一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測(cè)試裝置及測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測(cè)試裝置及測(cè)試方法，該測(cè)試裝置包括機(jī)架（1）、設(shè)置于機(jī)架（1）上的高溫高壓加載機(jī)構(gòu)以及微鉆頭破巖鉆深測(cè)量機(jī)構(gòu)，其向三軸腔室內(nèi)的巖樣施加圍壓、孔隙壓力以及液柱壓力，利用液壓泵向巖樣施加上覆巖層壓力，模擬井底地層高壓環(huán)境，并通過微鉆頭處位移傳感器測(cè)試鉆深與時(shí)間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液類型優(yōu)選，以及鉆井機(jī)械鉆速預(yù)測(cè)。本發(fā)明的有益效果是：可以滿足模擬深井、超深井鉆井過程中對(duì)井底溫度和壓力要求，并且具有深鉆孔單次實(shí)驗(yàn)測(cè)量多組巖石可鉆性值的功能，極大地提高了單次實(shí)驗(yàn)測(cè)試的效率，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。
【專利說明】一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測(cè)試裝置及測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及油氣田勘探開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用的巖石可鉆性測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測(cè)試裝置及測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]巖石可鉆性概念由Tillson在1927年美國(guó)哥倫比亞大學(xué)采礦工程會(huì)議上首次提出，指在一定的技術(shù)條件下巖石被破巖工具鉆碎的難易程度。對(duì)巖石可鉆性的研究，廣泛應(yīng)用于石油勘探開發(fā)、礦山開采、隧道建設(shè)等工程領(lǐng)域。巖石可鉆性除了與巖石礦物組分、孔隙發(fā)育情況、地質(zhì)構(gòu)造等巖石自身因素有關(guān)外，還與破巖工具類型、鉆壓、轉(zhuǎn)速等施工參數(shù)密切相關(guān)。因此，從不同角度出發(fā)形成了種類繁多的巖石可鉆性測(cè)試方法，比較有代表性的方法包括壓入硬度法、點(diǎn)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(guó)家石油和化學(xué)工業(yè)局參考1962年RollowA.G.提出的微鉆法制訂了《中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T5426-2000)》，規(guī)定了巖石可鉆性測(cè)定及分級(jí)方法。
[0003]近年來隨著我國(guó)石油天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域不斷向深部地層發(fā)展，深井、超深井成為勘探開發(fā)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(zhì)條件復(fù)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(fā)的主要技術(shù)瓶頸，實(shí)際深井、超深井鉆井過程中地層應(yīng)力和溫度條件對(duì)巖石力學(xué)性能影響顯著，從而嚴(yán)重影響巖石可鉆性和鉆井機(jī)械鉆速，例如《巖土力學(xué)》2011年6月第32卷第6期的文章“深部地層巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試與分析研究”對(duì)模擬地層溫度和壓力條件下的巖石抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力、泊松比以及彈性模量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明深部地層巖石力學(xué)性質(zhì)較上部地層而言發(fā)生顯著變化，同時(shí)，重慶大學(xué)2009年的一篇碩士畢業(yè)論文“深部井眼巖石可鉆性與巖石力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究”對(duì)深部地層高溫高壓環(huán)境下巖石可鉆性級(jí)值和機(jī)械鉆速進(jìn)行研究，結(jié)果表明高壓對(duì)巖石可鉆性級(jí)值影響較大，而在井底溫度范圍內(nèi)的高溫對(duì)巖石可鉆性級(jí)值的影響相對(duì)較小，由此可見，目前未考慮井底地層特性的微鉆法測(cè)試巖石可鉆性裝置已經(jīng)不再滿足石油天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域中深井、超深井鉆井技術(shù)要求，尤其是不能有效揭示深井、超深井地層條件下實(shí)鉆過程中的巖石可鉆性特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測(cè)試裝置及測(cè)試方法，可以實(shí)現(xiàn)深井、超深井鉆井條件下鉆頭、鉆壓、轉(zhuǎn)速以及鉆井液類型優(yōu)選，預(yù)測(cè)深井、超深井鉆井機(jī)械鉆速。
[0005]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測(cè)試裝置，它包括機(jī)架、設(shè)置于機(jī)架上的高溫高壓加載機(jī)構(gòu)以及微鉆頭破巖鉆深測(cè)量機(jī)構(gòu)，所述的高溫高壓加載機(jī)構(gòu)包括游梁升降機(jī)構(gòu)、鉆壓作動(dòng)器、鉆壓傳感器、覆層壓作動(dòng)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。
