CN111175217B - 一种水平井钻进过程煤层污染程度定量测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种水平井钻进过程煤层污染程度定量测试装置，包括底盘、钢套筒、煤样压实系统、裂缝生成系统、渗透率实时测试系统、钻井液污染系统、数据采集处理系统和清洗系统，钢套筒通过固定架固定安装在底盘上，裂缝生成系统固定设置在钢套筒内，渗透率实时测试系统、钻井液污染系统和清洗系统分别按照测试工序与煤样压实系统连接，数据采集处理系统分别与裂缝生成系统、渗透率实时测试系统和钻井液污染系统信号连接。本发明能够实时改变裂隙宽度及数量，而且能够监控钻井液的侵入深度；能够模拟不同地层压力条件，测试不同地层条件下的渗透率；能够完成材料的回收重新利用，清洗方便。
Description
技术领域
本发明涉及煤层污染测试技术领域，具体的说，涉及一种水平井钻进过程煤层污染程度定量测试装置及方法。
背景技术
水平井因其供气范围广、日产气量高、综合经济效益较高等优点而成为目前煤层气地面开发的主要井型之一。水平井在煤层内进行水平钻进时，因其钻进的长度较长（一般600～1000米左右），煤岩屑返排时所需压力大于煤储层压力，导致钻井液很容易进入煤层内对煤层进行污染，进而影响煤层气井的产气量。
为了研究钻井液对煤层的伤害，国内外研究者主要采用了实验测试法、数学模型构建法等对其污染程度进行评价。实验测试法主要是制作煤柱样品，对煤柱污染前的渗透率进行测试；然后模拟现场储层压力等条件，将配制好的钻井液对煤柱进行污染，测试污染后煤柱的渗透率，用污染后煤柱的渗透率与测试的原始渗透率进行对比，得出其伤害率。煤层伤害率的影响因素众多，煤层裂隙发育程度、煤储层压力、钻井液侵入时间、钻井液配方、钻井液循环过程中携岩屑情况等都导致煤层的伤害程度不同，仅通过制煤柱方法不仅耗时，而且无法对每种情况都进行测试，同时，污染时间不同，可能导致污染率也不同。数学模型构建法主要是根据测井资料获取的电阻率数据，建立电阻率与渗透率之间关系的数学模型，进而对泥浆钻井液的污染程度进行评价。钻井过程中泥浆钻井液性能的差异，可能导致泥浆钻井液与电阻率响应之间不是一一对应关系，用该数学模型预测污染程度存在一定的偏差。因此，亟需研制一种装置，能针对不同煤储层裂隙发育程度、不同压力、不同时间下测试钻井液污染前、后的渗透率，定量评价其污染程度，为准确评价水平井钻进时不同煤层属性下污染程度提供理论依据。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种水平井钻进过程煤层污染程度定量测试装置及方法，本发明能够实时改变裂隙宽度及数量，而且能够监控钻井液的侵入深度；能够模拟不同地层压力条件，测试不同地层条件下的渗透率；能够完成材料的回收重新利用，清洗方便。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水平井钻进过程煤层污染程度定量测试装置，包括底盘、钢套筒、煤样压实系统、裂缝生成系统、渗透率实时测试系统、钻井液污染系统、数据采集处理系统和清洗系统，钢套筒通过固定架固定安装在底盘上，裂缝生成系统固定设置在钢套筒内，渗透率实时测试系统、钻井液污染系统和清洗系统分别按照测试工序与煤样压实系统连接，数据采集处理系统分别与裂缝生成系统、渗透率实时测试系统和钻井液污染系统信号连接。
钢套筒竖向设置，钢套筒的顶部和底部均敞口，固定架包括两个支撑架，两个支撑架的结构相同且关于钢套筒左右对称设置，左侧的支撑架包括一根竖直杆和若干根水平杆，竖直杆的底部固定连接在底盘的上表面左侧部，竖直杆位于钢套筒的左侧，各根水平杆均沿左右方向设置，各根水平杆等间距沿竖向并排设置在竖直杆和钢套筒之间，各根水平杆的左端均固定连接在竖直杆上，各根水平杆的右端均固定连接钢套筒的外侧壁左侧部，钢套筒的底部位于底盘的上表面中心正上方。
