专利名称：一种超深井钻进模拟实验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超深井钻进模拟实验装置。
背景技术：
随着人类对能源的迫切需求，油气和矿产开发的区域不断延伸，由1000m以内的 浅层井到现在的4500m以上的深井和6000m以上的超深井，钻井的深度越来越深，钻探的难 度越来越大。由于深井和超深井的地层具有高温度、高压力的特点，其钻进过程与浅层钻探 具有非常大的差别。通常在实验室采用钻进模拟实验对实际钻进过程进行模拟，测试钻进 过程的各项参数，实现对钻具、钻头、钻进工艺、岩样、钻井液等的性能测试与评价，通过统 计和分析各项参数的关系，指导实际钻进工艺参数的设置和新钻具的开发。目前，钻进模拟实验装置都是在常温常压或低温条件下进行的，没有用于模拟超 深井高温高压条件下的。“微钻实验台的研制与应用”(煤田地质与勘探，2002，30 63-64) 涉及的微钻实验台可实现钻进过程监测、岩样可钻性分级、钻具的性能与寿命等参数，但不 能实现超深井高温高压条件的钻进过程模拟。专利CN1176741C涉及的实验装置可以对低 温条件下天然气水合物的钻探和开采过程进行模拟，但不能实现对超深井岩石钻进过程的 模拟。专利CN101144805A涉及的实验仪可以测试钻井液在高温高压条件下的性能指标，但 不能实现钻进过程的模拟。俄罗斯和美国有可用于模拟超深井高温高压条件的台架实验装 置，实验装置造价高，体积庞大，不适于室内研究试验。尚未检索到适合实验室使用的在超 深井高温高压条件的钻进模拟实验装置。本发明提供一种超深井高温高压条件下的模拟钻 进实验装置，可实现超深井模拟钻进过程中的钻进参数监测。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于提供一种超深井钻进模拟实验装置，实验装置 用于模拟超深井的高温高压条件，还可用于模拟钻进过程。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下超深井钻进模拟实验装置，它主要由 钻进系统、高压釜系统、岩样加热与加压系统、检测系统和数据采集系统(22)、微机数据处 理系统(21)组成。所述的超深井钻进模拟实验装置，钻进系统的钻杆通过压力容器(18)的钻杆孔 伸入到高压釜系统中，供气与增压通过管道与高压釜的进气口(28)相连接，加热与温控部 分位于高压釜系统内部，通过电阻丝进行加热，通过热电偶(5)对岩样的温度进行测试，通 过岩样夹持加压机构(24)对岩样进行加压，检测系统主要由钻进参数检测系统和温度、压 力检测系统组成，钻进参数检测系统由导线与PLC(22)相连接，温度、压力检测系统由温度 传感器和压力表直接读出，PLC(22)与微机数据处理系统(21)相连接。所述的钻进系统由架体、动力头系统、钻井液系统、液压系统组成。所述的架体由机座(3)、导轨座(14)、立柱⑷组成。机座(3)为整个实验平台的 底座，立柱(4)安装在底座两侧，导轨座(14)安装在两个立柱上。架体为整个动力台的支架，安装有导向柱，为动力头提供支撑和导向，及承受动力头给进力反力矩和回转扭矩的反 力矩。导轨座通过立柱与机座相连接，钻进系统安装在导轨座上通过液压系统实现钻进运 动，岩样通过液压系统固定在实验台上，数据采集系统由安装在轴承部，数据采集系统通过 导线与微机数据处理系统相连接。所述的动力头系统由变频电机(13)、钻杆(19)、水龙头(16)、钻头(23)组成。变 频电机(13)安装在导轨座(14)上，变频电机(13)输出端接有水龙头(16)的传输端，水 龙头(16)的输入端接到钻井液系统的输出接口，水龙头(16)输出端接有钻杆(19)，钻杆 (19)上装有钻进参数检测系统，钻杆的输出端接有钻头(23)。
