CN113310829A - 一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置及实验方法 - Google Patents

一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置及实验方法 Download PDF

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一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置及实验方法，其特征在于：测试装置包括机架、电锤、连杆、微型钎头、扶正器、加压连接装置、岩石加持装置，位移传感器。本发明提供一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置，能够模拟钎头冲击方式破碎岩石过程，为岩石冲击条件下可钻性测试提供装备；实验方法中考虑到岩石在冲击破碎过程中脆性特点，采用固定微型钎头的作用时间，通过微型钎头的位移来区分不同岩样的可钻性级别，同时考虑钎头静态与动态冲击两种模式，测试结果与实际钻井条件更加吻合。

Description

一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置及实验方法
技术领域
本发明涉及石油天然气钻探工程、矿山工程、地质钻探、隧道工程等技术领域，具体而言，涉及一种冲击方式下岩石可钻性测试装置及实验方法。
背景技术
岩石可钻性的概念是在石油钻井实践中逐步形成的，用以说明岩石与破岩工具之间的关系。目前在石油行业中，对于岩石的可钻性有以下三种定义：(1)在一定技术条件下，破岩工具钻进岩石的难易程度；(2)钻井过程中，岩石抵抗破碎的能力，它表征岩石破碎的难易度；(3)岩石的强度在钻孔方面的表现。
上述三种说法都包含了以下几层意思：(1)钻进的对象——岩石；(2)钻进岩石的工具。主要是指旋转(或冲击)钻井的各种类型的钻头，其属于机械法破碎岩石的范围，钻进工具实际上也包括了钻进方法、工具和技术条件等。(3)破碎岩石的难易程度。它是岩石可钻性的核心概念，表明了破岩工具钻进岩石的综合结果，同时也是岩石可钻性概念的定性表示方法(常用易钻、难钻或软、硬表示岩石可钻性，包含的范围较大)。岩石可钻性反映了破岩工具和岩石之间的相互关系，表征了地层岩石抵抗外部破岩工具破碎难易程度。在油气田的开发过程中，岩石可钻性的测定是油气钻井工程中的一项基础性工作，是指导地质分层、确定最优钻井参数、钻头选型及预测钻井效果等的重要依据。同时，可钻性的准确评定对于提高机械钻速，降低钻井成本具有重要的影响。
现有岩石的可钻性包括PDC钻头和牙轮钻头，PDC钻头和牙轮钻头的岩石可钻性级值测定及计算方法相似，采用机械钻速表示岩石可钻性的指标时，测得的钻进速度V、钻进时间t和钻进深度H之间的关系可以表示为：V＝H/t
其中，t/H是钻进单位钻深所用时间(简称钻时或可钻性指标)。
可钻性标准测试岩石可钻性时，钻进深度为定值(牙轮微钻头微2.6mm，PDC微钻头为4mm)，因此可将钻时或可钻性指标用T表示，这样岩石的可钻性就与测量得到的钻进时间t联系在一起，并用钻时T的大小来表示岩石破碎的难易程度。根据统计方法的需要，对钻时做对数变化，即可用定量的方式来表示岩石的可钻性，得到可钻性级值Kd与钻时T之间的关系式：Kd＝log2T。
PDC钻头主要是依靠切削齿在钻压的作用下剪切破碎岩石，克服岩石的剪切强度，牙轮钻头依靠大的钻压挤压压碎岩石，克服岩石的抗压强度，而钎头依靠大的冲击功和一定的冲击频率来破碎岩石，依靠冲击产生的应力波来诱发岩石内部裂纹的扩展、贯通，克服岩石的抗拉强度，这三种钻头的破岩方式和机理显然不同，因此不能用PDC钻头、牙轮钻头对岩石的可钻性来评价冲击破岩的钎头，因此需要建立冲击方式下岩石可钻性的测试方法和装置。