煤样压实系统包括液压升降台、分割盘、连接杆、上盖和液压油缸，液压升降台同中心固定安装在底盘的上表面，液压升降台的上表面位于钢套筒的底部正下方，分割盘同中心滑动设置在钢套筒内，分割盘的外圆周与钢套筒的内圆周滑动接触，连接杆竖向设置，连接杆的下端固定连接在分割盘的上表面中心，上盖底部敞口，上盖扣合在钢套筒的顶部，上盖的内圆周与钢套筒的顶部外圆周接触，上盖的外圆周上圆周阵列螺纹连接有若干根径向设置的紧固螺栓，各根紧固螺栓的内端紧压在钢套筒的外圆周上，连接杆的上端穿过上盖伸出钢套筒，液压油缸竖向设置并通过安装架固定安装在上盖的上表面，钢套筒、液压升降台、分割盘、连接杆、上盖和液压油缸的中心线重合，液压油缸的活塞杆下端与连接杆的上端可拆卸固定连接。
裂缝生成系统包括若干根方形裂缝管，方形裂缝管由一块工字型板和两块竖直板组成，工字型板竖向设置，两块竖直板分别滑动设置在工字型板的左侧和右侧，工字型板的中部隔板左侧面和右侧面上均设置有至少两个电动伸缩杆，左侧的各个电动伸缩杆的伸缩端固定连接在左侧的竖直板的右侧面上，右侧的各个电动伸缩杆的伸缩端固定连接在右侧的竖直板的左侧面上，工字型板的中部隔板的左侧面底部固定安装有静压式液位计。
渗透率实时测试系统包括高压气瓶、进气管、气盖、出气管和气体回收瓶，高压气瓶与进气管的一端连接，进气管的另一端由上至下依次穿过上盖和分割盘伸入到钢套筒内，进气管上沿气体流动方向依次设置有第一气阀、气体调压器、气体流量计和第一压力计，气盖顶部敞口，气盖内圆直径与钢套筒的外径相等，出气管的一端固定插接在气盖的底部中心处且与气盖内部连通，出气管的另一端连接气体回收瓶，出气管上沿气体流动方向依次设置有第二压力计和第二气阀。
钻井液污染系统包括钻井液容器、第一进液管、液盖和出液管，钻井液容器内储存有钻井液，液盖上设置有顶部敞口且上大下小的台阶槽，台阶槽的上侧内圆直径与钢套筒的外径相等，台阶槽的下侧内圆直径与钢套筒的内径相等，第一进液管的一端与钻进液容器的出液口连接，第一进液管的另一端固定插接在液盖的外圆周侧壁上且与液盖内部的台阶槽连通，出液管的一端固定插接在液盖的外圆周侧壁上且与液盖内部的台阶槽连通，出液管的另一端与钻井液容器的进液口连接，第一进液管上沿液体流动方向设置有第一进液阀、增压泵和第三压力计，出液管上设置有压力阀。
数据采集处理系统为计算机，计算机分别与静压式液位计、气体流量计、第一压力计、第二压力计和第三压力计信号连接；
清洗系统包括超声波清洗机、水箱和第二进液管，超声波清洗机的结构与液盖的结构相同，第二进液管的一端固定插接在超声波清洗机的外圆周侧壁上且与超声波清洗机内部的台阶槽连通，第二进液管的另一端与水箱连接，第二进液管上沿液体流动方向设置有第二进液阀和水泵。
一种水平井钻进过程煤层污染程度定量测试装置的测试方法，包括以下步骤：
（1）、将煤样装填到钢套筒内，通过煤样压实系统压实煤样，利用裂缝生成系统使煤样中产生裂缝，从而制成符合实验要求的煤柱样品；
（2）、通过渗透率实时测试系统测试钻井液侵入煤柱样品前煤柱样品的渗透率；
（3）、钻井液污染系统使钻井液侵入煤柱样品模拟煤层污染；
（4）、通过渗透率实时测试系统测试钻井液侵入煤柱样品后煤柱样品的渗透率；
（5）、通过清洗系统清洗煤柱样品。
