CN114624175B - 水平井、大位移井钻井液润滑性能测试装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了水平井、大位移井钻井液润滑性能测试装置及实验方法，所述测试装置包括测试系统、泥浆注入系统、回压系统和参数控制与采集系统。其中，测试系统包括测试釜、X轴向拖拽蜗杆箱、旋转驱动部件、扭矩仪、拉压力传感器和Z轴向拉压气缸；泥浆注入系统，泥浆注入系统分别与泥浆进口和泥浆出口相连以向测试釜注入泥浆并进行泥浆循环；回压系统与滤失泄露口相连以对测试釜施加回压；参数控制与采集系统进行控制。测试实验方法通过水平井、大位移井钻井液润滑性能测试实验方法来实现。本发明通过测试系统、泥浆注入系统、回压系统和参数控制与采集系统，既可测试钻井液润滑性能，又可以进行压差卡钻测试。

Description

水平井、大位移井钻井液润滑性能测试装置及实验方法

技术领域

本发明属于钻井液润滑性能的实验系统，具体来讲，涉及一种水平井、大位移井钻井液润滑性能测试装置及实验方法。

背景技术

随着社会经济的迅速发展，世界各国对石油与天然气的需求不断增长，整装油气资源逐渐枯竭，使得对散装油气资源的开发受到更多的重视。水平井和大位移井钻井技术是开发散装油气资源最为经济和有效的开发方法。目前，水平井和大位移井的钻井施工普遍采用滑动钻进的钻井方式。在水平井和大位移井的造斜段和水平段，钻具与井壁的接触面积大，客观上造成了摩擦阻力，给快速钻井造成困难。

改善钻井液的润滑性能是克服摩擦、避免井下事故的重要手段。尤其是在水平井和大位移井的滑动钻进过程中，高密度钻井液中的加重材料则会进一步增加钻具与井壁之间的摩擦阻力，导致钻速降得更低，从而会进一步增大引发粘卡、泥包等井下事故发生的可能性。因此，在对水平井和大位移井的钻井液体系进行设计时，需要特别关注钻井液的润滑性能。

目前国内外常用的测量钻井液润滑性能和钻井液泥饼降摩阻性能的仪器主要是EP极压润滑仪、泥饼粘滞系数仪和泥饼黏附系数仪。其中极压润滑仪主要模拟钻杆在加压状态下与套管在钻井液浸泡下的摩阻改善情况，但无法反映钻杆与井壁泥饼之间的摩阻情况；泥饼粘滞系数仪主要模拟在起下钻过程中钻杆与井壁泥饼之间的粘滞和摩阻情况，但无法反映钻进过程中旋转的钻杆与井壁泥饼之间的摩阻情况；泥饼粘附系数仪主要测试钻井液浸泡下粘附盘加压后与泥饼之间形成的粘附系数，主要模拟钻井液防粘附卡钻性能，但采用的是粘附圆盘与泥饼接触，与实际情况不符。

对于水平井和大位移井而言，钻具与井壁之间的动摩擦系数是评价钻井液的润滑性能的最重要的参考指标。然而，目前还未有专门针对水平井或大位移井的钻井液润滑性能评价的专用设备，常是利用极压润滑仪测定的极压润滑系数来近似表征应用于水平井或大位移井的钻井液的润滑性能。从仪器测定的机理来看，极压润滑仪是通过模拟直井施工中钻具的旋转运动过程获取钻具与井壁接触时产生的扭矩，继而换算成钻井液的润滑系数并用于表征钻井液润滑性能。但是，该润滑系数的大小用于表征直井施工中钻井液润滑性能是有效的，并不适用于评价应用于水平井和大位移井的钻井液的润滑性能。

专利号为“CN213779849U”、名称为“一种测试钻井液润滑性能极压润滑仪”公开了了一种测试钻井液润滑性能极压润滑仪，涉及测试钻井液润滑性能极压润滑仪，包括润滑仪主体，润滑仪主体上表面靠近后端处设有旋转杆，旋转杆顶部设有驱动臂，驱动臂上表面设有电动伸缩杆，且伸缩臂的末端设有托盘，托盘下方设有圆筒，圆筒内部安装有马达，且输出轴同轴连接有旋转盘，润滑仪主体上表面中间安装有显示台；该测试钻井液润滑性能极压润滑仪，润滑仪主体上配合驱动臂与旋转杆，便于整个旋转盘的灵活移动，进行对应的钻井液润滑性能测试，电动伸缩杆的配合使用，便于测试到不同深浅中的钻井液润滑性能。但该极压润滑仪难以模拟钻井的过程，同时难以实现不同井斜角泥浆润滑性能测试。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明目的之一在于提供一种水平井、大位移井钻井液润滑性能测试装置。又如，本发明的另一目的在于提供一种水平井、大位移井钻井液润滑性能测试实验方法。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种水平井、大位移井钻井液润滑性能装置，所述测试装置可包括测试系统、泥浆注入系统、回压系统和参数控制与采集系统，其中，

