CN206945403U - 用于油页岩真三轴水力压裂模拟实验试块的钻孔制作装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于油页岩真三轴水力压裂模拟实验试块的钻孔制作装置，包括注浆管、左右夹持器、油页岩钻杆、内螺纹给压套管、给压螺杆、拧管转盘；待水泥固结试块达到较大强度，水泥中扫掠形成的内螺纹与注浆管螺纹相配合可以抵抗水力压裂实验时高压液体产生的力，可以达到传统实验中在水泥砂浆内筑注浆管的结合强度，保证实验的需求。注浆管留在试块中，利用油页岩钻杆在油页岩中钻进一定深度的裸眼，成阶梯式孔，更加真实的模拟了生产作业中的辅助套管和裸眼压裂。整个钻孔过程采用人力手工拧进，从成本、精确度方面而言都超越了原本的电钻钻进。

Description

用于油页岩真三轴水力压裂模拟实验试块的钻孔制作装置

技术领域

本实用新型涉及油页岩水力压裂研究领域，特别涉及一种油页岩真三轴水力压裂模拟实验装置及实验方法

背景技术

进入21世纪以来，各国对石油资源的需求急剧增大，然而随着各地油田的老化与多年的开采，传统的油气资源已经难以满足经济发展的需求，油页岩作为一种新兴的接替资源，其开采与利用已成为现今研究与关注的热点。

现有的油页岩开采技术大致分为地面干馏技术与原位开采技术两种，其中原位开采技术对环境的污染小，但仍然存在开采成本高，开采周期长等缺点，通过水力压裂技术人工造缝提高油页岩渗透性可以有效的改善目前的原位开采技术现状，水力压裂技术作为页岩气开发的核心技术之一，现已广泛应用在页岩气井的增产作业中。

现有专利文件CN104330310A与CN204128905U中，公开了一种油页岩水力压裂模拟实验系统及实验样品的制作方法，该水力压裂实验模拟系统是由水力压裂加压及数据采集部分和实验样品三轴加压部分组成；能够利用真实的油页岩试块来测试油页岩在不同地应力情况下以及不同射孔条件下的裂缝起裂压力及裂缝扩展情况；即可以利用真实的油页岩试块进行实验,还可以利用真三轴施压实验台将三个方向上的应力充分传递到油页岩试块上,模拟油页岩在地下埋藏区真实的受力状况，让油页岩试块受力更具有真实性。试验所用的样品试块为外包裹的油页岩，通过不同直径的钻杆，利用电钻钻孔，并将注浆管浇筑在水泥中制成，利用固结的水泥模拟油页岩的上下覆地层，模拟油页岩真实埋藏情况。

上述电钻成孔机构虽然能够完成实验需求进行注浆实验，但是其钻孔过程复杂，在钻孔过程中每钻进一定深度就需要中止钻进，使用吹风机进行排粉，成孔过程复杂。并且在实验完成后，浇筑在试块中的注浆管周围会固结大量的水泥块，难以回收利用。另外，电钻成孔难以保证钻进深度和钻进方向的精确，钻孔过程会破坏试块原有的结构，产生一定的实验误差。因此，设计能够钻进精确深度钻孔并可循环使用的钻孔装置对油页岩水力压裂实验有重要意义。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一套钻孔装置，可以降低钻孔成本，提高钻孔的精确度与质量。

本实用新型包括注浆管、左右夹持器、油页岩钻杆、内螺纹给压套管、给压螺杆、拧管转盘；

注浆管下方具有钻头结构，钻头体结构上方为第一外螺纹，第一外螺纹上方有一直径大于第一外螺纹外径的定位挡板，注浆管上部配有第一六方接头，第一六方接头内有第一内螺纹用于连接注浆泵进行水力压裂实验，注浆管内为注浆通道。

左右夹持器上方具有凸出外螺纹，凸出外螺纹能与内螺纹给压套管第二内螺纹拧合，夹持试块模具并承担钻孔给进时的反力。凸出外螺纹具有螺纹孔和注浆管通口，左右夹持器具有夹持器框架，左右夹持器由螺栓、螺纹孔固定配合成整体。

油页岩钻杆为实心结构，油页岩钻杆下方有切削出刃用于钻进油页岩样本，油页岩钻杆具有第二外螺纹与给压螺杆第二六方接头中的第三内螺纹配合。油页岩钻杆外径与注浆管内径相同，在钻进过程中封堵注浆管防止水泥进入注浆管，油页岩钻杆上部为第三六方接头。

所述内螺纹给压套管中空，内螺纹给压套管内部配有第二内螺纹能与左右夹持器的凸出外螺纹配合，通过在内螺纹给压套管中拧进给压螺杆实现钻孔的给进。另外，该装置保证了垂直成孔的精度。内螺纹给压套管具有凸出结构，该凸出结构用于拧管。