发明内容
现有PDC钻头、牙轮钻头的岩石的可钻性分级标准都不适应冲击方式岩石破碎的可钻性级值，为了定量的区分在冲击方式下，不同岩石的可钻性级值，需要建立一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置，其特征在于：测试装置包括机架、电锤、连杆、微型钎头、扶正器、加压连接装置、岩石加持装置，位移传感器。
上述方案中，一种冲击方式下岩石可钻性测试装置，测试装置包括机架、电锤、连杆、微型钎头、扶正器、加压装置、岩石加持装置，位移传感器。岩石加持装置用来固定岩样，加压连接装置通过万能试验机对微型钎头施加钻压，机架包括底座和支撑杆，固定电锤，扶正器保证微型钎头与电锤之间的连接，位移传感器用来测定微型钎头钻进的距离，连杆用来连接电锤与机架，测试装置模拟钎头冲击破岩过程，对不同岩石在冲击方式的可钻性极值进行定量的测试，为钎头选型与钎头个性化设计提供基础数据。
作为选择，电锤的冲击功和冲击频率可调，冲击功为10J-100J，冲击频率为5HZ-40HZ。
上述方案中，电锤的冲击功和冲击频率可调，其中冲击功的范围为10J-100J，冲击频率为5HZ-40HZ。这样可以模拟不同冲击功、冲击频率条件下岩石的冲击可钻性，为钎头与冲击器的相互匹配提供数据支撑。
作为选择，微型钎头的冠部曲线为平底形，且微型钎头接触岩石端面的直径最大尺寸不超过32mm，即W≤32mm。
上述方案中，微型钎头的冠部曲线为平底形，且微型钎头接触岩石端面的直径最大尺寸不超过32mm，即W≤32mm；平底型冠部曲线有利于提高钎头的破岩效率，限定微型钎头的接触岩石端面的尺寸，这样能将产品钎头等比例缩小，保证微型钎头冲击功与实际钻进相匹配。
一种冲击方式下岩石可钻性测试装置进行实验方法，包括以下步骤：
①将岩石放置在机架上，通过岩石加持装置把岩石夹紧固定，将微型钎头通过连杆与电锤相连接，微型钎头、连杆以及电锤通过扶正器进行扶正；
②将电锤的冲击功设定为30J，冲击频率为10HZ，钻压设定为50N，微型钎头先预钻时间为3秒，启动电锤完成微型钎头的预钻；
③将电锤的冲击功设定为30J，冲击频率为10HZ，钻压设定为50N，位移传感器复位、清零开始记录位移数据，微型钎头钻进时间5秒后记录下微钎头的位移L1；
④将电锤的冲击功设定为30J，冲击频率为10HZ，钻压设定为500N，位移传感器复位、清零开始记录位移数据，微型钎头钻进时间5秒后记录下微钎头的位移L2；
⑤利用两次记录的位移，根据公式Kd＝log5L，计算得出岩石的可钻性Kd1和Kd2，再求平均值得到岩石的可钻性Kd＝(Kd1+Kd2)/2。
上述方案中，钎头通过冲击破碎岩石，依靠拉应力破碎岩石，岩石产生脆性破碎，因此钎头破岩的行程不容易控制，因此冲击方式下岩石可钻性测定控制冲击时间，在相同时间内测定微型钎头的位移，通过位移量的大小来判断岩石可钻性的极值，可钻性极值越大，岩石越难破碎。由于钎头在钻进过程中有钻压压在钎头上，钎头是在动静载荷相互交替中破碎岩石，因此在测试岩石冲击方式下的岩石可钻性将动态冲击和静态冲击两种方式均考虑，这样岩石可钻性极值测试结果更加接近真实情况。
有益效果：
1、提供一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置，能够模拟钎头冲击方式破碎岩石过程，为岩石冲击条件下可钻性测试提供装备；
2、该装置可以模拟动态冲击和静态冲击两种破岩方式，更加接近钎头破岩过程，这样岩石可钻性极值更加准确；
3、岩石可钻性测试实验方法中，考虑到岩石在冲击破碎过程中脆性特点，采用固定微型钎头的作用时间，通过微型钎头的位移来区分不同岩样的可钻性级别；