所述的测试系统包括测试釜、X轴向拖拽蜗杆箱、旋转驱动部件、扭矩仪、拉压力传感器和Z轴向拉压气缸，其中，

所述测试釜包括釜体、岩心板和测锤，其中，所述釜体为沿X轴方向设置且两端封闭的筒体状结构，在筒体的两侧分别设置有泥浆进口和泥浆出口，筒体底部外壁上还设置有滤失测试口；

所述岩心板和测锤均设置在釜体内部，其中，所述测锤平行于X轴线设置，所述岩心板与测锤外壁接触；

所述旋转驱动部件与测锤连接以驱动测锤在釜体中沿测锤的轴向旋转；

所述扭矩仪设置在旋转驱动部件上并能够实时监控测锤与岩心板之间的扭矩；

所述X轴向拖拽蜗杆箱沿X轴方向设置与釜体或测锤相连以使测锤在釜体中沿测锤轴向移动；

所述Z轴向拉压气缸沿Z轴方向固定设置在釜体上并能够调节岩心板与测锤之间的压力；

所述拉压力传感器能够测量Z轴向拉压气缸的拉压力；

所述泥浆注入系统，所述泥浆注入系统分别与所述泥浆进口和泥浆出口相连以向测试釜注入泥浆并进行泥浆循环；

所述回压系统与所述滤失泄露口相连以对测试釜施加回压；

所述的参数控制与采集系统分别与所述泥浆注入系统、回压系统、测试釜、X轴向拖拽蜗杆箱、旋转驱动部件、扭矩仪、拉压力传感器和Z轴向拉压气缸连接以对泥浆注入系统、回压系统、测试釜、X轴向拖拽蜗杆箱、旋转驱动部件、扭矩仪、拉压力传感器和Z轴向拉压气缸进行控制。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述测试系统还可包括固定框架，所述X轴向拖拽蜗杆箱、旋转驱动部件、测试釜、和Z轴向拉压气缸均设置在所述固定框架内部，其中，

所述X轴向拖拽蜗杆箱左端与固定框架左侧固定设置，右端与旋转驱动部件不转动部分固定；

所述旋转驱动部件旋转输出部分与测锤左端固定连接；

所述釜体右端与固定框架右侧固定设置。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述测试系统还可包括滑动轴和滑套，其中，

所述滑动轴沿X轴方向与所述固定框架固定设置，所述滑套套设在所述滑动轴上，所述X轴向拖拽蜗杆箱右端通过所述滑套与所述旋转驱动部件的不转动部分固定。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述测试系统还可包括旋转支架，所述旋转支架包括支架本体和旋转轴，所述旋转轴将所述固定框架和支架本体转轴连接以使箱体能够相对支架本体在竖直平面内360°旋转。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述测试釜还可包括夹持器和挂篮，所述夹持器将所述岩心板固定，所述夹持器上设置有供流体通过的开孔，所述挂篮将夹持器与所述釜体固定，所述挂篮与夹持器之间形成有滤失通道，所述开孔与滤失通道连通，所述滤失通道与所述滤失测试口连通。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述测试系统还可包括加热套、温度传感器和压力传感器，所述加热套能够对测试釜进行加热，所述温度传感器和压力传感器能够测试测试釜内的温度和压力。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述测锤可为圆柱形，所述岩心板可为空心圆柱体，岩所述心板环绕测锤设置。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述岩心板可为钢质岩心、天然岩心、人造岩心和石英岩心的一种。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述泥浆注入系统包括泥浆罐、泥浆循环泵、和泥浆注入压力控制单元，其中，

所述泥浆罐的出口通过管路与所述泥浆进口连接，所述泥浆罐的进口通过管路与泥浆循环泵出口连接，泥浆循环泵的出口通过管路与所述泥浆出口连接；

所述泥浆注入压力控制单元与所述泥浆罐连接以控制泥浆的注入压力；

所述泥浆注入系统还包括泥浆存储罐和泥浆预加泵，所述泥浆存储罐中的泥浆通过泥浆预加泵注入到连接泥浆罐和泥浆进口的管路上或连接泥浆罐。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述回压系统可包括回压泵、回压容器和回压阀，其中，

所述回压阀的一端通过管路与所述滤失测试口连接，回压阀的另一端通过管路与所述回压容器连接，回压容器通过管路与回压泵连接；

所述回压系统还包括滤失量测试单元，所述滤失测试单元通过管路与所述回压阀连接以测量泥浆的滤失量。

本发明的另一方面提供了一种水平井、大位移井钻井液润滑性能测试实验方法，所述方法可通过如上任意一项中所述的水平井、大位移井钻井液润滑性能测试装置来实现，且所述方法包括步骤：