[0006]所述的游梁升降機(jī)構(gòu)包括垂直設(shè)置于機(jī)架上表面的兩個(gè)立柱、兩端分別滑動(dòng)設(shè)置于立柱上的滑塊和垂直支撐滑塊的可調(diào)支桿，鉆壓作動(dòng)器固定安裝于滑塊上，鉆壓作動(dòng)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(dòng)器，覆層壓作動(dòng)器的底部固定安裝有上加載板，覆層壓作動(dòng)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。
[0007]三軸腔室升降器一端固定安裝于覆層壓作動(dòng)器的一側(cè)，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。
[0008]所述的三軸腔室包括本體，本體的內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)封閉的容腔，容腔內(nèi)設(shè)置有橡膠套，本體的上部設(shè)置有一個(gè)連通所述容腔的活塞孔，上覆巖層壓力加載活塞的下端設(shè)置于該活塞孔內(nèi)，本體的下部設(shè)置有一個(gè)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(shè)置有伸入容腔內(nèi)部的凸出部，橡膠套的兩端分別套裝在對(duì)應(yīng)側(cè)的凸出部外，位于容腔下部一側(cè)的本體上設(shè)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(cè)的本體上設(shè)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(shè)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(shè)置有連通容腔與本體外部空間的第一壓力接端。
[0009]微鉆頭破巖鉆深測(cè)量機(jī)構(gòu)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(jī)架上，鉆桿通過推力軸承安裝于機(jī)架上，鉆桿上部穿過鉆套后伸入三軸腔室的鉆孔內(nèi)，鉆桿的頂部安裝有微鉆頭，鉆桿與設(shè)置在機(jī)架內(nèi)的可調(diào)速電機(jī)的輸出軸連接。
[0010]所述的機(jī)架上設(shè)置有用于引導(dǎo)下加載板垂直方向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向桿。
[0011]所述的機(jī)架上設(shè)置有用于引導(dǎo)鉆桿相對(duì)于三軸腔室垂直方向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向座，導(dǎo)向座套裝于下加載板的外部，且導(dǎo)向座的內(nèi)壁與下加載板的外壁間隙配合。
[0012]所述的上覆巖層壓力加載活塞與活塞孔之間、鉆桿與鉆孔之間均設(shè)置有耐腐蝕橡膠密封環(huán)。
[0013]采用所述的一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測(cè)試裝置的測(cè)試方法，它包括以下步驟:
51、通過調(diào)節(jié)游梁升降機(jī)構(gòu)和三軸腔室升降器將巖樣通過活塞孔放置于三軸腔室內(nèi)部，巖樣位于橡膠套內(nèi)；然后通過調(diào)節(jié)三軸腔室升降器，使三軸腔室在導(dǎo)向桿引導(dǎo)下向上提升，上覆巖層壓力加載活塞伸入活塞孔預(yù)壓緊巖樣，從而將巖樣封閉在三軸腔室內(nèi)；
52、覆層壓作動(dòng)器控制上覆巖層壓力加載活塞對(duì)巖樣進(jìn)行上覆巖層壓力加載，并通過覆層壓反力桿進(jìn)行平衡，上覆巖層壓力加載載荷由覆層壓載荷傳感器進(jìn)行采集，上覆巖層壓力由液壓泵提供動(dòng)力源并作用于上覆巖層壓力加載活塞，上覆巖層壓力加載過程受覆層壓作動(dòng)器控制；
53、待上覆巖層壓力加載完畢，對(duì)巖樣施加模擬井底圍壓、孔隙壓力、液柱壓力以及溫度，并測(cè)量微鉆頭有效鉆深與時(shí)間關(guān)系，其具體操作步驟為:
S31、施加模擬井底圍壓，向第二壓力接端泵入液壓油，三軸腔室內(nèi)的空氣通過第三壓力接端排除，關(guān)閉第三壓力接端，繼續(xù)泵入液壓油，液壓油擠壓橡膠套定量產(chǎn)生圍壓并作用于巖樣;
532、施加模擬井底孔隙壓力，通過孔隙壓力液壓伺服系統(tǒng)向第一壓力接端泵入模擬地層流體，模擬地層流體侵入巖樣產(chǎn)生孔隙壓力；
533、施加模擬井底液柱壓力，向第四壓力接端泵入鉆井液，鉆井液作用于巖樣的端
面；
534、施加模擬井底溫度，通過高溫高壓釜體加熱器向三軸腔室加載溫度條件；
535、測(cè)量微鉆頭有效鉆深與時(shí)間關(guān)系，施加|旲擬深井、超深井井底壓力和溫度載荷后，鉆壓作動(dòng)器的輸出軸對(duì)穩(wěn)定連接為一體的鉆壓傳感器、覆壓動(dòng)作器、上加載板、覆層壓反力桿、下加載板和鉆套施加向下的壓力，使鉆套向下移動(dòng)，微鉆頭通過鉆套，頂住巖心產(chǎn)生鉆壓，利用推力軸承在導(dǎo)向套的引導(dǎo)下、通過鉆壓作動(dòng)器控制將鉆桿相對(duì)三軸腔室向上提升，鉆桿上頂部的微鉆頭被頂入三軸腔室內(nèi)并接觸巖樣，鉆桿由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，測(cè)試巖石可鉆性時(shí)推力軸承向鉆桿和微型鉆頭施加鉆壓,上述加載過程的鉆壓加載載荷由鉆壓傳感器進(jìn)行采集，并由鉆壓作動(dòng)器對(duì)鉆壓加載過程進(jìn)行控制，由位移傳感器記錄有效鉆深及相應(yīng)的時(shí)間。
