專利名稱：地層條件下巖石可鉆性測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于石油 /天然氣開采設(shè)備，具體是一種地層條件下巖石可鉆性測試 儀，它是石油/天然氣開采工程中模擬地層條件鉆井進行研究巖石可鉆性的必備設(shè)備。
背景技術(shù)：
在石油/天然氣鉆井工程中，為了選擇合理的鉆頭和鉆井工藝，需要了解巖石 的可鉆性。由于巖石的可鉆性除了與巖石本身機械強度有關(guān)外，還與鉆井工藝密切相 關(guān)，特別是巖石溫度、地應(yīng)力狀態(tài)、泥漿鉆、氣體鉆、過平衡鉆井或欠平衡鉆井工藝對 鉆速影響很大，極容易造成室內(nèi)測量的巖石可鉆性分級不能應(yīng)用到現(xiàn)場鉆井中。為此，許多石油/天然氣鉆井設(shè)備企業(yè)積極研發(fā)地層條件下巖石可鉆性測試裝 置，模擬地層溫度、上覆圍壓、孔隙壓力和泥漿柱壓力條件，模擬在過平衡、近平衡和 欠平衡狀態(tài)下測量泥漿或氣體回轉(zhuǎn)鉆井和沖擊回轉(zhuǎn)鉆井地層的可鉆性。例如中國專利文 獻公開的“一種巖石可鉆性測定儀”(公開號CN85205092，
公開日1986.09.17)， 它雖然可以用來模擬沖擊鉆、回轉(zhuǎn)鉆、沖擊回轉(zhuǎn)鉆、測定各類巖石的可鉆性指標，但其 只能在常溫常壓條件下測量巖石可鉆性，不能在高溫高壓和有井筒壓力以及欠平衡條件 下測量巖石可鉆性。中國專利文獻還公開了一種“油井高溫高壓動態(tài)測試釜(公開號 CN2399726，
公開日2000.10.04)，它由釜體、釜襯、高精度濾網(wǎng)、膨脹測量桿、集濾 器等部件組成，其中釜體裝置在保溫箱內(nèi)，釜體側(cè)壁分別設(shè)置高壓進油管，鉆井液進液 管，高壓出油管，鉆井液出液管，釜襯落置在釜體內(nèi)，膨脹測量桿通過密封組間并以密 封組件滑動配合。它雖然測試巖層動態(tài)物理特性較為真實，但其釜體內(nèi)外有動密封件相 連，這些密封件容易引起密封失效，導(dǎo)致產(chǎn)生較大測量誤差。關(guān)于地層條件下巖石可鉆性的測試裝置，在公開出版物上也屢見有關(guān)報道，但 未見有與本發(fā)明相同的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠真實準確的測試地層 條件下巖石可鉆性的測試儀，它對于鉆井施工具有更為實際的指導(dǎo)意義。本發(fā)明是采用這樣的技術(shù)方案實現(xiàn)其目的
一種地層條件下巖石可鉆性測試儀，包括夾持機構(gòu)、壓力平衡機構(gòu)和動力機構(gòu)，所 述夾持機構(gòu)設(shè)置在壓力平衡機構(gòu)下端，動力機構(gòu)設(shè)置在壓力平衡機構(gòu)和夾持機構(gòu)內(nèi)，所 述夾持機構(gòu)由夾持器釜體、錐套、橡膠套、上柱塞和下柱塞組成，橡膠套和下柱塞依次 設(shè)在夾持器釜體內(nèi)，橡膠套與夾持器釜體間具有環(huán)形空腔，夾持器釜體的上端和錐套連 接，上柱塞下端穿過錐套伸入夾持器釜體內(nèi)，下柱塞設(shè)有地層孔隙壓力口，夾持器釜體 上徑向設(shè)有圍壓口和圍壓排氣口，上柱塞上徑向設(shè)有泥漿壓力入口，上柱塞為軸向空心 狀，該空心為井眼，井眼內(nèi)具有微鉆頭、巖屑和泥漿的儲存空間；所述壓力平衡機構(gòu)由 