按照实验方案设置好岩心板与测锤的位置以及岩心板与测锤之间的压力，打开加热套设置测试釜的温度；

设置好测试釜的回压大小，X轴向拖拽蜗杆箱的拖拽力、拖拽速度及最大拖拽距离，旋转驱动部件的转速；

按照设定压力及流量向测试釜中注入泥浆，同时打开旋转驱动部件驱动测锤转动，打开扭矩仪测试扭矩，记录泥浆的滤失量；

开启X轴向拖拽蜗杆箱，调节测锤与岩心板之间的相对位置，模拟钻进，通过扭矩仪实时监控测锤与岩心板之间的扭矩来测试钻井液润滑性能。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述测试釜的温度可为25～150℃、压力可为10～15MPa；

所述泥浆的注入压力可为7～10MPa，流量可为10～15L/min，所述回压的压力可为7～10MPa。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述X轴向拖拽蜗杆箱的拖拽力可为0～1000N，拖拽速度可为0～2cm/s；

所述旋转驱动部件的转速可为0～400r/min，所述Z轴向拉压气缸的拉压力可为0～1000N。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述实验方法还可包括进行压差卡钻测试的步骤：

在钻进过程中，调节岩心板与测锤之间的压力或者使用高密度钻井液，使得在钻进过程中形成压差卡钻；

等待预定时间后，加大测锤的扭矩，记录测锤重新开始钻进时的扭矩，评价不同条件下导致压差卡钻后启动钻头的难度。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括以下中的至少一项：

1)本发明提供了一种水平井、大位移井钻井液润滑性能测试装置及测试实验方法，通过岩心板与测锤，模拟钻井的过程，通过Z轴向拉压气缸调节岩心板与测锤之间的压力，测锤与设置在测试釜外的旋转驱动部件相连，利用旋转驱动部件控制转动速度，X轴向拖拽蜗杆箱与测试釜或者测锤相连，利用X轴向拖拽蜗杆箱调节测锤或者测试釜的水平位移，以便调节测锤与岩心板直接的相对位置，设置在旋转驱动部件上的扭矩仪实时监控测锤与岩心板之间的扭矩，通过扭矩大小测试钻井液润滑性能；本发明的装置和方法能够测量在一定的接触力和转速下，钢质、岩石和石英样品等与旋转测锤接触转动时所需要的扭矩；

2)本发明的测试装置可以通过计算机远程控制温度，接触力，测锤转速和循环泵速率，以及记录数据，操作简单方便；

3)本发明的水平井、大位移井钻井液润滑性能装置及实验方法，既可测试钻井液润滑性能，又可以进行压差卡钻测试，并通过旋转支架进行不同井斜角泥浆润滑性能测试；适用于评价水平井和大位移井的钻井液的润滑性能，与现有同类装置相比，性能优异，具有较好的推广应用前景。

附图说明

图1示出了本发明的一个示例性实施例的水平井、大位移井钻井液润滑性能测试装置的结构示意图；

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的测试系统的结构示意图；

图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的测试系统与旋转支架配合的结构示意图；

图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的测试系统、旋转支架、数据采集控制系统配合的结构示意图；

图5示出了图1中测试釜的结构示意图。

附图标记说明如下：

1-测试釜、101-釜体、102-岩心板、103-测锤、104-夹持器、105-吊篮、106-滤失通道、107-滤失测试口、3-温度传感器、4-压力传感器、5-X轴向拖拽蜗杆箱、6-旋转驱动部件、7-扭矩仪、8-拉压力传感器、9-Z轴向拉压气缸、10-固定框架、1001-滑动轴、1002-滑套、1003-固定螺栓、11-旋转支架、1101-本体、1102-旋转轴、12-泥浆注入系统、1201-泥浆进口、1202-泥浆出口、1203-泥浆罐、1204-泥浆循环泵、1205-泥浆储存罐、1206-泥浆预加泵、1207-气瓶、1208-搅拌电机、1209-减压阀、13-回压系统、1301-回压阀、1302-回压容器、1303-回压泵、1304-天平、14-参数控制与采集系统。

具体实施方案

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的水平井、大位移井钻井液润滑性能测试系统及测试实验方法。需要说明的是，“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“上”、“下”、“内”、“外”仅仅为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。

总体来讲，由于润滑系数的大小用于表征直井施工中钻井液润滑性能是有效的，并不适用于评价应用于水平井和大位移井的钻井液的润滑性能。发明人提出水平井、大位移井钻井液润滑性能测试系统及测试实验方法，用于评价适用于水平井和大位移井钻井液润滑性能的实验系统，以便用于评价应用于水平井和大位移井钻井液的润滑性能。通过Z轴向拉压气缸调节岩心板与测锤之间的压力，测锤与设置在测试釜外的旋转驱动部件相连，利用旋转驱动部件控制转动速度，X轴向拖拽蜗杆箱与测试釜或者测锤相连，利用X轴向拖拽蜗杆箱调节测锤或者测试釜的水平位移，以便调节测锤与岩心板直接的相对位置，设置在旋转驱动部件上的扭矩仪实时监控测锤与岩心板之间的扭矩，通过扭矩大小测试钻井液润滑性能，既可测试钻井液润滑性能，又可以进行压差卡钻测试，并通过旋转支架进行不同井斜角泥浆润滑性能测试。

