CN115508223B - 深井钻进真三轴试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩石钻进技术领域，尤其涉及一种深井钻进真三轴试验装置及方法，旨在解决无法适用不规则试样，无法模拟复杂地层环境下钻进的问题。本发明提供的深井钻进真三轴试验装置包括压力室、钻进组件、加压组件、加热组件和至少六个锁紧组件；压力室用于容纳试样及液压油；钻进组件包括钻头；加压组件包括推杆活塞，推杆活塞插装于压力室并可沿自身轴线移动；加热组件用于加热液压油；每两个锁紧组件为一组，两个锁紧组件连成一条斜线段，斜线段相交于自身中点并沿钻头的轴线环形阵列。本发明通过多点夹持、液压施力的方式对不规则试样进行固定，并通过液压加压以及加热液压油的方式以模拟钻头在复杂地层环境下的钻进。

Description

深井钻进真三轴试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石钻进技术领域，尤其涉及一种深井钻进真三轴试验装置及方法。

背景技术

随着石油天然气开采深度提升，对于深层、超深层钻井的成功率以及缩短建井周期提出了更高的要求。面对深层、超深层井中超深、超高压、超高温的环境，钻井风险大幅提升，导致钻井复杂事故多、施工周期长，尤其在遇到复杂地层时，钻井成功率不高，严重制约了油气资源评价效率。由于石油钻井过程的隐蔽性和复杂性，以及深层、超深层钻井进尺成本较高，钻井现场通常依靠测量相关工艺参数来评价综合影响，无法直接测量井下的力学参数。因此，钻进模拟试验就显得极为重要。

现有技术中为了研究钻井中岩石破碎的过程机理并定量地解决现场实际问题，通常使用全尺寸钻井井底压力模拟试验，采用全尺寸钻头在模拟井底压力的条件下进行钻进试验，以获取载荷、加载速度、钻头楔形齿等参数与岩石破碎的关系，揭示在钻进过程中岩石的物理性能和力学性能，从而提高钻进的效率和成功率。由于无法对不规则试样进行试验，因而难以对复杂的地层环境下的钻进进行模拟，无法更准确的表征岩层特征、地应力、钻具以及相关参数之间的关系，不利于提高钻进效率和成功率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深井钻进真三轴试验装置及方法，以解决无法适用不规则试样，无法模拟复杂地层环境下钻进的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：

一种深井钻进真三轴试验装置，包括压力室、钻进组件、加压组件、加热组件和至少六个锁紧组件；压力室用于容纳试样及液压油；钻进组件包括钻头，钻头插入压力室并钻进试样；加压组件包括推杆活塞，推杆活塞插装于压力室并可沿自身轴线移动；加热组件用于加热液压油；每两个锁紧组件为一组，两个锁紧组件连成一条斜线段，斜线段相交于自身中点并沿钻头的轴线环形阵列；锁紧组件包括第一推杆和至少两个固定爪；固定爪沿第一推杆的轴线环形阵列并铰接于第一推杆的一端，用于抵接试样；第一推杆与斜线段共线，配置为沿自身轴线移动并带动固定爪移动。

进一步的，锁紧组件还包括第二推杆，第二推杆插装于第一推杆并与第一推杆滑动连接，第二推杆一端抵接于固定爪；第二推杆可沿自身轴线移动并带动固定爪摆动，以改变固定爪与第二推杆的轴线之间的夹角。