所述的钻井液系统由高压泥浆泵(15)、钻井液流量计(Li)、钻井液、钻井液收集 容器(2)和管道组成。泥浆泵(27)通过管道与钻井液流量计(Li)连接，经过水龙头(16) 将钻井液输入到高压釜内，钻井液通过钻井液出口(1)经管道流入钻井液收集容器(2)中。所述的液压系统由油箱，液压泵、液压阀和液压缸(11)组成。液压泵一端通过油 管和油箱连接，另一端与液压缸相连接。液压缸通过上下两个支座(10)固定在顶板(12) 上。液压系统主要分为三条支路，一条支路控制钻进系统的钻进，一条支路控制压力容器 (18)的上升和下降，另外一条支路控制岩样夹持加压机构(24)对岩样的加压力。所述的高压釜系统主要由动密封装置(9)、压力容器(18)、钻杆柱(19)、钻头 (23)、箍(25)、实验台(29)组成。压力容器上装有气体出口(8)、压力表(7)、观察窗、进气 口(28)、钻井液出口(1)；压力容器内部为反应腔，压力容器的上下部分通过箍(25)密封式 固定连接；压力容器顶部开有钻杆孔，钻杆柱(19)穿过钻杆孔，钻杆柱(19)与压力容器动 密封装置(9)相连接，钻杆柱(19)的一端与钻头(23)相连接并位于反应腔内，另一端与变 频电机相连接。所述的岩样加热与加压系统主要由岩样夹持加压机构(24)，加热电阻丝和测温热 电偶组成。岩样夹持加压机构(24)作用是夹持岩样、并可小范围的移动岩样，通过液压系 统对岩样进行加压，夹持机构周围有加热电阻丝和测温的热电偶，对岩样进行加热和温控。所述的检测系统由钻进参数检测系统和温度、压力检测系统组成。其中钻进参数 检测系统主要由钻压传感器、扭矩传感器、转速传感器、进尺传感器组成，钻压传感器、扭矩 传感器、转速传感器、进尺传感器分别由导线与PLC(22)相连接；温度、压力检测系统则分 别由温度传感器和压力表读出。所述的数据采集系统由PLC(22)组成，PLC(22)通过导线与微机数据处理系统 (21)相连，是实现数据的采集与控制单元。所述的微机数据处理系统由微机数据处理系统(21)组成，通过微机实现对实验 数据的显示与控制。本发明涉及的超深井钻进模拟实验装置模拟岩样的高温高压条件和微型钻机结 合在一起，模拟超深钻井的高温高压条件，可实现钻进过程中钻进参数的监测，可以满足多 种科学实验研究，具有功能齐全和自动化程度高等优点。
图1是超深井钻进模拟实验装置的结构示意2是超深井钻进模拟实验装置的系统工作原理简图
图3是超深井钻进模拟实验装置的岩样夹持加压机构结构示意图
图1中，1-钻井液出口，2-钻井液收集容器，3-机座，4-立柱，5-热电偶，6_岩样， 7-压力表，8-排气孔，9-动密封装置，10-液压缸支座，11-液压缸，12-顶板，13-变频电机， 14-导轨座，15-高压泥浆泵，16-水龙头，17-传感器，18-压力容器，19-钻杆，20-立柱， 21-微机数据处理系统，22-PLC，23-钻头，24-岩样夹持加压机构，25-箍，26-支座，27-真 空泵，28-进气口，29-实验台，30-导轨，Ll-钻井液流量计，Vl，V2-阀门。图3中，1-岩样，2-热电偶，3-液压夹具，4-加热电阻丝，5_活动夹块，6_手柄。
