一种多因素环境下的室内钻进模拟装置及评价方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种多因素环境下的室内钻进模拟装置及评价方法，属于钻井工程中钻井液处理剂及钻井液体系对钻进速度影响的技术领域。该装置包括岩心夹持系统、井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统、钻深测量系统和自动控制和数据采集系统；所述岩心夹持系统为夹持岩心的密封装置，用于模拟井下压力与温度环境；所述井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统分别通过管路与岩心夹持系统连接；所述钻深测量系统与钻压模拟系统连接；所述自动控制和数据采集系统通过电路连接岩心夹持系统、井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统和钻深测量系统。

【技术实现步骤摘要】
一种多因素环境下的室内钻进模拟装置及评价方法
本专利技术属于钻井工程中钻井液处理剂及钻井液体系对钻进速度影响的
，具体涉及一种多因素环境下的室内钻进模拟装置及评价方法，用于在高温高压条件下，模拟钻井过程中的转速、钻压、上覆压力、地层压力、井底循环压力等影响钻井的多因素条件参数，评价不同钻井液处理剂及钻井液体系影响钻进速度和清洁井底效果的测试。
技术介绍
随着石油勘探开发的进展，钻遇地层越来越深，越来越复杂，井型机械钻速越来越慢，提速提效是当前乃至今后的重要任务。在明确地层条件的前提下，开发新型快速钻进的钻井液技术是提高钻井速度的关键配套技术，也是最有效途径之一。通过现场试验进行相关评价，成本高，周期长，影响提速目标的早日实现，而通过室内试验评价可以利用人造模拟岩心，在成本低、操作灵活的前提下短时间内完成钻井液处理剂优选，钻井液体系优化，以及其他如钻头优选、钻井参数优化等方面的评价。目前，已有室内评价钻井液与处理剂提速效果的相关实验装置，但是均不能真实模拟施工现场情况和模拟斜井施工情况。在施工中，钻井液处理剂和钻井液体系直接作用在井下的岩石地层上，发挥作用环境同时存在一定温度和一定压力，同时钻遇的岩石地层还受到上覆压力、地层压力和循环压力等多因素的影响。现有的钻进模拟装置大多只能模拟常温常压条件，不能真实反映实际钻进过程中高温高压的情况。专利CN101806214A涉及的实验设备可以模拟高温高压条件，但是不能模拟地层受到的多种压力，也无法在实验进行过程中添加或改变钻井液配方或处理剂的添加量，同时缺少固液分离装置，容易堵塞循环管线。专利ZL201320044653.0涉及的实验设备可以模拟高温高压条件，配备了固液分离装置，可以在实验进行过程中添加或改变钻井液配方或处理剂的添加量。但是只能模拟地层受到的围压，即地层压力，无法模拟岩石地层受到的其他方向上的作用力，以及钻井液循环压力，使用的人造模拟岩心无法真实表现井下岩石地层受力的真实情况，故而无法真实反映钻井液处理剂、体系以及钻头和参数等对机械钻速的影响规律，另外，其只适用于直井的研究，无法适用于斜井段。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种多因素环境下的室内钻进模拟装置及评价方法，能够模拟实际钻进过程，检测钻井液处理剂和钻井液体系影响钻进效率和清洁井底效果的测试设备。可以在实验室条件下实现高温高压环境，模拟钻井过程中的转速、钻压、上覆压力、地层压力、井底循环压力等影响钻井的多因素条件参数同时作用于待测人造岩心上，可以在室内完成对钻井施工的模拟试验，开展钻井过程中各种因素的相互作用、机理、钻井效果等进行研究。该设备对开发出高性能的快钻剂产品，优选出有效提高钻井速度的钻井液体系，形成一套提高钻井速度的钻井液技术，提高油气井勘探开发效益具有极为重要的意义。同时，对于模拟实际钻进过程中钻头选型与岩石可钻性的研究也能提供较好的借鉴。