所述给压螺杆中空，给压螺杆下部开有与注浆管第一六方接头配合的内六方凹槽，给压螺杆上部为第三六方接头，第三六方接头与拧管卡盘的第二六方凹槽配合。第三六方接头内部有配合油页岩钻杆第二外螺纹的内螺纹，能固定油页岩钻杆的位置。给压螺杆配有第三外螺纹，第三外螺纹配合内螺纹给压套管，拧进时带动注浆管给进钻入水泥。

拧管卡盘具有环形加固结构、拧进卡手、第一六方凹槽和第二六方凹槽。

本实用新型的试块钻进方法，包括如下步骤：

步骤一、用左右夹持器夹持试块模具并用螺栓拧进螺纹孔固定，在上方凸出外螺纹拧进内螺纹给压套管；

步骤二、将给压螺杆、注浆管、油页岩钻杆拧合组装成一个整体，注浆管的第一六方接头与给压螺杆的内六方凹槽配合，并利用给压螺杆中内螺纹确保油页岩钻杆的切削出刃表面与注浆管下出刃表面平齐。

步骤二、将该整体拧进内螺纹给压套管，实验人员用拧管转盘的第二六方凹槽配合给压螺杆的第三六方接头向下拧进，注浆管下方的钻头结构钻入水泥，通过挤压水泥成孔，上方的第一外螺纹在钻进过程中在水泥中攻丝形成与之配合的螺纹，直至注浆管的定位挡板接触到水泥表面时停止拧进。

步骤三、改换第一六方凹槽拧进油页岩钻杆，钻进确定深度后停止钻进。

步骤四、待水泥块7-12天后完全固结，依次按照油页岩钻杆、内螺纹给压套管、给压螺杆、左右夹持器的顺序拆卸装置，完成阶梯式钻孔。

步骤五、注浆管上第一六方接头的内第一内螺纹与泵线相连，进行水力压裂实验。实验完成后重新组装装置拧出注浆管并清理表面固结的少量水泥以备下次实验。

本实用新型的有益效果：

待水泥固结试块达到较大强度，水泥中扫掠形成的内螺纹与注浆管螺纹相配合可以抵抗水力压裂实验时高压液体产生的力，可以达到传统实验中在水泥砂浆内筑注浆管的结合强度，保证实验的需求。注浆管留在试块中，利用小尺寸钻杆在油页岩中钻进一定深度的裸眼，成阶梯式孔，更加真实的模拟了生产作业中的辅助套管和裸眼压裂。整个钻孔过程采用人力手工拧进，从成本、精确度方面而言都超越了原本的电钻钻进。并且由于注浆管表面喷刷了隔绝材料，可以在实验后拧出循环使用，大大地降低了实验成本。

附图说明

图1为本实用新型已配合的左右夹持器的结构示意图。

图2为本实用新型的注浆管结构剖视图。

图3为本实用新型的给压螺杆的结构剖视图。

图4为本实用新型的油页岩钻杆结构示意图。

图5为本实用新型的内螺纹给压套管结构剖视图。

图6为本实用新型的拧管转盘结构俯视图。

图7为本实用新型的结构示意图。

图中：1—左右夹持器；2—注浆管；3—给压螺杆；4—油页岩钻杆；5—内螺纹给压套管；6—拧管转盘；7—液压阀组合；8—泵装置；101—夹持器框架；102—凸出外螺纹；103—螺纹孔；104—注浆管通口；201—钻头结构；202—注浆通道；203—定位挡板；204—第一六方接头；205—第一内螺纹；206—第一外螺纹；301—第二六方接头；302—内螺纹；303—第三外螺纹；304—内六方凹槽；401—第三六方接头；402—第二外螺纹；403—切削出刃；501—第二内螺纹；502—拧管用凸出结构；601—环形加固结构；602—拧进卡手；603—第一六方凹槽；604—第二六方凹槽。

具体实施方式

如图1至图7所示，本实用新型包括注浆管2、左右夹持器1、油页岩钻杆4、内螺纹给压套管5、给压螺杆3、拧管转盘6；

注浆管2下方具有钻头结构201，钻头体结构201上方为第一外螺纹206，第一外螺纹206上方有一直径大于第一外螺纹206外径的定位挡板203，注浆管2上部配有第一六方接头204，第一六方接头204内有第一内螺纹205用于连接注浆泵进行水力压裂实验，注浆管2内为注浆通道202。

左右夹持器1上方具有凸出外螺纹102，凸出外螺纹102能与内螺纹给压套管5第二内螺纹501拧合，夹持试块模具并承担钻孔给进时的反力。凸出外螺纹102具有螺纹孔103和注浆管通口104，左右夹持器1具有夹持器框架101，左右夹持器1由螺栓、螺纹孔103固定配合成整体。

油页岩钻杆4为实心结构，油页岩钻杆4下方有切削出刃403用于钻进油页岩样本，油页岩钻杆4具有第二外螺纹402与给压螺杆3第二六方接头301中的第三内螺纹302配合。油页岩钻杆4外径与注浆管2内径相同，在钻进过程中封堵注浆管2防止水泥进入注浆管2，油页岩钻杆4上部为第三六方接头401。