进一步的，固定爪包括弧形板和限位板；弧形板的外圆抵接于试样；限位板连接于弧形板的外圆；第二推杆包括限位台，限位台抵接于限位板。

进一步的，锁紧组件还包括电动缸，电动缸连接于第二推杆远离固定爪的一端并安装于第一推杆，用于驱动第二推杆沿自身轴线移动。

进一步的，锁紧组件还包括液压缸，液压缸与压力室连接；第一推杆插装于液压缸且两端均伸出液压缸；第一推杆上设置有第一活塞环，第一活塞环抵接于液压缸的内壁。

进一步的，压力室包括加压管，推杆活塞插装于加压管并可沿加压管的轴线移动。

进一步的，压力室还包括连通管，连通管一端与压力室的内腔连通，另一端与加压管连通；至少两个连通管沿钻头的轴线环形均布。

进一步的，加热组件包括加热丝，加热丝设置于压力室的内腔；加热丝沿钻头的轴线螺旋设置。

进一步的，深井钻进真三轴试验装置还包括液压站，液压站与压力室连通，用于向压力室补充液压油并进行加压。

本发明的另一方面，提供了一种深井钻进真三轴试验方法，使用上述的深井钻进真三轴试验装置，包括如下步骤：

固定试样：打开压力室的上盖，装入试样，第一推杆带动固定爪向试样移动并抵接于试样；

初步加压：关闭压力室的上盖，启动液压站，向压力室中充入液压油并进行加压；

加热试样：启动加热组件加热液压油，直至达到试验温度并保持试验温度；

二次加压：推杆活塞沿加压管移动，进一步提升压力，直至到达试验压力；

钻进：启动钻进组件开始试验；

取出试样：钻进完成后，钻头反转至脱离试样，推杆活塞反向移动，液压站停止工作进行泄压，随后取出试样。

综合上述技术方案，本发明所能实现的技术效果在于：

本发明提供的深井钻进真三轴试验装置包括压力室、钻进组件、加压组件、加热组件和至少六个锁紧组件；压力室用于容纳试样及液压油；钻进组件包括钻头，钻头插入压力室并钻进试样；加压组件包括推杆活塞，推杆活塞插装于压力室并可沿自身轴线移动；加热组件用于加热液压油；每两个锁紧组件为一组，两个锁紧组件连成一条斜线段，斜线段相交于自身中点并沿钻头的轴线环形阵列；锁紧组件包括第一推杆和至少两个固定爪；固定爪沿第一推杆的轴线环形阵列并铰接于第一推杆的一端，用于抵接试样；第一推杆与斜线段共线，配置为沿自身轴线移动并带动固定爪移动。

本发明提供的深井钻进真三轴试验装置通过多组环形均布的锁紧组件的设置，实现了对不规则试样多个方向的施力，且施力方向交汇于一点，通过多个方向均匀对称的施力，使不规则试样受力稳定且有效限制试样的自由度，保证了对不规则试样的可靠固定。

同时，将试样置于液压油中，通过液压加压的方式，使不规则试样受力均匀全面，避免了机械加压方式导致的受力不均，破坏试样的受力平衡，有利于固定试样。并且液压加压方式使试样受力均匀，相比于常规机械施力的方式能对试样全面施力，避免试样局部不受外力的情况，能更有效的模拟地层应力状态。

通过对液压油进行加热来模拟地层温度，可使试样受热均匀且易于控制温度，便于保温，有利于提升试验模拟效果并节省电能消耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明实施例提供的深井钻进真三轴试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的深井钻进真三轴试验装置的右视图；

图3为图2中的A-A剖视图；

图4为压力室和固定支架的结构示意图；

图5为锁紧组件的剖视示意图；

图6为第二推杆的结构示意图。

图标：100-压力室；200-钻进组件；300-加压组件；400-锁紧组件；500-液压站；600-固定支架；110-加压管；120-连通管；210-钻头；220-电机；230-钻进推杆；240-导向杆；250-连接板；260-安装板；310-推杆活塞；320-推杆电缸；410-第一推杆；420-第二推杆；430-固定爪；440-电动缸；450-液压缸；411-第一活塞环；421-限位台；422-第二凸台；431-弧形板；432-限位板；610-顶板；620-立柱；630-安装框；640-底板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例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例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

现有的钻进模拟装置无法对不规则试样进行试验，因而难以对复杂的地层环境下的钻进进行模拟，无法更准确的表征岩层、钻具以及相关参数之间的关系，不利于提高钻进效率和成功率。

有鉴于此，本发明提供了一种深井钻进真三轴试验装置，包括压力室100、钻进组件200、加压组件300、加热组件和至少六个锁紧组件400；压力室100用于容纳试样及液压油；钻进组件200包括钻头210，钻头210插入压力室100并钻进试样；加压组件300包括推杆活塞310，推杆活塞310插装于压力室100并可沿自身轴线移动；加热组件用于加热液压油；每两个锁紧组件400为一组，两个锁紧组件400连成一条斜线段，斜线段相交于自身中点并沿钻头210的轴线环形阵列；锁紧组件400包括第一推杆410和至少两个固定爪430；固定爪430沿第一推杆410的轴线环形阵列并铰接于第一推杆410的一端，用于抵接试样；第一推杆410与斜线段共线，配置为沿自身轴线移动并带动固定爪430移动。

本发明提供的深井钻进真三轴试验装置通过多组环形均布的锁紧组件400的设置，实现了对不规则试样多个方向的施力，且施力方向交汇于一点，通过多个方向均匀对称的施力，使不规则试样受力稳定且有效限制试样的自由度，保证了对不规则试样的可靠固定。