井筒壓力釜體、鉆壓釜體和鉆壓活塞組成，井筒壓力釜體的上、下端分別連接鉆壓釜體和夾持機構(gòu)的上柱塞，鉆壓釜體內(nèi)設(shè)有鉆壓活塞，鉆壓活塞的下端連接鉆壓力傳感器， 鉆壓釜體、鉆壓活塞和井筒壓力釜體間具有井筒壓力自平衡腔，鉆壓活塞上設(shè)有壓力平 衡油孔，井筒壓力釜體內(nèi)設(shè)有壓力平衡膜，鉆壓釜體上分別連接有位移傳感器和鉆速測 量器，鉆壓釜體上徑向分別設(shè)有鉆壓口和鉆桿復(fù)位壓力口，井筒壓力釜體內(nèi)充滿變壓器 油，通過壓力平衡膜與上柱塞的井眼內(nèi)泥漿形成壓力連通；所述動力機構(gòu)由電機、減速 器、犬齒沖擊器和鉆桿組成，電機的上端連接鉆壓力傳感器，下端依次連接減速器、犬 齒沖擊器和鉆桿，鉆桿穿入上柱塞連接有微鉆頭，電機依靠設(shè)在井筒壓力釜體內(nèi)的電機 導(dǎo)向鍵軸向移動。所述夾持器釜體外圍圓周上裝有加熱器，該加熱器由溫度控制器控制。所述井筒壓力釜 體上設(shè)有陶瓷引線器，用于引出電機的電源線和鉆壓力傳感器 的信號線。所述夾持器釜體上的圍壓排氣口位置高于圍壓口位置。所述圍壓口內(nèi)設(shè)有圍壓控制器。所述鉆壓口設(shè)在鉆壓釜體的上端，鉆桿復(fù)位壓力口設(shè)在鉆壓釜體的下端。所述鉆壓口內(nèi)設(shè)有鉆壓控制器。所述鉆桿復(fù)位壓力口內(nèi)設(shè)有鉆頭復(fù)位控制器。所述地層孔隙壓力口內(nèi)設(shè)有孔隙壓力控制器。所述泥漿壓力入口內(nèi)設(shè)有泥漿壓力控制器。本發(fā)明的有益效果是采用上述結(jié)構(gòu)能夠模擬地層條件下的溫度、圍壓、孔隙 壓力和井筒泥漿壓力進行真實準確的巖石可鉆性測試；動力機構(gòu)和鉆壓傳感器設(shè)計在井 筒壓力釜體內(nèi)可以有效減小高壓動密封帶來的設(shè)備失效和高壓密封圈摩擦力影響；井筒 壓力自平衡腔，可以自動平衡由于鉆進引起井筒壓力增高和施加井筒壓力而影響鉆壓， 從而提高測量精度和效率。它對地層上覆圍壓、孔隙壓力和泥漿井筒壓力可以模擬到 90MPa以上。


圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖中代號含義1 一地層孔隙壓力口 ； 2—下柱塞；3—巖心；4一橡膠套；5— 夾持器釜體；6—圍壓排氣口 ； 7—錐套；8—上柱塞；9一井筒壓力釜體；10—鉆壓活 塞；11一井筒壓力自平衡腔；12—鉆壓釜體；13—位移傳感器；14一鉆速測量器；15— 鉆壓口； 16—鉆桿復(fù)位壓力口； 17—圍壓口； 18—加熱器；19一泥漿；20—陶瓷引線 器；21—壓力平衡油孔；22—鉆壓力傳感器；23 —電機；24—減速器；25—犬齒沖擊 器；26—壓力平衡油；27 —電機導(dǎo)向鍵；28—壓力平衡膜；29—鉆桿；30—泥漿壓力入 口 ； 31—微鉆頭；32—井眼。
具體實施例方式參見圖1:本發(fā)明包括夾持機構(gòu)、壓力平衡機構(gòu)和動力機構(gòu)，夾持機構(gòu)、壓力 平衡機構(gòu)和動力機構(gòu)相互關(guān)聯(lián)，相互依靠，夾持機構(gòu)設(shè)置在壓力平衡機構(gòu)下端，動力機 構(gòu)設(shè)置在壓力平衡機構(gòu)和夾持機構(gòu)內(nèi)。