[0014]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明解決了現(xiàn)有的巖石可鉆性測(cè)試方法在模擬深井、超深井井底溫度和壓力，評(píng)價(jià)鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液類型對(duì)巖石可鉆性影響以及鉆井機(jī)械鉆速預(yù)測(cè)方面的不足，可以滿足模擬深井、超深井鉆井過程中對(duì)井底溫度和壓力要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆壓和轉(zhuǎn)速的優(yōu)選，鉆井液類型對(duì)鉆井機(jī)械鉆速影響評(píng)價(jià)，以及鉆井機(jī)械鉆速預(yù)測(cè)，并且具有深鉆孔單次實(shí)驗(yàn)測(cè)量多組巖石可鉆性值的功能，極大地提高了單次實(shí)驗(yàn)測(cè)試的效率，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。
[0015]本發(fā)明通過高溫高壓釜體加熱器對(duì)三軸腔室加溫，模擬井底地層高溫環(huán)境；利用三套獨(dú)立的液壓伺服系統(tǒng)分別向三軸腔室內(nèi)的巖樣施加圍壓、孔隙壓力以及液柱壓力，利用液壓泵向巖樣施加上覆巖層壓力，模擬井底地層高壓環(huán)境；微鉆頭固定于三軸腔室下部的鉆壓活塞桿上，倒置于巖樣下端面，利用重力分離作用分離破碎的巖屑，形成非重復(fù)切削條件；鉆壓活塞桿同耐高壓耐腐蝕橡膠環(huán)配合，實(shí)現(xiàn)鉆壓活塞桿動(dòng)密封深穿透加載功能；通過微鉆頭處位移傳感器測(cè)試鉆深與時(shí)間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液類型優(yōu)選，以及鉆井機(jī)械鉆速預(yù)測(cè)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為本發(fā)明的三軸腔室的結(jié)構(gòu)示意圖
圖中，1-機(jī)架，2-游梁升降機(jī)構(gòu)，3-鉆壓作動(dòng)器，4-鉆壓傳感器，5-覆層壓作動(dòng)器，6-覆層壓載荷傳感器，7-上覆巖層壓力加載活塞，8-三軸腔室，9-三軸腔室升降器，10-高溫高壓釜體加熱器，11-立柱，12-滑塊，13-可調(diào)支桿，14-上加載板，15-鉆套，16-下加載板，17-覆層壓反力桿，18-本體，19-容腔，20-橡膠套，21-活塞孔，22-鉆孔，23-凸出部，24-第二壓力接端，25-第三壓力接端，26-第四壓力接端，27-第一壓力接端，28-鉆桿，29-位移傳感器，30-推力軸承，31-微鉆頭，32-導(dǎo)向桿，33-導(dǎo)向座，34-耐腐蝕橡膠密封環(huán)，35-巖樣。【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述: 發(fā)明人在科研過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有裝置測(cè)試巖石可鉆性裝置不再滿足石油天然氣勘探開
發(fā)領(lǐng)域中深井、超深井鉆井技術(shù)要求，尤其是不能有效揭示深井、超深井地層條件下實(shí)鉆過程中的巖石可鉆性特征的原因，主要有以下幾個(gè)方面:
第一是未加載上覆巖層壓力，深井、超深井鉆井過程中井底巖石受到覆蓋在該巖石上部的地層巖石以及孔隙流體的重力作用，在測(cè)試巖石可鉆性過程中表現(xiàn)為巖樣上端面非切屑破壞面所承受的壓力，該壓力對(duì)井底巖石應(yīng)力場(chǎng)具有顯著影響；
第二未加載井筒液柱壓力，隨著鉆井井深的增加，尤其在深井、超深井鉆井過程中井筒中作用在井底巖石上端面切屑破壞面的液柱壓力明顯增大，在測(cè)試巖石可鉆性過程中已經(jīng)不能再忽略井筒液柱壓力對(duì)巖樣端面的作用，同時(shí)，為模擬實(shí)際鉆井過程，應(yīng)該考慮不同類型鉆井流體對(duì)巖樣端面的理化作用，因此也需要在巖樣破壞面作用不同類型鉆井流體，也必然廣生井筒液柱壓力；
第三是未加載圍壓，井底巖石處于復(fù)雜的地層應(yīng)力環(huán)境當(dāng)中受到地層圍巖的作用，將巖石所受的復(fù)雜的地層圍巖作用表示為等效圍壓的作用，對(duì)于研究實(shí)際鉆井過程中的巖石可鉆性具有重要意義；
第四是未加載地層孔隙壓力，巖石由巖石骨架和孔隙組成，外界施加的載荷由巖石骨架和孔隙中的流體承擔(dān)，地層當(dāng)中連通孔隙中的流體壓力即為孔隙壓力，孔隙壓力對(duì)于巖石強(qiáng)度等巖石力學(xué)性能具有顯著影響；
第五是未加載地層溫度，雖然溫度對(duì)巖石可鉆性和鉆井機(jī)械鉆速影響較小，但是隨著鉆井井深的增加，尤其是在深井、超深井鉆井過程中井底巖石所處溫度環(huán)境將明顯升高，溫度對(duì)于巖石的力學(xué)性能具有明顯影響，此時(shí)已經(jīng)不能再忽視溫度對(duì)巖石的作用，模擬地層條件下測(cè)試巖石可鉆性需要加載井底地層溫度條件；
第六是鉆壓和轉(zhuǎn)速不可調(diào)，目前根據(jù)微鉆法制造的全自動(dòng)巖石可鉆性測(cè)試儀只能在轉(zhuǎn)速為55r/min的條件下，對(duì)牙輪微鉆頭施加890N±20N的鉆壓或者對(duì)PDC微鉆頭施加500N±10N的鉆壓，測(cè)試有效鉆深為2.4mm或者3mm時(shí)的巖石可鉆性，但對(duì)于深部地層可鉆性級(jí)值極高的部分地層巖石而言，在規(guī)定的鉆壓和轉(zhuǎn)速的條件下微鉆頭牙齒根本無法鉆進(jìn)，難以保證有效鉆深，從而無法定量評(píng)價(jià)巖石可鉆性，同時(shí)，鉆壓和轉(zhuǎn)速作為鉆井施工的主要參數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同鉆壓和轉(zhuǎn)速對(duì)巖石可鉆性的影響，在指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工方面具有重要的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。
