一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測試裝置及測試方法
專利匯可以提供一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測試裝置及測試方法專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且本 發(fā)明 公開了一種深井、超深井鉆井 巖石 可鉆性測試裝置及測試方法，該測試裝置包括 機(jī)架 （1）、設(shè)置于機(jī)架（1）上的高溫高壓加載機(jī)構(gòu)以及微 鉆頭 破巖鉆深測量機(jī)構(gòu)，其向三軸腔室內(nèi)的巖樣施加圍壓、孔隙壓 力 以及液柱壓力，利用 液壓 泵 向巖樣施加上覆巖 層壓 力，模擬井底 地層 高壓環(huán)境，并通過微鉆頭處位移 傳感器 測試鉆深與時(shí)間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)鉆壓、轉(zhuǎn)速、 鉆井液 類型優(yōu)選，以及鉆井機(jī)械鉆速預(yù)測。本發(fā)明的有益效果是：可以滿足模擬深井、超深井鉆井過程中對井底 溫度 和壓力要求，并且具有深鉆孔單次實(shí)驗(yàn)測量多組巖石可鉆性值的功能，極大地提高了單次實(shí)驗(yàn)測試的效率，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。，下面是一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測試裝置及測試方法專利的具體信息內(nèi)容。
1.一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測試裝置，其特征在于：它包括機(jī)架（1）、設(shè)置于機(jī)架（1）上的高溫高壓加載機(jī)構(gòu)以及微鉆頭破巖鉆深測量機(jī)構(gòu)，所述的高溫高壓加載機(jī)構(gòu)包括游梁升降機(jī)構(gòu)（2）、鉆壓作動器（3）、鉆壓傳感器（4）、覆層壓作動器（5）、覆層壓載荷傳感器（6）、上覆巖層壓力加載活塞（7）、三軸腔室（8）、三軸腔室升降器（9）和高溫高壓釜體加熱器（10），
所述的游梁升降機(jī)構(gòu)（2）包括垂直設(shè)置于機(jī)架（1）上表面的兩個(gè)立柱（11）、兩端分別滑動設(shè)置于立柱（11）上的滑塊（12）和垂直支撐滑塊（12）的可調(diào)支桿（13），鉆壓作動器（3）固定安裝于滑塊（12）上，鉆壓作動器（3）的輸出軸固定連接鉆壓傳感器（4），鉆壓傳感器（4）的下部固定連接覆層壓作動器（5），覆層壓作動器（5）的底部固定安裝有上加載板（14），覆層壓作動器（5）的輸出軸固定連接覆層壓載荷傳感器（6），覆層壓載荷傳感器（6）的下部固定連接上覆巖層壓力加載活塞（7）；
三軸腔室升降器（9）一端固定安裝于覆層壓作動器（5）的一側(cè)，三軸腔室升降器（9）的另一端固定連接三軸腔室（8），三軸腔室（8）的底部依次連接有鉆套（15）和下加載板（16），上加載板（14）和下加載板（16）之間連接有覆層壓反力桿（17），高溫高壓釜體加熱器（10）套裝于三軸腔室（8）的外部；