在本发明的第一个示例性实施例中，所述测试装置包括测试系统、泥浆注入系统、回压系统和参数控制与采集系统，其中，

所述的测试系统包括测试釜、X轴向拖拽蜗杆箱、旋转驱动部件、扭矩仪、拉压力传感器和Z轴向拉压气缸，其中，

测试釜包括釜体、岩心板和测锤，其中，釜体为沿X轴方向设置且两端封闭的筒体状结构，在筒体的两侧分别设置有泥浆进口和泥浆出口，筒体底部外壁上还设置有滤失测试口；

岩心板和测锤均设置在釜体内部，其中，测锤平行于X轴线设置，岩心板与测锤外壁接触；

旋转驱动部件与测锤连接以驱动测锤在釜体中沿测锤的轴向旋转；

扭矩仪设置在旋转驱动部件上并能够实时监控测锤与岩心板之间的扭矩；

X轴向拖拽蜗杆箱沿X轴方向设置与釜体或测锤相连以使测锤在釜体中沿测锤轴向移动；

Z轴向拉压气缸沿Z轴方向固定设置在釜体上并能够调节岩心板与测锤之间的压力；

拉压力传感器能够测量Z轴向拉压气缸的拉压力；

泥浆注入系统分别与所述泥浆进口和泥浆出口相连以向测试釜注入泥浆并进行泥浆循环；

回压系统与滤失泄露口相连以对测试釜施加回压；

参数控制与采集系统分别与泥浆注入系统、回压系统、测试釜、X轴向拖拽蜗杆箱、旋转驱动部件、扭矩仪、拉压力传感器和Z轴向拉压气缸连接以对泥浆注入系统、回压系统、测试釜、X轴向拖拽蜗杆箱、旋转驱动部件、扭矩仪、拉压力传感器和Z轴向拉压气缸进行控制。

在本示例性实施例中，所述测试系统还包括固定框架，所述X轴向拖拽蜗杆箱、旋转驱动部件、测试釜、和Z轴向拉压气缸均设置在所述固定框架内部，其中，

X轴向拖拽蜗杆箱左端与固定框架左侧固定设置，右端与旋转驱动部件不转动部分固定；

旋转驱动部件旋转输出部分与测锤左端固定连接；

釜体右端与固定框架右侧固定设置。

在本示例性实施例中，所述测试系统还包括滑动轴和滑套，其中，

滑动轴沿X轴方向与所述固定框架固定设置，所述滑套套设在所述滑动轴上，所述X轴向拖拽蜗杆箱右端通过所述滑套与所述旋转驱动部件的不转动部分固定。

在本示例性实施例中，所述测试系统还包括旋转支架，所述旋转支架包括支架本体和旋转轴，旋转轴将所述固定框架和支架本体转轴连接以使箱体能够相对支架本体在竖直平面内360°旋转。

在本示例性实施例中，所述测试釜还包括夹持器和挂篮，夹持器将所述岩心板固定，夹持器上设置有供流体通过的开孔，挂篮将夹持器与所述釜体固定，挂篮与夹持器之间形成有滤失通道，开孔与滤失通道连通，滤失通道与所述滤失测试口连通。

在本示例性实施例中，所述测试系统还包括加热套、温度传感器和压力传感器，加热套能够对测试釜进行加热，温度传感器和压力传感器能够测试测试釜内的温度和压力。

在本示例性实施例中，测锤为圆柱形，岩心板为空心圆柱体，岩心板环绕测锤设置。

在本示例性实施例中，岩心板为钢质岩心、天然岩心、人造岩心和石英岩心的一种。

在本示例性实施例中，泥浆注入系统包括泥浆罐、泥浆循环泵、和泥浆注入压力控制单元。

其中，泥浆罐的出口通过管路与泥浆进口连接，泥浆罐的进口通过管路与泥浆循环泵出口连接，泥浆循环泵的出口通过管路与泥浆出口连接。

泥浆注入压力控制单元与泥浆罐连接以控制泥浆的注入压力。

泥浆注入系统还包括泥浆存储罐和泥浆预加泵，泥浆存储罐中的泥浆通过泥浆预加泵注入到连接泥浆罐和泥浆进口的管路上或连接泥浆罐。

在本示例性实施例中，所述回压系统包括回压泵、回压容器和回压阀。

其中，回压阀的一端通过管路与所述滤失测试口连接，回压阀的另一端通过管路与回压容器连接，回压容器通过管路与回压泵连接。

回压系统还包括滤失量测试单元，滤失测试单元通过管路与所述回压阀连接以测量泥浆的滤失量。

图1示出了本发明的一个示例性实施例的水平井、大位移井钻井液润滑性能测试装置的结构示意图；图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的测试系统的结构示意图；图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的测试系统与旋转支架配合的结构示意图；图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的测试系统、旋转支架、数据采集控制系统配合的结构示意图；图5示出了图1中测试釜的结构示意图。