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种多因素环境下的室内钻进模拟装置，包括岩心夹持系统、井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统、钻深测量系统和自动控制和数据采集系统；所述岩心夹持系统为夹持岩心的密封装置，用于模拟井下压力与温度环境；所述井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统分别通过管路与岩心夹持系统连接；所述钻深测量系统与钻压模拟系统连接；所述自动控制和数据采集系统通过电路连接岩心夹持系统、井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统和钻深测量系统。所述岩心夹持系统采用三轴加载模式，包括承压外筒、轴压筒和轴压堵头；所述承压外筒的两端开口，一端开口设有端盖，另一端开口与所述轴压筒连接；所述轴压堵头的大径段设置在轴压筒与承压外筒连通的内腔中，小径段伸出到轴压筒外部；所述大径段的直径大于小径段的直径；所述轴压堵头能够在轴压筒与承压外筒连通的内腔中沿轴向往复移动；所述岩心放置在所述承压外筒的内腔中，所述轴压堵头设置在岩心的下方；所述端盖的内腔、承压外筒的内腔上端、岩心的上端面围合形成钻井液循环腔；钻杆穿过端盖、钻井液循环腔后伸入到岩心中。所述井底循环系统包括：高压钻井液往复循环装置和钻井液洗井装置；所述高压钻井液往复循环装置包括两组精密柱塞泵和中间容器；在所述承压外筒的上端开有三个口，三个口分别与所述钻井液循环腔相通，其中两个口分别与一个中间容器连接，另外一个口为放浆口；每个中间容器与一个精密柱塞泵连接；在所述中间容器与钻井液循环腔之间的管路上设置有井底压力传感器；所述钻井液洗井装置包括恒温储罐、搅拌器、钻井液泵、颗粒杂质过滤器、回压器和防喷储污桶；所述搅拌器设置在恒温储罐上，所述钻井液泵的一端通过管路与恒温储罐连接，另一端通过管路与钻杆水眼连接；所述放浆口通过管路与颗粒杂质过滤器连接，所述颗粒杂质过滤器通过管路与回压器连接，所述回压器分别通过管路与恒温储罐、防喷储污桶连接；所述恒温储罐中放置钻井液，运行时中间容器中与钻井液循环腔连接的缸体内充满钻井液。在所述放浆口与颗粒杂质过滤器之间的管路上设置有井底压力传感器。在所述承压外筒的外层围绕有电加热装置；在所述承压外筒的外壁上固定有带把手的旋转螺钉，用于模拟井斜角度；在所述颗粒杂质过滤器的外层围绕有循环水冷却器。所述上覆压力系统包括两台多功能自动液压泵，其中一台通过管路与承压外筒连接，另一台通过管路与轴压筒连接。所述地层压力系统包括精密注射泵、中间容器组，所述精密注射泵通过管路和阀门与中间容器组连接，所述中间容器组通过管路与轴压堵头的中心孔连接，能够直接将液体注入岩心。所述精密注射泵采用ISCO泵100D，其能够提供连续无脉冲流体，工作压力为10000psi，流量为0.0001-25ml/min。所述钻压模拟系统包含空气压缩机、精密减压阀、钻杆浮动机构、钻压控制气缸；在所述钻杆的顶端设置有轴承，所述钻压控制气缸的活塞的自由端通过该轴承与所述钻杆连接。所述旋转驱动系统包括伺服电机和线性调速驱动器；所述线性调速驱动器驱动伺服电机旋转，通过减速机构将旋转运动输送给钻杆；伺服电机连接在钻杆的顶部进行传动，控制钻杆的旋转。所述钻深测量系统包括拉线式位移传感器，该拉线式位移传感器固定安装在所述钻压控制气缸上，用于测定钻杆的上下活动。所述自动控制和数据采集系统采用计算机进行控制与采集，通过电气线路分别监测和控制钻井液泵、钻压模拟系统、多功能自动液压泵、精密注射泵以及各个阀门，并接收井底压力传感器的信号，控制电加热装置和循环水冷却器。一种利用上述装置实现的钻井液体系评价方法，包括：将岩心放置在岩心夹持系统中，根据待施工井的井型，调整岩心夹持系统的角度，当模拟直井施工时，调整岩心夹持系统与地面保持水平，当模拟斜井施工时，调整岩心夹持系统与地面的角度与井斜角度相同；将待测钻井液体系倒入恒温储罐中，开启加热，并实时搅拌保温；在自动控制和数据采集系统中设置参数，所述参数包括钻压、钻头旋转速度、上覆压力、地层压力和钻进深度，开始实验；岩心夹持系统完成对岩心施加设定的上覆压力和地层压力，井底压力传感器检测到合适的钻压压力值后，自动控制和数据采集系统控制钻杆进行钻进，直至钻进至设计深度，钻压模拟