一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置与方法，所述装置包括：能源供应模块（1）、实验加载模块（2）、液压供应模块（3）、参数控制模块（4）和数据采集模块（5）。本发明专利技术通过能源供应模块（1）提供动力；实验加载模块（2）模拟地层环境向岩石试件施加三向应力、液柱压力和孔隙压力，同时用钻头（18）钻进岩石试件；液压供应模块（3）向实验加载装置中的液柱压力、孔隙压力和三向应力提供液压；参数控制模块（4）用来控制实验加载模块（2）的位移模块进行位移，并且调节位移、压力、温度至目标值；模拟地层真三轴应力、钻头钻进井筒液柱压力、孔隙压力和高温条件，提高可钻性评价的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置与方法
本专利技术涉及深井钻井提速的
，尤其涉及一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置与方法。
技术介绍
在石油与天然气钻井工程中，如何实现高效破碎岩石、提升钻进效率是永恒的主题。然而深井钻井真实井底环境复杂，高温、高压、高地应力等因素对工具的岩石破碎效率影响规律不清楚，严重影响了深井钻井提速技术创新。现有的岩石可钻性实验评价方法与标准中，通常采用不模拟任何井底环境开展岩石可钻性测试，与深井真实钻井井底条件相差甚远，不能为钻井提速技术提升提供有效支撑。在专利号为CN103806907B的专利技术中提出了一种深井、超深井钻井岩石可钻性测试装置及测试方法，这种装置实现了常规三轴（两个水平主应力相等）条件下的岩石可钻性测试，但仍然无法表征地层复杂环境下水平主应力不等对岩石可钻性的影响。综上所述，目前亟需设计一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置与方法，进而得出深井钻井真实井底的高温、高压、高地应力对岩石破碎效率的影响规律。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置与方法，通过模拟地层真三轴应力、钻头钻进井筒液柱压力、孔隙压力和高温条件，提高可钻性评价的准确性。为实现上述目的，本专利技术提出一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置与方法，本装置包括能源供应模块、实验加载模块、液压供应模块、参数控制模块和数据采集模块；所述能源供应模块、实验加载模块和液压供应模块通过管道互相连接；所述参数控制模块和数据采集模块通过电缆与实验加载模块连接。优选的，所述能源供应模块包括三相异步电机、油冷却器、压差发讯器和L型支撑架；所述三相异步电机设于L型支撑架底板；所述油冷却器和压差发讯器设于L型支撑架侧壁；所述压差发讯器设于油冷却器上方；所述压差发讯器、油冷却器和三相异步电机通过管道依次连接。优选的，所述实验加载模块包括立柱支撑结构、套筒升降结构、套筒、加载室、支撑板升降机构、支撑板、底座和钻进结构；所述立柱支撑结构包含多根光滑立柱和螺纹立柱并对称设于底座上方两侧；所述套筒连接套筒升降结构；所述支撑板连接支撑板升降机构；所述套筒升降结构和支撑板升降机构通过螺纹与立柱支撑结构两侧螺纹立柱连接；所述套筒升降结构设于支撑板升降机构上方；所述钻进结构包括钻头、钻杆、传动链和伺服电机；所述钻头与钻杆通过螺纹连接配合，适用于多种不同类型钻头破岩机理的研究，可以使用包括PDC钻头和牙轮钻头在内的多种钻头，螺纹连接使钻头的更换简单方便；所述伺服电机固定安装在底座的内壁面上；所述钻杆一端通过传动链与伺服电机连接，钻头通过钻杆由下向上钻进岩石，利用破碎岩屑本身的重力作用实现岩屑与岩体的分离，及时排出岩屑，减小岩屑对实验过程的影响；所述钻杆另一端穿过支撑板升降结构底部的通孔安装在凹槽上。优选的，所述套筒顶端中心设有孔隙压力孔；所述钻杆底端设有液柱压力孔。优选的，所述加载室内包含多个加热电阻片、立方体岩石试件、第一X向加载板、第二X向加载板、第一Y向加载板、第二Y向加载板、各加载板尾部均布两个受力杆和多个水平应力孔，各加载板上的双杆件可以避免施压过程中受力不均和应力集中的情况出现。优选的，所述加载室顶部和底部均设有密封圈。