在本发明的第二个示例性实施例中，如图1～5中所示，水平井、大位移井钻井液润滑性能装置测试装置包括测试系统、泥浆注入系统、回压系统和参数控制与采集系统，其中，

测试系统包括测试釜1、X轴向拖拽蜗杆箱5、旋转驱动部件6、扭矩仪7、拉压力传感器8、Z轴向拉压气缸9、泥浆注入系统12和回压系统13。

其中，如图1中所示，测试釜主要包括釜体101、岩心板102和测锤103。其中，釜体101为沿X轴方向设置且两端封闭的中空筒体状结构，在釜体101筒体的两侧分别设置有与釜体101筒体内部空间连通泥浆进口1201和泥浆出口1202。在釜体101筒体的底部外壁上还设置有滤失测试口107，滤失测试口107和釜体101筒体内部连通。例如，测试釜压力：10～15MPa、温度：25～180℃。

在本示例性实施例中，如图5中所示，所述测试釜1除了包括釜体101、岩心板102、测锤103、滤失通道106和滤失测试口107外还可包括夹持器104和吊篮105。岩心板102和测锤103均设置在釜体101内部。其中，测锤平行于X轴线设置且能够相对釜体沿测锤的轴向旋转，岩心板102与测锤103外壁接触。例如，岩心板可为圆形钢筒或圆形岩心、长度可为150～250mm；测锤可为直径60～67mm、长145～155mm的不锈钢。所述测试釜1还可包括夹持器104和吊篮105，夹持器104将岩心板102固定，夹持器104上设置有供流体通过的开孔。吊篮105将夹持器104与釜体101固定，吊篮105与夹持器104之间形成有滤失通道106，开孔与滤失通道106连通，滤失通道106与所述滤失测试口107连通。这里岩心板102与夹持器104之间可设置密封件，夹持器104与吊篮105之间可设置有密封件，以使岩心板102滤失的流体全部通过滤失通道进入滤失测试口107。例如，夹持器可为岩心外径85～95mm、内径70～80mm、长度195～205mm的双层结构，岩心可滤失，最高压差4.5MPa。

旋转驱动部件6(例如，旋转电机)与测锤103连接以驱动测锤103在釜体101中沿测锤103的轴向旋转，模拟钻井过程。这里，旋转电机的速度可为50～466r/min。

扭矩仪7设置在旋转驱动部件上并能够实时监控测锤103与岩心板102之间的扭矩。这里，扭矩可为0～27Nm。

X轴向拖拽蜗杆箱5沿X轴方向设置与釜体101或测锤103相连以使测锤103在釜体101中沿测锤103轴向移动。例如，当X轴向拖拽蜗杆箱5与釜体101连接时，测锤103可保持在X轴方向不动，通过X轴向拖拽蜗杆箱5拉动釜体101沿X轴方向运动使釜体101和测锤103之间发生X轴向相对运动。当X轴向拖拽蜗杆箱5与测锤103连接时，釜体101可保持在X轴方向不动，通过X轴向拖拽蜗杆箱5拉动测锤103沿X轴方向运动使釜体101和测锤103之间发生X轴向相对运动。例如，X轴方向拖拽力可为0～1000N，X轴方向拖拽距离可为55～65mm，X轴方向拖拽速度：0～2cm/s。

Z轴向拉压气缸9沿Z轴方向固定设置在釜体上并能够调节岩心板102与测锤103之间的压力。拉压力传感器8设置在Z轴向拉压气缸9上能够显示Z轴向拉压气缸9的拉压力。例如，Z轴方向拉压力可为0～1000N。

泥浆注入系统12分别与泥浆进口1201和泥浆出口1202相连以向测试釜1注入泥浆并进行泥浆循环。

泥浆注入系统12包括泥浆罐1203、泥浆循环泵1204、和泥浆注入压力控制单元。泥浆罐1203的出口通过管路与泥浆进口1201连接，泥浆罐1203的进口通过管路与泥浆循环泵1204出口连接，泥浆循环泵1204的出口通过管路与泥浆出口1202连接。例如，泥浆罐可为容积4～6L，泥浆循环泵可为压力可为5～9MPa，温度可为25～180℃，排量可为250～450L/h。

泥浆注入压力控制单元与泥浆罐1203连接以控制泥浆的注入压力。其中，泥浆注入压力控制单元包括泥浆罐1203分开连接搅拌电机1208和减压阀1209，泥浆罐1203通过搅拌电机1208控制泥浆搅拌速度，减压阀1209和气瓶1207控制泥浆进入测试釜1的压力。

泥浆注入系统12还包括泥浆存储罐1205和泥浆预加泵1206，所述泥浆存储罐1205中的泥浆通过泥浆预加泵1206注入到连接泥浆罐1203和泥浆进口1201的管路上或连接泥浆罐。例如，泥浆预加泵可为2～4m³/h离心泵。

