CN115561097A - 一种多因素冲击破岩室内测试装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多因素冲击破岩室内测试装置、系统及方法，该测试装置包括：压力仓，内部为能够容纳岩石样品的测试腔；压力模拟部件，用于模拟实际的地层压力，其包括围压模拟部件与孔压模拟部件，所述围压模拟部件连通所述测试腔以输入围压流体介质，所述孔压模拟部件能够连通岩石样品内部的孔隙以输入孔压流体介质；温度模拟部件，用于调节所述测试腔内部的温度，以模拟实际的地层温度；冲击钻进部件，其包括向下插入至所述压力仓中的钻头。基于本发明的技术方案，充分模拟冲击钻井过程中的钻进参数、冲击参数及地层环境参数，既模拟真实井下地层环境，又模拟井下钻头真实冲击钻进的工作状态，实现多因素条件下的室内冲击破岩测试。

Description

一种多因素冲击破岩室内测试装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及石油勘探开发技术领域，特别地涉及一种多因素冲击破岩室内测试装置、系统及方法。

背景技术

冲击破岩作为高效破岩技术之一，可以解决复杂难钻地层机械钻速缓慢、钻具失效严重等问题。随着勘探开发的不断深入，钻遇地层环境愈加复杂，冲击破岩效果不仅与钻头冲击参数和岩石本身力学特性相关，且依赖于井底压力环境与地层条件，因此，建立考虑地层特性、钻井关键参数、冲击动载参数等关键因素复合作用下冲击破岩室内测试系统，对推动油气井高效钻井技术优化具有科学的指导意义。

目前，现有的室内评价冲击破岩装置大多基于室内常温常压环境下，忽略的井下环境对破岩效率的影响；现有考虑多因素环境的室内破岩模拟装置，则仅能模拟常规钻进过程，缺乏冲击装置，无法模拟冲击破岩过程，且大多不能改变钻进参数。因此，国内目前尚未形成考虑多因素的冲击破岩室内测试系统与方法。

发明内容

为了解决现有技术中的冲击破岩室内测试装置存在的未能全方位模拟冲击钻进各项影响因素的问题，本申请提出了一种多因素冲击破岩室内测试装置、系统及方法。

第一方面，本发明提出了一种多因素冲击破岩室内测试装置，包括：

压力仓，内部为能够容纳岩石样品的测试腔；

压力模拟部件，用于模拟实际的地层压力，其包括围压模拟部件与孔压模拟部件，所述围压模拟部件连通所述测试腔以输入围压流体介质，所述孔压模拟部件能够连通岩石样品内部的孔隙以输入孔压流体介质；

温度模拟部件，用于调节所述测试腔内部的温度，以模拟实际的地层温度；

冲击钻进部件，设置在所述压力仓的上方，其包括向下插入至所述压力仓中的钻头，所述钻头能够钻入岩石样品。

在一个实施方式中，所述围压模拟部件与所述孔压模拟部件均包括加压组件，所述加压组件能够对输入至所述测试装置中的相应流体介质进行加压。通过本实施方式，加压组件充分实现相应流体介质所对应环境的压力模拟，并能够根据需求进行模拟压力的调整。

在一个实施方式中，所述围压模拟部件与所述孔压模拟部件还分别包括围压检测仪与孔压检测仪。通过本实施方式，围压检测仪与孔压检测仪实现模拟压力的可视化，便于参照相应的压力数据进行控制。

在一个实施方式中，所述温度模拟部件包括多个加热器，所述多个加热器沿竖直方向依次设置在所述压力仓的侧壁上。通过本实施方式，多个加热器在压力仓的侧壁上均布，能够最大程度减小测试腔中温度的梯度，加强温度的均匀性，充分模拟相应的实际地层温度。

在一个实施方式中，所述冲击钻进部件还包括：钻杆，竖直贯穿所述压力仓的顶壁且其底部连接所述钻头，所述钻杆能够与设置在所述压力仓的顶壁上的动密封圈滑动配合；固定支架，设置在所述压力仓的上方，所述固定支架上滑动配合有浮动板；激振器，固定于所述浮动板，其激振发生部与所述钻杆的顶部配合，以向所述钻杆提供冲击钻进的动力。