4、该装置中电锤的冲击功和冲击频率是可调的，模拟不同冲击功、冲击频率条件下岩石的冲击可钻性，为钎头与冲击器的相互匹配提供数据支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为可钻性测试装置。
图2为微型钎头三维图。
图3为微型钎头尺寸示意图。
图4为微型钎头与电锤的连接关系示意图。
图5为岩石可钻性实验方法流程图。
其中1-机架、11-底座、12-支撑杆、2-岩石加持装置、3-岩石、4-微型钎头、5-扶正器、6-位移传感器、7-电锤、8-连杆、9-加压连接装置。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置，其特征在于：测试装置包括机架1、电锤7、连杆8、微型钎头4、扶正器5、加压连接装置9、岩石加持装置2，位移传感器6，如图1、4所示。
作为优选，电锤的冲击功和冲击频率可调，冲击功调整范围为10J-100J，冲击频率为5HZ-40HZ。
作为优选，微型钎头的冠部曲线为平底形，且微型钎头接触岩石端面的直径最大尺寸不超过32mm，即W≤32mm，如图3所示。
作为优选一种冲击方式下岩石可钻性装置进行实验方法，包括以下步骤：
①将岩石放置在机架上，通过岩石加持装置把岩石夹紧固定，将微型钎头通过连杆与电锤相连接，微型钎头、连杆以及电锤通过扶正器进行扶正。
②将电锤的冲击功设定为30J，冲击频率为10HZ，钻压设定为50N，微型钎头先预钻时间为3秒，启动电锤完成微型钎头的预钻。
③将电锤的冲击功设定为30J，冲击频率为10HZ，钻压设定为50N，位移传感器复位、清零开始记录位移数据，微型钎头钻进时间5秒后记录下微钎头的位移L1。
④将电锤的冲击功设定为30J，冲击频率为10HZ，钻压设定为500N，位移传感器复位、清零开始记录位移数据，微型钎头钻进时间5秒后记录下微钎头的位移L2。
⑤利用两次记录的位移，根据公式Kd＝log5L，计算得出岩石的可钻性Kd1和Kd2，再求平均值得到岩石的可钻性Kd＝(Kd1+Kd2)/2，流程图如图5所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置，其特征在于：测试装置包括机架、电锤、连杆、微型钎头、扶正器、加压连接装置、岩石加持装置，位移传感器。
2.如权利要求1所述一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置，其特征在于：电锤的冲击功和冲击频率可调，冲击功调整范围为10J-100J，冲击频率为5HZ-40HZ。
3.如权利要求1所述一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置，其特征在于：微型钎头的冠部曲线为平底形，且微型钎头接触岩石端面的直径最大尺寸不超过32mm，即W≤32mm。
4.采用权利1所述一种冲击方式下岩石可钻性测试装置的实验方法，包括以下步骤：
①将岩石放置在机架上，通过岩石加持装置把岩石夹紧固定，将微型钎头通过连杆与电锤相连接，微型钎头、连杆以及电锤通过扶正器进行扶正；
②将电锤的冲击功设定为30J，冲击频率为10HZ，钻压设定为50N，微型钎头先预钻时间为3秒，启动电锤完成微型钎头的预钻；
③将电锤的冲击功设定为30J，冲击频率为10HZ，钻压设定为50N，位移传感器复位、清零开始记录位移数据，微型钎头钻进时间5秒后记录下微钎头的位移L1；
④将电锤的冲击功设定为30J，冲击频率为10HZ，钻压设定为500N，位移传感器复位、清零开始记录位移数据，微型钎头钻进时间5秒后记录下微钎头的位移L2；
⑤利用两次记录的位移，根据公式Kd＝log5L，计算得出岩石的可钻性Kd1和Kd2，再求平均值得到岩石的可钻性Kd＝(Kd1+Kd2)/2。
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