技术领域
[0001] 本
发明属于钻井工程中
钻井液处理剂及钻井液体系对钻进速度影响的技术领域，具体涉及一种多因素环境下的室内钻进模拟装置及评价方法，用于在高温高压条件下，模拟钻井过程中的转速、钻压、上覆压
力、地
层压力、井底循环压力等影响钻井的多因素条件参数，评价不同钻井液处理剂及钻井液体系影响钻进速度和清洁井底效果的测试。
背景技术
[0002] 随着石油勘探开发的进展，钻遇
地层越来越深，越来越复杂，井型机械钻速越来越慢，提速提效是当前乃至今后的重要任务。在明确地层条件的前提下，开发新型快速钻进的钻井液技术是提高钻井速度的关键配套技术，也是最有效途径之一。通过现场试验进行相关评价，成本高，周期长，影响提速目标的早日实现，而通过室内试验评价可以利用人造模拟
岩心，在成本低、操作灵活的前提下短时间内完成钻井液处理剂优选，钻井液体系优化，以及其他如
钻头优选、钻井参数优化等方面的评价。
[0003] 目前，已有室内评价钻井液与处理剂提速效果的相关实验装置，但是均不能真实模拟施工现场情况和模拟斜井施工情况。在施工中，钻井液处理剂和钻井液体系直接作用在井下的
岩石地层上，发挥作用环境同时存在一定
温度和一定压力，同时钻遇的岩石地层还受到上覆压力、地层压力和循环压力等多因素的影响。
[0004] 现有的钻进模拟装置大多只能模拟常温常压条件，不能真实反映实际钻进过程中高温高压的情况。
专利CN101806214A涉及的实验设备可以模拟高温高压条件，但是不能模拟地层受到的多种压力，也无法在实验进行过程中添加或改变钻井液配方或处理剂的添加量，同时缺少固液分离装置，容易堵塞循环管线。专利ZL201320044653.0涉及的实验设备可以模拟高温高压条件，配备了固液分离装置，可以在实验进行过程中添加或改变钻井液配方或处理剂的添加量。但是只能模拟地层受到的围压，即地层压力，无法模拟岩石地层受到的其他方向上的作用力，以及钻井液循环压力，使用的人造模拟岩心无法真实表现井下岩石地层受力的真实情况，故而无法真实反映钻井液处理剂、体系以及钻头和参数等对机械钻速的影响规律，另外，其只适用于直井的研究，无法适用于斜井段。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于解决上述
现有技术中存在的难题，提供一种多因素环境下的室内钻进模拟装置及评价方法，能够模拟实际钻进过程，检测钻井液处理剂和钻井液体系影响钻进效率和清洁井底效果的测试设备。可以在实验室条件下实现高温高压环境，模拟钻井过程中的转速、钻压、上覆压力、地层压力、井底循环压力等影响钻井的多因素条件参数同时作用于待测人造岩心上，可以在室内完成对钻井施工的模拟试验，开展钻井过程中各种因素的相互作用、机理、钻井效果等进行研究。该设备对开发出高性能的快钻剂产品，优选出有效提高钻井速度的钻井液体系，形成一套提高钻井速度的钻井液技术，提高油气井勘探开发效益具有极为重要的意义。同时，对于模拟实际钻进过程中钻头选型与岩石可钻性的研究也能提供较好的借鉴。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007] 一种多因素环境下的室内钻进模拟装置，包括岩心夹持系统、井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统、钻深测量系统和自动控制和
数据采集系统；
[0008] 所述岩心夹持系统为夹持岩心的密封装置，用于模拟井下压力与温度环境；
[0009] 所述井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统分别通过管路与岩心夹持系统连接；
[0010] 所述钻深测量系统与钻压模拟系统连接；
[0011] 所述自动控制和数据采集系统通过
电路连接岩心夹持系统、井底循环系统、上覆压力系统、地层压力系统、钻压模拟系统、旋转驱动系统和钻深测量系统。
[0012] 所述岩心夹持系统采用三轴加载模式，包括承压外筒、轴压筒和轴压堵头；
[0013] 所述承压外筒的两端开口，一端开口设有端盖，另一端开口与所述轴压筒连接；
