專利名稱：鉆井井底參數相互作用模擬實驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種油田鉆井相關參數實驗裝置，具體地說是一種鉆井井底參數相互作用模擬實驗裝置，為油田欠平衡鉆井提供可靠的理論數據，便于制定出欠平衡鉆井的更加合理的實施方案。
背景技術：
欠平衡鉆井技術已被證明是一種可行和經濟有效的方法。在常規(guī)過平衡或近平衡鉆井中，鉆井液除具攜帶巖屑、穩(wěn)定井壁、冷卻鉆頭等作用以外，更為重要的是平衡地層壓 力，防止地層流體進入井筒。而欠平衡鉆井則有意識地改變井底循環(huán)壓力，使其低于產層壓力，當繼續(xù)鉆進時，這個欠平衡壓力使產層流體流入井筒，從而避免了流體漏失和降低地層傷害等系列問題。此外，欠平衡鉆井還具有延長鉆頭壽命，利于發(fā)現(xiàn)油氣藏和保護環(huán)境以及降低增產措施作業(yè)成本等優(yōu)點。本裝置可以模擬欠平衡鉆井過程中的轉速、鉆壓、上覆壓力、地層壓力、井底循環(huán)壓力等參數，從而可以在室內對欠平衡鉆井的過程、機理、效果等進行模擬試驗，對鉆井過程中各種因素的相互作用進行研究。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種鉆井井底參數相互作用模擬實驗裝置，為油田欠平衡鉆井提供可靠的理論數據，便于制定出欠平衡鉆井的更加合理的實施方案。本實用新型的技術方案是通過以下方式實現(xiàn)的本實用新型包括巖心夾持機構、鉆進機構、施壓機構和施壓控制管路，其特征在于巖心夾持機構與鉆進機構同心安裝在實驗架的上下，巖心夾持機構垂直固定在夾持器臺面的上部，鉆進機構通過鉆進支架固定在夾持器臺面的下部；鉆進機構的鉆頭垂直對在巖心夾持機構內的巖心底中部；施壓機構包括給巖心夾持機構施壓的恒壓泵、軸壓泵和環(huán)壓泵，恒壓泵出口壓力通過帶壓力傳感器的恒壓管路和地層壓力注入孔直接施壓在巖心上頂面上，軸壓泵出口壓力通過帶壓力傳感器的軸壓管路與軸壓孔相通，通過軸壓堵頭施壓在巖心的上端面上，環(huán)壓泵出口壓力通過帶壓力傳感器的環(huán)壓管路與環(huán)壓孔相通、通過設在巖心外周的支撐鋼筒和橡膠施壓在巖心的環(huán)周面上；施壓機構還包括鉆進機構的恒壓泵和高壓氣源，恒壓泵出口壓力或高壓氣源壓力通過帶壓力傳感器的恒壓管路或高壓氣源管路與鉆桿上的鉆進液孔相通，施壓在鉆頭的上端面的巖心上；巖心恒壓機構的恒壓泵對巖心所施加的恒壓液和鉆進機構的恒壓泵或高壓氣源對巖心施加的施壓液或施壓的高壓氣通過由過濾器、回壓器和流量計組成的施壓控制管路進行控制；回壓器與鉆進機構的高壓氣源的氣管相連，通過高壓氣源的供氣壓力控制夾持機構的恒壓泵、鉆進機構的恒壓泵和高壓氣源對巖心施加壓力，回壓器的傳感器和流量計給計算機傳遞信號，通過計算機程序控制相關參數變化，制定出欠壓鉆井的合理的鉆井方案，從而提高鉆井速度、鉆井質量和降低鉆井成本。[0007]夾持機構包括夾持器體、軸壓柱塞、夾持器堵頭、卡榧、井底t吳擬腔體和夾持器臺面，夾持器體設為圓柱形，夾持器體通過井底模擬腔體和卡箍固定在夾持器臺面中心孔的上面，在夾持器體內腔中部設有巖心，在巖心的外周設有橡膠筒，在橡膠筒中部外徑縮徑段上設有支撐筒，在巖心的上部設有軸壓柱塞，在橡膠筒的上端部設錐形的密封端蓋，在密封端蓋的上面設有與夾持器螺紋連接的組合式夾持器堵頭，夾持器堵頭與軸壓柱塞之間動密封配合；在夾持器堵頭的上頂面上設有一個軸壓孔，在夾持器體的中部設有一個圍壓孔，在井底模擬腔體下部外周設有一個壓力調節(jié)孔，在井底模擬腔體底中心設有一個鉆桿密封件。