CN113216927A - 一种模拟深部高地应力地层钻进试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种模拟深部高地应力地层钻进试验装置，属于深部钻探工程技术领域。本发明的试验系统可实现不同高应力状态下的深部地层钻进试验模拟，可模拟在深部高应力地层的取芯钻进和破碎钻进，可实现对钻进过程钻压、钻头转速的实时控制，实现对钻速、进尺的实时监控，实现对井壁围岩裂纹发育的实时监控，是对深部高地应力地层钻进过程试验模拟。本发明所述装置试验方法简单，上手难度低。适用于各类高地应力岩层动态钻进过程研究。
Description
技术领域
本发明属于深部钻探工程技术领域,是一种模拟深部地层钻进过程试验系统，具体涉 及一种可实现不同高应力状态下的深部地层钻进试验模拟设备。
背景技术
干热岩等深部地热资源的开采与开发离不开钻井工程，高温高压是深部地层显著的 环境特征。具有开发价值的干热岩温度不低于200℃，但该温度下的干热岩地层深度往往超 过3000m，地层的地应力和竖向自重应力一般超过50MPa，硬脆性的花岗岩是典型的干热岩 储能岩种，大量花岗岩高温与应力-应变试验证明，花岗岩在200℃以上的高温下其力学强度、 物理力学参数往着不利于井壁稳定方向有不同程度的变化。此外，温度对花岗岩结构也会产 生显著影响，花岗岩在高温作用下其内部的微裂隙得到充分发育，岩石结构劣化，不利于深 部井壁稳定。
现阶段深部岩土试验研究重点以矿井、巷道、隧洞为主，服务于采矿行业，其研究的深度比干热岩等深井深度低，且采矿行业的岩土环境温度相对不高，岩土条件也以沉积岩 为主。目前对深部干热岩等硬脆性花岗岩的研究停留在室内的高温高压试验为主，缺乏对高 温后高压条件下花岗岩地层钻进的试验研究。深部干热岩的钻进是一个动态的过程，钻进过 程破碎岩石，形成井壁，在钻井液液柱压力协调下井壁存在应力平衡问题，井壁裂纹的发育 对井壁稳定有重要影响。钻进过程是井壁围岩应力状态是一个突然变化的过程，目前针对真 实的深地钻探动态过程研究较少，研究深部高压环境下的结晶岩等硬脆性岩石破碎试验与井 壁围岩裂纹变化在钻头破碎切削的发育特征不多，更是缺乏相对应的模拟钻井工程室内试验 设备。借助于钻探手段获取深部高温高压硬脆性地层情况与地热资源是研究的重要目标，因 此，需要一种能够真实反映深部高应力条件下地层钻进过程动态化研究的试验设备。
因此，研究出一种用于模拟深部高地应力地层钻掘过程试验装置尤为重要，通过该 装置来研究不同应力条件下、不同高温热处理后硬脆性岩层在钻掘过程中的井壁裂纹发育、 钻进进尺速率、井壁围岩的破裂响应规律，为干热岩等深部地热资源的开采与开发提供实质 性的工程指导建议。
发明内容
针对上述存在的问题和需求，本发明旨在研究深部岩层在钻掘开挖过程中的钻进效 率、井壁围岩应力变形和失稳规律、井壁裂纹发育特征，为模拟实际深井钻进提供一种试验 研究可能。试验过程中可实现高应力作用下硬脆性岩石钻进效率、井壁围岩在卸荷应力场下 的裂纹发育、井壁稳定、井壁围岩应力变形、声发射信息特征的实时监控。