在一个实施方式中，所述压力仓中可拆卸地设置有夹持器，所述夹持器用于夹持并固定岩石样品。

在一个实施方式中，所述围压流体介质与孔压流体介质互不相溶。

第二方面，本发明提出了一种多因素冲击破岩室内测试系统，其包括上述的测试装置以及控制装置；

所述控制装置与所述测试装置电连接，其能够控制所述测试装置的运转以及获取所述测试装置中的测试数据。

第三方面，本发明提出了一种多因素冲击破岩室内测试方法，应用于上述的测试装置，其包括以下步骤：

步骤a、将岩石样品放置入所述测试装置的测试腔中；

步骤b、向所述测试腔中输入围压流体介质，之后向所述岩石样品的空隙中输入孔压流体介质；

步骤c、加热所述测试腔至预设温度；

步骤d、分别对所述围压流体介质与所述孔压流体介质进行加压并加压至对应的预设压力；

步骤e、按照测试方案设定各项钻进参数，对所述岩石样品进行冲击钻进并钻进至预定深度，在由预钻深度钻进至预定深度的过程中进行同步计时；

步骤f、根据单位时间内进尺深度或预设进尺深度的耗时，评价钻头的各项钻进参数以及所模拟的地层条件因素对岩石可钻性的影响。

在一个实施方式中，在将岩石样品放置入所述测试装置的测试腔中之前，将所述岩石样品在真空环境下浸泡于所述孔压流体介质24小时。通过本实施方式，使孔压流体介质能够充分地进入岩石样品内部的孔隙中，充分保证孔压模拟的准确性。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明提供的一种多因素冲击破岩室内测试装置、系统及方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

本发明的一种多因素冲击破岩室内测试装置、系统及方法，该测试装置可以通过模拟冲击钻井过程中的钻进参数(钻头转速、扭矩、钻压)、冲击参数(振幅、频率)及地层环境参数(温度、围压、孔压)，既能够提供模拟真实井下地层条件的测试环境，又能够模拟井下钻头真实冲击钻进的工作状态，实现多因素条件下的室内冲击破岩试验。同时，本系统还能够便捷地改变、调节任意冲击钻进影响参数的具体值，通过控制变量，探究不同因素对岩石冲击载荷作用下破碎特性的影响规律。

本发明能够开展模拟钻井参数及地层环境下的岩石可钻性评价，探究真实地层环境下钻头冲击破岩机理，为提高复杂环境下钻头冲击破岩效率提供技术手段和方法，为钻头的高效破岩奠定基础。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了本发明的测试装置的结构示意图；

图2显示了本发明的测试装置的冲击钻进部件的结构示意图；

图3显示了本发明的测试装置中的夹持器夹持岩石样品时的俯视图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

附图标记：

10压力仓，11-测试腔，12-动密封圈，20-压力模拟部件，201-加压组件，202-空气泵，21-围压模拟部件，211-围压检测仪，212-围压流体介质桶，22-孔压模拟部件，221-孔压检测仪，222-孔压流体介质桶，30-温度模拟部件，31-加热器，40-冲击钻进部件，41-钻头，42-钻杆，43-激振器，44-支架，441-浮动板，50-夹持器，51-定位槽，60-岩石样品，70-控制装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明的实施例提供了一种多因素冲击破岩室内测试装置，包括：

压力仓10，内部为能够容纳岩石样品60的测试腔11；

压力模拟部件20，用于模拟实际的地层压力，其包括围压模拟部件21与孔压模拟部件22，围压模拟部件21连通测试腔11以输入围压流体介质，孔压模拟部件22能够连通岩石样品60内部的孔隙以输入孔压流体介质；

温度模拟部件30，用于调节测试腔11内部的温度，以模拟实际的地层温度；

冲击钻进部件40，设置在压力仓10的上方，其包括向下插入至压力仓10中的钻头41，钻头41能够钻入岩石样品60。

具体地，如附图图1所示，本实施例的测试装置基于对地层条件的充分模拟，充分考虑井下环境对破岩效率的影响。其中，压力仓10以及压力仓10内部的测试腔11为测试模拟提供环境基础，压力仓10主体为不锈钢厚壁筒体；压力模拟部件20在测试腔11中模拟出地层压力、温度模拟部件30在测试腔11中模拟出地层温度。