[0018]為此，需要一種既能模擬深井、超深井井底地層高溫高壓環(huán)境，又能調(diào)節(jié)鉆壓、鉆速以及改變鉆井液類型的巖石可鉆性測(cè)試裝置，同時(shí)，考慮到模擬地層條件下測(cè)試操作的復(fù)雜性和實(shí)驗(yàn)成本，這種巖石可鉆性測(cè)試裝置最好能夠?qū)崿F(xiàn)單次測(cè)量多組巖石可鉆性，即實(shí)現(xiàn)深鉆孔功能。目前，也有資料顯示通過增加溫度和壓力加載裝置測(cè)試地層條件下的巖石可鉆性，但是在壓力和溫度加載范圍，鉆壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和精密控制，模擬不同鉆井液類型，深鉆孔動(dòng)密封測(cè)試方面存在明顯不足，難以滿足深井、超深井巖石可鉆性測(cè)試要求。例如中國(guó)專利201010559174.3公開了一種地層條件下巖石可鉆性測(cè)試儀，該測(cè)試儀包括以下幾個(gè)部分:夾持機(jī)構(gòu)、壓力平衡機(jī)構(gòu)和動(dòng)力機(jī)構(gòu)，夾持機(jī)構(gòu)設(shè)置在壓力平衡機(jī)構(gòu)下端，動(dòng)力機(jī)構(gòu)設(shè)置在壓力平衡機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)內(nèi)；夾持機(jī)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(jī)構(gòu)由井筒壓力釜體、鉆壓釜體和鉆壓活塞組成；動(dòng)力機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速器、犬齒沖擊器和鉆桿組成。上述裝置采用機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，能夠模擬地層條件下的溫度、圍壓、孔隙壓力和井筒液柱壓力進(jìn)行巖石可鉆性測(cè)試，但是上述裝置并沒有上覆巖層壓力加載機(jī)構(gòu)、鉆壓和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及深鉆孔加載和測(cè)試機(jī)構(gòu)，上述裝置僅能反映溫度、圍壓、孔隙壓力和井筒液柱壓力對(duì)巖石可鉆性的影響，不能反映鉆壓、轉(zhuǎn)速以及流體類型對(duì)巖石可鉆性的影響，同時(shí)也不能實(shí)現(xiàn)深鉆孔功能。此外，上述專利文獻(xiàn)中沒有給出任何測(cè)試鉆壓、轉(zhuǎn)速以及流體類型對(duì)巖石可鉆性影響和實(shí)現(xiàn)深鉆孔功能的技術(shù)方案或技術(shù)啟示。
[0019]如圖1所示，一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測(cè)試裝置，它包括機(jī)架1、設(shè)置于機(jī)架I上的高溫高壓加載機(jī)構(gòu)以及微鉆頭破巖鉆深測(cè)量機(jī)構(gòu)，所述的高溫高壓加載機(jī)構(gòu)包括游梁升降機(jī)構(gòu)2、鉆壓作動(dòng)器3、鉆壓傳感器4、覆層壓作動(dòng)器5、覆層壓載荷傳感器6、上覆巖層壓力加載活塞7、三軸腔室8、三軸腔室升降器9和高溫高壓釜體加熱器10。
[0020]所述的游梁升降機(jī)構(gòu)2包括垂直設(shè)置于機(jī)架I上表面的兩個(gè)立柱11、兩端分別滑動(dòng)設(shè)置于立柱11上的滑塊12和垂直支撐滑塊12的可調(diào)支桿13，可調(diào)支桿13由固定桿和調(diào)節(jié)桿構(gòu)成，固定桿底部固定安裝于機(jī)架I上，調(diào)節(jié)桿的下端滑動(dòng)安裝于固定桿內(nèi)，且通過鎖緊套鎖緊固定，調(diào)節(jié)桿的上端與滑塊12固定連接。
[0021]鉆壓作動(dòng)器3固定安裝于滑塊12上，鉆壓作動(dòng)器3的輸出軸穿過滑塊12上預(yù)設(shè)的通孔后固定連接鉆壓傳感器4，鉆壓傳感器4的下部固定連接覆層壓作動(dòng)器5，覆層壓作動(dòng)器5的底部固定安裝有上加載板14，覆層壓作動(dòng)器5的輸出軸穿過上加載板14上預(yù)設(shè)的通孔后固定連接覆層壓載荷傳感器6，覆層壓載荷傳感器6的下部固定連接上覆巖層壓力加載活塞7 ；
三軸腔室升降器9 一端固定安裝于覆層壓作動(dòng)器5的一側(cè)，三軸腔室升降器9的另一端固定連接三軸腔室8，三軸腔室8的底部依次連接有鉆套15和下加載板16，上加載板14和下加載板16之間連接有覆層壓反力桿17，高溫高壓釜體加熱器10套裝于三軸腔室8的外部。
[0022]如圖1、圖2所示，所述的三軸腔室8包括本體18，本體18的內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)封閉的容腔19，容腔19內(nèi)設(shè)置有一個(gè)呈筒形、容置巖樣35的橡膠套20，本體18的上部設(shè)置有一個(gè)垂直方向延伸、連通所述容腔19的活塞孔21，上覆巖層壓力加載活塞7的下端設(shè)置于該活塞孔21內(nèi)，本體18的下部設(shè)置有一個(gè)垂直方向延伸、連通所述容腔19的鉆孔22，活塞孔21的下邊緣和鉆孔22的上邊緣均設(shè)置有伸入容腔19內(nèi)部的凸出部23，橡膠套20的兩端分別套裝在對(duì)應(yīng)側(cè)的凸出部23外，位于容腔19下部一側(cè)的本體18上設(shè)置有連通容腔19與本體18外部空間的第二壓力接端24，位于容腔19上部一側(cè)的本體18上設(shè)置有連通容腔19與本體18外部空間的第三壓力接端25，本體18下部設(shè)置有連通鉆孔22與本體18外部空間的第四壓力接端26，上覆巖層壓力加載活塞7本體18上設(shè)置有連通容腔19與本體18外部空間的第一壓力接端27，所述的第一壓力接端27、第二壓力接端24、第三壓力接端25和第四壓力接端26均為設(shè)置有通孔的連接座和連通連接座的通孔的孔道。
