本發明專利技術提供一種考慮鉆柱動態振動的頁巖破碎實驗裝置及方法，該裝置由一層板、鉆壓檢測裝置、二層板、平面推力球軸承、三層板、夾持裝置、扭矩檢測裝置、位移檢測裝置、數據采集系統、鉆柱和鉆頭組成。其特征在于：一層板和二層板之間的中心位置安裝有懸臂梁壓力傳感器；二層板和三層板之間的平面推力球軸承使三層板可自由旋轉，鉆柱的扭矩通過三層板的轉動作用于固定在一層板上的懸臂梁壓力傳感器上；位移傳感器拉桿連接塑料圓環，塑料圓環內粘貼有滾動軸承，粘接在滾動軸承內的“T”形鋼管連接鉆柱，以測量鉆柱位移。采用本發明專利技術裝置及方法，可以測定鉆柱的動態振動、鉆壓、進尺和扭矩對頁巖破碎的影響，為各向異性頁巖優化鉆井提供實驗依據。
【技術實現步驟摘要】
考慮鉆柱動態振動的頁巖破碎實驗裝置
本專利技術涉及石油與地質鉆井工程中的巖石破碎實驗裝置，特別涉及一種考慮鉆柱動態振動的頁巖破碎實驗裝置。
技術介紹
隨著我國國民經濟持續快速增長，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58.1％，天然氣達到31.6％，大大超過國際公認的警戒線，嚴重威脅到國家能源戰略的安全，必須尋找新的資源。天然氣作為一種清潔能源，在我國能源消費中所占比例低(2011年僅為4.5％)。2012年中國天然氣產量約1000億方，進口約400億方。如果要將我國天然氣消費比例提高至10％，天然氣供需差距將達到2000億方以上，必須尋找新的天然氣資源，頁巖氣的勘探開發是最現實的選擇。我國頁巖氣分布廣泛，資源量豐富，開發潛力巨大。據國際能源署估計，我國14個盆地中的25個頁巖構造含有頁巖氣資源，總資源量約為15～30×1012m3，與美國主要盆地和地區的28.3×1012m3資源量大致相當，蘊含巨大的經濟潛力。頁巖氣水平井的多段體積壓裂是實現頁巖氣商業化開采的關鍵，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。美國頁巖氣產區主要分布在比較穩定的大地構造單元內，地層呈現較為強烈的橫觀各向同性。而我國頁巖層均經歷了強烈的后期改造，地質條件相對復雜，頁巖分布不穩定，地層傾斜，頁巖呈現較強的各向異性特征。我國頁巖氣埋藏普遍超過3000米，頁巖更加致密。鉆井過程中高強度和高研磨性頁巖致使其可鉆性極差，機械鉆速較低，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理沒有掌握、鉆頭選型不當和不能實現長水平段“一趟鉆”完井等造成的。目前，現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振動對破巖體積、鉆壓、鉆速、進尺和扭矩的影響，而頁巖的各向異性易引起鉆柱的動態振動又是頁巖破碎必須考慮的主要因素之一。鑒于此，本專利技術人憑借多年的相關設計和制造經驗，采用實驗測定鉆柱動態振動對破巖體積、鉆壓、鉆速和扭矩的影響，提出一種考慮鉆柱動態振動的頁巖破碎實驗裝置及實驗方法，為頁巖氣鉆井個性化鉆頭優化設計以及鉆井參數優化提供實驗裝置與方法。
技術實現思路
本專利技術的目的是克服現有技術中的不足，提供一種考慮鉆柱動態振動的頁巖破碎實驗裝置及實驗方法，通過實驗研究頁巖的破碎機理以及鉆柱動態振動對頁巖破巖體積、鉆壓、鉆速和扭矩的影響。本專利技術解決此技術問題的技術方案是：一種考慮鉆柱動態振動的頁巖破碎實驗裝置，該裝置包括第一層板1、鉆壓檢測裝置、第二層板2、平面推力球軸承27、第三層板3、夾持裝置、扭矩檢測裝置、位移檢測裝置、數據采集系統、鉆柱14和鉆頭10；所述第一層板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第一層板1和所述第二層板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；所述第二層板2與所述第三層板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第三層板3上通過螺栓安裝角鋼4和角鋼26，其中角鋼4的側壁開圓孔，并在圓孔內焊接一個螺母6，螺母6內預先放置一個六角螺栓5，通過所述六角螺栓5旋轉推動所述角鋼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第一層板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通過螺栓連接在第三層板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11，所述塑料圓環11的內環面通過高強度膠水與滾動軸承12的外圈環面粘接，滾動軸承12的內圈環面通過高強度膠水與“T”形鋼管13的外表面粘接，“T”形鋼管13的內表面與鉆柱14的外表面通過螺釘33固定在一起。所述鉆壓檢測裝置的所述懸臂梁壓力傳感器29的一端固定在所述第一層板1上，另一端固定在所述第二層板2的中心處。所述第二層板2和所述第三層板3均呈正方形，且相對應面的中心處均采用銑刀銑出一個深度為5mm的環形槽，所述平面推力球軸承27的軸圈和軸套分別放置于第二層板2與第三層板3的環形槽內。所述夾持裝置固定于所述第三層板3的中心位置，所述夾持裝置的角鋼4和角鋼26的間距為110mm，所述活動板7為100mm×100mm×10mm的矩形板。所述數據采集系統采用數據傳輸線連接所述懸臂梁壓力傳感器29、所述懸臂梁壓力傳感器30、所述位移傳感器15、位移數據轉換模塊20、壓力變送器23、壓力變送器24、數據采集卡22和電腦終端21，用于記錄實驗過程中測量到的鉆壓、扭矩和位移數據。