鉆進機構包括與夾持器臺面固定連接的弓字形鉆進支架，在鉆進支架與夾持器臺面中心孔對應處設有的帶內齒的皮帶輪，與皮帶輪同軸線的且固定在鉆進支架下部的鉆壓模擬腔體，設在鉆壓模擬腔體內的活塞，穿過活塞和皮帶輪中心孔的中部外周設齒、上頂部設鉆頭、中心設鉆井液孔的鉆桿，將活塞與鉆桿旋轉配合連接一體的軸承架和軸承，設在鉆進支架一側下部的的電動機，設在鉆壓模擬腔體下部外周的鉆壓注入孔，皮帶輪通過皮帶與電動機皮帶輪連接，鉆井液孔通過旋轉接頭與鉆進機構的恒壓管路或高壓氣源管路連接，鉆壓注入孔與高壓氣源管連接。本實用新型經檢索尚未發(fā)現(xiàn)有相似的技術，本實用新型具有以下優(yōu)點I、能模擬欠平衡鉆井或常規(guī)過平衡鉆井或近平衡鉆井過程中相互作用的參數變化，總結出合理鉆井的規(guī)律，給制定合理鉆井方案，提供可靠的依據。2、控制鉆井過程中相互作用的參數變化設備儀器的運轉、流量壓力的變化，鉆井壓力和鉆井速度的快慢、鉆頭處壓力大小、回流壓力的大小，參數的采集都是通過計算機程序控制，實驗數據準確。3、制定出的欠平衡鉆井方案，能發(fā)現(xiàn)地層壓力較小的油氣層，能節(jié)約鉆井成本。

圖I-本實用新型實驗流程圖圖2-夾持器的結構示意圖圖3-鉆井機構的結構示意圖圖I中I-圍壓泵2-軸壓泵3-壓力傳感器4-恒壓泵5-夾持機構6_過濾器7-回壓器8-流量計9-鉆進機構10-減壓閥11-高壓氣源12-放空閥圖2中5-1-夾持器臺面5-2-井底模擬腔體5_3_卡箍5_4_圍壓孔5_5_夾持器體5-6-夾持器堵頭5-7-軸壓腔體5-8-軸壓柱塞5-9-地層壓力注入孔5_10_0形圈5-11-密封端蓋5-12-巖心5-13-橡膠筒5_14_回流孔5_15_鉆桿密封件圖3中9-1-鉆壓注入孔9-2-鉆壓模擬腔體9-3-鉆進支架9-4-軸承9_5_皮帶輪9-6-鉆井液孔9-7-鉆桿9-8-鉆頭9-9-鉆桿上的齒9_10_皮帶9_11_電動機皮帶輪9-12-軸承9-13-活塞9-14-電動機9_15_旋轉接頭9_16_鉆井液入口。
具體實施方式
為進一步公開本實用新型的技術方案，下面結合說明書附圖通過實施例作詳細說明[0020]如圖1、2、3所示本實用新型包括夾持機構5、鉆進機構9、施壓機構和施壓控制管路，其特征在于夾持機構5與鉆進機構9同心安裝在夾持器臺面5-1的上下，夾持機構垂直固定在夾持器臺面5-1的上部，鉆進機構通過鉆進支架9-3固定在夾持器臺面的下部；鉆進機構的鉆頭9-8垂直對在巖心夾持機構內的巖心5-2底中部；施壓機構包括給夾持機構施壓的恒壓泵4、軸壓泵2和環(huán)壓泵1，恒壓泵出口壓力通過帶壓力傳感器3的恒壓管路和地層壓力注入孔5-9直接施壓在巖心上頂面上，軸壓泵出口壓力通過帶壓力傳感器3的軸壓管路與軸壓孔5-7相通，通過軸壓柱塞5-8施壓在巖心的上端面上，環(huán)壓泵出口壓力通過帶壓力傳感器3的環(huán)壓管路與環(huán)壓孔相通、通過設在巖心外周的支撐鋼筒和橡膠筒5-13施壓在巖心的環(huán)周面上；施壓機構還包括鉆進機構的恒壓泵和高壓氣源11，恒壓泵出口壓力或高壓氣源壓力通過帶壓力傳感器的恒壓管路或高壓氣源管路與鉆桿上的鉆進液孔相通，施壓在鉆頭的上端面的巖心上；巖心恒壓機構的恒壓泵對巖心所施加的恒壓液和鉆進機構的恒壓泵或高壓氣源對巖心施加的施壓液或施壓的高壓氣通過由過濾器6、回壓器7和流量計8組成的施壓控制管路進行控制；回壓器與鉆進機構的高壓氣源的氣管相連，通過高壓氣源的供氣壓力控制夾持機構的恒壓泵、鉆進機構的恒壓泵和高壓氣源對巖心施加壓力，回壓器的傳感器和流量計給計算機傳遞信號，通過計算機程序控制相關參數變化，制定出欠壓鉆井的合理的鉆井方案，從而提高鉆井速度、鉆井質量和降低鉆井成本。