步骤（1）具体为：启动液压升降台，使液压升降台缓缓向上升起直至液压升降台的上表面与钢套筒的下端面紧压接触，各根方形裂缝管的底部均压紧在液压升降台的上表面上，将分割盘和上盖均向上抬起位于钢套筒的顶部正上方，保证钢套筒的顶部处于敞口状态且分割盘与钢套筒的顶部之间留有一定的填料空隙，将煤样（煤粉或相似材料）添加到钢套筒内，之后，将分割盘向下滑动放置在钢套筒内并压在煤样上，再将上盖向下扣在钢套筒的顶部，拧紧上盖外圆周上的各根紧固螺栓，各根紧固螺栓的内端紧压在钢套筒的外圆周上，使上盖固定在钢套筒的顶部，开启液压油缸，液压油缸的活塞杆向下推动连接杆，连接杆推动分割盘向下挤压煤样，使液压油缸的压力稳定保持在2000KN，持续30分钟，进而将煤样完全压实，启动各根方形裂缝管中的电动伸缩杆，使各根方形裂缝管中的各块竖直板根据实验要求向内滑动，从而使煤样中产生竖向裂缝，完成煤柱样品的制作，样品制作完成后，控制液压升降台缓缓降下使液压升降台的上表面与钢套筒的下端面分离；
步骤（2）具体为：将气盖放置在液压升降台的上表面中心处，使气盖位于钢套筒的正下方，控制液压升降台缓缓向上升起，使气盖上升直至气盖套在钢套筒的底部，钢套筒的下端面与气盖的内底面紧压接触，打开第一气阀和第二气阀，并通过气体调压器调节进气管中气体压力，高压气瓶中的气体通过进气管进入钢套筒，气体通过渗透钢套筒内的煤柱样品进入到气盖中，并通过出气管进入气体回收瓶内，气体流量计、第一压力计和第二压力计测得的数据实时传送至计算机，将测得的数据代入气相渗透率公式：
式中，K g为测试煤柱的气相渗透率，10-3 μm2；P u为第一压力计测得的进气管中的气体压力，10-1 MPa；q g为气体流量计测得的气体通过煤柱样品的流量，ml/s；μ g为气体粘度，mPa.s；L为煤柱样品的长度，cm；A为煤柱样品的截面积，cm2；P d为第二压力计测得的出气管中的气体压力；如此，计算出钻井液侵入煤柱样品前煤柱样品的渗透率；
步骤（3）具体为：测试完钻井液侵入煤柱样品前煤柱样品的渗透率，关闭第一气阀和第二气阀，控制液压升降台下降，将气盖从液压升降台上取下，并将液盖放置在液压升降台的上表面中心处，使液盖位于钢套筒的正下方，控制液压升降台缓缓向上升起，使液盖上升直至液盖套在钢套筒的底部，钢套筒的下端面与液盖的台阶槽内台阶面紧压接触，打开第一进液阀，启动增压泵，使钻井液容器中的钻井液通过第一进液管进入到液盖内，由于出液管上设置有压力阀，则只有当液盖内钻井液的压力大于压力阀的开启压力时，钻井液才会从液盖中流出，并通过出液管循环回流至钻井液容器中，液盖内的钻井液在压力作用下便会向上侵入钢套筒中，并沿煤柱样品中的裂缝和各根方形裂缝管的中部空间向上侵入，根据实验需求保持钻井液循环一定时间，使钻井液的侵入深度稳定，并通过静压式液位计测得钻井液侵入煤柱样品的深度，从而模拟钻井液对煤层裂缝的污染程度，再通过调节压力阀的开启压力便能够模拟不同压力条件下的钻井液对煤层裂缝的污染程度，完成钻井液侵入后，关闭第一进液阀和增压泵，控制液压升降台下降，将液盖从液压升降台上取下；
步骤（4）与步骤（2）的具体步骤相同，通过气体流量计、第一压力计和第二压力计测得的数据，计算钻井液侵入煤柱样品后煤柱样品的渗透率。
步骤（5）具体为：测试完钻井液侵入煤柱样品后煤柱样品的渗透率，关闭第一气阀和第二气阀，控制液压升降台下降，将气盖从液压升降台上取下，并将超声波清洗机放置在液压升降台的上表面中心处，使超声波清洗机位于钢套筒的正下方，控制液压升降台缓缓向上升起，使超声波清洗机上升直至超声波清洗机套在钢套筒的底部，钢套筒的下端面与超声波清洗机的台阶槽内台阶面紧压接触，打开第二进液阀和水泵，使水箱中的清水通过第二进液管进入超声波清洗机中，清水在超声波清洗机内逐渐向上侵入钢套筒内，并沿煤柱样品中的裂缝和各根方形裂缝管的中部空间向上侵入，通过静压式液位计测得清水侵入煤柱样品的深度，保证清水侵入深度等于步骤（3）中钻井液侵入深度，打开超声波清洗机，对煤柱样品的裂缝进行清洗。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明能够实时改变裂隙宽度及数量，而且能够监控钻井液的侵入深度；能够模拟不同地层压力条件，测试不同地层条件下的渗透率；能够完成材料的回收重新利用，清洗方便。