具体实施例方式如图1所示，本发明涉及的超深井钻进模拟实验装置，它主要由钻进系统、高压釜系统、岩样加热与加压系统、检测系统和数据采集系统(22)、微机数据处理系统(21)组成。所述的超深井钻进模拟实验装置，钻进系统的钻杆通过压力容器(18)的钻杆孔 伸入到高压釜系统中，供气与增压通过管道与高压釜的进气口(28)相连接，加热与温控部 分位于高压釜系统内部，通过电阻丝进行加热，通过热电偶(5)对岩样的温度进行测试，通 过液压系统控制岩样夹持加压机构(24)对岩样的加压力，检测系统主要由钻进参数检测 系统和温度、压力检测系统组成，钻进参数检测系统由导线与PLC(22)相连接，温度、压力 检测系统由温度传感器和压力变直接读出，PLC(22)与微机数据处理系统(21)相连接。下面就以模拟钻进过程参数监测为例来说明该实验装置的实验原理和操作使用 方法。1、如图3将岩样(1)通过岩样夹持加压机构夹紧在实验台上，卡盘的夹块夹紧面 为V字形，以适应试样的不规则形状。岩样夹持加压机构底部有导轨，可以通过移动岩样， 实现在岩样不同部位钻进、岩样夹持加压机构的箱体底部开有通道，可使泥浆流入托板中， 再经托板的流道从接管流出，进入泥浆池。岩样的四周还有均勻分布的8个加热电阻丝(4) 可以对岩样实现加热，以模拟超深井高温的条件，岩样夹持加压机构通过液压系统对岩样 进行加压，以模拟超深井的高压条件。2、钻杆(19)经压力容器(18)上方的钻杆孔伸入到压力容器中并和钻头相连接， 并用动密封装置将顶部钻杆孔密封，利用液压系统将压力容器关闭，用箍(25)夹紧密封， 真空泵(27)通过管道将空气经进气口(28)压入到高压釜中，通过压力表(7)随时检测高 压釜中的压力。3、利用液压缸(11)将导轨座(14)升到一个指定的高度，然后接通电源，打开变频 电机(13)，电机通过联轴器带动钻杆柱(19)进而带动钻头(23)转动实现向下的钻进运动， 控制好钻进速度，在钻进过程中通过水龙头(16)和钻杆柱(19)不断地向岩样(6)注入钻 井液，用钻井液流量计(Li)控制好钻井液的流量，直到钻到岩样(6)的底部为止。对岩样 的钻进可实现对超深井高温高压钻进过程的模拟。4、如图2所示，将步骤(2)中利用安装在系统上的钻速传感器、扭矩传感器、钻 压传感器、进尺传感器和钻井液流量传感器测得的钻速、扭矩、钻压、进尺量和钻井液流量 等数据信息通过PLC (22)和导线传递到微机数据处理系统中，并在系统的显示器上显示出 来，根据收集到的这些信息利用分析程序自动绘制出曲线并作出适当的判断，得出超深井 钻探的影响情况，得到最适合钻探工作的工况，整个钻进过程的时间可以用微机内部的计时器来记录。5、实验结束时，将高压釜内的气体经排气孔(8)排出，将高压釜内的钻井液经过钻井液出口(1)和管道排放到钻井液收集容器(2)中。本发明专利超深井钻进模拟实验装置具有通用性，可以适用于超深井高温高压条 件下的钻进过程的模拟和工艺研究，提供了一种模拟超深钻井高温高压条件钻进的实验装置。
权利要求
一种超深井钻进模拟实验装置，它包括超深井钻进模拟实验装置，它主要由钻进系统、高压釜系统、岩样加热与加压系统、检测系统和数据采集系统(22)、微机数据处理系统(21)。其特征在于供气与增压装置由管道与反应釜的进气口(28)相连，导轨座(14)通过立柱(4)与机座(3)相连接，钻进系统安装在导轨座(14)上通过液压系统在高压釜内实现钻进运动，岩样(6)固定在实验台上，通过电阻丝对岩样进行加热，通过岩样夹持加压机构(24)对岩样进行加压，数据采集系统由安装在钻杆上，数据采集系统通过导线与PLC(22)和微机数据处理系统(21)相连接。