回压系统13与滤失泄露口相连以对测试釜1施加回压。回压系统13可包括回压泵1303、回压容器1302和回压阀1301，其中，回压阀1301的一端通过管路与所述滤失测试口107连接，回压阀1301的另一端通过管路与回压容器1302连接，回压容器1302通过管路与回压泵1303连接。

回压系统13还包括滤失量测试单元，所述滤失测试单元通过管路与回压阀1301连接以测量泥浆的滤失量。

在本示例性实施例中，如图2中所示，所述测试系统还可包括固定框架10，所述X轴向拖拽蜗杆箱5、旋转驱动部件6、测试釜、和Z轴向拉压气缸9均设置在所述固定框架10内部。其中，X轴向拖拽蜗杆箱5左端与固定框架10左侧固定设置，右端与旋转驱动部件6不转动部分固定。旋转驱动部件6旋转输出部分与测锤103左端固定连接。釜体101右端与固定框架10右侧固定设置。

在本示例性实施例中，进一步地，如图2中所示，所述测试系统还可包括滑动轴1001、滑套1002和固定螺栓1003。

其中，滑动轴沿X轴方向与所述固定框架10固定设置，滑套1002设在所述滑动轴1001上，所述X轴向拖拽蜗杆箱5右端通过所述滑套1002与所述旋转驱动部件6的不转动部分固定。

其中，X轴向拖拽蜗杆箱5左端与固定框架10左侧固定设置，右端与旋转驱动部件6不转动部分固定，旋转驱动部件6不转动部分由滑动轴1001和滑套1002连接，滑套1002设在滑动轴1001上。固定螺栓1003将滑动轴的两端固定在固定框架10上。旋转驱动部件6旋转输出部分与测锤103左端固定连接，釜体101右端与固定框架10右侧固定设置。

在本示例性实施例中，如图1中所示，所述测试系统还可包括加热套、温度传感器3和压力传感器4，加热套、温度传感器3和压力传感器4均设置在测试釜上。其中，加热套能够对测试釜进行加热，温度传感器3和压力传感器4能够测试测试釜内的温度和压力。

如图2和图3所示，测试系统还可包括旋转支架11，包括旋转支架11包括支架本体1101和旋转轴1102，支架本体1101由底座和竖直的支撑架构成，旋转轴1102将矩形固定框架10和支架本体1101、旋转轴1102连接以使箱体能够相对支架本体在竖直平面内360°旋转。

在本示例性实施例中，如图1～5中所示，测试系统还可包括参数控制与采集系统14分别与所述泥浆注入系统12、回压系统13、测试釜1、X轴向拖拽蜗杆箱5、旋转驱动部件6、扭矩仪7、拉压力传感器8和Z轴向拉压气缸9连接以对泥浆注入系统12、回压系统13、测试釜1、X轴向拖拽蜗杆箱5、旋转驱动部件6、扭矩仪7、拉压力传感器8和Z轴向拉压气缸9进行控制。

在本示例性实施例中，测锤可为圆柱形，岩心板可为空心圆柱体，所述岩心板可环绕测锤设置。

在本示例性实施例中，岩心板可为钢质岩心、天然岩心、人造岩心和石英岩心的一种。

在本发明的第三示例性实施例中，水平井、大位移井钻井液润滑性能测试实验方法可过第一或第二示例性实施例所述的水平井、大位移井钻井液润滑性能测试装置来实现。所述方法包括以下步骤：

S1：按照实验方案设置好岩心板与测锤的位置以及岩心板与测锤之间的压力，打开加热套设置测试釜的温度；

S2：设置好测试釜的回压大小，X轴向拖拽蜗杆箱的拖拽力、拖拽速度及最大拖拽距离，旋转驱动部件的转速；

S3：按照设定压力及流量向测试釜中注入泥浆，同时打开旋转驱动部件驱动测锤转动，打开扭矩仪测试扭矩，记录泥浆的滤失量；

S4：开启X轴向拖拽蜗杆箱，调节测锤与岩心板之间的相对位置，模拟钻进，通过扭矩仪实时监控测锤与岩心板之间的扭矩来测试钻井液润滑性能。

测试釜温度、压力，泥浆注入压力及流量，回压大小，X轴向拖拽蜗杆箱的拖拽力、拖拽速度，旋转驱动部件转速，Z轴向拉压气缸拉压力参数通过计算机及自动调节控制器远程控制，以便方便快速的完成实验。这里，所述测试釜的温度和压力、泥浆的注入压力和流量、回压的压力、X轴向拖拽蜗杆箱的拖拽力和拖拽速度、旋转驱动部件的转速、Z轴向拉压气缸的拉压力参数可通过计算机进行调节和控制。