附图说明
图1是本发明的各部件的布置示意图。
图2是本发明的各根方形裂缝管在钢套筒内的布置示意图。
图3是本发明的方形裂缝管的结构示意图。
图4是本发明的方形裂缝管的俯视示意图。
图5是图4中A-A向剖视图。
图6是图1中B处局部放大图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
如图1-6所示，一种水平井钻进过程煤层污染程度定量测试装置，包括底盘1、钢套筒2、煤样压实系统、裂缝生成系统、渗透率实时测试系统、钻井液污染系统、数据采集处理系统和清洗系统，钢套筒2通过固定架固定安装在底盘1上，裂缝生成系统固定设置在钢套筒2内，渗透率实时测试系统、钻井液污染系统和清洗系统分别按照测试工序与煤样压实系统连接，数据采集处理系统分别与裂缝生成系统、渗透率实时测试系统和钻井液污染系统信号连接。
钢套筒2竖向设置，钢套筒2的顶部和底部均敞口，固定架包括两个支撑架，两个支撑架的结构相同且关于钢套筒2左右对称设置，左侧的支撑架包括一根竖直杆3和若干根水平杆4，竖直杆3的底部固定连接在底盘1的上表面左侧部，竖直杆3位于钢套筒2的左侧，各根水平杆4均沿左右方向设置，各根水平杆4等间距沿竖向并排设置在竖直杆3和钢套筒2之间，各根水平杆4的左端均固定连接在竖直杆3上，各根水平杆4的右端均固定连接钢套筒2的外侧壁左侧部，钢套筒2的底部位于底盘1的上表面中心正上方。
煤样压实系统包括液压升降台5、分割盘6、连接杆7、上盖8和液压油缸9，液压升降台5同中心固定安装在底盘1的上表面，液压升降台5的上表面位于钢套筒2的底部正下方，分割盘6同中心滑动设置在钢套筒2内，分割盘6的外圆周与钢套筒2的内圆周滑动接触，连接杆7竖向设置，连接杆7的下端固定连接在分割盘6的上表面中心，上盖8底部敞口，上盖8扣合在钢套筒2的顶部，上盖8的内圆周与钢套筒2的顶部外圆周接触，上盖8的外圆周上圆周阵列螺纹连接有若干根径向设置的紧固螺栓10，各根紧固螺栓10的内端紧压在钢套筒2的外圆周上，连接杆7的上端穿过上盖8伸出钢套筒2，液压油缸9竖向设置并通过安装架固定安装在上盖8的上表面，钢套筒2、液压升降台5、分割盘6、连接杆7、上盖8和液压油缸9的中心线重合，液压油缸9的活塞杆下端与连接杆7的上端可拆卸固定连接。
裂缝生成系统包括若干根方形裂缝管2424，方形裂缝管24由一块工字型板11和两块竖直板12组成，工字型板11竖向设置，两块竖直板12分别滑动设置在工字型板11的左侧和右侧，工字型板11的中部隔板左侧面和右侧面上均设置有至少两个电动伸缩杆13，左侧的各个电动伸缩杆13的伸缩端固定连接在左侧的竖直板12的右侧面上，右侧的各个电动伸缩杆13的伸缩端固定连接在右侧的竖直板12的左侧面上，工字型板11的中部隔板的左侧面底部固定安装有静压式液位计14。
渗透率实时测试系统包括高压气瓶15、进气管16、气盖17、出气管18和气体回收瓶19，高压气瓶15与进气管16的一端连接，进气管16的另一端由上至下依次穿过上盖8和分割盘6伸入到钢套筒2内，进气管16上沿气体流动方向依次设置有第一气阀20、气体调压器21、气体流量计22和第一压力计23，气盖17顶部敞口，气盖17内圆直径与钢套筒2的外径相等，出气管18的一端固定插接在气盖17的底部中心处且与气盖17内部连通，出气管18的一端固定插接在气盖17的外圆周下侧壁上且与气盖17内部的台阶槽连通，出气管18的另一端连接气体回收瓶19，出气管18上沿气体流动方向依次设置有第二压力计25和第二气阀26。