如圖2所示，夾持機構5的恒壓管路通過軸壓柱塞5-8上的地層壓力注入孔5-9向巖心5-12內注入液體(煤油)，模擬地層某層段的地層壓力，軸壓管路通過夾持器堵頭5-6上的軸壓孔5-7向軸壓柱塞5-8的環(huán)形斷面上注入液體，通過軸壓柱塞5-8向巖心5-12表面施加壓力，模擬地層的下復壓力或支撐力；軸壓腔體的壓力在O形圈5-10密封下不泄漏；圍壓管路通過夾持器體5-5上的圍壓孔5-4向支撐筒施壓，支撐筒向橡膠筒5-13施壓，橡膠筒向巖心施壓，模擬地層環(huán)周的擠壓在密封端蓋5-11密封和限位作用下，壓力不會泄漏和分解。如圖3所示，鉆進機構9通過鉆進支架9-3與夾持機構5同心固定在夾持器臺面5-1上，通過電動機9-14、電動機皮帶輪9-11、皮帶9-10、皮帶輪9_5給鉆桿9_7和鉆頭9_8提供旋轉動力，鉆桿上的外齒9-9通過與皮帶輪9-5的內齒嚙合使鉆桿旋轉；鉆進機構的恒壓管路和高壓氣源管路，通過與鉆桿旋轉連接的旋轉接頭9-15和鉆井液注入口 9-16向鉆頭端部注入泥砂攜帶液或高壓氣，模擬鉆井液注入壓力和流量；通過鉆壓模擬腔體9-2上的鉆壓注入孔9-1注入高壓氣，通過活塞9-13和將活塞9-13與鉆桿9_7以旋轉方式連接一體的軸承9_12推動鉆桿前進，模擬鉆進壓力和鉆進速度。如圖1、2所示，模擬的鉆井液注入壓力如果小于模擬的地層壓力，是欠壓鉆井，如果大于或平衡于模擬地壓力是常規(guī)的過平衡鉆井或近平衡鉆井，模擬鉆井液注入過壓力的大小，流量大小是通過與井底模擬腔體5-2上的回流口 5-14連接的，由過濾器6、回壓器、流量計8和壓力傳感器3，減壓閥10和放空閥12組成控管路控制。I、本實用新型的主要技術指標①鉆頭直徑31.75mm(l· 266' )^1^16.35^1(1/4')②轉速(T200rpm連續(xù)可調，并可由計算機設定③鉆壓牙輪890 N土 10N，PDC500N土 ION[0029]④上覆壓力IOOMPa清水⑤地層壓力JOMPa煤油⑥井底循環(huán)壓力70MPa 空氣和清水⑦巖心尺寸76.2mm(3' ) X [50 88. 9mm(3. 5')]⑧預鉆深度、鉆深計算機輸入控制。⑨清水流量、空氣流量都由流量計計量。⑩圍壓、軸壓、孔隙壓力大小都由計算機輸入控制。2、鉆井液注入循環(huán)系統(tǒng)采用空氣和清水作為循環(huán)介質，因此該系統(tǒng)主要分兩部分，一部分是高壓空氣循環(huán)系統(tǒng)，一部分是高壓水循環(huán)系統(tǒng)，兩部分相互獨立，又相互聯(lián)系。高壓空氣循環(huán)系統(tǒng)主要包括靜音空氣壓縮機，氣驅氣增壓泵，高壓儲氣罐，高壓減壓閥，回壓閥，可更換濾芯的過濾器，流量計，回壓調節(jié)器，壓力傳感器等。高壓水循環(huán)系統(tǒng)主要包括高壓恒壓柱塞泵(ISC0100D)，中間容器，回壓閥，可更換濾芯的過濾器，流量計，回壓調節(jié)器，壓力傳感器等。