2.根据权利1要求所述的超深井钻进模拟实验装置，其特征是所述的钻进系统由架 体、动力头系统、钻井液系统、液压系统组成。所述的架体由机座(3)、导轨座(14)、立柱(4) 组成。机座(3)为整个实验平台的底座，立柱(4)安装在底座两侧，导轨座(14)安装在两 个立柱上。所述的动力头系统由变频电机(13)、钻杆(19)、水龙头(16)、钻头(23)组成。 变频电机(13)安装在导轨座(14)上，变频电机(13)输出端接有水龙头(16)的传输端，水 龙头(16)的输入端接到钻井液系统的输出接口，水龙头(16)输出端接有钻杆(19)，钻杆 (19)上装有钻进参数检测系统，钻杆的输出端接有钻头(23)。所述的钻井液系统由高压泥 浆泵(15)、钻井液流量计(Li)、钻井液、钻井液收集容器(2)和管道组成。泥浆泵(27)通 过管道与钻井液流量计(Li)连接，经过水龙头(16)将钻井液输入到高压釜内，钻井液通过 钻井液出口(1)经管道流入钻井液收集容器(2)中。所述的液压系统由油箱，液压泵、液压 阀和液压缸(11)组成。液压泵一端通过油管和油箱连接，另一端与液压缸相连接。液压缸 通过上下两个支座(10)固定在顶板(12)上。液压系统主要分为三条支路，一条支路控制 钻进系统的钻进，一条支路控制高压釜的打开和关闭，另外一条支路控制岩样夹持加压机 构(24)对岩样的加压力。
3.根据权利1要求所述的超深井钻进模拟实验装置，其特征是所述的高压釜系统主要 由动密封装置(9)、压力容器(18)、钻杆柱(19)、钻头(23)、箍(25)、实验台(29)组成。压 力容器上含有气体出口(8)、压力表(7)、观察窗、进气口(28)、钻井液出口(1)；压力容器 内部为反应腔，压力容器的上下部分通过箍(24)密封式固定连接；压力容器顶部开有钻杆 孔，钻杆柱(19)穿过钻杆孔，钻杆柱(19)与压力容器动密封装置(9)相连接，钻杆柱(19) 的一端与钻头(23)相连接并位于反应腔内，另一端与微型钻机相连接。
4.根据权利1要求所述的超深井钻进模拟实验装置，其特征是所述的岩样加热与加 压系统主要由岩样夹持加压机构(24)，加热电阻丝和测温热电偶组成。岩样夹持加压机构 (24)作用是夹持岩样、并可小范围的移动岩样，通过液压系统对岩样进行加压，夹持机构周 围有加热电阻丝和测温的热电偶，对岩样进行加热和温控。
5.根据权利1要求所述的超深井钻进模拟实验装置，其特征是所述的检测系统由钻进 参数检测系统和温度、压力检测系统组成。其中钻进参数检测系统主要由钻压传感器、扭矩 传感器、转速传感器、进尺传感器组成，钻压传感器、扭矩传感器、转速传感器、进尺传感器 分别由导线与PLC(22)相连接；温度、压力检测系统则分别由温度传感器和压力表读出。
6.根据权利1要求所述的超深井钻进模拟实验装置，其特征是所述的数据采集系统由 PLC(22)组成，PLC(22)通过导线与微机数据处理系统(21)相连。
全文摘要
本发明涉及一种超深井钻进模拟实验装置，它主要由钻进系统、高压釜系统、岩样加热与加压系统、检测系统和数据采集系统(22)、微机数据处理系统(21)组成。钻进系统由架体、动力头系统、钻井液系统、液压系统组成，高压釜系统主要由动密封装置(9)、压力容器(18)、钻杆柱(19)、钻头(23)、箍(25)、实验台(29)组成，检测系统主要由钻进参数检测系统和温度、压力检测系统组成，PLC(22)与微机数据处理系统(21)相连接。岩样放置在实验台(29)上，电阻丝对岩样进行加热，岩样夹持加压机构(24)对岩样进行加压，钻进系统对岩样进行钻进。本发明提供一种超深井高温高压条件下的模拟钻进实验装置。
文档编号E21B47/00GK101806214SQ20101014367
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月12日 优先权日2010年4月12日
发明者付志强, 孙金声, 岳 文, 杨泽星, 王成彪 申请人:中国地质大学(北京);中国石油集团钻井工程技术研究院