[發明專利]一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測試裝置及測試方法

有效

• 申請號: 201410037618.5
• 申請日: 2014-01-26
• 公開（公告）號: CN103806907A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 孟英峰;陳一健;李皋;劉厚彬;陶祖文
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B49/00
• 分類號: E21B49/00
• 代理公司: 成都金英專利代理事務所(普通合伙) 51218
• 代理人: 袁英

技術領域

本發明涉及油氣田勘探開發領域應用的巖石可鉆性測試技術領域，特別是一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測試裝置及測試方法。

背景技術

巖石可鉆性概念由Tillson在1927年美國哥倫比亞大學采礦工程會議上首次提出，指在一定的技術條件下巖石被破巖工具鉆碎的難易程度。對巖石可鉆性的研究，廣泛應用于石油勘探開發、礦山開采、隧道建設等工程領域。巖石可鉆性除了與巖石礦物組分、孔隙發育情況、地質構造等巖石自身因素有關外，還與破巖工具類型、鉆壓、轉速等施工參數密切相關。因此，從不同角度出發形成了種類繁多的巖石可鉆性測試方法，比較有代表性的方法包括壓入硬度法、點載法、微鉆法、鉆速方程反求法、分形法等。相比而言，微鉆法能夠更好地反映井底鉆頭破巖的過程。為此，2000年國家石油和化學工業局參考1962年Rollow?A.G.提出的微鉆法制訂了《中華人民共和國石油天然氣行業標準（SY/T5426-2000）》，規定了巖石可鉆性測定及分級方法。

近年來隨著我國石油天然氣勘探開發領域不斷向深部地層發展，深井、超深井成為勘探開發主流，深井是指井深為4500m～6000m的井，超深井指井深6000m～8000m的井，深井、超深井鉆遇地層具有的溫度高、壓力高、地質條件復雜、地層巖性致密、可鉆性差等特征成為了制約油氣勘探開發的主要技術瓶頸，實際深井、超深井鉆井過程中地層應力和溫度條件對巖石力學性能影響顯著，從而嚴重影響巖石可鉆性和鉆井機械鉆速，例如《巖土力學》2011年6月第32卷第6期的文章“深部地層巖石力學性質測試與分析研究”對模擬地層溫度和壓力條件下的巖石抗壓強度、內聚力、泊松比以及彈性模量進行測試，測試結果表明深部地層巖石力學性質較上部地層而言發生顯著變化，同時，重慶大學2009年的一篇碩士畢業論文“深部井眼巖石可鉆性與巖石力學特性實驗研究”對深部地層高溫高壓環境下巖石可鉆性級值和機械鉆速進行研究，結果表明高壓對巖石可鉆性級值影響較大，而在井底溫度范圍內的高溫對巖石可鉆性級值的影響相對較小，由此可見，目前未考慮井底地層特性的微鉆法測試巖石可鉆性裝置已經不再滿足石油天然氣勘探開發領域中深井、超深井鉆井技術要求，尤其是不能有效揭示深井、超深井地層條件下實鉆過程中的巖石可鉆性特征。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點，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，可以實現深井、超深井鉆井條件下鉆頭、鉆壓、轉速以及鉆井液類型優選，預測深井、超深井鉆井機械鉆速。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測試裝置，它包括機架、設置于機架上的高溫高壓加載機構以及微鉆頭破巖鉆深測量機構，所述的高溫高壓加載機構包括游梁升降機構、鉆壓作動器、鉆壓傳感器、覆層壓作動器、覆層壓載荷傳感器、上覆巖層壓力加載活塞、三軸腔室、三軸腔室升降器和高溫高壓釜體加熱器。

所述的游梁升降機構包括垂直設置于機架上表面的兩個立柱、兩端分別滑動設置于立柱上的滑塊和垂直支撐滑塊的可調支桿，鉆壓作動器固定安裝于滑塊上，鉆壓作動器的輸出軸固定連接鉆壓傳感器，鉆壓傳感器的下部固定連接覆層壓作動器，覆層壓作動器的底部固定安裝有上加載板，覆層壓作動器的輸出軸固定連接覆層壓載荷傳感器，覆層壓載荷傳感器的下部固定連接上覆巖層壓力加載活塞。

三軸腔室升降器一端固定安裝于覆層壓作動器的一側，三軸腔室升降器的另一端固定連接三軸腔室，三軸腔室的底部依次連接有鉆套和下加載板，上加載板和下加載板之間連接有覆層壓反力桿，高溫高壓釜體加熱器套裝于三軸腔室的外部。

所述的三軸腔室包括本體，本體的內部設置有一個封閉的容腔，容腔內設置有橡膠套，本體的上部設置有一個連通所述容腔的活塞孔，上覆巖層壓力加載活塞的下端設置于該活塞孔內，本體的下部設置有一個連通所述容腔的鉆孔，活塞孔的下邊緣和鉆孔的上邊緣均設置有伸入容腔內部的凸出部，橡膠套的兩端分別套裝在對應側的凸出部外，位于容腔下部一側的本體上設置有連通容腔與本體外部空間的第二壓力接端，位于容腔上部一側的本體上設置有連通容腔與本體外部空間的第三壓力接端，本體下部設置有連通鉆孔與本體外部空間的第四壓力接端，上覆巖層壓力加載活塞本體上設置有連通容腔與本體外部空間的第一壓力接端。

微鉆頭破巖鉆深測量機構包括鉆桿和位移傳感器，位移傳感器安裝于鉆桿上，鉆桿安裝于位于三軸腔室下部的機架上，鉆桿通過推力軸承安裝于機架上，鉆桿上部穿過鉆套后伸入三軸腔室的鉆孔內，鉆桿的頂部安裝有微鉆頭，鉆桿與設置在機架內的可調速電機的輸出軸連接。