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于模拟深部高应力地层钻进过程试验装置，包括钻压控制端1、液压机2、橡胶垫 3、滑块4、钻机控制端5、钻井液钢圈套管6、电动钻机7、钻头与钻杆8(钻头15、钻杆16)、滑轨9、反力框架10、高清摄像头11、声发射监测系统12、钻井液钢圈套管6上的注 水口13、钻井液钢圈套管6上的固定端14、钻杆16上的凹槽17、钻杆16上的空心孔18； 所述钻压控制端1固定在液压机2上、液压机2固定在反力框架10顶部位置上、橡胶垫3固 定在电动钻机7顶部位置、电动钻机7通过螺纹连接和滑块4固定为一体，滑块4安装在滑 轨9上、钻机控制端5固定在电动钻机7上、钻头与钻杆8通过螺纹和电动钻机7相连、滑 轨9固定安装在反力框架10上、反力框架10和应力加载设备的固定在一起、钻井液钢圈套 管6安装在钻杆16的顶部位置，并包裹着凹槽17、高清摄像头11固定在反力框架10或应 力加载系统某一便于观测孔眼的位置、声发射监测系统12监测点位布置在岩石自由面。
本发明所述钻压控制端1控制液压机2的液压大小，液压机2通过压头将压力传递给橡胶垫3，再由橡胶垫3将压力传递给电动钻机7顶部，形成钻头与钻杆8在钻进岩石过 程中的钻压配备。
本发明所述钻机控制端5控制电动钻机7转速与旋转方向，进而控制钻头与钻杆8钻进切削岩体的转速和旋转方向。
本发明所述钻井液钢圈套管6包含注水口13与固定端14,注水口13为空心管道并和钻井液钢圈套管6焊接在一起，注水口13和钻井液钢圈套管6为贯通状态，钻井液通过注水口13进入钻井液钢圈套管6内壁，再进入钻头与钻杆8，发挥冷却钻头与钻杆8的与运输岩粉的作用。
本发明所述的钻井液钢圈套管6的固定端14，由于摩擦力的存在，钻井液钢圈套管6在缺乏固定的情况下会随着钻杆16转动发生一定的位移，这不利于钻井液正常灌入，故设计与钻井液钢圈套管6焊接在一起的固定端14，固定端14为空心设计，可用钢丝或者钢条与电动钻机7固定在一起，确保钻井液钢圈套管6不会发生转动。
本发明设计的钻进方式包括牙轮钻头钻头钻进和金刚石取芯钻进两种方法，其中牙 轮钻头钻进实现对所钻区域岩石的全面破碎钻进，金刚石取芯钻头可实现切削岩石，形成岩 芯，钻头15与钻杆16通过螺纹连接，可实现钻头15的更换。
本发明所述的高清摄像头11固定在反力框架10或应力加载系统某一位置，通过调节镜头方向和位置，可对实时钻进过程进行视频监测，避免了高应力下岩爆等产生的岩石碎 片对人的危害，并可对钻进过程进行录像拍摄，对钻进过程进行动态化记录。
本发明所述声发射监测系统12监测点位布置在岩石自由面，声发射系统12通过信号采集端头将声发射信息传输给信号放大器，再由信号放大器传递给电脑记录端，实现钻进 过程中井壁围岩裂纹发育声发射信息采集，实现对裂纹发育活动的实时监控。
与现有的技术相比，本发明的有益效果：
能够很好的模拟在深部高地应力地层钻进过程。
能够结合应力加载系统，对围压进行精确控制和设计，对不同围压条件下的钻进过 程进行研究。
能够精确控制钻头转速和转向，模拟不同钻速与转向的钻进过程。
能够精确控制钻头钻压，模拟不同钻压下的钻进过程
能够依靠声发射系统对钻进过程中的岩石裂纹发育进行记录，并可通过分析声发射 信息特征，获取裂纹种类与发育与应力种类(围压在岩石内形成的重分布应力)相关关系。
能够很好的研究钻进成孔过程对井壁稳定的影响。
附图说明
图1为本发明装置主结构图；
图2为本发明钻杆和钻井液钢圈套管结构示意图；
图3为本发明所依靠的应力加载模块示意图。
图中：1-钻压控制端、2-液压机、3-橡胶垫、4-滑块、5-钻机控制端、6-钻井液钢圈套管、7-电动钻机、8-钻头与钻杆(15-钻头、16-钻杆)、9-滑轨、10-反力框架、11-高清摄像头、12-声发射监测系统、13-注水口、14-固定端、17-凹槽、18-空心孔。