[0023]微鉆頭破巖鉆深測(cè)量機(jī)構(gòu)包括鉆桿28和位移傳感器29,位移傳感器29安裝于鉆桿28上，鉆桿28安裝于位于三軸腔室8下部的機(jī)架I上，鉆桿28通過推力軸承30安裝于機(jī)架I上，鉆桿28上部穿過鉆套15后伸入三軸腔室8的鉆孔22內(nèi)，鉆桿28的頂部安裝有微鉆頭31，鉆桿28與設(shè)置在機(jī)架內(nèi)的可調(diào)速電機(jī)的輸出軸連接，由可調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆桿28旋轉(zhuǎn)。
[0024]機(jī)架I上設(shè)置有用于引導(dǎo)下加載板16垂直方向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向桿32,下加載板16上設(shè)置有與導(dǎo)向桿32配合的垂直通孔，下加載板16的通過垂直通孔套裝于導(dǎo)向桿32上；
機(jī)架I上設(shè)置有用于引導(dǎo)鉆桿28相對(duì)于三軸腔室8垂直方向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向座33，導(dǎo)向座33套裝于下加載板16的外部，且導(dǎo)向座33的內(nèi)壁與下加載板16的外壁間隙配合。
[0025]上覆巖層壓力加載活塞7與活塞孔21之間、鉆桿28與鉆孔22之間均設(shè)置有耐腐蝕橡膠密封環(huán)34，且沿垂直方向上覆巖層壓力加載活塞7與活塞孔21之間、鉆桿28與鉆孔22之間均依次設(shè)置有兩個(gè)耐腐蝕橡膠密封環(huán)34。
[0026]所述的機(jī)架I采用250KN機(jī)架1，所述的覆層壓作動(dòng)器5采用750KN覆層壓作動(dòng)器5，所述的覆層壓載荷傳感器6采用750KN覆層壓載荷傳感器6，所述的鉆壓作動(dòng)器3采用250KN鉆壓作動(dòng)器3，所述的鉆壓傳感器4采用250KN鉆壓傳感器4。
[0027]采用上述測(cè)試裝置進(jìn)行巖石可鉆性測(cè)試的方法，其包括以下步驟:
51、通過調(diào)節(jié)游梁升降機(jī)構(gòu)2和三軸腔室升降器9將巖樣35通過活塞孔21放置于三軸腔室8內(nèi)部，巖樣35位于橡膠套20內(nèi)；然后通過調(diào)節(jié)三軸腔室升降器9，使三軸腔室8在導(dǎo)向桿32引導(dǎo)下向上提升，上覆巖層壓力加載活塞7伸入活塞孔21預(yù)壓緊巖樣35，從而將巖樣35封閉在三軸腔室8內(nèi)；
52、覆層壓作動(dòng)器5控制上覆巖層壓力加載活塞7對(duì)巖樣35進(jìn)行上覆巖層壓力加載，并通過覆層壓反力桿17進(jìn)行平衡，上覆巖層壓力加載載荷由覆層壓載荷傳感器6進(jìn)行采集，上覆巖層壓力由液壓泵提供動(dòng)力源并作用于上覆巖層壓力加載活塞7，上覆巖層壓力加載過程受覆層壓作動(dòng)器5控制；
53、待上覆巖層壓力加載完畢，對(duì)巖樣35施加模擬井底圍壓、孔隙壓力、液柱壓力以及溫度，并測(cè)量微鉆頭31有效鉆深與時(shí)間關(guān)系，其具體操作步驟為:
531、施加模擬井底圍壓，通過圍壓液壓伺服系統(tǒng)向第二壓力接端24泵入液壓油，三軸腔室8內(nèi)的空氣通過第三壓力接端25排除，關(guān)閉第三壓力接端25，繼續(xù)泵入液壓油，液壓油擠壓橡膠套20定量產(chǎn)生圍壓并作用于巖樣35 ；
532、施加模擬井底孔隙壓力，通過孔隙壓力液壓伺服系統(tǒng)向第一壓力接端27泵入模擬地層流體，模擬地層流體侵入巖樣35產(chǎn)生孔隙壓力，加載過程受到耐高壓和耐腐蝕橡膠密封環(huán)34作用以保證滿足高孔隙壓力要求和實(shí)現(xiàn)上覆巖層壓力加載活塞7往復(fù)式動(dòng)密封，所述橡膠密封環(huán)最高承壓能力為120MPa ；
533、施加模擬井底液柱壓力，通過鉆井液液柱壓力液壓伺服系統(tǒng)向第四壓力接端26泵入鉆井液，鉆井液作用于巖樣35的端面，加載過程受到耐高壓和耐腐蝕橡膠密封環(huán)34作用以保證滿足高孔隙壓力要求和實(shí)現(xiàn)上覆巖層壓力加載活塞7往復(fù)式動(dòng)密封，所述橡膠密封環(huán)最聞承壓能力為120MPa ；
534、施加模擬井底溫度，通過高溫高壓釜體加熱器10向三軸腔室8加載溫度條件；
535、測(cè)量微鉆頭31有效鉆深與時(shí)間關(guān)系，施加模擬深井、超深井井底壓力和溫度載荷后，鉆壓作動(dòng)器3的輸出軸對(duì)穩(wěn)定連接為一體的鉆壓傳感器4、覆壓動(dòng)作器5、上加載板14、覆層壓反力桿17、下加載板16和鉆套15施加向下的壓力，使鉆套15向下移動(dòng),微鉆頭31通過鉆套15，頂住巖心產(chǎn)生鉆壓，利用推力軸承30在導(dǎo)向套的引導(dǎo)下、使鉆桿28相對(duì)三軸腔室8向上提升，鉆桿28上頂部的微鉆頭31被頂入三軸腔室8內(nèi)并接觸巖樣35，鉆套15作為二者的過渡連接結(jié)構(gòu)一方面保證結(jié)構(gòu)的密封性能，另一方面起支持巖樣35下端面的作用。
[0028]測(cè)試巖石可鉆性時(shí)推力軸承30向鉆桿28和微型鉆頭施加890N±20N牙輪微鉆頭31或500N± 10NPDC微鉆頭31的鉆壓和55r/min的轉(zhuǎn)速，上述加載過程的鉆壓加載載荷由鉆壓傳感器4進(jìn)行采集，并由鉆壓作動(dòng)器3對(duì)鉆壓加載過程進(jìn)行控制，由位移傳感器29記錄有效鉆深2.4mm牙輪微鉆頭31或3mmPDC微鉆頭31時(shí)的時(shí)間，微鉆頭31倒置于巖樣35下端面，利用重力分離作用分離破碎巖屑，避免重復(fù)切削。
