332、铰接套；

34、钻取主轴；

35、钻头连接杆；351、第一台阶部；

36、压力传感器支架；

37、电机支架；

38、扭矩转速传感器支架；

39、钻取水套固定架；

41、上加热管；42、下加热管；43、侧加热管；

51、升降电机；511、升降丝杠；52、钻取电机；

61、升降减速机；62、钻取减速机；

71、压力传感器；72、扭矩转速传感器；

81、钻取水套；82、冷却水接口；83、排水导向套；84、排水嘴；

9、岩样。

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所示，本发明提供一种多功能深层地热资源钻完井实验装置100；多功能深层地热资源钻完井实验装置100包括围压装置1，围压装置1上能拆卸地设有压裂结构2，围压装置1上还能拆卸地设有钻井结构3；当需要进行压裂实验时，围压装置1上安装压裂结构2；需要进行钻井实验时，围压装置1上安装设置钻井结构3，实现多功能的需求。

围压装置1包括围压筒体11，围压筒体11内上下贯通地设置能容置岩样9的岩心室，围压筒体11内设置有能给岩样9施加围压的加压单元，围压筒体11的上方设置有能自顶部压紧岩样9的上压板12，围压筒体11的下方设置有能与上压板12配合压紧岩样9的下压板13，下压板13自底部密封岩心室；上压板12的下方设有能自顶部给岩样9加热升温的上加热管41，下压板13的上方设有能自底部给岩样9加热升温的下加热管42，围压筒体11内设有能自岩样9侧面给岩样9加热升温的侧加热管43。各加热管能给岩样9加热升温到预定温度构成地热模拟环境，从而实现地热资源安全高效开发及装备的发展研究。

压裂结构2包括能穿设于岩样9内的压裂液注入管21，压裂液注入管21的侧壁上设置压裂液透孔，上压板12上设有贯通的且能封闭的压裂液注入孔，压裂液注入孔与压裂液注入管21的入口能连通地设置；压裂实验时，压裂液注入管21预先固结于实验用的岩样9内，压裂液注入管21的入口与压裂液注入孔连通设置，压裂过程中压裂液(多种配置不同的高压流体，可以是液氮、超临界CO2、水等流体)自压裂液注入孔流入压裂液注入管21，再经压裂液注入管21的压裂液透孔射向岩样9，随着压裂液注入压力的升高，岩样被压裂液压裂。

钻井结构3包括钻井支撑架32，钻井支撑架32上设置钻头加载部和钻头旋转驱动部，上压板12上设有贯通的且能封闭的钻头过孔，钻头过孔和压裂液注入孔可以由同一透孔构成，钻头过孔和压裂液注入孔也可以是错开设置的两个透孔；钻头旋转驱动部的底部设置能穿设通过钻头过孔的钻头31，钻头旋转驱动部能驱动钻头31旋转，钻头加载部能对钻头31施加轴向载荷且能带动钻头31上下移动，钻头31用于钻进破岩。

本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置中，围压装置为通用结构，通过上压板、下压板和加压单元实现岩样加压，并能通过各加热管给岩样加热升温构成地热模拟环境，从而实现地热资源安全高效开发及装备的发展研究；围压装置上既能拆卸地设置压裂结构，又能拆卸地设置钻井结构，能够实现压裂过程和钻井过程的实验研究；本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置通用性强，功能多样，既可以开展常温下的钻井与完井相关实验，也可以开展高温高应力条件下的相关实验研究，例如可开展高温高应力条件下高温高效破岩钻头研发、振动与旋转冲击钻井提速新技术及工具研发，还能进行液氮、超临界CO2、热力射流等新型射流辅助破岩技术的研究以及无水压裂(液氮、超临界CO2等)改造地热储层技术研究。

进一步，如图1所示，上加热管41与上压板12之间设有上隔热板141，上隔热板141上贯通设置能与压裂液注入孔连通的上隔热板压裂孔，上隔热板141上还贯通设置能与钻头过孔连通的上隔热板钻透孔，下加热管42与下压板13之间设有下隔热板142，侧加热管43与加压单元之间设有侧面隔热板143。上隔热板141、下隔热板142和侧面隔热板143能有效防止岩样在加热过程中热量的散失，保证岩样的温度需求。