具体实施方案
为使本发明的目的、技术方案和优点阐明的更加清楚，下面结合附图和实施实例对 本发明做进一步详细的描述。应当理解，此处所描述的具体实施方案仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
本发明提出了一种模拟深部地层钻进过程试验系统，所需装置和具体结构如图1与 图2所示，包括包括钻压控制端1、液压机2、橡胶垫3、滑块4、钻机控制端5、钻井液钢 圈套管6、电动钻机7、钻头与钻杆8(钻头15、钻杆16)、滑轨9、反力框架10、高清摄像 头11、声发射监测系统12、钻井液钢圈套管6上的注水口13、钻井液钢圈套管6上的固定 端14、钻杆16上的凹槽17、钻杆16上的空心孔18所述钻压控制端1固定在液压机2上、 液压机2固定在反力框架10顶部位置上、橡胶垫3固定在电动钻机7顶部位置、电动钻机7 通过螺纹连接和滑块4固定为一体，滑块4安装在滑轨9上、钻机控制端5固定在电动钻机 7上、钻头与钻杆8通过螺纹和电动钻机7相连、滑轨9固定安装在反力框架10上、反力框 架10和应力加载设备的固定在一起、钻井液钢圈套管6安装在钻杆16的顶部位置，并包裹 着凹槽17、高清摄像头11固定在反力框架10或应力加载系统某一便于观测孔眼的位置、声 发射监测系统12监测点位布置在岩石自由面。
本发明所述钻压控制端1控制液压机2的液压大小，液压机2通过压头将压力传递给橡胶垫3，再由橡胶垫3将压力传递给电动钻机7顶部，形成钻头与钻杆8在钻进岩石过 程中的钻压配备。
本发明所述钻机控制端5控制电动钻机7转速与旋转方向，进而控制钻头与钻杆8钻进切削岩体的转速和旋转方向。
本发明所述钻井液钢圈套管6包含注水口13与固定端14,注水口13为空心管道并和钻井液钢圈套管6焊接在一起，注水口13和钻井液钢圈套管6为贯通状态，钻井液通过注水口13进入钻井液钢圈套管6内壁，再进入钻头与钻杆8，发挥冷却钻头与钻杆8的与运输岩粉的作用。
本发明所述的钻井液钢圈套管6的固定端14，由于摩擦力的存在，钻井液钢圈套管6在缺乏固定的情况下会随着钻杆16转动发生一定的位移，这不利于钻井液正常灌入，故设计与钻井液钢圈套管6焊接在一起的固定端14，固定端14为空心设计，可用钢丝或者钢条与电动钻机7固定在一起，确保钻井液钢圈套管6不会发生转动。
本发明设计的钻进方式包括牙轮钻头钻头钻进和金刚石取芯钻进两种方法，其中牙 轮钻头钻进实现对所钻区域岩石的全面破碎钻进，金刚石取芯钻头可实现切削岩石，形成岩 芯，钻头15与钻杆16通过螺纹连接，可实现钻头15的更换。
本发明所述的高清摄像头11固定在反力框架10或应力加载系统某一位置，通过调节镜头方向和位置，可对实时钻进过程进行视频监测，避免了高应力下岩爆等产生的岩石碎 片对人的危害，并可对钻进过程进行录像拍摄，对钻进过程进行动态化记录。
本发明所述滑块4与滑轨9用于约束电动钻机7水平方向位移，确保钻头15在钻 压作用下始终朝向钻进路径前进，不发生偏移。
本发明所述声发射监测系统12监测点位布置在岩石自由面，声发射系统12通过信号采集端头将声发射信息传输给信号放大器，再由信号放大器传递给电脑记录端，实现钻进 过程中井壁围岩裂纹发育声发射信息采集，实现对裂纹发育活动的实时监控。
本发明在模拟深部高地应力地层钻进的具体试验步骤如下：
(1)根据设定的地应力条件，使用图3的应力加载系统将岩石围压加载至需要的应力条件；