钻井液污染系统包括钻井液容器27、第一进液管28、液盖29和出液管30，钻井液容器27内储存有钻井液，液盖29上设置有顶部敞口且上大下小的台阶槽，台阶槽的上侧内圆直径与钢套筒2的外径相等，台阶槽的下侧内圆直径与钢套筒2的内径相等，第一进液管28的一端与钻进液容器的出液口连接，第一进液管28的另一端固定插接在液盖29的外圆周侧壁上且与液盖29内部的台阶槽连通，出液管30的一端固定插接在液盖29的外圆周侧壁上且与液盖29内部的台阶槽连通，出液管30的另一端与钻井液容器27的进液口连接，第一进液管28上沿液体流动方向设置有第一进液阀31、增压泵32和第三压力计33，出液管30上设置有压力阀34。
数据采集处理系统为计算机35，计算机35分别与静压式液位计14、气体流量计22、第一压力计23、第二压力计25和第三压力计33信号连接；
清洗系统包括超声波清洗机36、水箱37和第二进液管38，超声波清洗机36的结构与液盖29的结构相同，第二进液管38的一端固定插接在超声波清洗机36的外圆周侧壁上且与超声波清洗机36内部的台阶槽连通，第二进液管38的另一端与水箱37连接，第二进液管38上沿液体流动方向设置有第二进液阀39和水泵40。
一种水平井钻进过程煤层污染程度定量测试装置的测试方法，包括以下步骤：
（1）、将煤样装填到钢套筒2内，通过煤样压实系统压实煤样，利用裂缝生成系统使煤样中产生裂缝，从而制成符合实验要求的煤柱样品；
（2）、通过渗透率实时测试系统测试钻井液侵入煤柱样品前煤柱样品的渗透率；
（3）、钻井液污染系统使钻井液侵入煤柱样品模拟煤层污染；
（4）、通过渗透率实时测试系统测试钻井液侵入煤柱样品后煤柱样品的渗透率；
（5）、通过清洗系统清洗煤柱样品。
步骤（1）具体为：启动液压升降台5，使液压升降台5缓缓向上升起直至液压升降台5的上表面与钢套筒2的下端面紧压接触，各根方形裂缝管24的底部均压紧在液压升降台5的上表面上，将分割盘6和上盖8均向上抬起位于钢套筒2的顶部正上方，保证钢套筒2的顶部处于敞口状态且分割盘6与钢套筒2的顶部之间留有一定的填料空隙，将煤样（煤粉或相似材料）添加到钢套筒2内，之后，将分割盘6向下滑动放置在钢套筒2内并压在煤样上，再将上盖8向下扣在钢套筒2的顶部，拧紧上盖8外圆周上的各根紧固螺栓10，各根紧固螺栓10的内端紧压在钢套筒2的外圆周上，使上盖8固定在钢套筒2的顶部，开启液压油缸9，液压油缸9的活塞杆向下推动连接杆7，连接杆7推动分割盘6向下挤压煤样，使液压油缸9的压力稳定保持在2000KN，持续30分钟，进而将煤样完全压实，启动各根方形裂缝管24中的电动伸缩杆13，使各根方形裂缝管24中的各块竖直板12根据实验要求向内滑动，从而使煤样中产生竖向裂缝，完成煤柱样品的制作，样品制作完成后，控制液压升降台5缓缓降下使液压升降台5的上表面与钢套筒2的下端面分离；
步骤（2）具体为：将气盖17放置在液压升降台5的上表面中心处，使气盖17位于钢套筒2的正下方，控制液压升降台5缓缓向上升起，使气盖17上升直至气盖17套在钢套筒2的底部，钢套筒2的下端面与气盖17的内底面紧压接触，打开第一气阀20和第二气阀26，并通过气体调压器21调节进气管16中气体压力，高压气瓶15中的气体通过进气管16进入钢套筒2，气体通过渗透钢套筒2内的煤柱样品进入到气盖17中，并通过出气管18进入气体回收瓶19内，气体流量计22、第一压力计23和第二压力计25测得的数据实时传送至计算机35，将测得的数据代入气相渗透率公式：