3、圍壓和軸壓系統(tǒng)圍壓和軸壓的提供是MP — I型多功能液壓泵自動提供MP — I型多功能液壓泵有如下功能a、既可手動也可電動，也可由計算機控制運行。在不接電的情況下，裝上搖柄即可手動加壓或泄壓，其操作與手動計量泵完全一致；接上電就可通過控制面板進行加壓泄壓，面板上有啟停、正轉、反轉、高中低三擋速度控制等，通過這些按鈕可以實現(xiàn)電動操作；當我們使用接口線將其連上計算機即可實現(xiàn)計算機控制。b、壓力O — lOOMPa，加壓速度可以控制。C、壓力自動跟蹤技術通過控制軟件自動跟蹤圍壓的變化，自動調整泵的運行，按照預設的圍壓參數實現(xiàn)恒壓控制。d、設計有柱塞前后限位、超壓斷電保護、脫機強制停止等安全保護措施。該套系統(tǒng)由以下幾個部分組成步進電機(START公司)；步進電機驅動器(START公司)；變壓器(START公司)；控制電路；計量泵；壓力傳感器(進口，精度小于O. 2%)控制流程面板，應用軟件。4、模擬地層壓力系統(tǒng)選用美國進口的ISCO 100D型精密注射泵平，流量范圍(T25ml/min，壓力范圍(T70MPa,即可恒壓也可恒速。該泵由美國ISCO公司生產，是D系列的連續(xù)注射泵。整個系統(tǒng)主要由控制器'K、B兩個單泵體和連接管線閥門組成。控制器主要由采集電路、控制電路和顯示模塊組成，它與單泵體之間信號線連接，開機后，可以自動檢測各泵體的型號和工作狀態(tài)及各項工作參數，并可以對各參數進行修改和設定。啟動工作后，控制器實時顯示A、B各泵體的工作壓力，工作流量，泵內工作液體容量等具體參數。另外，控制器預留有與計算機和電磁閥的通訊接口，方便以后的升級改動。單泵體主要由傳感器、信號電路、工作腔體和控制電機組成，它的外圍控制上則僅有一個電源開關，相互只需要簡單的管線閥門連接后便可工作。該系統(tǒng)不僅可以采用水、煤油、酒精等作為工作液，還可以采用液態(tài)二氧化碳等壓縮氣體作為工作液，對實際的實驗具有更大的意義。該系統(tǒng)在長期的應用中，整體性能穩(wěn)定，工作可靠，極大的方便了實驗工作。100D系統(tǒng)的主要工作參數
系統(tǒng)型號工作壓力工作流量j攀泵體容量泵偉回填 (PSD (ML/miii) (ML) 速度(ML)
D系列最大最小最大I最小I最大最小 IOOD 10000 10 25.000 0,001 133 25 0.0015、自動控制和數據采集系統(tǒng)系統(tǒng)操作采用Windows2000中文操作系統(tǒng)，應用軟件采用Visual Basic6. O編程，最后生成的可執(zhí)行文件作成安裝光盤，數據采集板采用精度為16位的靈華pci總線數據采集板。并配備我廠自行研制的計算機數據采集外圍電路。計算機采用研華工業(yè)控制計算機，配置P4 3. 2G，內存512M，硬盤160G，17"液晶顯示器；HP1020激光打印機。操作控制軟件全中文界面，操作靈活、方便，所有輸入和提示都使用窗口式的對話框，實驗流程示意，便于熟悉系統(tǒng)操作；試驗完后計算機直接輸出的數據報表。