压力模拟部件20中的围压模拟部件21模拟地层中的围压，其通过管线连通测试腔11，其模拟是通过向测试腔11中注入围压流体介质并使其达到所要想模拟的压力水平；而地层压力中还包括孔隙压力，孔隙压力通过孔压模拟部件22进行模拟，孔压模拟部件22通过管线连通岩石样品60内部的孔隙并向孔隙中注入孔压流体介质并使其达到所要想模拟的压力水平。围压流体介质与孔压流体介质互不相溶，二者共同模拟地层压力；围压流体介质一般采用油，而孔压流体介质一般采用清水。

温度模拟部件30能够对测试腔11的温度进行调整，以模拟相应的实际的地层温度；

冲击钻进部件40设置在压力仓10上方，其具有伸入至测试腔11中的钻头41，用于模拟实际的钻进，其各项钻进参数可以调整。

进一步地，围压模拟部件21与孔压模拟部件22均包括加压组件201，加压组件201能够对输入至测试装置中的相应流体介质进行加压。

具体地，如附图图1所示，围压模拟部件21与孔压模拟部件22均包括介质存储组件、介质输入动力组件以及加压组件201。

其中，围压模拟部件21与孔压模拟部件22的介质存储组件分别为围压流体介质桶212与孔压流体介质桶222，围压流体介质桶212与孔压流体介质桶222分别通过管线连接对应的介质输入区域且管线上均设置有阀门。

加压组件201在围压模拟部件21与孔压模拟部件22中分别配套设置，其原理是通过改变相应流体介质注入的区域的体积大小来实现压力调节，增压即是通过减小相应流体介质注入区域(测试腔11以及岩石样品60内部孔隙)的体积来实现。而实际上围压模拟部件21与孔压模拟部件22所分别对应的测试腔11以及岩石样品60内部孔隙的体积大小难以进行调整，所以加压组件201通过管线连通相应的介质存储组件的介质输入管线，整个管线与相应的流体介质注入区域连通为一体，所以加压组件201通过改变管线部分的体积来实现对于相应的流体介质注入区域压力的调整。

优选地，加压组件201为能够改变相应管线内部体积的活塞装置；向管线内部推动活塞即可减小体积，增大相应流体介质的压力。压力调整的具体程度，通过控制活塞的伸出与缩回量来控制。

介质输入动力组件用于提供向相应流体介质注入区域内输入流体介质的动力，基于流体介质的输入特性，介质输入动力组件采用泵。进一步可采用空气泵202，通过向相应的介质存储组件(围压流体介质桶212以及孔压流体介质桶222)中输入空气，以排出介质存储组件中的流体介质并使之输入至相应的流体介质注入区域内。为了节约能源以及简化测试装置结构，围压模拟部件21与孔压模拟部件22可以共用一个介质输入动力组件，如附图图1所示。

进一步地，围压模拟部件21与孔压模拟部件22还分别包括围压检测仪211与孔压检测仪22，围压检测仪211与孔压检测仪22实现围压与孔压数据的可视化，便于对压力模拟进行控制。

进一步地，温度模拟部件30包括多个加热器31，多个加热器31沿竖直方向依次设置在压力仓10的侧壁上。

具体地，如附图图1所示，多个加热器31分别独立控制，用于降低测试腔11中不同位置的温度的梯度，将温度梯度降低最低，充分实现地层温度的准确模拟。压力仓10内壁上还设置有连接温度传感器和信号调节模块的热电耦接口，用于测量和实时调整控制压力仓10内部温度。