式中，K g为测试煤柱的气相渗透率，10-3 μm2；P u为第一压力计23测得的进气管16中的气体压力，10-1 MPa；q g为气体流量计22测得的气体通过煤柱样品的流量，ml/s；μ g为气体粘度，mPa.s； L为煤柱样品的长度，cm；A为煤柱样品的截面积，cm2；P d为第二压力计25测得的出气管18中的气体压力；如此，计算出钻井液侵入煤柱样品前煤柱样品的渗透率；
步骤（3）具体为：测试完钻井液侵入煤柱样品前煤柱样品的渗透率，关闭第一气阀20和第二气阀26，控制液压升降台5下降，将气盖17从液压升降台5上取下，并将液盖29放置在液压升降台5的上表面中心处，使液盖29位于钢套筒2的正下方，控制液压升降台5缓缓向上升起，使液盖29上升直至液盖29套在钢套筒2的底部，钢套筒2的下端面与液盖29的台阶槽内台阶面紧压接触，打开第一进液阀31，启动增压泵32，使钻井液容器27中的钻井液通过第一进液管28进入到液盖29内，由于出液管30上设置有压力阀34，则只有当液盖29内钻井液的压力大于压力阀34的开启压力时，钻井液才会从液盖29中流出，并通过出液管30循环回流至钻井液容器27中，液盖29内的钻井液在压力作用下便会向上侵入钢套筒2中，并沿煤柱样品中的裂缝和各根方形裂缝管24的中部空间向上侵入，根据实验需求保持钻井液循环一定时间，使钻井液的侵入深度稳定，并通过静压式液位计14测得钻井液侵入煤柱样品的深度，从而模拟钻井液对煤层裂缝的污染程度，再通过调节压力阀34的开启压力便能够模拟不同压力条件下的钻井液对煤层裂缝的污染程度，完成钻井液侵入后，关闭第一进液阀31和增压泵32，控制液压升降台5下降，将液盖29从液压升降台5上取下；
步骤（4）与步骤（2）的具体步骤相同，通过气体流量计22、第一压力计23和第二压力计25测得的数据，计算钻井液侵入煤柱样品后煤柱样品的渗透率。
步骤（5）具体为：测试完钻井液侵入煤柱样品后煤柱样品的渗透率，关闭第一气阀20和第二气阀26，控制液压升降台5下降，将气盖17从液压升降台5上取下，并将超声波清洗机36放置在液压升降台5的上表面中心处，使超声波清洗机36位于钢套筒2的正下方，控制液压升降台5缓缓向上升起，使超声波清洗机36上升直至超声波清洗机36套在钢套筒2的底部，钢套筒2的下端面与超声波清洗机36的台阶槽内台阶面紧压接触，打开第二进液阀39和水泵40，使水箱37中的清水通过第二进液管38进入超声波清洗机36中，清水在超声波清洗机36内逐渐向上侵入钢套筒2内，并沿煤柱样品中的裂缝和各根方形裂缝管24的中部空间向上侵入，通过静压式液位计14测得清水侵入煤柱样品的深度，保证清水侵入深度等于步骤（3）中钻井液侵入深度，打开超声波清洗机36，对煤柱样品的裂缝进行清洗。
本发明能够实时改变裂隙宽度及数量，而且能够监控钻井液的侵入深度；能够模拟不同地层压力条件，测试不同地层条件下的渗透率；能够完成材料的回收重新利用，清洗方便。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种水平井钻进过程煤层污染程度定量测试装置，其特征在于：包括底盘、钢套筒、煤样压实系统、裂缝生成系统、渗透率实时测试系统、钻井液污染系统、数据采集处理系统和清洗系统，钢套筒通过固定架固定安装在底盘上，裂缝生成系统固定设置在钢套筒内，渗透率实时测试系统、钻井液污染系统和清洗系统分别按照测试工序与煤样压实系统连接，数据采集处理系统分别与裂缝生成系统、渗透率实时测试系统和钻井液污染系统信号连接；
钢套筒竖向设置，钢套筒的顶部和底部均敞口，固定架包括两个支撑架，两个支撑架的结构相同且关于钢套筒左右对称设置；