夾持機構(gòu)由夾持器釜體5、錐套7、橡膠套4、上柱塞8和下柱塞2組成，夾持器 釜體5外圍圓周上裝有加熱器18，該加熱器18由溫度控制器控制夾持器釜體溫度，模擬 地層高溫。橡膠套4和下柱塞2依次設(shè)在夾持器釜體5內(nèi)，下柱塞2設(shè)在夾持器釜體5 內(nèi)底部，橡膠套設(shè)在下柱塞2外圓周上，橡膠套4與夾持器釜體5之間形成了一個環(huán)形空 腔，即圍壓腔。夾持器釜體5的上端和錐套7下端連接，上柱塞8下端穿過錐套7伸入 夾持器釜體5內(nèi)，巖心3裝在橡膠套4內(nèi)，底部放在下柱塞2上，頂部由上柱塞8的下端 壓緊。下柱塞2的中心設(shè)有地層孔隙壓力口 1，在該地層孔隙壓力口 1內(nèi)設(shè)有孔隙壓力控 制器，地層孔隙壓力由孔隙壓力控制器控制，通過地層孔隙壓力口 1注入。夾持器釜體 5上徑向設(shè)有圍壓口 17和圍壓排氣口 6，圍壓排氣口 6設(shè)在夾持器釜體5的上部，圍壓口 17設(shè)在夾持器釜體5的下部，在圍壓口 17內(nèi)設(shè)有圍壓控制器，圍壓由圍壓控制器提供油 壓，通過圍壓口 17加入，圍壓腔中的氣體通過圍壓排氣口 6放出，圍壓控制器控制圍壓 大小，模擬地層上覆圍壓。上柱塞8為軸向空心狀，該空心為井眼32，上柱塞8上徑向 設(shè)有泥漿壓力入口 30，泥漿壓力入口 30內(nèi)設(shè)有泥漿壓力控制器，泥漿19通過泥漿壓力入 口 30注入 井眼32，泥漿壓力由泥漿壓力控制器控制，以此模擬鉆井井筒壓力。井眼32 內(nèi)具有微鉆頭31、巖屑和泥漿19的儲存空間。壓力平衡機構(gòu)由井筒壓力釜體9、鉆壓釜體12和鉆壓活塞10組成，井筒壓力釜 體9的上端和鉆壓釜體12的下端連接，井筒壓力釜體9的下端連接夾持機構(gòu)的上柱塞8 上端，鉆壓釜體12內(nèi)設(shè)有鉆壓活塞10，鉆壓活塞10穿入井筒壓力釜體9內(nèi)，鉆壓活塞 10的下端連接設(shè)在井筒壓力釜體9內(nèi)的鉆壓力傳感器22，鉆壓釜體12、鉆壓活塞10和井 筒壓力釜體9之間形成井筒壓力自平衡腔11，鉆壓活塞10上設(shè)有壓力平衡油孔21。井 筒壓力釜體9內(nèi)充滿變壓器油(即壓力平衡油26)，井筒壓力釜體9內(nèi)設(shè)有壓力平衡膜 28，該壓力平衡膜28設(shè)在井筒壓力釜體9下部，夾持機構(gòu)的上柱塞8的頂部，通過壓力 平衡膜28與上柱塞8的井眼32內(nèi)泥漿19形成壓力連通。鉆壓釜體12上分別連接有位 移傳感器13和鉆速測量器14，鉆壓釜體12上部徑向設(shè)有鉆壓口 15，鉆壓口 15內(nèi)設(shè)有鉆 壓控制器，鉆壓釜體12下部設(shè)有鉆桿復(fù)位壓力口 16，鉆桿復(fù)位壓力口 16內(nèi)設(shè)有鉆頭復(fù)位 控制器。動力機構(gòu)由電機23、減速器24、犬齒沖擊器25和鉆桿29組成，電機23的上 端連接鉆壓力傳感器22，鉆壓值由鉆壓力傳感器22測量，電機23下端依次連接減速器 24、犬齒沖擊器25和鉆桿29，鉆桿29穿入上柱塞8連接有微鉆頭31，通過上柱塞8的 井眼32向下鉆入巖心3表面。電機23依靠設(shè)在井筒壓力釜體9內(nèi)的電機導(dǎo)向鍵27做軸 向直線運動。電機23的電源線和鉆壓力傳感器22的信號線通過井筒壓力釜體9上設(shè)置的陶瓷 引線器20引出，并送到轉(zhuǎn)速控制器和鉆壓測量儀上，進行轉(zhuǎn)速控制和鉆壓測量。鉆進轉(zhuǎn)動動力由裝在井筒壓力釜體9內(nèi)的電機23提供，電機23的動力通過減速 器24降低轉(zhuǎn)速，獲得較大的轉(zhuǎn)動力矩，減速器24的力矩輸出軸通過犬齒沖擊器25連接 到鉆桿29上，給微鉆頭31提供沖擊或回轉(zhuǎn)動力。