[0014] 所述轴压堵头的大径段设置在轴压筒与承压外筒连通的内腔中，小径段伸出到轴压筒外部；所述大径段的直径大于小径段的直径；
[0015] 所述轴压堵头能够在轴压筒与承压外筒连通的内腔中沿轴向往复移动；
[0016] 所述岩心放置在所述承压外筒的内腔中，所述轴压堵头设置在岩心的下方；所述端盖的内腔、承压外筒的内腔上端、岩心的上端面围合形成钻井液循环腔；
[0017]
钻杆穿过端盖、钻井液循环腔后伸入到岩心中。
[0018] 所述井底循环系统包括：高压钻井液往复循环装置和钻井液洗井装置；
[0019] 所述高压钻井液往复循环装置包括两组精密
柱塞泵和中间容器；
[0020] 在所述承压外筒的上端开有三个口，三个口分别与所述钻井液循环腔相通，其中两个口分别与一个中间容器连接，另外一个口为放浆口；
[0021] 每个中间容器与一个精密柱塞泵连接；
[0022] 在所述中间容器与钻井液循环腔之间的管路上设置有井底压力
传感器；
[0023] 所述钻井液洗井装置包括恒温储罐、搅拌器、钻井液泵、颗粒杂质
过滤器、回压器和防喷储污桶；
[0024] 所述搅拌器设置在恒温储罐上，所述钻井液泵的一端通过管路与恒温储罐连接，另一端通过管路与钻杆
水眼连接；
[0025] 所述放浆口通过管路与颗粒杂质过滤器连接，所述颗粒杂质过滤器通过管路与回压器连接，所述回压器分别通过管路与恒温储罐、防喷储污桶连接；
[0026] 所述恒温储罐中放置钻井液，运行时中间容器中与钻井液循环腔连接的缸体内充满钻井液。
[0027] 在所述放浆口与颗粒杂质过滤器之间的管路上设置有井底
压力传感器。
[0028] 在所述承压外筒的外层围绕有电加热装置；
[0029] 在所述承压外筒的外壁上固定有带把手的旋转螺钉，用于模拟井斜
角度；
[0030] 在所述颗粒杂质过滤器的外层围绕有
循环水冷却器。
[0031] 所述上覆压力系统包括两台多功能自动
液压泵，其中一台通过管路与承压外筒连接，另一台通过管路与轴压筒连接。
[0032] 所述地层压力系统包括精密
注射泵、中间容器组，所述精密注射泵通过管路和
阀门与中间容器组连接，所述中间容器组通过管路与轴压堵头的中心孔连接，能够直接将液体注入岩心。
[0033] 所述精密注射泵采用ISCO泵100D，其能够提供连续无脉冲
流体，工作压力为10000psi，流量为0.0001-25ml/min。
[0034] 所述钻压模拟系统包含空气
压缩机、精密减压阀、钻杆浮动机构、钻压控制
气缸；
[0035] 在所述钻杆的顶端设置有
轴承，所述钻压控制气缸的
活塞的自由端通过该轴承与所述钻杆连接。
[0036] 所述旋转驱动系统包括伺服
电机和线性调速
驱动器；
[0037] 所述线性调速驱动器驱动
伺服电机旋转，通过减速机构将旋转运动输送给钻杆；伺服电机连接在钻杆的顶部进行传动，控制钻杆的旋转。
[0038] 所述钻深测量系统包括拉线式位移传感器，该拉线式位移传感器固定安装在所述钻压控制气缸上，用于测定钻杆的上下活动。
[0039] 所述自动控制和数据采集系统采用计算机进行控制与采集，通过电气线路分别监测和控制钻井液泵、钻压模拟系统、多功能自动液压泵、精密注射泵以及各个阀门，并接收井底压力传感器的
信号，控制电加热装置和循环水冷却器。
[0040] 一种利用上述装置实现的钻井液体系评价方法，包括：
[0041] 将岩心放置在岩心夹持系统中，根据待施工井的井型，调整岩心夹持系统的角度，当模拟直井施工时，调整岩心夹持系统与地面保持水平，当模拟斜井施工时，调整岩心夹持系统与地面的角度与井斜角度相同；
[0042] 将待测钻井液体系倒入恒温储罐中，开启加热，并实时搅拌保温；在自动控制和数据采集系统中设置参数，所述参数包括钻压、钻头旋转速度、上覆压力、地层压力和钻进深度，开始实验；
[0043] 岩心夹持系统完成对岩心施加设定的上覆压力和地层压力，井底压力传感器检测到合适的钻压压力值后，自动控制和数据采集系统控制钻杆进行钻进，直至钻进至设计深度，钻压模拟系统停止工作，输出钻进的时间；
[0044] 利用钻进的深度、钻进的时间和井斜角度获得钻进提速效率。