在本示例性实施例中，测试釜的温度可为25～150℃和压力可为10～15MPa、泥浆的注入压力可为7～10MPa和流量可为10～15L/min、回压的压力可为7～10MPa、X轴向拖拽蜗杆箱的拖拽力可为0～1000N和拖拽速度可为0～2cm/s、旋转驱动部件的转速可为0～400r/min、Z轴向拉压气缸的拉压力可为0～1000N N。以上参数通过计算机进行调节和控制。在本示例性实施例中，所述实验方法还可包括进行压差卡钻测试的步骤：

在钻进过程中，调节岩心板与测锤之间的压力或者使用高密度钻井液，使得在钻进过程中形成压差卡钻；等待预定时间后，加大测锤的扭矩，记录测锤重新开始钻进时的扭矩，评价不同条件下导致压差卡钻后启动钻头(测锤)的难度。

具体来讲，在水平井钻井中井下钻具由重力作用靠近下井壁，在井下压差作用下，钻柱的一些部位会贴于井壁，钻柱与井壁泥饼粘合在一起，静止时间越长则钻具与泥饼的接触面积就越大，由此而产生的卡钻，称为压差卡钻。实验时，在钻进过程中，调节岩心板与测锤之间的压力或者使用高密度钻井液，使得在钻进过程中形成压差卡钻，压差卡钻发生后记录测锤停转时间。重新启动测锤，不断加大测锤的扭矩，记录测锤重新开始钻进时的扭矩。改变压差、钻井液密度、以及测锤停转时间即可获得不同条件下发生压差卡钻后启动测锤的难度。

综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

1)本发明提供了一种水平井、大位移井钻井液润滑性能测试装置及测试实验方法，通过岩心板与测锤，模拟钻井的过程，通过Z轴向拉压气缸调节岩心板与测锤之间的压力，测锤与设置在测试釜外的旋转驱动部件相连，利用旋转驱动部件控制转动速度，X轴向拖拽蜗杆箱与测试釜或者测锤相连，利用X轴向拖拽蜗杆箱调节测锤或者测试釜的水平位移，以便调节测锤与岩心板直接的相对位置，设置在旋转驱动部件上的扭矩仪实时监控测锤与岩心板之间的扭矩，通过扭矩大小测试钻井液润滑性能；本发明的装置和方法能够测量在一定的接触力和转速下，钢质、岩石和石英样品等与旋转测锤接触转动时所需要的扭矩；

2)本发明的测试装置可以通过计算机远程控制温度，接触力，测锤转速和循环泵速率，以及记录数据，操作简单方便；

3)本发明的水平井、大位移井钻井液润滑性能装置及实验方法，既可测试钻井液润滑性能，又可以进行压差卡钻测试，并通过旋转支架进行不同井斜角泥浆润滑性能测试；适用于评价水平井和大位移井的钻井液的润滑性能，与现有同类装置相比，性能优异，具有较好的推广应用前景。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (10)

1.一种水平井、大位移井钻井液润滑性能测试实验方法，其特征在于，所述方法通过水平井、大位移井钻井液润滑性能测试装置来实现，所述测试装置包括测试系统、泥浆注入系统、回压系统和参数控制与采集系统，其中，

所述测试系统包括测试釜、X轴向拖拽蜗杆箱、旋转驱动部件、扭矩仪、拉压力传感器和Z轴向拉压气缸，其中，所述测试釜包括釜体、岩心板和测锤，其中，所述釜体为沿X轴方向设置且两端封闭的筒体状结构，在筒体的两侧分别设置有泥浆进口和泥浆出口，筒体底部外壁上还设置有滤失测试口；所述岩心板和测锤均设置在釜体内部，其中，所述测锤平行于X轴线设置，所述岩心板与测锤外壁接触；所述旋转驱动部件与测锤连接以驱动测锤在釜体中沿测锤的轴向旋转；所述扭矩仪设置在旋转驱动部件上并能够实时监控测锤与岩心板之间的扭矩；所述X轴向拖拽蜗杆箱沿X轴方向设置与釜体或测锤相连以使测锤在釜体中沿测锤轴向移动；所述Z轴向拉压气缸沿Z轴方向固定设置在釜体上并能够调节岩心板与测锤之间的压力；所述拉压力传感器能够测量Z轴向拉压气缸的拉压力；

所述泥浆注入系统分别与所述泥浆进口和泥浆出口相连以向测试釜注入泥浆并进行泥浆循环；

所述回压系统与所述滤失泄露口相连以对测试釜施加回压；

所述参数控制与采集系统分别与所述泥浆注入系统、回压系统、测试釜、X轴向拖拽蜗杆箱、旋转驱动部件、扭矩仪、拉压力传感器和Z轴向拉压气缸连接以对泥浆注入系统、回压系统、测试釜、X轴向拖拽蜗杆箱、旋转驱动部件、扭矩仪、拉压力传感器和Z轴向拉压气缸进行控制；