所述的三軸腔室（8）包括本體（18），本體（18）的內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)封閉的容腔（19），容腔（19）內(nèi)設(shè)置有橡膠套（20），本體（18）的上部設(shè)置有一個(gè)連通所述容腔（19）的活塞孔（21），上覆巖層壓力加載活塞（7）的下端設(shè)置于該活塞孔（21）內(nèi)，本體（18）的下部設(shè)置有一個(gè)連通所述容腔（19）的鉆孔（22），活塞孔（21）的下邊緣和鉆孔（22）的上邊緣均設(shè)置有伸入容腔（19）內(nèi)部的凸出部（23），橡膠套（20）的兩端分別套裝在對應(yīng)側(cè)的凸出部（23）外，位于容腔（19）下部一側(cè)的本體（18）上設(shè)置有連通容腔（19）與本體（18）外部空間的第二壓力接端（24），位于容腔（19）上部一側(cè)的本體（18）上設(shè)置有連通容腔（19）與本體（18）外部空間的第三壓力接端（25），本體（18）下部設(shè)置有連通鉆孔（22）與本體（18）外部空間的第四壓力接端（26），上覆巖層壓力加載活塞（7）本體（18）上設(shè)置有連通容腔（19）與本體（18）外部空間的第一壓力接端（27）；
微鉆頭破巖鉆深測量機(jī)構(gòu)包括鉆桿（28）和位移傳感器（29），位移傳感器（29）安裝于鉆桿（28）上，鉆桿（28）安裝于位于三軸腔室（8）下部的機(jī)架（1）上，鉆桿（28）通過推力軸承（30）安裝于機(jī)架（1）上，鉆桿（28）上部穿過鉆套（15）后伸入三軸腔室（8）的鉆孔（22）內(nèi)，鉆桿（28）的頂部安裝有微鉆頭（31），鉆桿（28）與設(shè)置在機(jī)架內(nèi)的可調(diào)速電機(jī)的輸出軸連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測試裝置，其特征在于：所述的機(jī)架（1）上設(shè)置有用于引導(dǎo)下加載板（16）垂直方向運(yùn)動的導(dǎo)向桿（32）。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測試裝置，其特征在于：
所述的機(jī)架（1）上設(shè)置有用于引導(dǎo)鉆桿（28）相對于三軸腔室（8）垂直方向運(yùn)動的導(dǎo)向座（33），導(dǎo)向座（33）套裝于下加載板（16）的外部，且導(dǎo)向座（33）的內(nèi)壁與下加載板（16）的外壁間隙配合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測試裝置，其特征在于：所述的上覆巖層壓力加載活塞（7）與活塞孔（21）之間、鉆桿（28）與鉆孔（22）之間均設(shè)置有耐腐蝕橡膠密封環(huán)（34）。
5.采用如權(quán)利要求1所述的一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測試裝置的測試方法，其特征在于：它包括以下步驟：
S1、通過調(diào)節(jié)游梁升降機(jī)構(gòu)（2）和三軸腔室升降器（9）將巖樣（35）通過活塞孔（21）放置于三軸腔室（8）內(nèi)部，巖樣（35）位于橡膠套（20）內(nèi)；然后通過調(diào)節(jié)三軸腔室升降器（9），使三軸腔室（8）在導(dǎo)向桿（32）引導(dǎo)下向上提升，上覆巖層壓力加載活塞（7）伸入活塞孔（21）預(yù)壓緊巖樣（35），從而將巖樣（35）封閉在三軸腔室（8）內(nèi)；
