本发明涉及油气资源勘探开发领域的随钻地层压力测量仪器技术领域，尤其是涉及一种地层压力测试物理模拟与刻度装置及方法。
背景技术：
地层压力是指地层孔隙内流体(油、气、水)的压力，亦称为地层压力。对于深地勘探、油气开采、地热开发、co2地质埋存、核废料地质处置等涉及深井钻井的工程，地层压力是重要的基础参数之一，准确地预测、检测地层压力意义重大。地层压力通常随深度线性增加，若以静水压力梯度增加则为正常压力，若低于正常压力梯度则为异常低压，若高于正常压力梯度则为异常高压。异常地层压力给钻井工程、油气开采、地热开发、co2地质埋存、核废料地质处置带来了一系列挑战，如果不能准确地预测、检测，轻者造成工程复杂，重者可能造成经济损失和人员伤亡，后果非常严重。
常规地层压力获取方法主要包括地震波法、钻速法、测井法和地层测试法，但常规地层压力获取方法往往存在精度不高、时间滞后等诸多问题。随着电缆地层测试技术的不断应用、发展以及钻井工程新需求的推动，20世纪90年代中后期，结合随钻测量技术提出了随钻地层压力测试的概念，将测试器安装于井底钻具组合中，在钻井作业暂停期间测试地层压力。为了解决这一问题，halliburton公司在电缆地层测试器基础上研发出了一种探头结构的随钻地层测试器—geo-tap系统；随后，国外各大油服公司相继研发出了类似探头结构的测试器，如bakerhughes公司的tes-trak系统，schlumberger公司的stetho-scope系统，weatherford公司的compact-mft系统。随钻地层压力测试在钻井过程中进行地层压力测试，有效解决了传统方法存在的耗时长、成本高、风险大、时间滞后等一系列难题。近年来，国内也在积极开展随钻地层压力测试器的研发，但是，随钻地层压力测试器主要由国外大型油服公司垄断，国内尚无完全成熟且具有自主知识产权的随钻地层压力测试器，国内研制的sdc-i型随钻地层压力测试器相对成熟，但稳定性和可靠性仍存在较多问题，迫切需要进一步开展相关物理模拟、测试技术和测试工具的研究。
地层压力随钻测试的基本原理：在测试工具侧壁上安装测试探头，测试探头推靠后贴紧井壁地层，由抽吸系统抽吸地层流体产生压降，通过压力计记录预测试室压力随时间的变化曲线，当时间足够长时，测试探头附近地层压力恢复至原始地层压力。地层压力随钻测试过程中，抽吸系统预测试室的压力动态响应非常关键，测试压力响应可大致分为测试前(a)、探测头推靠(b)、压力下降(c)、压力恢复(d)和测试后(e)五个阶段。由于地层压力随钻测试不可能进行长期的压力恢复测试，因此，必须根据测试压力响应曲线计算出地层压力、渗透率、流体流度、地层损害程度等地层的动态参数，此时，压力下降(c)和压力恢复(d)两个阶段关系就显得至关重要，直接影响地层压力等参数的测试精度。为了准确计算或刻度地层压力随钻测试过程中的地层压力等动态参数，物理模拟实验是一种重要手段。但是，针对地层压力测试开展的物理模拟实验和刻度研究工作还很少，现有实验装置在解释与刻度地层渗透率、流度等其他动态参数时精度不够，主要由于现有实验装置的地层压力、围压和井筒压力控制精度不够，而且未见高地层压力情况下的物模实验装置报道。因此，有必要设计并研制高压力高精度的地层压力测试物理模拟与刻度的伺服控制装置，提升地层压力测试的设计、验证与研制能力和水平，加速我国随钻地层压力测试器的研发进程。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提出了一种地层压力测试物理模拟与刻度装置及方法，该装置采用了五路液压伺服控制方案分别控制模拟围压、地层压力、环空压力和测试探头推靠力，可以模拟地层压力测试的物理环境和地层流体抽吸测试过程，实现对地层压力测试的物理模拟，通过数据解释和分析实现地层压力、地层流度、地层渗透率、仪器参数等参数的刻度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种地层压力测试物理模拟与刻度装置，该装置包括设置于外部的机箱架体、用于提供动力的伺服电机和作为测试标的的岩芯。