如图1所示，在本实施方式中，为了方便上加热管41、下加热管42和侧加热管43的安装，避免其损坏，在上隔热板141和岩样9之间设置上隔板151，上加热管41穿设于上隔板151内，上隔板151上贯通设置能与上隔热板压裂孔连通的上隔板压裂孔，上隔板151上还贯通设置能与上隔热板钻透孔连通的上隔板钻透孔；在下隔热板142和岩样9之间设置下隔板152，下加热管42穿设于下隔板152内，下隔板152能自底部密封岩样9；在侧面隔热板143和岩样9之间设置侧隔板153，侧加热管43穿设于侧隔板153内。为了便于温度监测和显示，上隔板151、下隔板152和侧隔板153内设置有热电偶测量装置，热电偶测量装置与数据采集与控制系统(现有技术，图中未示出)电连接。

进一步，如图1所示，下压板13上设置筒体支撑架161，筒体支撑架161的顶面顶抵支撑于围压筒体11的底面上，筒体支撑架161上设有能容置下隔板152、下隔热板142和下加热管42的支撑架过孔。

进一步，如图1所示，上隔热板141与上压板12之间设置上垫板162，上垫板162的形状尺寸与岩样的横截面形状尺寸相同或相近，上垫板162可以具有两种状态，按照实验需求分别进行安装：在进行压裂实验时，上垫板162上贯通开设有与上压板12上压裂液注入孔连通的压裂液接口，此时的上垫板162为压裂上垫板，压裂上垫板与上压板12直接接触，压裂过程中承受来自岩心室的压力；在进行钻井实验过程中，上垫板162上贯通开设有与上压板12上钻头过孔连通的上垫板钻头过孔，此时的上垫板162为钻孔上垫板，便于钻头下入。上垫板162上也可以同时开设压裂液接口和上垫板钻头过孔，用于不同实验时，开启相应的功能孔即可。

进一步，如图1所示，加压单元包括能自岩样9的侧面加压夹紧岩样的侧部油缸171，侧部油缸171能密封岩样9的侧壁，侧部油缸171的油管密封穿设通过围压筒体11的底部后与供油结构(现有技术，图中未示出)连通设置；加压单元还包括能自岩样9的底面加压夹紧岩样9的底部油缸172，底部油缸172位于下压板13和岩样9之间，底部油缸172能密封岩样9的底面，底部油缸172的油管密封穿设通过围压筒体11的底部后与供油结构(现有技术，图中未示出)连通设置。侧部油缸171和底部油缸172在压裂过程中为岩样提供围压，模拟井下地层环境。

如图1所示，在本实施方式中，侧部油缸171和围压筒体11的内壁之间设置圆弧过渡内垫板163，在本发明的一具体实施例中，圆弧过渡内垫板163的外壁为与围压筒体11的内壁抵靠的圆弧面，圆弧过渡内垫板163的内壁为能与方形岩样的外壁匹配的平面，为适应不同的岩样尺寸，圆弧过渡内垫板163具有三种不同规格，其分别适用于长*宽*高尺寸分别为400*400*400、300*300*300和200*200*200的岩样9。圆弧过渡内垫板163上设置有能穿设油管的凹槽，在压裂过程中，加压单元的侧部油缸171、底部油缸172和上压板12为岩样9提供围压，模拟井下地层情况，圆弧过渡内垫板163夹设于侧部油缸171与围压筒体11的内壁之间，压裂过程中围压筒体11和圆弧过渡内垫板163承受油缸带来的压力。

进一步，如图1所示，围压筒体11的外部四周设置多个螺杆立柱18，各螺杆立柱18的底部分别能拆卸地安装于固定设置的对应的支撑脚183上，上压板12和下压板13上对应地设置多个立柱过孔，各螺杆立柱18分别穿设通过相对设置的立柱过孔，各立柱过孔的孔径略大于螺杆立柱18的外径，以便于螺杆立柱18的穿设。各螺杆立柱18的顶部位于上压板12的上方分别套设有上螺母181，各螺杆立柱18位于下压板13的下方分别套设有下螺母182。螺杆立柱18、上螺母181和下螺母182共同实现下压板13、围压筒体11、上压板12的压紧夹持。在本发明的一具体实施例中，螺杆立柱18的数量为4个，各螺杆立柱18上套设的上螺母181数量为2个，有效地起到防松作用。