S2、覆層壓作動器（5）控制上覆巖層壓力加載活塞（7）對巖樣（35）進(jìn)行上覆巖層壓力加載，并通過覆層壓反力桿（17）進(jìn)行平衡，上覆巖層壓力加載載荷由覆層壓載荷傳感器（6）進(jìn)行采集，上覆巖層壓力由液壓泵提供動力源并作用于上覆巖層壓力加載活塞（7），上覆巖層壓力加載過程受覆層壓作動器（5）控制；
S3、待上覆巖層壓力加載完畢，對巖樣（35）施加模擬井底圍壓、孔隙壓力、液柱壓力以及溫度，并測量微鉆頭（31）有效鉆深與時(shí)間關(guān)系，其具體操作步驟為：
S31、施加模擬井底圍壓，向第二壓力接端（24）泵入液壓油，三軸腔室（8）內(nèi)的空氣通過第三壓力接端（25）排除，關(guān)閉第三壓力接端（25），繼續(xù)泵入液壓油，液壓油擠壓橡膠套（20）定量產(chǎn)生圍壓并作用于巖樣（35）；
S32、施加模擬井底孔隙壓力，通過孔隙壓力液壓伺服系統(tǒng)向第一壓力接端（27）泵入模擬地層流體，模擬地層流體侵入巖樣（35）產(chǎn)生孔隙壓力；
S33、施加模擬井底液柱壓力，向第四壓力接端（26）泵入鉆井液，鉆井液作用于巖樣（35）的端面；
S34、施加模擬井底溫度，通過高溫高壓釜體加熱器（10）向三軸腔室（8）加載溫度條件；
S35、測量微鉆頭（31）有效鉆深與時(shí)間關(guān)系，施加模擬深井、超深井井底壓力和溫度載荷后，鉆壓作動器（3）的輸出軸對穩(wěn)定連接為一體的鉆壓傳感器（4）、覆壓動作器（5）、上加載板（14）、覆層壓反力桿（17）、下加載板（16）和鉆套（15）施加向下的壓力，使鉆套（15）向下移動，微鉆頭（31）通過鉆套（15），頂住巖心產(chǎn)生鉆壓，利用推力軸承（30）在導(dǎo)向套的引導(dǎo)下、通過鉆壓作動器（3）控制將鉆桿（28）相對三軸腔室（8）向上提升，鉆桿（28）上頂部的微鉆頭（31）被頂入三軸腔室（8）內(nèi)并接觸巖樣（35），鉆桿（28）由驅(qū)動裝置驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，測試巖石可鉆性時(shí)推力軸承（30）向鉆桿（28）和微型鉆頭施加鉆壓，上述加載過程的鉆壓加載載荷由鉆壓傳感器（4）進(jìn)行采集，并由鉆壓作動器（3）對鉆壓加載過程進(jìn)行控制，由位移傳感器（29）記錄有效鉆深及相應(yīng)的時(shí)間。
一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測試裝置及測試方法
技術(shù)領(lǐng)域
背景技術(shù)
發(fā)明內(nèi)容
S2、覆層壓作動器控制上覆巖層壓力加載活塞對巖樣進(jìn)行上覆巖層壓力加載，并通過覆層壓反力桿進(jìn)行平衡，上覆巖層壓力加載載荷由覆層壓載荷傳感器進(jìn)行采集，上覆巖層壓力由液壓泵提供動力源并作用于上覆巖層壓力加載活塞，上覆巖層壓力加載過程受覆層壓作動器控制；
S3、待上覆巖層壓力加載完畢，對巖樣施加模擬井底圍壓、孔隙壓力、液柱壓力以及溫度，并測量微鉆頭有效鉆深與時(shí)間關(guān)系，其具體操作步驟為：
S31、施加模擬井底圍壓，向第二壓力接端泵入液壓油，三軸腔室內(nèi)的空氣通過第三壓力接端排除，關(guān)閉第三壓力接端，繼續(xù)泵入液壓油，液壓油擠壓橡膠套定量產(chǎn)生圍壓并作用于巖樣；
S32、施加模擬井底孔隙壓力，通過孔隙壓力液壓伺服系統(tǒng)向第一壓力接端泵入模擬地層流體，模擬地層流體侵入巖樣產(chǎn)生孔隙壓力；
S33、施加模擬井底液柱壓力，向第四壓力接端泵入鉆井液，鉆井液作用于巖樣的端面；