进一步地，冲击钻进部件40还包括：

钻杆42，竖直贯穿压力仓10的顶壁且其底部连接钻头41，钻杆42能够与设置在压力仓10的顶壁上的动密封圈12滑动配合；

固定支架44，设置在压力仓10的上方，固定支架44上滑动配合有浮动板441；

激振器43，固定于浮动板441，其激振发生部与钻杆42的顶部配合，以向钻杆42提供冲击钻进的动力。

具体地，激振器43固定于钻进浮动板441上，随钻进一块相对于固定支架44向下运动，浮动板441起到导向作用。激振器43的激振发生部(冲击点)配合钻杆42的顶部，以将冲击由上至下作用在钻杆42上。钻杆42插入压力室，其外壁与压力仓10上的动密封圈12配合，实现压力仓10内部的测试腔11的密封；钻杆42底端与钻头41通过螺纹相连接，可根据需求任意安装、拆卸。

进一步地，压力仓10中可拆卸地设置有夹持器50，夹持器50用于夹持并固定岩石样品60。

具体地，夹持器50设置在测试腔11的底部，其上具有两条定位槽51，该两条定位槽51相互垂直并能够与测试腔11底部的螺栓配合，以实现夹持器50的可拆卸功能，可拆卸的夹持器50能够对应不同类型以及规格的岩石样品60进行更换。

进一步的，测试装置中还包括用于获取测试数据的各项传感器，其中，利用位移传感器测定钻头41的位移，压力传感器测定钻头41的压力及扭矩。传感器与相应的控制装置70、系统相连，可记录实时的钻深、钻压、扭矩，也可根据实际需要采用实时调整钻深、钻压、扭矩，以上数据以及下钻深度均由该控制系统反馈至计算机。由震动带来的数据波动，可以在计算机上使用软件进行过滤，且过滤范围可调节，方便高精度的记录钻深。

所有采集的数据以数据库形式记录，计算机上相应的程序根据输入的基本参数和实验采集内容进行记录，通过数据模块对原始数据进行调出处理，并可根据要求自动生成实验报告。

实施例2

本发明的实施例提供了一种多因素冲击破岩室内测试系统，其包括实施例1中的测试装置以及控制装置70；

控制装置70与测试装置电连接，其能够控制测试装置的运转以及获取测试装置中的测试数据。

实施例3

本发明的实施例提供了一种多因素冲击破岩室内测试方法，应用于实施例1中的测试装置，其包括以下步骤：

步骤a、将岩石样品60在真空环境下浸泡于孔压流体介质24小时后放置入测试装置的测试腔11中；

具体地，岩石样品60在真空环境下浸泡于孔压流体介质，其内部孔隙中残留的空气在真空环境的压力差的作用下能够最大程度的被排出，使孔压流体介质能够充分进入孔隙中。根据岩石样品60的尺寸调节测试腔11中的夹持器50的调节杆，将夹持器50放入压力仓10中的底座上，使得夹持器50的定位槽51与压力仓10的底座上的定位螺钉相配合，而后关闭压力仓10并在压力仓10上安装相应的冲击钻进部件40。

步骤b、向测试腔11中输入围压流体介质，之后向岩石样品60的空隙中输入孔压流体介质；

具体地，根据有效应力理论确定围压，即上覆岩层压力与有效孔隙压力之差为实验围压目标值Pc，有效孔隙压力为实验孔压目标值Pp，岩石所埋深度与温度梯度之积为实验温度目标值T。

步骤c、加热测试腔11至预设温度；

具体地，围压与孔压流体介质注入完成后，利用上下温度模拟部件30的加热器31将测试腔11内的温度加热至目标温度T。

步骤d、分别对围压流体介质与孔压流体介质进行加压并加压至对应的预设压力；

具体地，待测试腔11内的温度稳定后，利用活塞结构的加压组件201将围压增至目标值Pc，稳定后，再利用加压组件201将孔压增至目标值Pp，围压检测仪211与孔压检测仪221可测得实时的压力值并传输至相应的数据采集控制模块。

步骤e、按照测试方案设定各项钻进参数，对岩石样品60进行冲击钻进并钻进至预定深度，在由预钻深度钻进至预定深度的过程中进行同步计时；

具体地，控制钻杆42下降至钻头41与岩石样品60初接触，调节实验钻压、转速值、冲击振幅、频率，钻压值调节范围为500N-3000N，转速调节范围为0-200rpm，通过激振器43调整控制冲击振幅、频率。设置预钻深度为x、钻进深度为y，当钻头41钻进至预钻深度x时开始计时，达到预设钻深y后钻头41自动上升，进行回压卸载，测试的钻进部分结束。