[0045] 所述利用钻进的深度、钻进的时间和井斜角度获得钻进提速效率是通过下式实现的：
[0046]
[0047] 其中，K表示钻进提速效率，单位为％；
[0048] S体系1表示利用钻井液体系1钻进的深度，单位为m；
[0049] t体系1表示利用钻井液体系1钻进S体系1深度需要的时间，单位为s；
[0050] θ井斜1表示利用钻井液体系1时岩心表面与地面的角度，单位为°；
[0051] S体系2表示利用钻井液体系2钻进的深度，单位为m；
[0052] t体系2表示利用钻井液体系2钻进S体系2深度需要的时间，单位为s；
[0053] θ井斜2表示利用钻井液体系2时人造岩心表面与地面的角度，单位为°。
[0054] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0055] 在确定带测地层岩石的特性之后，模拟实际钻进参数，设定上覆压力、地层压力、钻压、钻速、温度和压力，利用本发明能够实现以下功能：①测试不同钻井液处理剂对钻进效率和钻井液清洁井底的影响；②测试不同钻井液体系配方对钻进效率和钻井液清洁井底的影响；③测试钻井液体系与地层的匹配性。
[0056] 本装置的优点及用途有：①占地面积较小，可作为室内评价测试的仪器设备；②可模拟实际钻进过程中井下高温高压和地层岩石受到各种压力的条件，得出的钻井液处理剂或不同体系配方对机械钻速的影响规律更加真实；③开启夹持系统后可直接观察到钻头外观情况，能直观获得钻井液处理剂及钻井液体系清洁井底的效果；④与其他手段配合，可以评价
钻屑吸附钻头、压持效应、
扭矩、微米亚微米粒子以及钻井液对井底岩石强度的影响，进而评价提高钻进效率的效果；⑤通过钻进实验模拟装置，能够快速检验所研发的关键处理剂和提速钻井液体系配方的提速效果，可以节约从室内到现场的验证时间，提高项目研究效率；⑥实验过程中可以添加或改变钻井液配方或处理剂的添加量，参与实验的钻井液经分离和冷却后可再次利用，试验成本减少，研发时间缩短，劳动强度降低。
附图说明
[0057] 图1本发明装置的结构示意图
[0058] 图2本发明装置中的高压钻井液往复循环装置的结构示意图
[0059] 图3本发明装置中的钻井液洗井装置的结构示意图。
具体实施方式
[0060] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0061] 本发明能够在实验室模拟实际钻进过程，可在一定的温度、压力、钻头类型等参数下，对同一种岩样进行重复钻进试验，测试不同钻井液处理剂、体系配方对钻进效率和井底清洁效果的影响规律。如图1所示，本装置主要包括以下部分：(1)岩心夹持系统；(2)井底循环系统；(3)上覆压力系统；(4)地层压力系统；(5)钻压模拟系统；(6)旋转驱动系统；(7)钻深测量系统；(8)自动控制和数据采集系统1。
[0062] 所述岩心夹持系统为夹持圆柱形岩样的密封装置，可以施加围压、上覆压力，还具有加温功能，以模拟井下压力与温度环境。夹持器设计为三轴加载(三轴是X,Y,Z轴，即平面上的X,Y轴和轴向上的Z轴)模式，利用承压外筒14提供环压，利用轴压筒24、轴压堵头16提供轴压(轴压堵头在空腔内的轴向上是有富裕空间的，轴压堵头与围压筒是活动连接，轴压堵头可以在围压筒内上下运动，只需一点空间就可以提供压力)，电加热装置围绕在承压外筒14的外层进行加热。夹持装置的承压外筒14的外层可以恒定模拟地层压力(通过图1中的多功能自动液压泵17对承压外筒14施加压力获得地层压力)，带有电加热装置，与夹持器互联的各种管路21，均带有伴热带，可以设定与夹持器相同的温度，为流体保温加热，更真实的反映实际钻井状态。该系统可以整体调整角度(靠带把手的旋转螺钉挤住
外壳，夹紧固定)，用以模拟井斜角度，当模拟直井施工时，岩心15与地面保持水平，模拟斜井施工时，调整岩心15与地面的角度与井斜角度相同。
[0063] 所述井底循环系统可以采用钻井液和清水作为循环介质，包含高压钻井液往复循环装置和钻井液洗井装置。