S34、施加模擬井底溫度，通過高溫高壓釜體加熱器向三軸腔室加載溫度條件；
S35、測量微鉆頭有效鉆深與時(shí)間關(guān)系，施加模擬深井、超深井井底壓力和溫度載荷后，鉆壓作動器的輸出軸對穩(wěn)定連接為一體的鉆壓傳感器、覆壓動作器、上加載板、覆層壓反力桿、下加載板和鉆套施加向下的壓力，使鉆套向下移動，微鉆頭通過鉆套，頂住巖心產(chǎn)生鉆壓，利用推力軸承在導(dǎo)向套的引導(dǎo)下、通過鉆壓作動器控制將鉆桿相對三軸腔室向上提升，鉆桿上頂部的微鉆頭被頂入三軸腔室內(nèi)并接觸巖樣，鉆桿由驅(qū)動裝置驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，測試巖石可鉆性時(shí)推力軸承向鉆桿和微型鉆頭施加鉆壓，上述加載過程的鉆壓加載載荷由鉆壓傳感器進(jìn)行采集，并由鉆壓作動器對鉆壓加載過程進(jìn)行控制，由位移傳感器記錄有效鉆深及相應(yīng)的時(shí)間。
附圖說明
圖中，1-機(jī)架，2-游梁升降機(jī)構(gòu)，3-鉆壓作動器，4-鉆壓傳感器，5-覆層壓作動器，
6-覆層壓載荷傳感器，7-上覆巖層壓力加載活塞，8-三軸腔室，9-三軸腔室升降器，10-高溫高壓釜體加熱器，11-立柱，12-滑塊，13-可調(diào)支桿，14-上加載板，15-鉆套，16-下加載板，17-覆層壓反力桿，18-本體，19-容腔，20-橡膠套，21-活塞孔，22-鉆孔，23-凸出部，24-第二壓力接端，25-第三壓力接端，26-第四壓力接端，27-第一壓力接端，28-鉆桿，
29-位移傳感器，30-推力軸承，31-微鉆頭，32-導(dǎo)向桿，33-導(dǎo)向座，34-耐腐蝕橡膠密封環(huán)，35-巖樣。
具體實(shí)施方式
第一是未加載上覆巖層壓力，深井、超深井鉆井過程中井底巖石受到覆蓋在該巖石上部的地層巖石以及孔隙流體的重力作用，在測試巖石可鉆性過程中表現(xiàn)為巖樣上端面非切屑破壞面所承受的壓力，該壓力對井底巖石應(yīng)力場具有顯著影響；
第二未加載井筒液柱壓力，隨著鉆井井深的增加，尤其在深井、超深井鉆井過程中井筒中作用在井底巖石上端面切屑破壞面的液柱壓力明顯增大，在測試巖石可鉆性過程中已經(jīng)不能再忽略井筒液柱壓力對巖樣端面的作用，同時(shí)，為模擬實(shí)際鉆井過程，應(yīng)該考慮不同類型鉆井流體對巖樣端面的理化作用，因此也需要在巖樣破壞面作用不同類型鉆井流體，也必然產(chǎn)生井筒液柱壓力；
第三是未加載圍壓，井底巖石處于復(fù)雜的地層應(yīng)力環(huán)境當(dāng)中受到地層圍巖的作用，將巖石所受的復(fù)雜的地層圍巖作用表示為等效圍壓的作用，對于研究實(shí)際鉆井過程中的巖石可鉆性具有重要意義；
第四是未加載地層孔隙壓力，巖石由巖石骨架和孔隙組成，外界施加的載荷由巖石骨架和孔隙中的流體承擔(dān)，地層當(dāng)中連通孔隙中的流體壓力即為孔隙壓力，孔隙壓力對于巖石強(qiáng)度等巖石力學(xué)性能具有顯著影響；
第五是未加載地層溫度，雖然溫度對巖石可鉆性和鉆井機(jī)械鉆速影響較小，但是隨著鉆井井深的增加，尤其是在深井、超深井鉆井過程中井底巖石所處溫度環(huán)境將明顯升高，溫度對于巖石的力學(xué)性能具有明顯影響，此時(shí)已經(jīng)不能再忽視溫度對巖石的作用，模擬地層條件下測試巖石可鉆性需要加載井底地層溫度條件；