进一步，如图2所示，钻井支撑架32包括多个呈对称设置于围压装置1两侧的竖直的支架立杆321，位于围压装置1两侧的支架立杆321的顶部设置能跨设于围压装置1上方的支架横梁322，钻头加载部包括支架立杆321上滑动套设的升降支架33，支架横梁322上设置有升降电机51，升降电机51能驱动升降支架33上下移动，并且升降电机51能通过升降支架33给钻头31施加轴向载荷；钻头旋转驱动部包括转动设置于升降支架33上的竖直的钻取主轴34，钻取主轴34的顶部与钻取电机52连接，钻取主轴34的底部转动通过升降支架33的底部后通过中空的钻头连接杆35固定连接钻头31。钻头连接杆35采用中空杆体结构，其内腔中可以流通清水或钻井液等流体，并且可以有效地将钻取减速机62传来的扭矩传递给钻头31。

进一步，如图2所示，升降电机51通过升降减速机61连接有升降丝杠511，升降丝杠511的底部通过压力传感器支架36与升降支架33的顶部固定连接，升降支架33的底部设置转轴底护板331，在本实施方式中，转轴底护板331通过螺丝固定在升降支架33的底面上，转轴底护板331上固定设置铰接套332，钻取主轴34能转动地穿设通过铰接套332，所述转轴底护板331上设置有能将升降支架33的轴向载荷传递给钻头连接杆35的贴板，钻头连接杆35的外壁上设置直径呈增大设置的第一台阶部351，所述贴板的底面与所述第一台阶部351轴向抵靠，转轴底护板331上的铰接套332可以有效地避免钻头连接杆35钻进过程中的不居中问题；升降电机51通过升降减速机61驱动升降丝杠511升降的同时为升降丝杠511施加轴向载荷，升降丝杠511通过压力传感器支架36将轴向载荷传递给升降支架33，升降支架33将该轴向载荷通过转轴底护板331的贴板传递给钻头连接杆35，最终传递给钻头31。数据采集与控制系统控制升降电机51的转速，从而控制升降支架33的升降速度和钻头的钻进速度，同时也控制钻头31所受的轴向载荷，使钻头31以适当压力(俗称钻压，根据实验模拟的井深，计算出的实验岩层的上覆压力)压在岩样上。

如图2所示，在本实施方式中，压力传感器支架36内设置压力传感器71，压力传感器71的两端分别与压力传感器支架36的顶端、底端连接，压力传感器71外接数据线连接数据采集与控制系统(现有技术，图中未示出)，可以精准的读取钻进过程中钻头31所承受的的轴向载荷情况。

进一步，如图2所示，钻取电机52通过钻取减速机62与钻取主轴34连接，升降支架33内设置电机支架37，钻取电机52和钻取减速机62固定设置于电机支架37上；钻取主轴34能转动地穿设通过一扭矩转速传感器72，电机支架37上设置有能固定扭矩转速传感器72的扭矩转速传感器支架38，扭矩转速传感器72通过数据线连接数据采集与控制系统。钻进过程中，数据采集与控制系统控制钻取电机52和钻取减速机62的转速，进而稳定的控制钻取主轴34转速和扭矩的大小，扭矩转速传感器72集扭矩和转速测量于一体，可以精准的读取钻进过程中钻取主轴34的扭矩和转速并传递给数据采集与控制系统。

进一步，如图2所示，转轴底护板331的下方固定设置钻取水套81，钻头连接杆35的顶端转动通过钻取水套81后与钻取主轴34连接，钻取水套81的内腔与钻头连接杆35的内腔能连通地设置，钻取水套81的侧壁上连通设有冷却水接口82；钻头过孔的顶部能连通的设置排水结构，排水结构包括排水导向套83，钻头31能转动地穿设通过排水导向套83，排水导向套83的侧壁上连通设置排水嘴84，排水导向套83可以将返出的钻井液引导至排水嘴84有效的排出。冷却水接口82外接冷却液体管线(现有技术，图中未示出)，可以在钻进过程中对钻头31有效的润滑与降温，并促使钻取的岩屑有效的在排水嘴84处排出。