所述装置包括有设置在机箱架体上的岩芯夹持器，岩芯夹持器内设置有岩芯，岩芯与岩芯夹持器之间留有环空间隙，环空间隙被密封垫片分隔为位于岩芯周侧的围压腔和位于岩芯前后两端的地层压力腔、环空压力腔；所述岩芯夹持器在围压腔、地层压力腔和环空压力腔对应的腔壁上分别开设有围压注入孔、地层压力注入孔和环空压力注入孔，围压注入孔、地层压力注入孔和环空压力注入孔的输入端分别连接围压模拟模块、地层压力模拟模块和环空压力模拟模块。
所述装置还包括推靠力模拟模块，推靠力模拟模块上设置有推力杆，推力杆贯通岩芯夹持器一侧腔壁，并由密封垫片密封；所述推力杆前端设置有模拟探头，模拟探头与岩芯夹持器腔壁之间留有环空间隙。
所述装置还包括抽吸系统，抽吸系统与推力杆连接。
所述装置还包括驱动控制系统，围压模拟模块、地层压力模拟模块、环空压力模拟模块、推靠力模拟模块和抽吸系统均与驱动控制系统连接。
进一步地，所述围压模拟模块包括第一伺服电机，第一伺服电机的一端连接驱动控制系统，另一端依次连接第一减速器、第一滚珠丝杠、第一液压缸、第一组高压截止阀b和第一安全阀，最终连接至围压注入孔；所述围压模拟模块还包括有油箱，油箱中装入液压油，油箱设置于第一液压缸和第一组高压截止阀b之间，且与油箱的连接管路上还设置有第一组高压截止阀a；所述第一液压缸上设置有第一压力传感器，第一压力传感器采集围压信号反馈给驱动控制系统。
进一步地，所述地层压力模拟模块包括第二伺服电机，第二伺服电机的一端连接驱动控制系统，另一端依次连接第二减速器、第二滚珠丝杠、第二液压缸、第二组高压截止阀b和第二安全阀，最终连接至地层压力注入孔；所述地层压力模拟模块还包括有第二容器，第二容器装入模拟地层流体，第二容器设置于第二液压缸和第二组高压截止阀b之间，且与第二容器的连接管路上还设置有第二组高压截止阀a；所述第二液压缸上设置有第二压力传感器，第二压力传感器采集地层压力信号反馈给驱动控制系统。
进一步地，所述环空压力模拟模块包括第三伺服电机，第三伺服电机的一端连接驱动控制系统，另一端依次连接第三减速器、第三滚珠丝杠、第三液压缸、第三组高压截止阀b和第三安全阀，最终连接至环空压力注入孔；所述环空压力模拟模块还包括有第三容器，第三容器装入模拟钻井液，第三容器设置于第三液压缸和第三组高压截止阀b之间，且与第三容器的连接管路上还设置有第三组高压截止阀a；所述第三液压缸上设置有第三压力传感器，第三压力传感器采集环空压力信号反馈给驱动控制系统。
进一步地，所述推靠力模拟模块还包括第四伺服电机，第四伺服电机的一端连接驱动控制系统，另一端依次连接第四减速器、第四滚珠丝杠和第四液压缸，第四液压缸与推力杆连接，且第四液压缸与推力杆之间设置有力传感器，力传感器采集推靠力信号反馈给驱动控制系统。
进一步地，所述抽吸系统包括第五伺服电机，第五伺服电机的一端连接驱动控制系统，另一端依次连接第五减速器、第五滚珠丝杠、第五液压缸和第五高压截止阀，最终通过管路与推力杆连接；所述第五液压缸上设置有第五压力传感器，第五压力传感器采集抽吸信号反馈给驱动控制系统。
优化地，所述抽吸系统与推力杆连接的管路上还设置有外接抽吸系统接口，可连接外部抽吸系统，外接抽吸系统接口的前端设置有第六高压截止阀。
进一步地，所述岩芯外侧包裹有橡胶套。
本发明装置的模拟与刻度方法，包括以下步骤：
步骤s1.准备阶段，根据试验需求制备岩芯，以及准备模拟流体；
步骤s2.安装岩芯，关闭第一组所有高压截止阀b，拆卸岩芯夹持器，手动更换好岩芯和模拟探头的密封垫片，再装好岩芯夹持器；
步骤s3.注入模拟流体，关闭所有高压截止阀a，并分别向油箱、第二容器和第三容器中注入液压油、模拟地层流体和模拟钻井液；打开系统电源，打开所有高压截止阀a，通过驱动控制系统分别控制对应的伺服电机驱动减速器以及滚珠丝杠，带动液压缸中的活塞吸入相应的模拟流体进入液压缸；