第六是鉆壓和轉(zhuǎn)速不可調(diào)，目前根據(jù)微鉆法制造的全自動巖石可鉆性測試儀只能在轉(zhuǎn)速為55r/min的條件下，對牙輪微鉆頭施加890N±20N的鉆壓或者對PDC微鉆頭施加
500N±10N的鉆壓，測試有效鉆深為2.4mm或者3mm時(shí)的巖石可鉆性，但對于深部地層可鉆性級值極高的部分地層巖石而言，在規(guī)定的鉆壓和轉(zhuǎn)速的條件下微鉆頭牙齒根本無法鉆進(jìn)，難以保證有效鉆深，從而無法定量評價(jià)巖石可鉆性，同時(shí)，鉆壓和轉(zhuǎn)速作為鉆井施工的主要參數(shù)，實(shí)驗(yàn)測試不同鉆壓和轉(zhuǎn)速對巖石可鉆性的影響，在指導(dǎo)現(xiàn)場施工方面具有重要的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。
33套裝于下加載板16的外部，且導(dǎo)向座33的內(nèi)壁與下加載板16的外壁間隙配合。
S2、覆層壓作動器5控制上覆巖層壓力加載活塞7對巖樣35進(jìn)行上覆巖層壓力加載，并通過覆層壓反力桿17進(jìn)行平衡，上覆巖層壓力加載載荷由覆層壓載荷傳感器6進(jìn)行采集，上覆巖層壓力由液壓泵提供動力源并作用于上覆巖層壓力加載活塞7，上覆巖層壓力加載過程受覆層壓作動器5控制；
S3、待上覆巖層壓力加載完畢，對巖樣35施加模擬井底圍壓、孔隙壓力、液柱壓力以及溫度，并測量微鉆頭31有效鉆深與時(shí)間關(guān)系，其具體操作步驟為：
S31、施加模擬井底圍壓，通過圍壓液壓伺服系統(tǒng)向第二壓力接端24泵入液壓油，三軸腔室8內(nèi)的空氣通過第三壓力接端25排除，關(guān)閉第三壓力接端25，繼續(xù)泵入液壓油，液壓油擠壓橡膠套20定量產(chǎn)生圍壓并作用于巖樣35；
S32、施加模擬井底孔隙壓力，通過孔隙壓力液壓伺服系統(tǒng)向第一壓力接端27泵入模擬地層流體，模擬地層流體侵入巖樣35產(chǎn)生孔隙壓力，加載過程受到耐高壓和耐腐蝕橡膠密封環(huán)34作用以保證滿足高孔隙壓力要求和實(shí)現(xiàn)上覆巖層壓力加載活塞7往復(fù)式動密封，所述橡膠密封環(huán)最高承壓能力為120MPa；
S33、施加模擬井底液柱壓力，通過鉆井液液柱壓力液壓伺服系統(tǒng)向第四壓力接端26泵入鉆井液，鉆井液作用于巖樣35的端面，加載過程受到耐高壓和耐腐蝕橡膠密封環(huán)34作用以保證滿足高孔隙壓力要求和實(shí)現(xiàn)上覆巖層壓力加載活塞7往復(fù)式動密封，所述橡膠密封環(huán)最高承壓能力為120MPa；
S34、施加模擬井底溫度，通過高溫高壓釜體加熱器10向三軸腔室8加載溫度條件；
S35、測量微鉆頭31有效鉆深與時(shí)間關(guān)系，施加模擬深井、超深井井底壓力和溫度載荷后，鉆壓作動器3的輸出軸對穩(wěn)定連接為一體的鉆壓傳感器4、覆壓動作器5、上加載板14、覆層壓反力桿17、下加載板16和鉆套15施加向下的壓力，使鉆套15向下移動，微鉆頭31通過鉆套15，頂住巖心產(chǎn)生鉆壓，利用推力軸承30在導(dǎo)向套的引導(dǎo)下、使鉆桿28相對三軸腔室8向上提升，鉆桿28上頂部的微鉆頭31被頂入三軸腔室8內(nèi)并接觸巖樣35，鉆套15作為二者的過渡連接結(jié)構(gòu)一方面保證結(jié)構(gòu)的密封性能，另一方面起支持巖樣35下端面的作用。
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