所述测试系统还包括固定框架，所述X轴向拖拽蜗杆箱、旋转驱动部件、测试釜、和Z轴向拉压气缸均设置在所述固定框架内部，其中，所述X轴向拖拽蜗杆箱左端与固定框架左侧固定设置，右端与旋转驱动部件不转动部分固定；所述旋转驱动部件旋转输出部分与测锤左端固定连接；所述釜体右端与固定框架右侧固定设置；

所述测试系统还包括滑动轴和滑套，其中，所述滑动轴沿X轴方向与所述固定框架固定设置，所述滑套套设在所述滑动轴上，所述X轴向拖拽蜗杆箱右端通过所述滑套与所述旋转驱动部件的不转动部分固定；

所述回压系统包括回压泵、回压容器和回压阀，其中，所述回压阀的一端通过管路与所述滤失测试口连接，回压阀的另一端通过管路与所述回压容器连接，回压容器通过管路与回压泵连接；所述回压系统还包括滤失量测试单元，所述滤失量测试单元通过管路与所述回压阀连接以测量泥浆的滤失量；

且所述方法包括步骤：

按照实验方案设置好岩心板与测锤的位置以及岩心板与测锤之间的压力，打开加热套设置测试釜的温度；

设置好测试釜的回压大小，X轴向拖拽蜗杆箱的拖拽力、拖拽速度及最大拖拽距离，旋转驱动部件的转速；

按照设定压力及流量向测试釜中注入泥浆，同时打开旋转驱动部件驱动测锤转动，打开扭矩仪测试扭矩，记录泥浆的滤失量；

开启X轴向拖拽蜗杆箱，调节测锤与岩心板之间的相对位置，模拟钻进，通过扭矩仪实时监控测锤与岩心板之间的扭矩来测试钻井液润滑性能。

2.根据权利要求1所述的水平井、大位移井钻井液润滑性能测试实验方法，其特征在于，所述测试釜的温度为25~150℃、压力为10~15MPa；

所述泥浆的注入压力为7~10MPa，流量为10~15L/min，所述回压的压力为7~10MPa。

3.根据权利要求1所述的水平井、大位移井钻井液润滑性能测试实验方法，其特征在于，所述X轴向拖拽蜗杆箱的拖拽力为0~1000N，拖拽速度为0~2cm/s；

所述旋转驱动部件的转速为0~400r/min，所述Z轴向拉压气缸的拉压力为0~1000N。

4.根据权利要求1所述的水平井、大位移井钻井液润滑性能测试实验方法，其特征在于，所述实验方法还包括进行压差卡钻测试的步骤：

在钻进过程中，调节岩心板与测锤之间的压力或者使用高密度钻井液，使得在钻进过程中形成压差卡钻；

等待预定时间后，加大测锤的扭矩，记录测锤重新开始钻进时的扭矩，评价不同条件下导致压差卡钻后启动钻头的难度。

5.根据权利要求1所述的水平井、大位移井钻井液润滑性能测试实验方法，其特征在于，所述测试系统还包括旋转支架，所述旋转支架包括支架本体和旋转轴，所述旋转轴将所述固定框架和支架本体转轴连接以使箱体能够相对支架本体在竖直平面内360°旋转。

6.根据权利要求1所述的水平井、大位移井钻井液润滑性能测试实验方法，其特征在于，所述测试釜还包括夹持器和挂篮，所述夹持器将所述岩心板固定，所述夹持器上设置有供流体通过的开孔，所述挂篮将夹持器与所述釜体固定，所述挂篮与夹持器之间形成有滤失通道，所述开孔与滤失通道连通，所述滤失通道与所述滤失测试口连通。

7.根据权利要求1所述的水平井、大位移井钻井液润滑性能测试实验方法，其特征在于，所述测试系统还包括加热套、温度传感器和压力传感器，所述加热套能够对测试釜进行加热，所述温度传感器和压力传感器能够测试测试釜内的温度和压力。

8.根据权利要求1所述的水平井、大位移井钻井液润滑性能测试实验方法，其特征在于，所述测锤为圆柱形，所述岩心板为空心圆柱体，岩所述心板环绕测锤设置。

9.根据权利要求1所述的水平井、大位移井钻井液润滑性能测试实验方法，其特征在于，所述岩心板为钢质岩心、天然岩心、人造岩心和石英岩心的一种。

10.根据权利要求1所述的水平井、大位移井钻井液润滑性能测试实验方法，其特征在于，所述泥浆注入系统包括泥浆罐、泥浆循环泵、和泥浆注入压力控制单元，其中，

所述泥浆罐的出口通过管路与所述泥浆进口连接，所述泥浆罐的进口通过管路与泥浆循环泵出口连接，泥浆循环泵的出口通过管路与所述泥浆出口连接；

所述泥浆注入压力控制单元与所述泥浆罐连接以控制泥浆的注入压力；

所述泥浆注入系统还包括泥浆存储罐和泥浆预加泵，所述泥浆存储罐中的泥浆通过泥浆预加泵注入到连接泥浆罐和泥浆进口的管路上或连接泥浆罐。