在施加井筒泥漿壓力的同時，井筒壓 力釜體9內(nèi)的壓力平衡油26也同時被施加壓力，同時壓力平衡油26通過鉆壓活塞10下 部的壓力平衡油孔21進入井筒壓力自平衡腔11，自動平衡由于井筒泥漿壓力增加而引起 鉆壓的變化。鉆進動力電機23和鉆壓力傳感器22設(shè)計在井筒壓力釜體9內(nèi)可以有效減小高壓動密封帶來的設(shè)備失效和 高壓密封圈摩擦力影響。鉆壓由鉆壓控制器提供油壓， 通過鉆壓口 15注入，在鉆壓活塞10上產(chǎn)生壓力，并傳遞到鉆壓力傳感器22上，推動電 機23向下移動，再由電機23疊加旋轉(zhuǎn)力，或由犬齒沖擊器25疊加沖擊力，由鉆桿29傳 遞到微鉆頭31上。鉆壓活塞10向下移動減小井筒壓力釜體9內(nèi)的油，可以通過壓力平 衡油孔21，進入井筒壓力自平衡腔11，保持井筒壓力不變。將鉆進行程設(shè)計為能鉆穿全 部巖心，可以在同一塊巖心上實現(xiàn)改變鉆井條件，多次測量鉆速。
權(quán)利要求
1.一種地層條件下巖石可鉆性測試儀，包括夾持機構(gòu)、壓力平衡機構(gòu)和動力機構(gòu)， 所述夾持機構(gòu)設(shè)置在壓力平衡機構(gòu)下端，動力機構(gòu)設(shè)置在壓力平衡機構(gòu)和夾持機構(gòu)內(nèi)， 其特征在于所述夾持機構(gòu)由夾持器釜體(5)、錐套(7)、橡膠套(4)、上柱塞(8)和下柱塞(2)組成，橡膠套(4)和下柱塞(2)依次設(shè)在夾持器釜體(5) 內(nèi)，橡膠套(4)與夾持器釜體(5)間具有環(huán)形空腔，夾持器釜體(5)的上端和錐套 (7)連接，上柱塞(8)下端穿過錐套(7)伸入夾持器釜體(5)內(nèi)，下柱塞設(shè)有地 層孔隙壓力口(1)，夾持器釜體(5)上徑向設(shè)有圍壓口(17)和圍壓排氣口(6)， 上柱塞(8)上徑向設(shè)有泥漿壓力入口(30)，上柱塞(8)為軸向空心狀，該空心為井 眼(32)，井眼(32)內(nèi)具有微鉆頭(31)、巖屑和泥漿(19)的儲存空間；所述壓 力平衡機構(gòu)由井筒壓力釜體(9)、鉆壓釜體(12)和鉆壓活塞(10)組成，井筒壓力 釜體(9)的上、下端分別連接鉆壓釜體(12)和夾持機構(gòu)的上柱塞(8)，鉆壓釜體 (12)內(nèi)設(shè)有鉆壓活塞(10)，鉆壓活塞(10)的下端連接鉆壓力傳感器(22)，鉆壓 釜體(12)、鉆壓活塞(10)和井筒壓力釜體(9)間具有井筒壓力自平衡腔(11)， 鉆壓活塞(10)上設(shè)有壓力平衡油孔(21)，井筒壓力釜體(9)內(nèi)設(shè)有壓力平衡膜 (28)，鉆壓釜體(12)上分別連接有位移傳感器(13)和鉆速測量器(14)，鉆壓釜 體(12)上徑向分別設(shè)有鉆壓口(15)和鉆桿復(fù)位壓力口(16)，井筒壓力釜體(9) 內(nèi)充滿變壓器油，通過壓力平衡膜(28)與上柱塞(8)的井眼(32)內(nèi)泥漿(19) 形成壓力連通；所述動力機構(gòu)由電機(23)、減速器(24)、犬齒沖擊器(25)和鉆 桿(29)組成，電機(23)的上端連接鉆壓力傳感器(22)，下端依次連接減速器 (24)、犬齒沖擊器(25)和鉆桿(29)，鉆桿(29)穿入上柱塞(8)連接有微鉆頭 (31)，電機(23)依靠設(shè)在井筒壓力釜體(9)內(nèi)的電機導(dǎo)向鍵(27)軸向移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層條件下巖石可鉆性測試儀，其特征在于所述夾持器 