同时，将试样置于液压油中，通过液压加压的方式，使不规则试样受力均匀全面，避免了机械加压方式导致的受力不均，破坏试样的受力平衡，有利于固定试样。并且液压加压方式使试样受力均匀，相比于常规机械施力的方式能对试样全面施力，避免试样局部不受外力的情况，能更有效的模拟地层应力状态。

通过对液压油进行加热来模拟地层温度，可使试样受热均匀且易于控制温度，便于保温，有利于提升试验模拟效果并节省电能消耗。

以下结合图1-图6对本实施例提供的深井钻进真三轴试验装置的结构和形状进行详细说明：

本实施例的可选方案中，如图1、图3所示，压力室100的主体为长方体，内部为空腔，长方体的侧面连接有连通管120，4个连通管120分别设置于长方体的4个侧面。压力室100的主体的下端连接有加压管110，加压管110上端与压力室100的主体连接且不与内腔连通，连通管120用于连通加压管110和压力室100的内腔。优选的，压力室100的主体在水平面内的截面为正方形，在通过加压管110向压力室100的内腔加压时提高加压过程的平衡，减小加压过程中试样受到冲击。压力室100的顶部为可拆卸的上盖，上盖拆卸后便于装入试样，并且上盖开有通孔，用于钻头210伸入。为保证压力室100的密封性以及钻头210的转动和进给运动，上盖边缘设置有密封圈，上盖的通孔与钻头210之间设置有旋转密封圈。

本实施例中，深井钻进真三轴试验装置还包括液压站500和固定支架600。如图1、图4所示。液压站500与压力室100连通，用于向压力室100述充液压油并进行初步加压。液压站500与压力室100之间的油管连接于压力室100的上部，在压力室100内液压油过多时便于液压油回流。同时油管之间设置有电磁阀，用于控制管路通断。

固定支架600包括顶板610、立柱620、安装框630和底板640。顶板610水平设置，四根立柱620呈矩形布置并竖直连接于顶板610的下方，立柱620下端与安装框630连接，安装框630下端与底板640连接。压力室100的下端与安装框630之间设置有连接柱，从而实现压力室100的固定。安装框630由板材焊接成型，用于容纳加压组件300。

本实施例的可选方案中，钻进组件200还包括电机220、钻进推杆230、导向杆240、连接板250和安装板260。如图1、图2、图3所示，电机220与钻头210连接，用于实现钻头210的转动；导向杆240竖直设置，一端与顶板610连接，另一端与连接板250连接，用以保证导向杆240的稳定；安装板260设置于顶板610和连接板250之间，用于安装电机220和钻进推杆230，导向杆240穿过安装板260，钻进推杆230的伸出端连接于顶板610。使用时钻进推杆230带动安装板260沿导向杆240移动，从而带动电机220和钻头210移动，实现钻头210的进给运动。进一步的，导向杆240和安装板260之间设置有直线轴承，保证进给运动的平顺。进一步的，连接板250上开设有通孔，使电机220可伸入通孔，以保证电机220上移的距离，同时有利于减小导向杆240的长度。若无此通孔，则需要加长导向杆240的长度以避免电机220上行过程中与连接板250干涉。优选的，设置四个矩形整列的导向杆240以保证受力均匀稳定，钻进推杆230左右对称设置以保证钻进时施力稳定。

本实施例的可选方案中，加压组件300包括推杆活塞310和推杆电缸320，推杆电缸320容纳于安装框630内并安装于底板640，用于推动推杆活塞310沿加压管110移动。如图3所述，连通管120与加压管110连通的位置位于推杆活塞310的上方。具体的，推杆活塞310的侧壁开设有凹槽用于容纳组合密封，以保证压力室100的密封性。工作时，推杆电缸320向上推动推杆活塞310，从而减小压力室100的空间以增大压力。

本实施例的可选方案中，加热组件包括加热丝，加热丝设置于压力室100的内腔；加热丝沿钻头210的轴线螺旋设置，以提升加热速度以及热量的均匀分布，同时通过液压油传递热量，减少温度波动，有利于维持试验条件的稳定性。显而易见的，还需要设置温度传感器以实时监测温度并进行调整。同时由于液压油的比热容较大，有利于维持温度恒定，减小温度波动，降低维持温度的能量消耗。