所述鉆柱14為一外徑為20mm和內徑為18mm的鋼管，其上端固定于搖臂鉆床的夾持器中，下端內圓攻絲螺紋連接所述鉆頭10。所述鉆頭10為聚晶金剛石復合片微鉆頭或三牙輪微鉆頭。本專利技術還提出使用該考慮鉆柱動態振動的頁巖破碎實驗裝置的方法包含以下步驟：1)將該頁巖破碎實驗裝置通過螺栓固定在搖臂鉆床的工作臺上；2)將所述鉆頭10安裝在所述鉆柱14攻絲的一端上，將所述位移檢測裝置的“T”形鋼管13固定在所述鉆柱14上的合適位置，采用搖臂鉆床的夾持器將所述鉆柱的上端固定在搖臂鉆床上，同時應確保所述鉆柱14和所述鉆頭10位于所述夾持裝置的中心位置；3)連接所述懸臂梁壓力傳感器29、懸臂梁壓力傳感器30、位移傳感器15、轉換模塊20、壓力變送器23、壓力變送器24和電腦終端21，并進行調試與校準，標定所述懸臂梁壓力傳感器29、懸臂梁壓力傳感器30和位移傳感器15；4)用高精度電子稱稱出加工好的頁巖9(規格長×寬×高為100mm×100mm×100mm)的初始重量，并將所述頁巖9和所述活動板7放置于所述夾持裝置中，擰緊螺釘以固定所述頁巖9；5)設定搖臂鉆床的主軸轉速和進給量，啟動搖臂鉆床；6)觀察當所述鉆頭10開始接觸并破碎所述頁巖9時，所述數據采集系統立即啟動，開始記錄鉆壓、扭矩、位移三種數據，同時秒表開始計時。7)計時一定時間后，立即停止搖臂鉆床主軸進給，提出所述鉆頭10并停止主軸轉動，同時所述數據采集系統終止數據采集并將其保存。8)將所述頁巖9從所述夾持裝置中取下，用高精度電子稱稱出所述頁巖9在破碎實驗后的重量，并記錄；9)重復實驗步驟4至步驟8，直至實驗結束。本專利技術有六個顯著的特點：一是可以考慮鉆井過程中鉆柱的動態振動對鉆頭破巖的影響；二是可以實時測量鉆頭破巖過程中的鉆壓、扭矩、進尺(鉆柱位移)和頁巖破碎量等實驗數據；三是頁巖夾持裝置部分簡易可行；四是傳感器、轉換模塊、壓力變送器、數據采集卡與電腦終端連接實現數據的實時精確測量與記錄；五是實驗參數主本文檔來自技高網...
【技術保護點】
考慮鉆柱動態振動的頁巖破碎實驗裝置及實驗方法，其特征在于，由一層板(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、數據采集系統、鉆柱(14)和鉆頭(10)組成；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)的側壁開圓孔，并在圓孔內焊接一個螺母(6)，螺母(6)內預先放置一個六角螺栓(5)，通過所述六角螺栓(5)旋轉推動所述角鋼(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)通過螺栓連接在所述懸臂梁壓力傳感器(30)上，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(11)，塑料圓環(11)的內環面通過高強度膠水與滾動軸承(12)的外圈環面粘接，滾動軸承(12)的內圈環面通過高強度膠水與“T”形鋼管(13)的外表面粘接，“T”形鋼管(13)的內表面與鉆柱(14)的外表面通過螺釘(33)固定在一起。...
【技術特征摘要】
1.考慮鉆柱動態振動的頁巖破碎實驗裝置，其特征在于，由第一層板(1)、鉆壓檢測裝置、第二層板(2)、平面推力球軸承(27)、第三層板(3)、夾持裝置、扭矩檢測裝置、位移檢測裝置、數據采集系統、鉆柱(14)和鉆頭(10)組成；所述第一層板(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第一層板(1)和所述第二層板(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；所述第二層板(2)與所述第三層板(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第三層板(3)上通過螺栓安裝角鋼(4)和角鋼(26)，其中角鋼(4)的側壁開圓孔，并在圓孔內焊接一個螺母(6)，螺母(6)內預先放置一個六角螺栓(5)，通過所述六角螺栓(5)旋轉推動所述角鋼(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第一層板(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)通過螺栓連接在所述懸臂梁壓力傳感器(30)上，角鋼(8)通過螺栓連接在第三層板(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(11)，塑料圓環(11)的內環面通過高強度膠水與滾動軸承(12)的外圈環面粘接，滾動軸承(12)的內圈環面通過高強度膠水與“T”形鋼管(13)的外表面粘接，“T”形鋼管(13)的內表面與鉆柱(14)的外表面通過螺釘(33)固定在一起；使用所述的考慮鉆柱動態振動的頁巖破碎實驗裝置的方法，包含以下步驟：1)將該頁巖破碎實驗裝置通過螺栓固定在搖臂鉆床的工作臺上；2)將所述鉆頭(10)安裝在所述鉆柱(14)攻絲的一端上，將所述位移檢測裝置的“T”形鋼管(13)固定在所述鉆柱(14)上的合適位置，采用搖臂鉆床的夾持器將所述鉆柱的上端固定在搖臂鉆床上，同時應確保所述鉆柱(14)和所述鉆頭(10)位于所述夾持裝置的中心位置；3)連接所述懸臂梁壓力傳感器(29)、懸臂梁壓力傳感器(30)、位移傳感器(15)、轉換模塊(20)、壓力變送器(23)、壓力變送器(24)和...
【專利技術屬性】
技術研發人員：朱海燕，肖曉華，陳松，王騰，
申請(專利權)人：西南石油大學，
類型：發明
國別省市：四川;51
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