釜體(5)外圍圓周上裝有加熱器(18)，該加熱器(18)由溫度控制器控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層條件下巖石可鉆性測試儀，其特征在于所述井筒壓 力釜體(9)上設(shè)有陶瓷引線器(20)，用于引出電機(23)的電源線和鉆壓力傳感器(22)的信號線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層條件下巖石可鉆性測試儀，其特征在于所述夾持器 釜體(5)上的圍壓排氣口(6)位置高于圍壓口(17)位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的地層條件下巖石可鉆性測試儀，其特征在于所述圍壓 口(17)內(nèi)設(shè)有圍壓控制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層條件下巖石可鉆性測試儀，其特征在于所述鉆壓口 (15)設(shè)在鉆壓釜體(12)的上端，鉆桿復(fù)位壓力口(16)設(shè)在鉆壓釜體(12)的下端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的地層條件下巖石可鉆性測試儀，其特征在于所述鉆壓 口(15)內(nèi)設(shè)有鉆壓控制器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的地層條件下巖石可鉆性測試儀，其特征在于所述鉆桿 復(fù)位壓力口(16)內(nèi)設(shè)有鉆頭復(fù)位控制器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層條件下巖石可鉆性測試儀，其特征在于所述地層孔 隙壓力口(1)內(nèi)設(shè)有孔隙壓力控制器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地層條件下巖石可鉆性測試儀，其特征在于所述泥漿壓 力入口(30)內(nèi)設(shè)有泥漿壓力控制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種地層條件下巖石可鉆性測試儀，包括夾持機構(gòu)、壓力平衡機構(gòu)和動力機構(gòu)，夾持機構(gòu)設(shè)置在壓力平衡機構(gòu)下端，動力機構(gòu)設(shè)置在壓力平衡機構(gòu)和夾持機構(gòu)內(nèi)。夾持機構(gòu)由夾持器釜體、錐套、橡膠套、上柱塞和下柱塞組成；壓力平衡機構(gòu)由井筒壓力釜體、鉆壓釜體和鉆壓活塞組成；動力機構(gòu)由電機、減速器、犬齒沖擊器和鉆桿組成。它采用機電一體化的結(jié)構(gòu)，能夠模擬地層條件下的溫度、圍壓、孔隙壓力和井筒泥漿壓力進行真實準確的巖石可鉆性測試，對地層上覆圍壓、孔隙壓力和泥漿井筒壓力可以模擬到90MPa以上，對于鉆井施工具有更為實際的指導(dǎo)意義。
文檔編號E21B49/00GK102011582SQ20101055917
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者嚴焱誠, 孟英峰, 康杰, 張國東, 徐進, 朱化蜀, 朱澄清, 李皋, 王世澤, 肖國益, 蔣祖軍, 陳一健, 黎昌華 申請人:中國石油化工股份有限公司