(2)将模拟设备固定在应力加载系统设备上，将选择需要的钻头15通过螺纹和钻杆16连接后，将钻头15对准钻孔。
(3)将高清摄像头11固定好位置后，调节视角使其对准钻孔区域，以便展开观测记录。
(4)调节钻压控制端1控制液压机2给出目标钻压。
(5)选择电机7的转速和转向，通过钻机控制端5控制电动钻机7转速与旋转方 向。
(6)开钻前通过水泵将钻井液通过钻井液钢圈套管6上的注水口13进入钻杆16。
(7)每钻进设定的深度后，停止电动钻机7作业，待钻头15静止后，开展声发射 监测，监测应力状态下的岩石声发射活动。
试验结束后，先进行卸压，然后依次拆卸装置，清理和打扫试验设备，做好试验 数据记录和保存。
Claims (9)
1.一种模拟深部高地应力地层钻进试验装置其特征在于：包括钻压控制端1、液压机2、橡胶垫3、滑块4、钻机控制端5、钻井液钢圈套管6、电动钻机7、钻头与钻杆8、滑轨9、反力框架10、高清摄像头11、声发射监测系统12等；所述钻压控制端1固定在液压机2上，液压机2固定在反力框架10顶部位置上，橡胶垫3固定在电动钻机7顶部位置，电动钻机7通过螺母和滑块4固定为一体，滑块4安装在滑轨9上，钻机控制端5固定在电动钻机7上，钻井液钢圈套管6安装在钻杆8的顶部位置，钻头与钻杆8通过螺纹和电动钻机7相连，滑轨9固定安装在反力框架10上，反力框架10和应力加载设备的固定在一起。
2.根据权利要求1所述的一种模拟深部高地应力地层钻进试验装置，其特征在于：所述钻压控制端1控制液压机2的液压大小，液压机2通过压头将压力传递给橡胶垫3，再由橡胶垫3将压力传递给电动钻机7顶部，形成钻头与钻杆8钻进岩石过程中的钻压配备。
3.根据权利要求1所述的一种模拟深部高地应力地层钻进试验装置，其特征在于：所述钻机控制端5控制电动钻机7转速和转向，进而控制钻头与钻杆8钻进切削岩体的转速和转向。
4.根据权利要求1所述的一种模拟深部高地应力地层钻进试验装置，其特征在于：所述钻井液钢圈套管6包含注水口13与固定端14,注水口13为空心管道并和钻井液钢圈套管6焊接在一起，注水口13和钻井液钢圈套管6为贯通状态，钻井液通过注水口13进入钻井液钢圈套管6内壁，再进入钻头与钻杆8，发挥冷却钻头与钻杆8与运输岩粉的作用。
5.根据权利要求4所述的钻井液钢圈套管6的固定端14，其特征在于：可用固定端14与电动钻机7锁定转动，避免钻井液钢圈套管6和钻头与钻杆8一起转动。
6.根据权利要求1所述的一种模拟深部高地应力地层钻进试验装置，其特征在于：所述钻头与钻杆8包括钻杆16与钻头15，两者通过螺纹进行连接，钻杆上部设置凹槽17、空心孔18，钻杆为空心钻杆。
7.根据权利要求6所述的钻杆16，其凹槽17外壁直径比钻井液钢圈套管6内壁直径小，钻井液钢圈套管6中的钻井液通过钻杆16上的空心孔18进入钻头与钻杆8。
8.根据权利要求6所述的钻头15，其特征在于包括牙轮钻头和金刚石取芯钻头，这两种钻头可实现岩层钻进破碎，其中金刚石取芯钻头可实现钻进取芯。
9.根据权利要求1所述的一种模拟深部高地应力地层钻进试验装置，其特征在于：所述高清摄像头11固定在反力框架10或应力加载系统某一位置，用于实时安全观测钻进作业；所述声发射监测系统12监测点位布置在岩石自由面，用于监测岩石裂纹活动的声发射信息。
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