步骤s4.施加物理模拟环境压力，关闭所有高压截止阀a，打开所有高压截止阀b，关闭第五高压截止阀、第六高压截止阀；首先，通过驱动控制系统控制第一伺服电机驱动第一减速器和第一滚珠丝杠，带动第一液压缸中的活塞推出围压的液压油流体进入岩芯夹持器，实现围压的施加；然后，通过驱动控制系统控制第二伺服电机、第三伺服电机驱动第二减速器、第三减速器和第二滚珠丝杠、第三滚珠丝杠，带动第二液压缸、第三液压缸中的活塞推出地层压力和环空压力的模拟流体进入岩芯夹持器，实现地层压力和环空压力的施加；通过施加围压、地层压力和环空压力模拟地层压力测试过程中地层岩石所处的物理环境，其中围压、地层压力和环空压力的大小通过计算机自动控制；
步骤s5.探头座封，打开第五高压截止阀或第六高压截止阀，然后通过驱动控制系统控制第四伺服马达驱动第四减速器和第四滚珠丝杠，带动力传感器、推力杆使模拟探头座封在岩芯的右端面，推靠力和推靠位移通过计算机自动控制；
步骤s6.启动抽吸序列，通过驱动控制系统控制第五伺服马达驱动第五减速器和第五滚珠丝杠，带动第五液压缸中的活塞从岩芯中吸入模拟地层流体，模拟地层流体经过模拟探头、推力杆、高压截止阀进入第五液压缸，抽吸完成后继续等待压力恢复，而第五压力传感器记录抽吸测试过程中的压力响应；如果压力进行分步多次抽吸测试，重复步骤s即可实现；
步骤s7.测试结束序列，通过驱动控制系统控制相应伺服电机驱动减速器和滚珠丝杠，带动液压缸中的活塞缩回，释放围压、地层压力和环空压力；通过驱动控制系统控制第四伺服马达驱动第四减速器和第四滚珠丝杠，带动力传感器、推力杆和模拟探头从岩芯的右端面解封；通过驱动控制系统控制第五伺服电机驱动第五减速器和第五滚珠丝杠，带动第五液压缸中的活塞排出地层流体；
步骤s8.结束测试，关闭第一组所有高压截止阀b，打开所有高压截止阀a，通过驱动控制系统控制相应伺服电机驱动减速器和滚珠丝杠，带动液压缸中的活塞排出相应的模拟流体；关闭电源，拆卸岩芯夹持器，手动取出岩芯和模拟探头的密封垫片，并装好岩芯夹持器，整理实验平台。
需要说明的是，在步骤s6中如果采用外接抽吸系统，其操作步骤如下，通过外部驱动控制系统控制外接抽吸系统吸入模拟地层流体，模拟地层流体经过模拟探头、推力杆、高压截止阀进入抽吸系统液压缸，抽吸完成后继续等待压力恢复，同时系统压力传感器记录抽吸测试过程中的压力响应；如果压力进行分步多次抽吸测试，重复步骤s6即可实现；
对于步骤s7，如果采用外接抽吸系统，通过外部驱动控制系统控制抽吸系统排出模拟地层流体，如果压力进行多次重复式抽吸测试，重复步骤s6和步骤s7即可实现。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：可模拟地层压力测试的物理环境和地层流体抽吸测试过程，实现对地层压力测试的物理模拟，可以校准和刻度地层压力测试器，提升地层压力测试能力和控制精度；能够提升我国在地层压力测试的设计、验证与研制能力的水平，加快我国对于地层压力测试器的研发进程。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为本发明的系统参数控制精度监控图；
图3为本发明的地层压力测试压力相应曲线图；
附图标记说明：1-驱动控制系统；21-第一伺服电机；22-第二伺服电机；23-第三伺服电机；24-第四伺服电机；25-第五伺服电机；31-第一减速器；32-第二减速器；33-第三减速器；34-第四减速器；35-第五减速器；41-第一滚珠丝杠；42-第二滚珠丝杠；43-第三滚珠丝杠；44-第四滚珠丝杠；45-第五滚珠丝杠；51-第一液压缸；52-第二液压缸；53-第三液压缸；55-第五液压缸；61-第一压力传感器；62-第二压力传感器；63-第三压力传感器；65-第五压力传感器；71-第一组高压截止阀a；72-第二组高压截止阀a；73-第三组高压截止阀a；81-第一组高压截止阀b；82-第二组高压截止阀b；83-第三组高压截止阀b；91-油箱；92-第二容器；93-第三容器；10-岩芯夹持器；11-力传感器；12-推力杆；13-模拟探头；14-岩芯；151-第一安全阀；152-第二安全阀；153-第三安全阀；16-第五高压截止阀；17第六高压截止阀。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种地层压力测试物理模拟与刻度装置，该装置包括设置于外部的机箱架体、用于提供动力的伺服电机和作为测试标的的岩芯14。
