[發(fā)明專利]考慮鉆柱動態(tài)振動的頁巖破碎實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

在審

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• 申請日: 2014-11-10
• 公開（公告）號: CN104297049A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱海燕;肖曉華;陳松;王騰
• 申請（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué)
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01N3/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石油與地質(zhì)鉆井工程中的巖石破碎實(shí)驗(yàn)裝置，特別涉及一種考慮鉆柱動態(tài)振動的頁巖破碎實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長，能源需求急劇增加，石油天然氣資源供需矛盾加劇。2013年我國石油的對外依存度達(dá)58.1％，天然氣達(dá)到31.6％，大大超過國際公認(rèn)的警戒線，嚴(yán)重威脅到國家能源戰(zhàn)略的安全，必須尋找新的資源。天然氣作為一種清潔能源，在我國能源消費(fèi)中所占比例低(2011年僅為4.5％)。2012年中國天然氣產(chǎn)量約1000億方，進(jìn)口約400億方。如果要將我國天然氣消費(fèi)比例提高至10％，天然氣供需差距將達(dá)到2000億方以上，必須尋找新的天然氣資源，頁巖氣的勘探開發(fā)是最現(xiàn)實(shí)的選擇。我國頁巖氣分布廣泛，資源量豐富，開發(fā)潛力巨大。據(jù)國際能源署估計(jì)，我國14個盆地中的25個頁巖構(gòu)造含有頁巖氣資源，總資源量約為15～30×10¹²m³，與美國主要盆地和地區(qū)的28.3×10¹²m³資源量大致相當(dāng)，蘊(yùn)含巨大的經(jīng)濟(jì)潛力。

頁巖氣水平井的多段體積壓裂是實(shí)現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開采的關(guān)鍵，長水平段對鉆柱的水平極限延伸能力以及由此引起的長水平段鉆柱的動態(tài)振動特性提出更高的要求。鉆柱振動引起牙齒與頁巖的高頻碰撞，極易致使牙齒的加速磨損、碎齒和斷齒，直接影響頁巖氣儲層的安全、高效鉆井；同時，由于鉆頭的橫向、縱向跳動，極易鉆出“葫蘆形”的井眼形狀，為后期的固井和壓裂改造帶來一系列難題。

美國頁巖氣產(chǎn)區(qū)主要分布在比較穩(wěn)定的大地構(gòu)造單元內(nèi)，地層呈現(xiàn)較為強(qiáng)烈的橫觀各向同性。而我國頁巖層均經(jīng)歷了強(qiáng)烈的后期改造，地質(zhì)條件相對復(fù)雜，頁巖分布不穩(wěn)定，地層傾斜，頁巖呈現(xiàn)較強(qiáng)的各向異性特征。我國頁巖氣埋藏普遍超過3000米，頁巖更加致密。鉆井過程中高強(qiáng)度和高研磨性頁巖致使其可鉆性極差，機(jī)械鉆速較低，鉆井周期長而引起井壁垮塌，單井鉆井成本平均比美國高40-50％。這主要是由于各向異性頁巖的破碎機(jī)理沒有掌握、鉆頭選型不當(dāng)和不能實(shí)現(xiàn)長水平段“一趟鉆”完井等造成的。

目前，現(xiàn)有的各向同性砂巖的破巖裝置僅能考慮巖石的破碎體積，難以測量鉆柱的動態(tài)振動對破巖體積、鉆壓、鉆速、進(jìn)尺和扭矩的影響，而頁巖的各向異性易引起鉆柱的動態(tài)振動又是頁巖破碎必須考慮的主要因素之一。

鑒于此，本發(fā)明人憑借多年的相關(guān)設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，采用實(shí)驗(yàn)測定鉆柱動態(tài)振動對破巖體積、鉆壓、鉆速和扭矩的影響，提出一種考慮鉆柱動態(tài)振動的頁巖破碎實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，為頁巖氣鉆井個性化鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)以及鉆井參數(shù)優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)裝置與方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種考慮鉆柱動態(tài)振動的頁巖破碎實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，通過實(shí)驗(yàn)研究頁巖的破碎機(jī)理以及鉆柱動態(tài)振動對頁巖破巖體積、鉆壓、鉆速和扭矩的影響。

本發(fā)明解決此技術(shù)問題的技術(shù)方案是：一種考慮鉆柱動態(tài)振動的頁巖破碎實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置包括一層板1、鉆壓檢測裝置、二層板2、平面推力球軸承27、三層板3、夾持裝置、扭矩檢測裝置、位移檢測裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、鉆柱14和鉆頭10；所述一層板1是通過螺栓槽37和螺栓槽38用螺栓將其固定在搖臂鉆床的工作臺上；所述鉆壓檢測裝置是在所述一層板1和所述二層板2之間安裝一個或三個懸臂梁壓力傳感器29，用于測量鉆壓；所述二層板2與所述三層板3之間通過所述平面推力球軸承27連接；所述夾持裝置是在所述三層板3上通過螺栓安裝角鋼4和角鋼26，其中角鋼4的側(cè)壁開圓孔，并在圓孔內(nèi)焊接一個螺母6，螺母6內(nèi)預(yù)先放置一個六角螺栓5，通過所述六角螺栓5旋轉(zhuǎn)推動所述角鋼4和角鋼26之間的一個活動板7，從而夾緊頁巖9；所述扭矩檢測裝置是在一層板1上通過螺栓連接角鋼32，墊片33通過螺栓與所述角鋼32連接，在所述墊片33上安裝有一個懸臂梁壓力傳感器30，墊片34通過螺栓連接所述懸臂梁壓力傳感器30，角鋼8通過螺栓連接在三層板3上；位移檢測裝置由角鋼25通過螺栓槽36用螺栓將其連接在搖臂鉆床的工作臺上，條形鋼板19使用螺栓連接在角鋼25上，在條形鋼板19上螺栓連接角鋼18，在角鋼18上焊接連接板17，在連接板17上通過螺栓連接安裝位移傳感器15，位移傳感器15的拉桿16螺栓連接塑料圓環(huán)11，所述塑料圓環(huán)11的內(nèi)環(huán)面通過高強(qiáng)度膠水與滾動軸承12的外圈環(huán)面粘接，滾動軸承12的內(nèi)圈環(huán)面通過高強(qiáng)度膠水與“T”形鋼管13的外表面粘接，“T”形鋼管13的內(nèi)表面與鉆柱14的外表面通過螺釘33固定在一起。