本实施例的可选方案中，锁紧组件400包括第一推杆410、第二推杆420、固定爪430、电动缸440和液压缸450。固定爪430沿第一推杆410的轴线环形阵列并铰接于第一推杆410的一端，用于抵接试样；第二推杆420插装于第一推杆410并与第一推杆410滑动连接，第二推杆420一端抵接于固定爪430；电动缸440连接于第二推杆420远离固定爪430的一端并安装于第一推杆410背离固定爪430的一端，用于驱动第二推杆420沿自身轴线移动并带动固定爪430摆动，使固定爪430与第二推杆420的轴线之间的夹角变小；液压缸450与压力室100连接；第一推杆410插装于液压缸450且两端均伸出液压缸450，通过液压提供推力将试样固定，便于调整推力大小，避免试样受损。具体而言，如图5所示，第一推杆410上设置有第一活塞环411，第一活塞环411抵接于液压缸450的内壁，通过液压作用推动第一推杆410来带动第二推杆420、固定爪430和电动缸440移动；第一推杆410为中空杆，如图6所示，第二推杆420设置有第二凸台422，第二凸台422抵接于第一推杆410的中空内壁，且第二凸台422上设置有凹槽，用于安装密封圈，保证第一推杆410和第二推杆420之间的密封，防止压力室100内的液压油泄漏。

本实施例中，固定爪430包括弧形板431和限位板432；弧形板431的外圆抵接于试样；限位板432连接于弧形板431的外圆；第二推杆420包括限位台421，如图6所示，限位台421抵接于限位板432。使用过程中，弧形板431的外圆抵接于试样，受试样的反作用力，弧形板431发生远离第一推杆410轴线的摆动，由于限位台421与限位板432的配合，可阻止摆动的发生，即限位台421与限位板432的配合可限制固定爪430打开的角度。此外，弧形板431的设置可以防止固定爪430在移动过程中固定爪430顶部卡在试样上，导致试样固定不稳定。如图5所示，在第二推杆420向下移动后，固定爪430的可打开角度变大，通过调整固定爪430的打开角度使固定爪430与试样接触稳定，保证对不规则试样的可靠固定。优选的，采用三个固定爪430沿第一推杆410的轴线环形均布，有利于与试样的稳定接触，提高固定试样的可靠程度。

锁紧组件400的工作过程如下：根据试样的形状调整第二推杆420相对于第一推杆410的位置，从而调节固定爪430的打开角度，以适配试样形状，保证固定爪430与试样可靠接触。随后推动第一推杆410，使固定爪430抵接于试样，此时限位台421与限位板432抵接，固定爪430不再发生摆动。

本实施例的可选方案中，八个锁紧组件400分别设置于压力室100的主体的顶点，即长方体的八个顶点，且第一推杆410、第二推杆420的轴线与长方体的体对角线共线。即上方四个锁紧组件400和下方四个锁紧组件400堆成设置，且分别关于钻头210的轴线环形均布，以保证试样受力均匀且得到有效约束，限制试样的自由度，保证试样可靠固定。可选的，可以采用六个锁紧组件400，分为上下两组，每组均关于钻头210的轴线环形均布。上组的一个锁紧组件400与下组的一个锁紧组件400共线，共线的两个锁紧组件400连成一条斜线段。共形成三条斜线段，三条斜线段相较于中点且关于钻头210的轴线环形阵列。

本实施例提供的深井钻进真三轴试验装置的工作过程如下：

基于本实施例提供的深井钻进真三轴试验装置，提供了一种深井钻进真三轴试验方法，使用上述的深井钻进真三轴试验装置，包括如下步骤：

固定试样：打开压力室100的上盖，装入试样，第一推杆410带动固定爪430向试样移动并抵接于试样；

初步加压：关闭压力室100的上盖，启动液压站500，向压力室100中充入液压油并进行加压；

加热试样：启动加热组件加热液压油，直至达到试验温度并保持试验温度；

二次加压：推杆活塞310沿加压管110向上移动，进一步提升压力，直至到达试验压力；

钻进：启动电机220和钻进推杆230开始试验；

取出试样：钻进完成后，钻头210反转至脱离试样，推杆活塞310反向移动，液压站500停止工作进行泄压，随后取出试样。

本发明通过多点夹持、液压施力的方式对不规则试样进行固定，并通过液压油加压模拟地层压力，加热液压油模拟地层温度，从而模拟钻头210在复杂地层环境下的钻进，以分析地层压力、钻进参数等因素对钻进效率和钻进成功率的影响，辅助钻井操作。由于液压加压方式相比于机械加压受力更为均匀全面，更有利于模拟地层压力，对液压油加热的方式使试样受热均匀且易于温度控制，从而更好的模拟地层环境，提高试验的精确度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种深井钻进真三轴试验装置，其特征在于，包括压力室（100）、钻进组件（200）、加压组件（300）、加热组件和至少六个锁紧组件（400）；