所述装置包括有设置在机箱架体上的岩芯夹持器10，岩芯夹持器10内设置有岩芯14，岩芯14与岩芯夹持器10之间留有环空间隙，环空间隙被密封垫片分隔为位于岩芯14周侧的围压腔和位于岩芯14前后两端的地层压力腔、环空压力腔；所述岩芯夹持器10在围压腔、地层压力腔和环空压力腔对应的腔壁上分别开设有围压注入孔、地层压力注入孔和环空压力注入孔，围压注入孔、地层压力注入孔和环空压力注入孔的输入端分别连接围压模拟模块、地层压力模拟模块和环空压力模拟模块。
所述装置还包括推靠力模拟模块，推靠力模拟模块上设置有推力杆12，推力杆12贯通岩芯夹持器10一侧腔壁，并由密封垫片密封；所述推力杆12前端设置有模拟探头13，模拟探头13与岩芯夹持器10腔壁之间留有环空间隙。
所述装置还包括抽吸系统，抽吸系统与推力杆12连接。
所述装置还包括驱动控制系统1，围压模拟模块、地层压力模拟模块、环空压力模拟模块、推靠力模拟模块和抽吸系统均与驱动控制系统1连接。
所述围压模拟模块包括第一伺服电机21，第一伺服电机21的一端连接驱动控制系统1，另一端依次连接第一减速器31、第一滚珠丝杠41、第一液压缸51、第一组高压截止阀b81和第一安全阀151，最终连接至围压注入孔；所述围压模拟模块还包括有油箱91，油箱91中装入液压油，油箱91设置于第一液压缸51和第一组高压截止阀b81之间，且与油箱91的连接管路上还设置有第一组高压截止阀a71；所述第一液压缸51上设置有第一压力传感器61，第一压力传感器61采集围压信号反馈给驱动控制系统1。
所述地层压力模拟模块包括第二伺服电机22，第二伺服电机22的一端连接驱动控制系统1，另一端依次连接第二减速器32、第二滚珠丝杠42、第二液压缸52、第二组高压截止阀b82和第二安全阀152，最终连接至地层压力注入孔；所述地层压力模拟模块还包括有第二容器92，第二容器92装入模拟地层流体，第二容器92设置于第二液压缸52和第二组高压截止阀b82之间，且与第二容器92的连接管路上还设置有第二组高压截止阀a72；所述第二液压缸52上设置有第二压力传感器62，第二压力传感器62采集地层压力信号反馈给驱动控制系统1。
所述环空压力模拟模块包括第三伺服电机23，第三伺服电机23的一端连接驱动控制系统1，另一端依次连接第三减速器33、第三滚珠丝杠43、第三液压缸53、第三组高压截止阀b83和第三安全阀153，最终连接至环空压力注入孔；所述环空压力模拟模块还包括有第三容器93，第三容器93装入模拟钻井液，第三容器93设置于第三液压缸53和第三组高压截止阀b83之间，且与第三容器93的连接管路上还设置有第三组高压截止阀a73；所述第三液压缸53上设置有第三压力传感器63，第三压力传感器63采集环空压力信号反馈给驱动控制系统1。
所述推靠力模拟模块还包括第四伺服电机24，第四伺服电机24的一端连接驱动控制系统1，另一端依次连接第四减速器34、第四滚珠丝杠44和第四液压缸54，第四液压缸54与推力杆12连接，且第四液压缸54与推力杆12之间设置有力传感器11，力传感器11采集推靠力信号反馈给驱动控制系统1。
所述抽吸系统包括第五伺服电机25，第五伺服电机25的一端连接驱动控制系统1，另一端依次连接第五减速器35、第五滚珠丝杠45、第五液压缸55和第五高压截止阀16，最终通过管路与推力杆12连接；所述第五液压缸55上设置有第五压力传感器65，第五压力传感器65采集抽吸信号反馈给驱动控制系统1。
所述抽吸系统与推力杆12连接的管路上还设置有外接抽吸系统接口，可连接外部抽吸系统，外接抽吸系统接口的前端设置有第六高压截止阀17。
所述岩芯14外侧包裹有橡胶套。
如图1～图3所示，本发明装置的模拟与刻度方法，包括以下步骤：
步骤s1.准备阶段，根据试验需求制备岩芯14，以及准备模拟流体；
步骤s2.安装岩芯14，关闭所有高压截止阀b，拆卸岩芯夹持器10，手动更换好岩芯14和模拟探头13的密封垫片，再装好岩芯夹持器10；