煤样压实系统包括液压升降台、分割盘、连接杆、上盖和液压油缸，液压升降台同中心固定安装在底盘的上表面，液压升降台的上表面位于钢套筒的底部正下方，分割盘同中心滑动设置在钢套筒内，分割盘的外圆周与钢套筒的内圆周滑动接触，连接杆竖向设置，连接杆的下端固定连接在分割盘的上表面中心，上盖底部敞口，上盖扣合在钢套筒的顶部，上盖的内圆周与钢套筒的顶部外圆周接触，上盖的外圆周上圆周阵列螺纹连接有若干根径向设置的紧固螺栓，各根紧固螺栓的内端紧压在钢套筒的外圆周上，连接杆的上端穿过上盖伸出钢套筒，液压油缸竖向设置并通过安装架固定安装在上盖的上表面，钢套筒、液压升降台、分割盘、连接杆、上盖和液压油缸的中心线重合，液压油缸的活塞杆下端与连接杆的上端可拆卸固定连接；
裂缝生成系统包括若干根方形裂缝管，方形裂缝管由一块工字型板和两块竖直板组成，工字型板竖向设置，两块竖直板分别滑动设置在工字型板的左侧和右侧，工字型板的中部隔板左侧面和右侧面上均设置有至少两个电动伸缩杆，左侧的各个电动伸缩杆的伸缩端固定连接在左侧的竖直板的右侧面上，右侧的各个电动伸缩杆的伸缩端固定连接在右侧的竖直板的左侧面上，工字型板的中部隔板的左侧面底部固定安装有静压式液位计；
渗透率实时测试系统包括高压气瓶、进气管、气盖、出气管和气体回收瓶，高压气瓶与进气管的一端连接，进气管的另一端由上至下依次穿过上盖和分割盘伸入到钢套筒内，进气管上沿气体流动方向依次设置有第一气阀、气体调压器、气体流量计和第一压力计，气盖顶部敞口，气盖内圆直径与钢套筒的外径相等，出气管的一端固定插接在气盖的底部中心处且与气盖内部连通，出气管的另一端连接气体回收瓶，出气管上沿气体流动方向依次设置有第二压力计和第二气阀；
钻井液污染系统包括钻井液容器、第一进液管、液盖和出液管，钻井液容器内储存有钻井液，液盖上设置有顶部敞口且上大下小的台阶槽，台阶槽的上侧内圆直径与钢套筒的外径相等，台阶槽的下侧内圆直径与钢套筒的内径相等，第一进液管的一端与钻进液容器的出液口连接，第一进液管的另一端固定插接在液盖的外圆周侧壁上且与液盖内部的台阶槽连通，出液管的一端固定插接在液盖的外圆周侧壁上且与液盖内部的台阶槽连通，出液管的另一端与钻井液容器的进液口连接，第一进液管上沿液体流动方向设置有第一进液阀、增压泵和第三压力计，出液管上设置有压力阀；
数据采集处理系统为计算机，计算机分别与静压式液位计、气体流量计、第一压力计、第二压力计和第三压力计信号连接；
清洗系统包括超声波清洗机、水箱和第二进液管，超声波清洗机的结构与液盖的结构相同，第二进液管的一端固定插接在超声波清洗机的外圆周侧壁上且与超声波清洗机内部的台阶槽连通，第二进液管的另一端与水箱连接，第二进液管上沿液体流动方向设置有第二进液阀和水泵。
2.如权利要求1所述的水平井钻进过程煤层污染程度定量测试装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、将煤样装填到钢套筒内，通过煤样压实系统压实煤样，利用裂缝生成系统使煤样中产生裂缝，从而制成符合实验要求的煤柱样品；
（2）、通过渗透率实时测试系统测试钻井液侵入煤柱样品前煤柱样品的渗透率；
（3）、钻井液污染系统使钻井液侵入煤柱样品模拟煤层污染；
（4）、通过渗透率实时测试系统测试钻井液侵入煤柱样品后煤柱样品的渗透率；
（5）、通过清洗系统清洗煤柱样品。
3.根据权利要求2所述的水平井钻进过程煤层污染程度定量测试装置的测试方法，其特征在于：步骤（1）具体为：启动液压升降台，使液压升降台缓缓向上升起直至液压升降台的上表面与钢套筒的下端面紧压接触，各根方形裂缝管的底部均压紧在液压升降台的上表面上，将分割盘和上盖均向上抬起位于钢套筒的顶部正上方，保证钢套筒的顶部处于敞口状态且分割盘与钢套筒的顶部之间留有一定的填料空隙，将煤样（煤粉或相似材料）添加到钢套筒内，之后，将分割盘向下滑动放置在钢套筒内并压在煤样上，再将上盖向下扣在钢套筒的顶部，拧紧上盖外圆周上的各根紧固螺栓，各根紧固螺栓的内端紧压在钢套筒的外圆周上，使上盖固定在钢套筒的顶部，开启液压油缸，液压油缸的活塞杆向下推动连接杆，连接杆推动分割盘向下挤压煤样，使液压油缸的压力稳定保持在2000KN，持续30分钟，进而将煤样完全压实，启动各根方形裂缝管中的电动伸缩杆，使各根方形裂缝管中的各块竖直板根据实验要求向内滑动，从而使煤样中产生竖向裂缝，完成煤柱样品的制作，样品制作完成后，控制液压升降台缓缓降下使液压升降台的上表面与钢套筒的下端面分离；