步骤f、根据单位时间内进尺深度或预设进尺深度的耗时，评价钻头41的各项钻进参数以及所模拟的地层条件因素对岩石可钻性的影响；

具体的，通过数据采集模块记录多因素冲击破岩过程中钻时、进尺、钻压、扭矩、温度、围压、孔压、冲击参数，根据单位时间内进尺深度或规定进尺深度所用耗时进行评价。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种多因素冲击破岩室内测试装置，其特征在于，包括：

压力仓，内部为能够容纳岩石样品的测试腔；

压力模拟部件，用于模拟实际的地层压力，其包括围压模拟部件与孔压模拟部件，所述围压模拟部件连通所述测试腔以输入围压流体介质，所述孔压模拟部件能够连通岩石样品内部的孔隙以输入孔压流体介质；

温度模拟部件，用于调节所述测试腔内部的温度，以模拟实际的地层温度；

冲击钻进部件，设置在所述压力仓的上方，其包括向下插入至所述压力仓中的钻头，所述钻头能够钻入岩石样品。

2.根据权利要求1所述的多因素冲击破岩室内测试装置，其特征在于，所述围压模拟部件与所述孔压模拟部件均包括加压组件，所述加压组件能够对输入至所述测试装置中的相应流体介质进行加压。

3.根据权利要求2所述的多因素冲击破岩室内测试装置，其特征在于，所述围压模拟部件与所述孔压模拟部件还分别包括围压检测仪与孔压检测仪。

4.根据权利要求1所述的多因素冲击破岩室内测试装置，其特征在于，所述温度模拟部件包括多个加热器，所述多个加热器沿竖直方向依次设置在所述压力仓的侧壁上。

5.根据权利要求1所述的多因素冲击破岩室内测试装置，其特征在于，所述冲击钻进部件还包括：

钻杆，竖直贯穿所述压力仓的顶壁且其底部连接所述钻头，所述钻杆能够与设置在所述压力仓的顶壁上的动密封圈滑动配合；

固定支架，设置在所述压力仓的上方，所述固定支架上滑动配合有浮动板；

激振器，固定于所述浮动板，其激振发生部与所述钻杆的顶部配合，以向所述钻杆提供冲击钻进的动力。

6.根据权利要求1至5任一项所述的多因素冲击破岩室内测试装置，其特征在于，所述压力仓中可拆卸地设置有夹持器，所述夹持器用于夹持并固定岩石样品。

7.根据权利要求1至5任一项所述的多因素冲击破岩室内测试装置，其特征在于，所述围压流体介质与孔压流体介质互不相溶。

8.一种多因素冲击破岩室内测试系统，其特征在于，其包括如权利要求1至7任一项所述的测试装置以及控制装置；

所述控制装置与所述测试装置电连接，其能够控制所述测试装置的运转以及获取所述测试装置中的测试数据。

9.一种多因素冲击破岩室内测试方法，应用于如权利要求1至8任一项所述的测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、将岩石样品放置入所述测试装置的测试腔中；

步骤b、向所述测试腔中输入围压流体介质，之后向所述岩石样品的空隙中输入孔压流体介质；

步骤c、加热所述测试腔至预设温度；

步骤d、分别对所述围压流体介质与所述孔压流体介质进行加压并加压至对应的预设压力；

步骤e、按照测试方案设定各项钻进参数，对所述岩石样品进行冲击钻进并钻进至预定深度，在由预钻深度钻进至预定深度的过程中进行同步计时；

步骤f、根据单位时间内进尺深度或预设进尺深度的耗时，评价钻头的各项钻进参数以及所模拟的地层条件因素对岩石可钻性的影响。

10.根据权利要求9所述的多因素冲击破岩室内测试方法，其特征在于，在将岩石样品放置入所述测试装置的测试腔中之前，将所述岩石样品在真空环境下浸泡于所述孔压流体介质24小时。

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