[0064] 如图2所示，高压钻井液往复循环装置使用2组精密柱塞泵28、中间容器26通过计算机自动控制来进行钻井液循环，通过自控系统控制2组精密柱塞泵同时进泵，待井底压力传感器11检测到合适的压力值后，自控系统控制精密柱塞泵26一台注入，一台抽出，恒定流速与压力，泵完后再反向循环，实现高压钻井液往复冲刷钻眼。中间容器26中活塞一侧为钻井液6，另一侧为驱替液27。
[0065] 如图3所示，钻井液洗井装置使用一套搅拌加
热容器盛装钻井液，并通过搅拌器4进行实时搅拌保温，由钻井液泵3
抽取并泵送至钻杆水眼9中
注入井下，并通过钻头上的水眼喷射至钻头或切削面，依靠钻井液压力由井筒返回，流至颗粒杂质过滤器13，将钻屑等固体颗粒物过滤，并通过循环水冷却器22对钻井液降温，液体则通过回压器12控压并排空至恒温储罐5内循环使用。井底循环系统具有清水冲洗清洁功能，位于钻井液循环腔25开设有专用的放浆口(在钻井液循环腔开有3个口，另外2个口用于连接两个精密柱塞泵，实验时必须关闭放浆口)，用来在实验结束取出岩心后，通过泵送清水注入钻杆10、井眼，并通过位于钻井液循环腔的放浆口排空至防喷储污桶23内，使得拆开夹持装置后，井眼及井底循环腔内只留存微量的清水，干净整洁。
[0066] 所述上覆压力系统通过控制
软件自动
跟踪压力变化，调整泵的运行(上覆压力由轴压和围压共同组成，哪个压力大，这个压力的数值就是上覆压力的压力数值)，按照预设的参数实现恒压控制或自动跟踪控制；该系统中还包括一台轴压柱塞快速运动泵，即图1中最下部的多功能液压自动泵17，控制围压筒和轴压堵头之间的环孔间隙，用来快速调节夹持器内岩心的长度和自动顶出岩心，通过阀门切换后即可非常方便的安装和取出岩心。
[0067] 所述地层压力系统由精密注射泵20(即图1中的ISCO泵100D，其可以提供连续无脉冲流体，工作压力10000psi，流量0.0001-25ml/min(双缸泵))、中间容器组19、互联管阀组成。通过轴压堵头16的中心孔，可以直接将地层液体注入岩心，并可通过控制泵压，实现对孔隙压力的调整及控制。
[0068] 所述钻压模拟系统2包含空气压缩机、精密减压阀、钻杆浮动机构，钻压模拟系统通过管路和阀门7与钻压控制气缸8连接，利用计算机和精密减压阀配合控制，依靠活塞式送钻机构，钻杆10上配备一个能承受推力的传递轴承，在钻杆旋转时轴承仍能将送钻机构活塞(在钻杆顶端设置轴承，钻压控制气缸8的活塞的自由端通过该轴承连接钻杆)提供的钻
压实时传递给钻杆。所述钻杆浮动机构由浮动板，双向推力球轴承，
气缸组成，浮动板为中空纺锤型零件，通过双向推力球轴承连接钻杆，在传递推力的同时可保持钻杆旋转，气缸为浮动板升降提供动力，同时防止浮动板旋转。
[0069] 所述旋转驱动系统用来为钻杆提供旋转力矩和转速，使用精密的伺电机及线性调速驱动器，实验时由操作人员在计算机上设定，由计算机控制转速的调节，实际的转速则通过驱动器实时反馈，自动补偿，且转动力矩实时恒定输出，可以精准的保证设定的转动动作实时反映到钻头的动作上；电机的旋转通过传动、减速机构输送给钻杆，电机连接在钻杆的顶部进行传动，控制钻杆的旋转。
[0070] 所述钻深测量系统使用拉线式位移传感器(该传感器固定在钻压控制气缸8上)测定钻头的上下活动。实验时，可在计算机上自由选择固定钻深实验，也可根据实际需要采用实时调整钻深，下钻深度均由该测量系统反馈至计算机上。
[0071] 所述自动控制和数据采集系统1采用计算机进行控制与采集，通过电气线路18可实现监测和控制泵、电机部分自动阀门等的操作，对系统仪表的压力、流量、温度等参数实时采集与
数据处理，其组件包括计算机，采集系统，
打印机等。所有采集的数据以
数据库形式记录，程序根据输入的基本参数和实验采集内容进行记录，原始数据存于EXCEL表格中。