所述内螺纹给压套管5中空，内螺纹给压套管5内部配有第二内螺纹501能与左右夹持器1的凸出外螺纹102配合，通过在内螺纹给压套管5中拧进给压螺杆3实现钻孔的给进。另外，该装置保证了垂直成孔的精度。内螺纹给压套管5具有凸出结构502，该凸出结构502用于拧管。

所述给压螺杆3中空，给压螺杆3下部开有与注浆管2第一六方接头204配合的内六方凹槽304，给压螺杆3上部为第三六方接头301，第三六方接头301与拧管卡盘6的第二六方凹槽604配合。第三六方接头301内部有配合油页岩钻杆4第二外螺纹402的内螺纹302，能固定油页岩钻杆4的位置。给压螺杆3配有第三外螺纹303，第三外螺纹303配合内螺纹给压套管5，拧进时带动注浆管2给进钻入水泥。

拧管卡盘6具有环形加固结构601、拧进卡手602、第一六方凹槽603和第二六方凹槽604。

本实用新型的试块钻进方法，包括如下步骤：

步骤一、用左右夹持器1夹持试块模具并用螺栓拧进螺纹孔103固定，在上方凸出外螺纹102拧进内螺纹给压套管5；

步骤二、将给压螺杆3、注浆管2、油页岩钻杆4拧合组装成一个整体，注浆管2的第一六方接头204与给压螺杆3的内六方凹槽304配合，并利用给压螺杆3中内螺纹302确保油页岩钻杆4的切削出刃403表面与注浆管2下出刃表面平齐。

步骤二、将该整体拧进内螺纹给压套管5，实验人员用拧管转盘6的第二六方凹槽604配合给压螺杆3的第三六方接头301向下拧进，注浆管2下方的钻头结构201钻入水泥，通过挤压水泥成孔，上方的第一外螺纹206在钻进过程中在水泥中攻丝形成与之配合的螺纹，直至注浆管2的定位挡板203接触到水泥表面时停止拧进。

步骤三、改换第一六方凹槽603拧进油页岩钻杆4，钻进确定深度后停止钻进。

步骤四、待水泥块7-12天后完全固结，依次按照油页岩钻杆4、内螺纹给压套管5、给压螺杆3、左右夹持器1的顺序拆卸装置，完成阶梯式钻孔。

步骤五、注浆管2上第一六方接头204的内第一内螺纹205与泵线相连，进行水力压裂实验。实验完成后重新组装装置拧出注浆管2并清理表面固结的少量水泥以备下次实验。

Claims (1)

1.一种用于油页岩真三轴水力压裂模拟实验试块的钻孔制作装置，其特征在于：包括注浆管(2)、左右夹持器(1)、油页岩钻杆(4)、内螺纹给压套管(5)、给压螺杆(3)、拧管转盘(6)；

注浆管(2)下方具有钻头结构(201)，钻头结构(201)上方为第一外螺纹(206)，第一外螺纹(206)上方有一直径大于第一外螺纹(206)外径的定位挡板(203)，注浆管(2)上部配有第一六方接头(204)，第一六方接头(204)内有第一内螺纹(205)用于连接注浆泵进行水力压裂实验，注浆管(2)内为注浆通道(202)；

左右夹持器(1)上方具有凸出外螺纹(102)，凸出外螺纹(102)能与内螺纹给压套管(5)第二内螺纹(501)拧合，夹持试块模具并承担钻孔给进时的反力，凸出外螺纹(102)具有螺纹孔(103)和注浆管通口(104)，左右夹持器(1)具有夹持器框架(101)，左右夹持器(1)由螺栓、螺纹孔(103)固定配合成整体；

油页岩钻杆(4)为实心结构，油页岩钻杆(4)下方有切削出刃(403)用于钻进油页岩样本，油页岩钻杆(4)具有第二外螺纹(402)与给压螺杆(3)第二六方接头(301)中的第三内螺纹(302)配合；油页岩钻杆(4)外径与注浆管(2)内径相同，油页岩钻杆(4)上部为第三六方接头(401)；

内螺纹给压套管(5)为中空，内螺纹给压套管(5)内部配有第二内螺纹(501)能与左右夹持器(1)的凸出外螺纹(102)配合，通过在内螺纹给压套管(5)中拧进给压螺杆(3)实现钻孔的给进；内螺纹给压套管(5)具有凸出结构(502)；

给压螺杆(3)为中空，给压螺杆(3)下部开有与注浆管(2)第一六方接头(204)配合的内六方凹槽(304)，给压螺杆(3)上部为第三六方接头(301)，第三六方接头(301)与拧管卡盘(6)的第二六方凹槽(604)配合；第三六方接头(301)内部有配合油页岩钻杆(4)第二外螺纹(402)的内螺纹(302)，能固定油页岩钻杆(4)的位置；给压螺杆(3)配有第三外螺纹(303)，第三外螺纹(303)配合内螺纹给压套管(5)，拧进时带动注浆管(2)给进钻入水泥；

拧管转盘(6)具有环形加固结构(601)、拧进卡手(602)、第一六方凹槽(603)和第二六方凹槽(604)。