步骤（2）具体为：将气盖放置在液压升降台的上表面中心处，使气盖位于钢套筒的正下方，控制液压升降台缓缓向上升起，使气盖上升直至气盖套在钢套筒的底部，钢套筒的下端面与气盖的内底面紧压接触，打开第一气阀和第二气阀，并通过气体调压器调节进气管中气体压力，高压气瓶中的气体通过进气管进入钢套筒，气体通过渗透钢套筒内的煤柱样品进入到气盖中，并通过出气管进入气体回收瓶内，气体流量计、第一压力计和第二压力计测得的数据实时传送至计算机，将测得的数据代入气相渗透率公式：
式中，K g为测试煤柱的气相渗透率，10-3 μm2；P u为第一压力计测得的进气管中的气体压力，10-1 MPa；q g为气体流量计测得的气体通过煤柱样品的流量，ml/s；μ g为气体粘度，mPa.s； L为煤柱样品的长度，cm；A为煤柱样品的截面积，cm2；P d为第二压力计测得的出气管中的气体压力；如此，计算出钻井液侵入煤柱样品前煤柱样品的渗透率；
步骤（3）具体为：测试完钻井液侵入煤柱样品前煤柱样品的渗透率，关闭第一气阀和第二气阀，控制液压升降台下降，将气盖从液压升降台上取下，并将液盖放置在液压升降台的上表面中心处，使液盖位于钢套筒的正下方，控制液压升降台缓缓向上升起，使液盖上升直至液盖套在钢套筒的底部，钢套筒的下端面与液盖的台阶槽内台阶面紧压接触，打开第一进液阀，启动增压泵，使钻井液容器中的钻井液通过第一进液管进入到液盖内，由于出液管上设置有压力阀，则只有当液盖内钻井液的压力大于压力阀的开启压力时，钻井液才会从液盖中流出，并通过出液管循环回流至钻井液容器中，液盖内的钻井液在压力作用下便会向上侵入钢套筒中，并沿煤柱样品中的裂缝和各根方形裂缝管的中部空间向上侵入，根据实验需求保持钻井液循环一定时间，使钻井液的侵入深度稳定，并通过静压式液位计测得钻井液侵入煤柱样品的深度，从而模拟钻井液对煤层裂缝的污染程度，再通过调节压力阀的开启压力便能够模拟不同压力条件下的钻井液对煤层裂缝的污染程度，完成钻井液侵入后，关闭第一进液阀和增压泵，控制液压升降台下降，将液盖从液压升降台上取下；
步骤（4）与步骤（2）的具体步骤相同，通过气体流量计、第一压力计和第二压力计测得的数据，计算钻井液侵入煤柱样品后煤柱样品的渗透率。
4.根据权利要求2所述的水平井钻进过程煤层污染程度定量测试装置的测试方法，其特征在于：步骤（5）具体为：测试完钻井液侵入煤柱样品后煤柱样品的渗透率，关闭第一气阀和第二气阀，控制液压升降台下降，将气盖从液压升降台上取下，并将超声波清洗机放置在液压升降台的上表面中心处，使超声波清洗机位于钢套筒的正下方，控制液压升降台缓缓向上升起，使超声波清洗机上升直至超声波清洗机套在钢套筒的底部，钢套筒的下端面与超声波清洗机的台阶槽内台阶面紧压接触，打开第二进液阀和水泵，使水箱中的清水通过第二进液管进入超声波清洗机中，清水在超声波清洗机内逐渐向上侵入钢套筒内，并沿煤柱样品中的裂缝和各根方形裂缝管的中部空间向上侵入，通过静压式液位计测得清水侵入煤柱样品的深度，保证清水侵入深度等于步骤（3）中钻井液侵入深度，打开超声波清洗机，对煤柱样品的裂缝进行清洗。
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