系统停止工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多因素环境下的室内钻进模拟装置，其特征在于：所述多因素环境下的室内钻进模拟装置包括：岩心夹持系统、井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统、钻深测量系统和自动控制和数据采集系统；所述岩心夹持系统为夹持岩心的密封装置，用于模拟井下压力与温度环境；所述井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统分别通过管路与岩心夹持系统连接；所述钻深测量系统与钻压模拟系统连接；所述自动控制和数据采集系统通过电路连接岩心夹持系统、井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统和钻深测量系统。

【技术特征摘要】
1.一种多因素环境下的室内钻进模拟装置，其特征在于：所述多因素环境下的室内钻进模拟装置包括：岩心夹持系统、井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统、钻深测量系统和自动控制和数据采集系统；所述岩心夹持系统为夹持岩心的密封装置，用于模拟井下压力与温度环境；所述井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统分别通过管路与岩心夹持系统连接；所述钻深测量系统与钻压模拟系统连接；所述自动控制和数据采集系统通过电路连接岩心夹持系统、井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统和钻深测量系统。2.根据权利要求1所述的多因素环境下的室内钻进模拟装置，其特征在于：所述岩心夹持系统采用三轴加载模式，包括承压外筒、轴压筒和轴压堵头；所述承压外筒的两端开口，一端开口设有端盖，另一端开口与所述轴压筒连接；所述轴压堵头的大径段设置在轴压筒与承压外筒连通的内腔中，小径段伸出到轴压筒外部；所述大径段的直径大于小径段的直径；所述轴压堵头能够在轴压筒与承压外筒连通的内腔中沿轴向往复移动；所述岩心放置在所述承压外筒的内腔中，所述轴压堵头设置在岩心的下方；所述端盖的内腔、承压外筒的内腔上端、岩心的上端面围合形成钻井液循环腔；钻杆穿过端盖、钻井液循环腔后伸入到岩心中。3.根据权利要求2所述的多因素环境下的室内钻进模拟装置，其特征在于：所述井底循环系统包括：高压钻井液往复循环装置和钻井液洗井装置；所述高压钻井液往复循环装置包括两组精密柱塞泵和中间容器；在所述承压外筒的上端开有三个口，三个口分别与所述钻井液循环腔相通，其中两个口分别与一个中间容器连接，另外一个口为放浆口；每个中间容器与一个精密柱塞泵连接；在所述中间容器与钻井液循环腔之间的管路上设置有井底压力传感器；所述钻井液洗井装置包括恒温储罐、搅拌器、钻井液泵、颗粒杂质过滤器、回压器和防喷储污桶；所述搅拌器设置在恒温储罐上，所述钻井液泵的一端通过管路与恒温储罐连接，另一端通过管路与钻杆水眼连接；所述放浆口通过管路与颗粒杂质过滤器连接，所述颗粒杂质过滤器通过管路与回压器连接，所述回压器分别通过管路与恒温储罐、防喷储污桶连接；所述恒温储罐中放置钻井液，运行时中间容器中与钻井液循环腔连接的缸体内充满钻井液。4.根据权利要求3所述的多因素环境下的室内钻进模拟装置，其特征在于：在所述放浆口与颗粒杂质过滤器之间的管路上设置有井底压力传感器；在所述承压外筒的外层围绕有电加热装置；在所述承压外筒的外壁上固定有带把手的旋转螺钉，用于模拟井斜角度；在所述颗粒杂质过滤器的外层围绕有循环水冷却器。5.根据权利要求4所述的多因素环境下的室内钻进模拟装置，其特征在于：所述上覆压力系统包括两台多功能自动液压泵，其中一台通过管路与承压外筒连接，另一台通...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海波，钱晓琳，孔勇，徐江，林永学，宣扬，张凤英，高伟，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11