[發明專利]一種能夠測試巖石三軸強度參數的多功能鉆頭破巖實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201710702954.0
• 申請日: 2017-08-16
• 公開（公告）號: CN107505207B
• 公開（公告）日: 2019-12-31
• 發明（設計）人: 劉清友;歐成華;朱海燕;陶雷;李斌
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12
• 代理公司: 51218 成都金英專利代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 袁英

本發明公開了一種能夠測試巖石三軸強度參數的多功能鉆頭破巖實驗裝置，它包括主體裝置、壓頭結構、圍壓系統、聲發射系統、溫度控制系統和孔隙物料注入系統。本發明的有益效果是：能夠在密閉環境下模擬地層真實的溫度，地應力，孔隙壓力，同時完成三軸力學測試和鉆頭破巖測試，可以測定巖樣的應力應變曲線，鉆頭、鉆柱的動態振動、鉆壓、進尺對巖樣破碎的影響，為多種條件下復雜油氣藏力學性質和鉆頭破巖研究提供實驗依據，并且在測試巖石常規力學性質的同時進行破巖實驗，達到設計溫度壓力條件后可一次性完成兩個實驗，總體耗時短，能有效提高井下巖心的利用率。

技術領域

本發明涉及石油與天然氣工程領域，特別是一種能夠測試巖石三軸強度參數的多功能鉆頭破巖實驗裝置及方法。

背景技術

我國經過半個多世紀的勘探與開發，淺層常規油氣資源勘探開發程度越來越高，為了緩解國內油氣供需壓力，國家把深層油氣資源與海洋及深水油氣資源和非常規油氣資源并列為國家油氣戰略發展的三大領域。

深層油氣資源一般賦存在6000米以上的深層地層中，巖石致密，三向地應力高、孔隙壓力大、溫度高等都是制約我國深層油氣資源開采的關鍵問題。針對該類巖層，鉆井耗時長、成本高、鉆具易損壞和巖石的可鉆性研究困難成為制約深層油氣資源開發的主要瓶頸。而目前可以通過加溫度變化及孔隙壓力變化來模擬真實地層條件的破巖裝置幾乎沒有。如CN 104749052 A，CN 104237484 A，CN 104297049 A和CN 104198311 A中破巖都是處于常溫常壓的開放環境中，無法對巖樣進行加溫、加孔隙壓力等操作。而由于溫度和孔隙壓力、孔隙介質的變化，巖石的力學性質及與鉆頭作用機理將產生顯著的變化，故不能采用常規破巖裝置來研究深層油氣巖層的破巖問題。

地熱資源的開發，主要面臨著地層溫度高（中溫地熱為90到150℃，而高溫地熱資源則在150℃以上），巖石堅硬致密，鉆井、壓裂難度大等實際問題。而目前可以通過加溫度變化來模擬真實地熱開發有關地層條件的破巖裝置幾乎沒有。如CN 104749052 A，CN104237484 A，CN 104297049 A和CN 104198311 A中破巖都是處于常溫常壓的開放環境中，無法對巖樣進行加溫或者無法達到150℃以上（常規水浴加熱最高僅能達到100℃）。而由于溫度和孔隙壓力、孔隙介質的變化，巖石的力學性質及與鉆頭作用機理將產生顯著的變化，故不能采用常規破巖裝置來研究地熱開采相關的破巖問題。

天然氣水合物，作為深水油氣資源中和非常規油氣資源的重要組成之一，也面臨著極大的開發難度。天然氣水合物俗稱“可燃冰”，由沙土、水和甲烷在低溫高壓的條件下結合而成的冰狀固體，對溫度、壓力條件極為敏感，極易在應力干擾和微裂縫較多時從固體變為氣體，迅速分解并將甲烷逸散到海水和空氣中，成為巨大的安全隱患，將對生態環境造成嚴重的威脅。目前可以在密閉條件下，通過調整溫度變化和壓力變化來模擬真實天然氣水合物開發時的低溫（-10℃）條件的破巖裝置幾乎沒有。如CN 104749052 A，CN 104237484A，CN 104297049 A和CN 104198311 A中破巖都是處于常溫常壓的開放環境中。而其他天然氣水合物相關實驗裝置又無法滿足破巖實驗的需求。故不能采用常規破巖裝置來研究天然氣水合物開采相關的破巖問題。

另一方面，目前的破巖實驗裝置僅能完成破巖這一目的，不能在破巖的同時測得巖石的力學性質。而由于井下取樣困難、花費極大，井下巖樣的珍貴，若能將巖石力學性質測試和破巖實驗同時進行，將大大節約實驗資金投入和對井下巖心巖樣的最大化利用。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點，提供一種能夠測試巖石三軸強度參數的多功能鉆頭破巖實驗裝置及方法。