所述压力室（100）用于容纳试样及液压油；

所述钻进组件（200）包括钻头（210），所述钻头（210）插入压力室（100）并钻进所述试样；

所述加压组件（300）包括推杆活塞（310），所述推杆活塞（310）插装于所述压力室（100）并可沿自身轴线移动；

所述加热组件用于加热所述液压油；

每两个所述锁紧组件（400）为一组，两个所述锁紧组件（400）连成一条斜线段，所述斜线段相交于自身中点并沿所述钻头（210）的轴线环形阵列；

所述锁紧组件（400）包括第一推杆（410）和至少两个固定爪（430）；所述固定爪（430）沿所述第一推杆（410）的轴线环形阵列并铰接于所述第一推杆（410）的一端，用于抵接所述试样；所述第一推杆（410）与所述斜线段共线，配置为沿自身轴线移动并带动所述固定爪（430）移动；

所述锁紧组件（400）还包括第二推杆（420），所述第二推杆（420）插装于所述第一推杆（410）并与所述第一推杆（410）滑动连接，所述第二推杆（420）一端抵接于所述固定爪（430）；所述第二推杆（420）可沿自身轴线移动并带动所述固定爪（430）摆动，以改变所述固定爪（430）与所述第二推杆（420）的轴线之间的夹角；

所述固定爪（430）包括弧形板（431）和限位板（432）；所述弧形板（431）的外圆抵接于所述试样；所述限位板（432）连接于所述弧形板（431）的外圆；所述第二推杆（420）包括限位台（421），所述限位台（421）抵接于所述限位板（432）。

2.根据权利要求1所述的深井钻进真三轴试验装置，其特征在于，所述锁紧组件（400）还包括电动缸（440），所述电动缸（440）连接于所述第二推杆（420）远离所述固定爪（430）的一端并安装于所述第一推杆（410），用于驱动所述第二推杆（420）沿自身轴线移动。

3.根据权利要求2所述的深井钻进真三轴试验装置，其特征在于，所述锁紧组件（400）还包括液压缸（450），所述液压缸（450）与所述压力室（100）连接；

所述第一推杆（410）插装于所述液压缸（450）且两端均伸出所述液压缸（450）；

所述第一推杆（410）上设置有第一活塞环（411），所述第一活塞环（411）抵接于所述液压缸（450）的内壁。

4.根据权利要求3所述的深井钻进真三轴试验装置，其特征在于，所述压力室（100）包括加压管（110），所述推杆活塞（310）插装于所述加压管（110）并可沿所述加压管（110）的轴线移动。

5.根据权利要求4所述的深井钻进真三轴试验装置，其特征在于，所述压力室（100）还包括连通管（120），所述连通管（120）一端与所述压力室（100）的内腔连通，另一端与所述加压管（110）连通；

至少两个所述连通管（120）沿所述钻头（210）的轴线环形均布。

6.根据权利要求5所述的深井钻进真三轴试验装置，其特征在于，所述加热组件包括加热丝，所述加热丝设置于所述压力室（100）的内腔；

所述加热丝沿所述钻头（210）的轴线螺旋设置。

7.根据权利要求6所述的深井钻进真三轴试验装置，其特征在于，还包括液压站（500），所述液压站（500）与所述压力室（100）连通，用于向所述压力室（100）补充液压油并进行加压。

8.一种深井钻进真三轴试验方法，使用权利要求7所述的深井钻进真三轴试验装置，其特征在于，包括如下步骤：

固定试样：打开所述压力室（100）的上盖，装入所述试样，所述第一推杆（410）带动所述固定爪（430）向所述试样移动并抵接于所述试样；

初步加压：关闭所述压力室（100）的上盖，启动所述液压站（500），向所述压力室（100）中充入液压油并进行加压；

加热试样：启动加热组件加热液压油，直至达到试验温度并保持试验温度；

二次加压：所述推杆活塞（310）沿所述加压管（110）移动，进一步提升压力，直至到达试验压力；

钻进：启动所述钻进组件（200）开始试验；

取出试样：钻进完成后，所述钻头（210）反转至脱离所述试样，所述推杆活塞（310）反向移动，所述液压站（500）停止工作进行泄压，随后取出试样。

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