步骤s3.注入模拟流体，关闭所有高压截止阀a，并分别向油箱91、第二容器92和第三容器93中分别注入液压油、模拟地层流体和模拟钻井液；打开系统电源，打开所有高压截止阀a，通过驱动控制系统1分别控制对应的伺服电机驱动减速器以及滚珠丝杠，带动液压缸中的活塞吸入相应的模拟流体进入液压缸；
步骤s4.施加物理模拟环境压力，关闭所有高压截止阀a，打开所有高压截止阀b，关闭第五高压截止阀16、第六高压截止阀17；首先，通过驱动控制系统1控制第一伺服电机21驱动第一减速器31和第一滚珠丝杠41，带动第一液压缸51中的活塞推出围压的液压油流体进入岩芯夹持器10，实现围压的施加；然后，通过驱动控制系统1控制第二伺服电机22、第三伺服电机23驱动第二减速器32、第三减速器33和第二滚珠丝杠42、第三滚珠丝杠43，带动第二液压缸52、第三液压缸53中的活塞推出地层压力和环空压力的模拟流体进入岩芯夹持器10，实现地层压力和环空压力的施加；通过施加围压、地层压力和环空压力模拟地层压力测试过程中地层岩石所处的物理环境，其中围压、地层压力和环空压力的大小通过计算机自动控制；
步骤s5.探头座封，打开第五高压截止阀16或第六高压截止阀17，然后通过驱动控制系统1控制第四伺服马达24驱动第四减速器34和第四滚珠丝杠44，带动力传感器11、推力杆12使模拟探头13座封在岩芯14的右端面，推靠力和推靠位移通过计算机自动控制；
步骤s6.启动抽吸序列，通过驱动控制系统1控制第五伺服马达25驱动第五减速器35和第五滚珠丝杠45，带动第五液压缸55中的活塞从岩芯14中吸入模拟地层流体，模拟地层流体经过模拟探头13、推力杆12、高压截止阀16进入第五液压缸55，抽吸完成后继续等待压力恢复，而第五压力传感器65记录抽吸测试过程中的压力响应；如果压力进行分步多次抽吸测试，重复步骤s6即可实现；
步骤s7.测试结束序列，通过驱动控制系统1控制相应伺服电机驱动减速器和滚珠丝杠，带动液压缸中的活塞缩回，释放围压、地层压力和环空压力；通过驱动控制系统1控制第四伺服马达24驱动第四减速器34和第四滚珠丝杠44，带动力传感器11、推力杆12和模拟探头13从岩芯14的右端面解封；通过驱动控制系统1控制第五伺服电机55驱动第五减速器35和第五滚珠丝杠45，带动第五液压缸55中的活塞排出地层流体；
步骤s8.结束测试，关闭第一组所有高压截止阀b，打开所有高压截止阀a，通过驱动控制系统1控制相应伺服电机驱动减速器和滚珠丝杠，带动液压缸中的活塞排出相应的模拟流体；关闭电源，拆卸岩芯夹持器10，手动取出岩芯14和模拟探头13的密封垫片，并装好岩芯夹持器14，整理实验平台。
需要说明的是，在步骤s6中如果采用外接抽吸系统，其操作步骤如下，通过外部驱动控制系统控制外接抽吸系统吸入模拟地层流体，模拟地层流体经过模拟探头13、推力杆12、高压截止阀17进入抽吸系统液压缸，抽吸完成后继续等待压力恢复，同时系统压力传感器记录抽吸测试过程中的压力响应；如果压力进行分步多次抽吸测试，重复步骤s6即可实现；
对于步骤s7，如果采用外接抽吸系统，通过外部驱动控制系统控制抽吸系统排出模拟地层流体，如果压力进行多次重复式抽吸测试，重复步骤s6和步骤s7即可实现。
本发明装置对于各设定数据的控制精度如下：(1)围压控制精度10psi；(2)地层压力控制精度10psi；(3)环空压力控制精度10psi；(4)探头推靠力控制精度200n。
如图2所示，给出了1000s内环空压力、地层压力、围压和推靠力的控制监测结果，环空压力、地层压力、围压和推靠力的控制目标分别为1200psi、1150psi、1750psi、20kn，对应的控制波动幅度大约为0.07psi、0.08psi、0.11psi、0.11kn，均满足设计的控制精度，压力控制精度为±1.0psi，推靠力控制精度为±1.0％。
如图3所示，给出了4种典型的砂岩测试结果，测试参数和结果如下表1所示，不难发现，地层压力测试与解释结果的误差均在1.0％以内，最高误差仅-0.92％，说明系统的精度满足设计需求。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。