优选的，所述加载室为圆形结构；所述加载室中间留有安装加热电阻片、放置立方体岩石试件、第一X向加载板、第二X向加载板、第一Y向加载板、第二Y向加载板往复运动的方形空余空间；所述加热电阻片均匀分布在加载室的周向内壁；所述加载室的周向内壁四面上分别均匀布置有两个水平应力孔；所述第一X向加载板、第二X向加载板、第一Y向加载板、第二Y向加载板分别通过各面的水平应力孔与加载室连接，能够独立改变岩石试件的三个方向主应力的大小，解决了常规三轴实验的短板。优选的，所述第一X向加载板、第二X向加载板、第一Y向加载板、第二Y向加载板分别朝向四个方向；所述两两相邻加载板之间互相垂直，且两垂直加载板的接触部分处，为端面与正面的交错接触方式，能够紧密压紧岩石试件，同时避免加载板之间的摩擦与错位；所述第一X向加载板、第二X向加载板、第一Y向加载板、第二Y向加载板围成一个中心具有空余空间的结构，所述空余空间用来放置立方体岩石试件。优选的，所述液压供应模块共有四组液压泵与油箱的组合；所述液压泵包含液柱液压泵、孔隙液压泵、X向液压泵和Y向液压泵；所述油箱包含液柱压力油箱、孔隙压力油箱、X向压力油箱和Y向压力油箱；所述液压泵与油箱之间均通过法兰进行连接，然后固定安装在支撑板上。优选的，所述参数控制模块包括多个控制器和传感器；所述控制器包括控制钻头按指定转速旋转的转速控制器，控制套筒升降机构、支撑板升降机构、加载板实现位移变化的位移控制器，控制孔隙压力、液柱压力、加载板、套筒升降机构实现压力变化的压力控制器，控制加载室内部加热电阻片温度变化的温度控制器；所述传感器包括检测套筒升降机构压力变化的轴向压力传感器、检测轴向孔隙压力变化的孔隙压力传感器、检测每个加载板移动距离的第一位移传感器、检测每个加载板压力变化的第一压力传感器、检测每个加热电阻片温度变化的温度传感器、检测钻头相对移动距离的第二位移传感器、检测钻头压力变化的第二压力传感器。一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验方法，采用上述任意一项一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置，其特征在于包括以下步骤：步骤一：制备立方体岩石试件，选取实验钻头，将钻头通过螺纹连接的方式安装在钻杆上，开启数据采集装置，收集实时数据；步骤二：启动能源供应模块，利用三相异步电机为岩石钻进实验装置提供能源动力，并利用油冷却器为三相异步电机降温，同时利用压差发讯器检查岩石钻进实验装置的压差值是否在设定值以内；步骤三：将立方体岩石试件放置于加载室底部的方孔内；步骤四：启动参数控制模块，按照先用位移控制器进行粗调，后用压力控制器进行精准调整的顺序进行操作，控制四个加载板慢慢向立方体岩石试件移动至完全接触，并施加载荷至设定值；步骤五：利用位移控制器将套筒升降机构缓缓下放，调节方式按照先用位移传感器进行粗调，后用压力传感器进行精准调整的顺序进行操作，以确保套筒升降机构的底部能够紧密贴合于立方体岩石试件上方，然后利用温度控制器开启加热电阻片，对加载板与立方体岩石试件进行预热，直到温度传感器达到预定数值并保持一段时间；步骤六：利用位移控制器操控支撑板升降机构向下运动，该过程不启动转速控制器为钻头提供旋转力，与步骤四中的调整方式相同，按照先用位移传感器进行粗调，后用压力传感器进行精准调整的顺序进行操作，以钻头顶部能够与立方体岩石试件底部发生接触为准；步骤七：启动压力控制器，使液柱压力油箱内的液压油注入液柱压力孔内，使孔隙压力油箱内的液压油注入孔隙压力孔内，然后开启钻速控制器和位移控制器，控制钻头按设定值钻进；步骤八：利用数据采集模块，对实验过程中的时间、温度、压力、转速和钻进深度数据进行采集并输出保存，结束实验数据的采集处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置，其特征在于，包括能源供应模块（1）、实验加载模块（2）、液压供应模块（3）、参数控制模块（4）和数据采集模块（5）；所述能源供应模块（1）、实验加载模块（2）和液压供应模块（3）通过管道互相连接；所述参数控制模块（4）和数据采集模块（5）通过电缆与实验加载模块（2）连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置，其特征在于，包括能源供应模块（1）、实验加载模块（2）、液压供应模块（3）、参数控制模块（4）和数据采集模块（5）；所述能源供应模块（1）、实验加载模块（2）和液压供应模块（3）通过管道互相连接；所述参数控制模块（4）和数据采集模块（5）通过电缆与实验加载模块（2）连接。