權利要求1.一種鉆井井底參數相互作用模擬實驗裝置，包括巖心夾持機構、鉆進機構、施壓機構和施壓控制管路，其特征在于巖心夾持機構與鉆進機構同心安裝在實驗架的上下，巖心夾持機構垂直固定在夾持器臺面的上部，鉆進機構通過鉆進支架固定在夾持器臺面的下部；鉆進機構的鉆頭垂直對在巖心夾持機構內的巖心底中部；施壓機構包括給巖心夾持機構施壓的恒壓泵、軸壓泵和環(huán)壓泵，恒壓泵出口壓力通過帶壓力傳感器的恒壓管路和地層壓力注入孔直接施壓在巖心上頂面上，軸壓泵出口壓力通過帶壓力傳感器的軸壓管路與軸壓孔相通，通過軸壓堵頭施壓在巖心的上端面上，環(huán)壓泵出口壓力通過帶壓力傳感器的環(huán)壓管路與環(huán)壓孔相通、通過設在巖心外周的支撐鋼筒和橡膠施壓在巖心的環(huán)周面上；施壓機構還包括鉆進機構的恒壓泵和高壓氣源，恒壓泵出口壓力或高壓氣源壓力通過帶壓力傳感器的恒壓管路或高壓氣源管路與鉆桿上的鉆進液孔相通，施壓在鉆頭的上端面的巖心上；巖心恒壓機構的恒壓泵對巖心所施加的恒壓液和鉆進機構的恒壓泵或高壓氣源對巖心施加的施壓液或施壓的高壓氣通過由過濾器、回壓器和流量計組成的施壓控制管路進行控制；回壓器與鉆進機構的高壓氣源的氣管相連，通過高壓氣源的供氣壓力控制夾持機構的恒壓泵、鉆進機構的恒壓泵和高壓氣源對巖心施加壓力，回壓器的傳感器和流量計給計算機傳遞信號，通過計算機程序控制相關參數變化，制定出欠壓鉆井的合理的鉆井方案。
2.根據權利要求書I所述的鉆井井底參數相互作用模擬實驗裝置，其特征在于夾持機構包括夾持器體、軸壓柱塞、夾持器堵頭、卡扼、井底t旲擬腔體和夾持器臺面，夾持器體設為圓柱形，夾持器體通過井底模擬腔體和卡箍固定在夾持器臺面中心孔的上面，在夾持器體內腔中部設有巖心，在巖心的外周設有橡膠筒，在橡膠筒中部外徑縮徑段上設有支撐筒，在巖心的上部設有軸壓柱塞，在橡膠筒的上端部設錐形的密封端蓋，在密封端蓋的上面設有與夾持器螺紋連接的組合式夾持器堵頭，夾持器堵頭與軸壓柱塞之間動密封配合；在夾持器堵頭的上頂面上設有一個軸壓孔，在夾持器體的中部設有一個圍壓孔，在井底模擬腔體下部外周設有一個壓力調節(jié)孔，在井底模擬腔體底中心設有一個鉆桿密封件。
3.根據權利要求書I所述的鉆井井底參數相互作用模擬實驗裝置，其特征在于鉆進機構包括與夾持器臺面固定連接的弓字形鉆進支架，在鉆進支架與夾持器臺面中心孔對應處設有的帶內齒的皮帶輪，與皮帶輪同軸線的且固定在鉆進支架下部的鉆壓模擬腔體，設在鉆壓模擬腔體內的活塞，穿過活塞和皮帶輪中心孔的中部外周設齒、上頂部設鉆頭、中心設鉆井液孔的鉆桿，將活塞與鉆桿旋轉配合連接一體的軸承架和軸承，設在鉆進支架一側下部的的電動機，設在鉆壓模擬腔體下部外周的鉆壓注入孔，皮帶輪通過皮帶與電動機皮帶輪連接，鉆井液孔通過旋轉接頭與鉆進機構的恒壓管路或高壓氣源管路連接，鉆壓注入孔與高壓氣源管連接。
專利摘要一種鉆井井底參數相互作用模擬實驗裝置，包括巖心夾持機構、鉆進機構、施壓機構和施壓控制管路，巖心夾持機構與鉆進機構同心安裝在實驗架的上下，巖心恒壓機構的恒壓泵對巖心所施加的恒壓液和鉆進機構的恒壓泵或高壓氣源對巖心施加的施壓液或施壓的高壓氣通過由過濾器、回壓器和流量計組成的施壓控制管路進行控制；回壓器與鉆進機構的高壓氣源的氣管相連，通過高壓氣源的供氣壓力控制夾持機構的恒壓泵、鉆進機構的恒壓泵和高壓氣源對巖心施加壓力，回壓器的傳感器和流量計給計算機傳遞信號，通過計算機程序控制相關參數變化，制定出欠壓鉆井的合理的鉆井方案，從而提高鉆井速度、鉆井質量和降低鉆井成本。
文檔編號E21B47/00GK202628070SQ201220139240
公開日2012年12月26日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權日2012年4月5日
發(fā)明者李曉東, 邵東亮, 侯立群, 鄭明軍, 劉峰 申請人:青島石大華通科技有限公司