[0029]鉆井液液柱壓力液壓伺服系統(tǒng)向第四壓力接端26泵入鉆井液的類型可以調(diào)整，同時(shí)微鉆頭31的鉆壓和轉(zhuǎn)速也可調(diào)整，以有效鉆深對(duì)應(yīng)時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)鉆壓、轉(zhuǎn)速以、鉆井液類型優(yōu)選，以及深井、超深井模擬環(huán)境中指定鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液類型時(shí)的機(jī)械鉆速預(yù)測(cè)。
[0030]測(cè)量完畢后，高溫高壓釜體加熱器10停止加熱，從第一壓力接端27卸載孔隙壓力，從第四壓力接端26卸載液柱壓力以及從第二壓力接端24卸載圍壓，打開第三壓力接端25，并向第二壓力接端24接入氮?dú)庠捶蹬乓簤河?，由鉆壓作動(dòng)器3控制通過推力軸承30下拉鉆桿28使微型鉆頭脫離巖樣35的下端面，由覆層壓作動(dòng)器5控制上提覆層壓加載活塞使之脫離巖樣35上端面，調(diào)節(jié)游梁升降機(jī)構(gòu)2和三軸腔室升降器9取出巖樣35。
[0031]本發(fā)明通過高溫高壓加載機(jī)構(gòu)對(duì)三軸腔室8加溫，模擬深井、超深井鉆井井底地層高溫高壓環(huán)境，通過微鉆頭破巖鉆深測(cè)量機(jī)構(gòu)測(cè)試鉆深與時(shí)間的關(guān)系，由此獲得模擬深井、超深井鉆井巖石可鉆性。
[0032]高溫環(huán)境獲取方法是，利用高溫高壓釜體加熱器10對(duì)三軸腔室8加溫，實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境，高溫高壓釜體加熱器10采用MCH金屬陶瓷發(fā)熱器，MCH最高加載熱溫度為200°C，地溫梯度按1°C /IOOm~:TC /IOOm計(jì)算，符合極限鉆深至少6.7Km處地層溫度要求，對(duì)于大多數(shù)地溫梯度正常的地層而言完`全滿足超深井地層溫度要求，同時(shí)，MCH是一種新型高效環(huán)保節(jié)能陶瓷發(fā)熱元件，同PTC陶瓷發(fā)熱體相比，在相同加熱效果情況下節(jié)約20~30%電能，也明顯優(yōu)于常規(guī)的金屬電熱絲加熱器，同時(shí)，MCH具有耐腐蝕、耐高溫、壽命長(zhǎng)、高效節(jié)能、溫度均勻、導(dǎo)熱性能良好、熱補(bǔ)償速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且不含鉛、鎘、汞、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯、多溴二苯醚等有害物質(zhì)。
[0033]高壓環(huán)境獲取方法是，利用三套獨(dú)立的液壓伺服系統(tǒng)和液壓泵向三軸腔室8中巖樣35施加圍壓、孔隙壓力、液柱壓力以及上覆巖層壓力，液壓伺服系統(tǒng)和液壓泵采用計(jì)算機(jī)軟件控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度動(dòng)態(tài)平衡加載，同時(shí)，加壓活塞內(nèi)置耐高壓和耐腐蝕橡膠環(huán)實(shí)現(xiàn)往復(fù)式動(dòng)密封，提高活塞承壓能力。
[0034]三套獨(dú)立的液壓伺服系統(tǒng)采用耐高壓和耐腐蝕橡膠環(huán)實(shí)現(xiàn)往復(fù)式動(dòng)密封，并利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡壓力加載，孔隙壓力、液柱壓力以及上覆巖層壓力最高加載壓力為lOOMPa，圍壓最高加載壓力為12010^，控制精度0.0謹(jǐn)?&，地層壓力梯度一般為0.0謹(jǐn)卩&/m，可滿足IOKm井深鉆井要求，因此滿足深井、超深井鉆井的井底壓力要求，同時(shí)，液柱壓力的壓力傳遞介質(zhì)可由不同類型鉆井液代替，模擬實(shí)際鉆井過程中鉆井液對(duì)井底巖石的理化作用，實(shí)現(xiàn)鉆井液類型優(yōu)選。
[0035]巖石可鉆性獲取方法是，利用微鉆頭31和鉆壓活塞桿上的位移傳感器29，測(cè)試微鉆頭31破巖有效鉆深與時(shí)間的關(guān)系，獲得巖石可鉆性。同時(shí)微鉆頭31的鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆壓活塞桿軸向位移均由計(jì)算機(jī)軟件控制系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡加載，加壓活塞內(nèi)置耐高壓和耐腐蝕橡膠環(huán)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封功能，滿足單次測(cè)量多組巖石可鉆性要求。
[0036]在巖樣35下端面施加鉆壓，鉆壓加載活塞內(nèi)置有耐高壓和耐腐橡膠環(huán)，最高加載壓力為lOOMPa，實(shí)現(xiàn)加載過程中的往復(fù)式動(dòng)密封，微鉆頭31固定于鉆桿28上，倒置于巖樣35下端面，鉆桿28上的位移傳感器29測(cè)試微鉆頭31有效鉆深，由于重力分離作用，破碎后的巖屑將在重力作用下落入鉆壓活塞桿下部的巖屑盤，有效避免了破碎巖屑的重復(fù)切削，提高了巖石可鉆性測(cè)量值準(zhǔn)確性。微鉆頭31破巖時(shí)鉆壓、轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)，同時(shí)由于實(shí)現(xiàn)了往復(fù)式動(dòng)密封，使微鉆頭31具有了深穿透功能，最高加載鉆壓為250KN，控制精度0.01KN,最高加載轉(zhuǎn)速為250r/min,控制精度為lr/min,測(cè)試巖石可鉆性時(shí)一般采用55r/min的轉(zhuǎn)速，對(duì)牙輪微鉆頭31施加890N±20N的鉆壓或者對(duì)PDC微鉆頭31施加500N±10N的鉆壓，同時(shí)，可以在此基礎(chǔ)上以“高鉆壓，低轉(zhuǎn)速”為原則，逐級(jí)升高鉆壓，降低轉(zhuǎn)速，評(píng)價(jià)鉆壓和轉(zhuǎn)速對(duì)可鉆性極高巖石破巖效果的影響，預(yù)測(cè)一定鉆壓和轉(zhuǎn)速條件下的鉆井機(jī)械鉆速，實(shí)現(xiàn)鉆壓和轉(zhuǎn)速的優(yōu)選，并利用測(cè)得的巖石可鉆性結(jié)合巖樣35巖性，以各鉆頭廠選型標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)鉆頭優(yōu)選。