2.如权利要求1所述的一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置，其特征在于，所述能源供应模块（1）包括三相异步电机（6）、油冷却器（7）、压差发讯器（8）和L型支撑架（9）；所述三相异步电机（6）设于L型支撑架（9）底板；所述油冷却器（7）和压差发讯器（8）设于L型支撑架（9）侧壁；所述压差发讯器（8）设于油冷却器（7）上方；所述压差发讯器（8）、油冷却器（7）和三相异步电机（6）通过管道依次连接。


3.如权利要求1所述的一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置，其特征在于，所述实验加载模块（2）包括立柱支撑结构（10）、套筒升降结构（11）、套筒（12）、加载室（13）、支撑板升降机构（14）、支撑板（15）、底座（16）和钻进结构（17）；所述立柱支撑结构（10）包含多根光滑立柱和螺纹立柱并对称设于底座（16）上方两侧；所述套筒（12）连接套筒升降结构（11）；所述支撑板（15）连接支撑板升降机构（14）；所述套筒升降结构（11）和支撑板升降机构（14）通过螺纹与立柱支撑结构（10）两侧螺纹立柱连接；所述套筒升降结构（11）设于支撑板升降机构（14）上方；所述钻进结构（17）包括钻头（18）、钻杆（19）、传动链（20）和伺服电机（21）；所述钻头（18）与钻杆（19）通过螺纹连接配合；所述伺服电机（21）固定安装在底座（16）的内壁面上；所述钻杆（19）一端通过传动链（20）与伺服电机（21）连接；所述钻杆（19）另一端穿过支撑板升降结构（14）底部的通孔安装在凹槽上。


4.如权利要求3所述的一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置，其特征在于，所述套筒（12）顶端中心设有孔隙压力孔（22）；所述钻杆（19）底端设有液柱压力孔（23）。


5.如权利要求3所述的一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置，其特征在于，所述加载室（13）内包含多个加热电阻片（24）、立方体岩石试件（25）、第一X向加载板（26）、第二X向加载板（27）、第一Y向加载板（28）、第二Y向加载板（29）、各加载板尾部均布两个受力杆和多个水平应力孔（30）。


6.如权利要求3所述的一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置，其特征在于，所述加载室（13）顶部和底部均设有密封圈。


7.如权利要求5所述的一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置，其特征在于，所述加载室（13）为圆形结构；所述加载室（13）中间留有安装加热电阻片（24）、放置立方体岩石试件（25）、第一X向加载板（26）、第二X向加载板（27）、第一Y向加载板（28）、第二Y向加载板（29）往复运动的方形空余空间；所述加热电阻片（24）均匀分布在加载室（13）的周向内壁；所述加载室（13）的周向内壁四面上分别均匀布置有两个水平应力孔（30）；所述第一X向加载板（26）、第二X向加载板（27）、第一Y向加载板（28）、第二Y向加载板（29）分别通过各面的水平应力孔（30）与加载室（13）连接。


8.如权利要求6所述的一种模拟深井钻井真三轴条件的岩石钻进实验装置，其特征在于，所述第一X向加载板（26）、第二X向加载板（27）、第一Y向加载板（28）、第二Y向加载板（29）分别朝向四个方向；所述两两相邻加载板之间互相垂直，且两垂直加载板的接触部分处，为端面与正面的交错接触方式；所述第一X向加载板（26）、第二X向加载板（27）、第一Y向加载板（28）、第二Y向加载板（29）围成一个中心具有空余空间的结构，所述空余空间用来放置立方体岩...

【专利技术属性】
技术研发人员：石祥超，杨昕昊，陈帅，陈彦州，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51