进一步，如图2所示，转轴底护板331的底部向下延伸设置钻取水套固定架39，钻取水套81和冷却水接口82固定设置于钻取水套固定架39上。

如图2所示，在本实施方式中，为了便于钻井结构3的移动，围压装置1的两侧分别设置一钻取机架滑轨30，两个钻取机架滑轨30呈平行设置，钻井支撑架32的支架立杆321能滑动且能固定地设置于钻取机架滑轨30上。在本发明的一具体实施例中，各钻取机架滑轨30设置于平面滑动机架上。各支架立杆321分别能通过一钻取拉板323与对应的支撑脚183固定连接，保证钻井过程中的钻头的稳定钻进。

如图1所示，使用本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置100进行压裂实验时，钻井结构3远离围压装置1，根据模拟的井深及储层条件，设计并准备岩样，可以采用人工岩样与天然岩样，在研究径向水平井压裂技术时，可提前预置径向孔眼备好岩样后，预先将压裂液注入管21固结于实验用的岩样9内，将上压板12、上垫板162(压裂上垫板)、上隔热板141、上隔板151、上加热管41、侧隔板153、侧面隔热板143、侧加热管43、侧部油缸171和圆弧过渡内垫板163自围压筒体11拆下，使用起重机(现有技术，图中未示出)将岩样9放置于围压筒体11内，之后完成圆弧过渡内垫板163、侧部油缸171、侧面隔热板143、侧隔板153、侧加热管43、上隔板151、上加热管41、上隔热板141、上垫板162和上压板12组装，拧紧螺杆立柱18上的上螺母181，连通压裂液注入管21和上压板12上压裂液注入孔，将压裂液注入孔与外围压裂泵管线(现有技术，图中未示出，外围压裂泵管线上连接有压裂液压力传感器和压裂数据采集系统，用于感应收集压裂过程中的实验数据)连通，将侧部油缸171和底部油缸172与围压泵管线出口(现有技术，图中未示出)连通，上加热管41、下加热管42和侧加热管43分别接通电源，计算出实验岩层的三轴应力及温度等数据，将岩样9加热到预定温度，同时启动围压泵(现有技术，图中未示出)，通过侧部油缸171和底部油缸172施加三轴应力将岩样9加压到预定压力，待系统温度与围压显示稳定后，启动压裂泵将压裂液(常规压裂液、液氮、超临界CO2等)注入压裂液注入管21中开始压裂实验，随着压裂液的注入，压力不断升高，随时观察系统压裂曲线以及压力数据显示(外围压裂泵管线上连接的压裂液压力传感器和压裂数据采集系统实现该功能，现有技术)，待压裂完成后，关闭压裂泵与围压泵，断开各加热管的电源，拆开上压板12、上垫板162、上隔热板141、上隔板151、上加热管41、侧隔板153、侧面隔热板143、侧加热管43、侧部油缸171和圆弧过渡内垫板163，注意拆卸过程中避免高温烫伤实验人员。取出压裂后岩样，观察与分析被压岩样裂缝的起裂与延伸压力、裂缝形态、裂缝扩展规律等，在分析被压岩样裂缝时，可加入声发射仪用于检测裂缝的生成。本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置100可以模拟高温高应力条件下地热储层的起裂及裂缝延伸机理，可实现超临界CO2压裂、液氮压裂、水力压裂、径向水平井压裂等储层改造技术研究，各部件均能满足相关实验要求。此外，可以开展常温条件下的压裂实验研究，通过声发射仪检测裂缝的起裂情况。

如图2所示，使用本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置100进行钻井实验时，将上压板12下方的上垫板162调整为钻孔上垫板，开启钻头过孔，将岩样9安置于围压装置1内，并且调整温度和围压到钻井实验预设值，待围压装置1准备就绪后，移动钻井支撑架32至围压装置1处，使钻头31位于上压板12的钻头过孔上方，将各支架立杆321通过钻取拉板323与对应的支撑脚183固定连接，接通冷却水接口82与钻井液管线(现有技术，图中未示出，钻井液可以是水、超临界二氧化碳、液氮等)，将排水嘴84通过管线与水箱(现有技术，图中未示出)相连，接通升降电机51和升降减速机61的电源，升降支架33带动钻头31下移至钻头31接近岩样9表面后停止，此时开起钻取电机52与钻取减速机62使钻头31转速达到实验预定值，启动升降电机51和升降减速机61，使钻头31向下钻进，同时打开钻井液管线，通过钻取水套81向钻头连接杆35内泵入钻井液，数据采集与控制系统可以得到钻进过程中钻头31的转速、钻进的速度、钻头扭矩的大小以及轴向压力的大小等数据，同时自围压装置1中可以得到岩样9的实时温度(由热电偶测量装置测量得出)以及围压的大小，钻进完成后，通过调节升降电机51和升降减速机61实现钻头31上提，松开固定在支撑脚183上的钻取拉板323，移动钻井支撑架32将钻井结构3移开，此时取出被钻岩样，其方法与进行压裂实验时取出岩样的方法相同，取出钻孔后岩样可以到观察钻孔的形貌特征。钻进过程中，通过数据采集与控制系统采集随钻压力测试系统、实时测量井筒内钻进速度、钻压、钻进深度，从而实验获得最佳钻井操作参数和控制方法。