[0072] 本发明提供了一种用于检测钻井液处理剂或钻井液体系对钻进速度影响的方法，具体如下：将人造岩心放置在夹持器中，该人造岩心是根据施工地区地层岩心的特性制作得到；根据待施工井的井型，调整加持系统的角度，当模拟直井施工时，岩心与地面保持水平，模拟斜井施工时，调整岩心与地面的角度与井斜角度相同；将待测钻井液体系倒入搅拌加热容器(即带有搅拌器的恒温储罐)，开启加热，实时搅拌保温；在自动控制和数据采集系统中设置参数，包括钻压、钻头旋转速度、上覆压力、地层压力和钻进深度，开始实验流程；夹持系统完成对人造岩心施加设定的上覆压力和地层压力，井底压力传感器检测到合适的钻压压力值后，自控系统开始工作，直至钻进至设计深度，钻压模拟系统停止工作，由计算机输出钻进过程的时间；设备工作期间可根据实验目的和要求，随时在加热容器中加入钻井液处理剂(公式中，角度、深度都是是预先设定好的，角度通过固定装置确定，钻进深度通过电脑程序预设好)。
[0073]
[0074] 其中，K表示钻进提速效率，单位为％；用体系1、体系2分别进行实验获得的参数。一
块岩心开展一次实验，钻井深度可以预设更长，这样获得的数据更多，更能真实体现提速效率。
[0075] S体系1表示利用钻井液体系1钻进的深度，单位为m；
[0076] t体系1表示利用钻井液体系1钻进S体系1深度需要的时间，单位为s；
[0077] θ井斜1表示利用钻井液体系1时岩心表面与地面的角度，单位为°；
[0078] S体系2表示利用钻井液体系2钻进的深度，单位为m；
[0079] t体系2表示利用钻井液体系2钻进S体系2深度需要的时间，单位为s；
[0080] θ井斜2表示利用钻井液体系2时人造岩心表面与地面的角度，单位为°。
[0081] 本发明涉及一种在高温高压条件下，模拟钻井过程中的转速、钻压、上覆压力、地层压力、井底循环压力等影响钻井的多因素条件参数，评价不同钻井液处理剂及钻井液体系影响钻进速度和清洁井底效果的测试评价装置和检测评价方法。其能够模拟实际钻进中井底高温高压和岩石受到多种地层压力的情况；适用于各种钻井液处理剂及钻井液体系的钻进效率和清洁井底效果的评价；可以改变钻井液配方或处理剂的添加量，简化实验步骤，短缩研发时间，降低劳动强度，具体特点如下：
[0082] 1.能够模拟地层围压
[0083] 2.使用钻仓外的盘管加热器对钻井液加热。加热线路长，能使钻井液在较短时间内达到测试温度；
[0084] 3.钻井液循环系统中含有冷却器，背压阀以及携带搅拌桨的钻井液池。可以在实验中途添加所需的处理剂，无需结束实验后再添加，试验步骤简化，研发时间缩短，劳动强度降低；
[0085] 4.钻井液循环系统中具有固液分离器(即图1中的泥浆过滤器)，防止钻屑堵塞管线，同时模拟了现场中的固控设备
[0086] 在石油钻井工程中，钻井速度是影响勘探开发速度的关键因素。提高钻井速度，能够减少钻机资源的占用，提高钻井效益，大幅度降低钻井成本。而开发新型快速钻进的钻井液技术是提高钻井速度的最有效途径之一。目前对钻井液性能影响机械钻速影响规律的深入研究较少，主要原因是缺少能够真实模拟井下状况的室内评价设备。现有的钻进模拟装置大多只能模拟常温常压条件，不能同时满足实际钻进过程中高温高压环境和模拟对待测人造岩心作用力真实模拟。本发明可以有效的改变这种情况，能够模拟高温高压和存在钻压、上覆压力、地层压力、井底循环压力的实际钻进情况；能够分离钻屑等有害固相；可以添加或改变钻井液配方或处理剂的添加量，简化实验步骤，短缩研发时间，降低劳动强度。目前，本发明是研究钻井液处理剂和钻井液体系影响钻进效率和清洁井底功能的最佳评价测试设备。
[0087] 本发明能够很好的满足实验要求。利用本装置可以评估高温高压条件下不同钻井液处理剂及钻井液体系对钻进速度和清洁井底的影响，以及钻井液配方与地层的匹配性。在进行相关科研项目的研究工作时，曾采用本装置评估了不同钻井液快钻剂的提速效果，分析得到适合新疆塔河区块上部地层的快钻剂及相应钻井液体系。该设备成功指导和完善提速钻井液体系在顺北1井的应用，室内评价结果对现场施工具有指导和参考意义：快速评价出钻井液新体系对地层的破岩效率，提高了钻井液技术研究的效率，降低了应用新技术的
风险。。
[0088] 上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的
基础上，很容易做出各种类型的改进或
变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