[0037]微鉆頭31測(cè)試巖石可鉆性時(shí)，單次有效鉆進(jìn)深度為牙輪微鉆頭312.4mm或者TOC微鉆頭313mm，通過在鉆壓加載活塞內(nèi)置耐高壓和耐腐橡膠環(huán)，實(shí)現(xiàn)加載過程中的往復(fù)式動(dòng)密封，不僅能夠提高加載液柱壓力時(shí)活塞的承壓能力，而且通過電腦軟件控制鉆壓加載活塞沿巖樣35軸向的位移，實(shí)現(xiàn)了鉆壓活塞的動(dòng)態(tài)位移加載控制，最大有效鉆深位移為100mm，控制精度為0.01mm，單次巖石可鉆性實(shí)驗(yàn)理論上可以獲得41組牙輪微鉆頭31巖石可鉆性測(cè)試值或者33組PDC微鉆頭31巖石可鉆性測(cè)試值。
[0038]第一壓力接端27、第二壓力接端24、第四壓力接端26分別連接有一個(gè)液壓伺服系統(tǒng)，液壓伺服系統(tǒng)、鉆壓作動(dòng)器3、鉆壓傳感器4、覆層壓作動(dòng)器5、覆層壓載荷傳感器6、位移傳感器29和驅(qū)動(dòng)鉆桿28旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均與控制系統(tǒng)連接。
[0039]控制系統(tǒng)用于控制溫度、壓力、轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)平衡加載，測(cè)試過程中鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液類型可以改變，實(shí)現(xiàn)其優(yōu)選以及機(jī)械鉆速預(yù)測(cè)。
[0040]鉆頭、鉆壓、轉(zhuǎn)速以及鉆井液類型優(yōu)選方法是，鉆頭優(yōu)選以有效鉆深對(duì)應(yīng)時(shí)間為主要依據(jù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)巖樣35的具體巖性，以各鉆頭生產(chǎn)廠家鉆頭選型標(biāo)準(zhǔn)為參考進(jìn)行鉆頭優(yōu)選，鉆壓、轉(zhuǎn)速以及鉆井液類型優(yōu)選以有效鉆深對(duì)應(yīng)時(shí)間為主要依據(jù)，有效鉆深對(duì)應(yīng)時(shí)間越小，則對(duì)應(yīng)的鉆壓、轉(zhuǎn)速以及鉆井液類型組合越好。
[0041]機(jī)械鉆速預(yù)測(cè)方法是，模擬深井、超深井鉆井過程中某一地層深度時(shí)井底地層溫度和壓力環(huán)境，在指定的鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液類型條件下測(cè)試微鉆頭31破巖機(jī)械鉆速，以此為依據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工機(jī)械鉆速進(jìn)行預(yù)測(cè)。
[0042]本發(fā)明可以滿足模擬深井、超深井鉆井過程中對(duì)井底溫度和壓力要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆壓和轉(zhuǎn)速的優(yōu)選，鉆井液類型對(duì)鉆井機(jī)械鉆速影響評(píng)價(jià)，以及鉆井機(jī)械鉆速預(yù)測(cè)，并且極大地提高了單次實(shí)驗(yàn)測(cè)試的效率，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。
【權(quán)利要求】
1.一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測(cè)試裝置，其特征在于:它包括機(jī)架(1)、設(shè)置于機(jī)架(1)上的高溫高壓加載機(jī)構(gòu)以及微鉆頭破巖鉆深測(cè)量機(jī)構(gòu)，所述的高溫高壓加載機(jī)構(gòu)包括游梁升降機(jī)構(gòu)(2)、鉆壓作動(dòng)器(3)、鉆壓傳感器(4)、覆層壓作動(dòng)器(5)、覆層壓載荷傳感器(6)、上覆巖層壓力加載活塞(7)、三軸腔室(8)、三軸腔室升降器(9)和高溫高壓釜體加熱器(10)， 所述的游梁升降機(jī)構(gòu)(2)包括垂直設(shè)置于機(jī)架(1)上表面的兩個(gè)立柱(11)、兩端分別滑動(dòng)設(shè)置于立柱(11)上的滑塊(12)和垂直支撐滑塊(12)的可調(diào)支桿(13)，鉆壓作動(dòng)器(3)固定安裝于滑塊(12)上，鉆壓作動(dòng)器(3)的輸出軸固定連接鉆壓傳感器(4)，鉆壓傳感器(4)的下部固定連接覆層壓作動(dòng)器(5)，覆層壓作動(dòng)器(5)的底部固定安裝有上加載板(14)，覆層壓作動(dòng)器(5)的輸出軸固定連接覆層壓載荷傳感器(6)，覆層壓載荷傳感器(6)的下部固定連接上覆巖層壓力加載活塞(7)； 三軸腔室升降器(9)一端固定安裝于覆層壓作動(dòng)器(5)的一側(cè)，三軸腔室升降器(9)的另一端固定連接三軸腔室(8)，三軸腔室(8)的底部依次連接有鉆套(15)和下加載板(16)，上加載板(14)和下加載板(16)之間連接有覆層壓反力桿(17)，高溫高壓釜體加熱器(10)套裝于三軸腔室(8)的外部； 所述的三軸腔室(8 )包括本體(18 )，本體(18 )的內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)封閉的容腔(19 )，容腔(19)內(nèi)設(shè)置有橡膠套(20)，本體(18)的上部設(shè)置有一個(gè)連通所述容腔(19)的活塞孔(21)，上覆巖層壓力加載活塞(7)的下端設(shè)置于該活塞孔(21)內(nèi)，本體(18)的下部設(shè)置有一個(gè)連通所述容腔(19)的鉆孔(22)，活塞孔(21)的下邊緣和鉆孔(22)的上邊緣均設(shè)置有伸入容腔(19)內(nèi)部的凸出部(23)，橡膠套(20)的兩端分別套裝在對(duì)應(yīng)側(cè)的凸出部(23)外，位于容腔(19)下部一側(cè)的本體(18)上設(shè)置有連通容腔(19)與本體(18)外部空間的第二壓力接端(24)，位于容腔(19)上部一側(cè)的本體(18)上設(shè)置有連通容腔(19)與本體(18)外部空間的第三壓力接端(25)，本體(18)下部設(shè)置有連通鉆孔(22)與本體(18)外部空間的第四壓力接端(26)，上覆巖層壓力加載活塞(7)本體(18)上設(shè)置有連通容腔(19)與本體(18)外部空間的第一壓力接端(27)； 微鉆頭破巖鉆深測(cè)量機(jī)構(gòu)包括鉆桿(28)和位移傳感器(29),位移傳感器(29)安裝于鉆桿(28)上，鉆桿(28)安裝于位于三軸腔室(8)下部的機(jī)架(1)上，鉆桿(28)通過推力軸承(30)安裝于機(jī)架(1)上，鉆桿(28)上部穿過鉆套(15)后伸入三軸腔室(8)的鉆孔(22)內(nèi)，鉆桿(28)的頂部安裝有微鉆頭(31)，鉆桿(28)與設(shè)置在機(jī)架內(nèi)的可調(diào)速電機(jī)的輸出軸連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測(cè)試裝置，其特征在于:所述的機(jī)架(1)上設(shè)置有用于引導(dǎo)下加載板(16)垂直方向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向桿(32)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測(cè)試裝置，其特征在于:所述的機(jī)架(1)上設(shè)置有用于引導(dǎo)鉆桿(28)相對(duì)于三軸腔室(8)垂直方向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向座(33),導(dǎo)向座(33)套裝于下加載板(16)的外部,且導(dǎo)向座(33)的內(nèi)壁與下加載板(16)的外壁間隙配合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測(cè)試裝置，其特征在于:所述的上覆巖層壓力加載活塞 (7)與活塞孔(21)之間、鉆桿(28)與鉆孔(22)之間均設(shè)置有耐腐蝕橡膠密封環(huán)(34)。
5.采用如權(quán)利要求1所述的一種深井、超深井鉆井巖石可鉆性測(cè)試裝置的測(cè)試方法，其特征在于:它包括以下步驟: S1、通過調(diào)節(jié)游梁升降機(jī)構(gòu)(2)和三軸腔室升降器(9)將巖樣(35)通過活塞孔(21)放置于三軸腔室(8 )內(nèi)部，巖樣(35 )位于橡膠套(20 )內(nèi)；然后通過調(diào)節(jié)三軸腔室升降器(9 )，使三軸腔室(8)在導(dǎo)向桿(32)引導(dǎo)下向上提升，上覆巖層壓力加載活塞(7)伸入活塞孔(21)預(yù)壓緊巖樣(35)，從而將巖樣(35)封閉在三軸腔室(8)內(nèi)； s2、覆層壓作動(dòng)器(5)控制上覆巖層壓力加載活塞(7)對(duì)巖樣(35)進(jìn)行上覆巖層壓力加載，并通過覆層壓反力桿(17)進(jìn)行平衡，上覆巖層壓力加載載荷由覆層壓載荷傳感器(6)進(jìn)行采集，上覆巖層壓力由液壓泵提供動(dòng)力源并作用于上覆巖層壓力加載活塞(7)，上覆巖層壓力加載過程受覆層壓作動(dòng)器(5)控制； S3、待上覆巖層壓力加載完畢，對(duì)巖樣(35)施加模擬井底圍壓、孔隙壓力、液柱壓力以及溫度，并測(cè)量微鉆頭(31)有效鉆深與時(shí)間關(guān)系，其具體操作步驟為: S31、施加模擬井底圍壓，向第二壓力接端(24)泵入液壓油，三軸腔室(8)內(nèi)的空氣通過第三壓力接端(25)排除，關(guān)閉第三壓力接端(25)，繼續(xù)泵入液壓油，液壓油擠壓橡膠套(20)定量產(chǎn)生圍壓并作用于巖樣(35)； S32、施加模擬井底孔隙壓力，通過孔隙壓力液壓伺服系統(tǒng)向第一壓力接端(27)泵入模擬地層流體，模擬地層流體侵入巖樣(35)產(chǎn)生孔隙壓力；S33、施加模擬井底液柱壓力，向第四壓力接端(26)泵入鉆井液，鉆井液作用于巖樣(35)的端面；
S34、施加模擬井底溫度，通過高溫高壓釜體加熱器(10)向三軸腔室(8)加載溫度條件； S35、測(cè)量微鉆頭(31)有效鉆深與時(shí)間關(guān)系，施加模擬深井、超深井井底壓力和溫度載荷后，鉆壓作動(dòng)器(3)的輸出軸對(duì)穩(wěn)定連接為一體的鉆壓傳感器(4)、覆壓動(dòng)作器(5)、上加載板(14)、覆層壓反力桿(17)、下加載板(16)和鉆套(15)施加向下的壓力，使鉆套(15)向下移動(dòng)，微鉆頭(31)通過鉆套(15)，頂住巖心產(chǎn)生鉆壓，利用推力軸承(30)在導(dǎo)向套的引導(dǎo)下、通過鉆壓作動(dòng)器(3)控制將鉆桿(28)相對(duì)三軸腔室(8)向上提升，鉆桿(28)上頂部的微鉆頭(31)被頂入三軸腔室(8)內(nèi)并接觸巖樣(35)，鉆桿(28)由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，測(cè)試巖石可鉆性時(shí)推力軸承(30)向鉆桿(28)和微型鉆頭施加鉆壓，上述加載過程的鉆壓加載載荷由鉆壓傳感器(4) 進(jìn)行采集 ，并由鉆壓作動(dòng)器(3)對(duì)鉆壓加載過程進(jìn)行控制，由位移傳感器(29)記錄有效鉆深及相應(yīng)的時(shí)間。
【文檔編號(hào)】E21B49/00GK103806907SQ201410037618
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月26日
【發(fā)明者】孟英峰, 陳一健, 李皋, 劉厚彬, 陶祖文 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)