由上所述，本发明提供的多功能深层地热资源钻完井实验装置具有如下有益效果：

(1)本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置中，围压装置为通用结构，通过上压板、下压板和加压单元实现岩样加压，并能通过各加热管给岩样加热升温构成地热模拟环境，从而实现地热资源安全高效开发及装备的发展研究；围压装置上既能拆卸地设置压裂结构，又能拆卸地设置钻井结构，能够实现压裂过程和钻井过程的实验研究；本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置通用性强，功能多样，既可以开展常温下的钻井与完井相关实验，也可以开展高温高应力条件下的相关实验研究；

(2)本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置，性能先进，可将岩样加热到400℃的高温，能够较为真实地模拟深层地热高温及高应力环境；

(3)本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置，操作简便，安全性高且成本较低，机械化水平高，温度及应力施加均由电脑控制，操作简便，实验装置强度大，可满足实验要求；

(4)本发明的多功能深层地热资源钻完井实验装置，符合国家能源战略需求，通过本装置的研发，对于地热资源的高效开发具有重要意义，有望减少化石能源的碳排放，改善空气质量，促进我国能源结构调整。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种多功能深层地热资源钻完井实验装置；其特征在于，所述多功能深层地热资源钻完井实验装置包括围压装置，所述围压装置上能拆卸地设有压裂结构，所述围压装置上还能拆卸地设有钻井结构；

所述围压装置包括围压筒体，所述围压筒体内上下贯通地设置能容置岩样的岩心室，所述围压筒体内设置有能给岩样施加围压的加压单元，所述加压单元能密封所述岩样的侧壁和底面，所述围压筒体的上方设置有能自顶部压紧岩样的上压板，所述围压筒体的下方设置有能与所述上压板配合压紧岩样的下压板，所述下压板自底部密封所述岩心室；所述上压板的下方设有能自顶部给岩样加热升温的上加热管，所述下压板的上方设有能自底部给岩样加热升温的下加热管，所述围压筒体内设有能自岩样侧面给岩样加热升温的侧加热管；

所述压裂结构包括能穿设于岩样内的压裂液注入管，所述压裂液注入管的侧壁上设置压裂液透孔，所述上压板上设有贯通的且能封闭的压裂液注入孔，所述压裂液注入孔与所述压裂液注入管的入口能连通地设置；

所述钻井结构包括钻井支撑架，所述钻井支撑架上设置钻头加载部和钻头旋转驱动部，所述上压板上设有贯通的且能封闭的钻头过孔，所述钻头旋转驱动部的底部设置能穿设通过钻头过孔的钻头，所述钻头旋转驱动部能驱动所述钻头旋转，所述钻头加载部能对所述钻头施加轴向载荷且能带动所述钻头上下移动。

2.如权利要求1所述的多功能深层地热资源钻完井实验装置，其特征在于，所述上加热管与所述上压板之间设有上隔热板，所述上隔热板上贯通设置能与压裂液注入孔连通的上隔热板压裂孔，所述上隔热板上还贯通设置能与钻头过孔连通的上隔热板钻透孔，所述下加热管与所述下压板之间设有下隔热板，所述侧加热管与所述加压单元之间设有侧面隔热板。

3.如权利要求1所述的多功能深层地热资源钻完井实验装置，其特征在于，所述加压单元包括能自岩样的侧面加压夹紧岩样的侧部油缸，所述侧部油缸能密封所述岩样的侧壁，所述侧部油缸的油管密封穿设通过所述围压筒体的底部后与供油结构连通设置；所述加压单元还包括能自岩样的底面加压夹紧岩样的底部油缸，所述底部油缸位于所述下压板和岩样之间，所述底部油缸能密封所述岩样的底面，所述底部油缸的油管密封穿设通过所述围压筒体的底部后与供油结构连通设置。

4.如权利要求1所述的多功能深层地热资源钻完井实验装置，其特征在于，所述围压筒体的外部四周设置多个螺杆立柱，各螺杆立柱的底部分别能拆卸地安装于固定设置的对应的支撑脚上，所述上压板和所述下压板上对应地设置多个立柱过孔，各所述螺杆立柱分别穿设通过相对设置的立柱过孔，各所述螺杆立柱的顶部位于所述上压板的上方分别套设有上螺母，各所述螺杆立柱位于所述下压板的下方分别套设有下螺母。

5.如权利要求1所述的多功能深层地热资源钻完井实验装置，其特征在于，所述钻井支撑架包括多个呈对称设置于所述围压装置两侧的竖直的支架立杆，位于围压装置两侧的支架立杆的顶部设置能跨设于所述围压装置上方的支架横梁，所述钻头加载部包括所述支架立杆上滑动套设的升降支架，所述支架横梁上设置有升降电机，所述升降电机能驱动所述升降支架上下移动，所述升降电机能通过所述升降支架给所述钻头施加轴向载荷；

所述钻头旋转驱动部包括转动设置于所述升降支架上的竖直的钻取主轴，所述钻取主轴的顶部与钻取电机连接，所述钻取主轴的底部转动通过所述升降支架的底部后通过中空的钻头连接杆固定连接所述钻头。

6.如权利要求5所述的多功能深层地热资源钻完井实验装置，其特征在于，所述升降电机通过升降减速机连接有升降丝杠，所述升降丝杠的底部通过压力传感器支架与所述升降支架的顶部固定连接；所述升降支架的底部设置转轴底护板，所述转轴底护板上固定设置铰接套，所述钻取主轴能转动地穿设通过所述铰接套，所述转轴底护板上设置有能将升降支架的轴向载荷传递给所述钻头连接杆的贴板，所述钻头连接杆的外壁上设置直径呈增大设置的第一台阶部，所述贴板的底面与所述第一台阶部轴向抵靠。

7.如权利要求6所述的多功能深层地热资源钻完井实验装置，其特征在于，所述压力传感器支架内设置压力传感器，所述压力传感器的两端分别与所述压力传感器支架的顶端、底端连接，所述压力传感器通过数据线连接数据采集与控制系统。

8.如权利要求6所述的多功能深层地热资源钻完井实验装置，其特征在于，所述钻取电机通过钻取减速机与所述钻取主轴连接，所述升降支架内设置电机支架，所述钻取电机和所述钻取减速机固定设置于所述电机支架上；

所述钻取主轴能转动地穿设通过一扭矩转速传感器，所述电机支架上设置有能固定所述扭矩转速传感器的扭矩转速传感器支架，所述扭矩转速传感器通过数据线连接数据采集与控制系统。

9.如权利要求8所述的多功能深层地热资源钻完井实验装置，其特征在于，所述转轴底护板的下方固定设置钻取水套，所述钻头连接杆的顶端转动通过所述钻取水套后与所述钻取主轴连接，所述钻取水套的内腔与所述钻头连接杆的内腔能连通地设置，所述钻取水套的侧壁上连通设有冷却水接口；所述钻头过孔的顶部能连通的设置排水结构，所述排水结构包括排水导向套，所述钻头能转动地穿设通过所述排水导向套，所述排水导向套的侧壁上连通设置排水嘴；

所述转轴底护板的底部向下延伸设置钻取水套固定架，所述钻取水套和所述冷却水接口固定设置于所述钻取水套固定架上。

10.如权利要求5所述的多功能深层地热资源钻完井实验装置，其特征在于，所述围压筒体的外部四周设置多个螺杆立柱，各螺杆立柱的底部分别能拆卸地安装于固定设置的对应的支撑脚上，所述围压装置的两侧分别设置一钻取机架滑轨，两个所述钻取机架滑轨呈平行设置，所述支架立杆能滑动且能固定地设置于所述钻取机架滑轨上，各所述支架立杆分别能通过一钻取拉板与相应的所述支撑脚固定连接。