用于評(píng)價(jià)深井鉆井液的潤(rùn)滑性能的實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種油氣田勘探與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域使用的實(shí)驗(yàn)裝置，具體涉及一種用于評(píng)價(jià)深井鉆井液的潤(rùn)滑性能的實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前一般使用的潤(rùn)滑儀并不能同時(shí)具備測(cè)定鉆桿與巖芯表面濾餅之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)、鉆桿與巖芯表面濾餅之間鉆井液潤(rùn)滑系數(shù)，并且測(cè)試條件有限。例如，經(jīng)常使用的EP極壓潤(rùn)滑儀，只能測(cè)定常溫常壓條件下鉆井液與套管之間的潤(rùn)滑系數(shù)，既不能設(shè)定高溫高壓的測(cè)試環(huán)境，也不能測(cè)定鉆桿與巖芯表面濾餅之間的潤(rùn)滑系數(shù)，鉆桿與巖芯表面濾餅或套管之間滑動(dòng)摩擦系數(shù)的測(cè)定則更不能及；美國(guó)Magcobar泥漿公司設(shè)計(jì)的LEM系列潤(rùn)滑儀是在模擬鉆井液動(dòng)態(tài)循環(huán)條件下測(cè)定鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)，并且將最大工作溫度提高到150°C，最大工作壓力提高到6.9MPa，但是仍也不具備測(cè)定鉆桿與巖芯表面濾餅或套管之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)的功能。濾餅粘附系數(shù)測(cè)定儀雖然可以在一定條件下測(cè)定鉆井液在巖芯表面所形成濾餅的潤(rùn)滑系數(shù)，但是該儀器并未建立鉆井液的動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程，鉆桿在濾餅表面的滑動(dòng)與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工中真實(shí)情況有很大出入；其次，該設(shè)備不具備測(cè)定鉆桿與濾餅或套管之間潤(rùn)滑系數(shù)的功能，且最大工作溫度不超過(guò)150°C，最大工作壓力不超過(guò)3.5Mpa，這都限制了測(cè)試條件，并影響測(cè)試參數(shù)的參考價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是，提供一種用于評(píng)價(jià)深井鉆井液的潤(rùn)滑性能的實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置能用于模擬深井工況，既能測(cè)定鉆桿與巖芯表面濾餅之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，又能測(cè)定鉆桿與巖芯表面濾餅之間的鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)。
[0004]針對(duì)該問(wèn)題的技術(shù)解決方案是，提供一種具有以下結(jié)構(gòu)用于評(píng)價(jià)深井鉆井液的潤(rùn)滑性能的實(shí)驗(yàn)裝置，包括:
[0005]復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、鉆桿、巖芯、加熱機(jī)構(gòu)和巖芯夾持器，其中，巖芯和加熱機(jī)構(gòu)均設(shè)在巖芯夾持器內(nèi)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均用于驅(qū)動(dòng)鉆桿；
[0006]鉆井液供給系統(tǒng)，其為復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)的高壓鉆井液；
[0007]壓力機(jī)構(gòu)，連接在復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的巖芯上，為鉆桿與形成在巖芯表面的濾餅之間的摩擦鉆進(jìn)提供壓力；和
[0008]測(cè)試與計(jì)算單元，用于測(cè)試和計(jì)算濾餅與鉆桿之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)和鉆桿與巖芯表面濾餅之間鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的用于評(píng)價(jià)深井鉆井液的潤(rùn)滑性能的實(shí)驗(yàn)裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)。加熱機(jī)構(gòu)和鉆井液供給系統(tǒng)一起能夠模擬深井鉆井中的高溫高壓環(huán)境。且通過(guò)復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以模擬鉆桿的滑動(dòng)鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的復(fù)合鉆進(jìn)過(guò)程，通過(guò)測(cè)試與計(jì)算單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿與巖芯之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)以及鉆桿與巖芯之間的鉆井液潤(rùn)滑系數(shù)的同時(shí)測(cè)定。因此，既能測(cè)定鉆桿與巖芯表面濾餅之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，又能測(cè)定鉆桿與巖芯表面濾餅之間的鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)。另外，該實(shí)驗(yàn)裝置將滑動(dòng)鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)進(jìn)行了整合，減少了配置，與實(shí)際工況更接近。
[0010]在一個(gè)實(shí)施例中，所述鉆桿的兩端分別連接有夾持器保護(hù)套筒，兩端的夾持器保護(hù)套筒與巖芯夾持器固定連接，夾持器保護(hù)套筒與鉆桿動(dòng)密封連接。此處設(shè)置的夾持器保護(hù)套筒對(duì)鉆桿起到了支撐作用，保證鉆桿的順利鉆進(jìn)。另外，夾持器保護(hù)套筒與鉆桿動(dòng)密封連接能起到防止鉆井液泄漏的作用。
[0011]在一個(gè)實(shí)施例中，所述壓力機(jī)構(gòu)包括活塞缸和為活塞缸提供壓力的機(jī)械助力栗，其中，機(jī)械助力栗與活塞缸的無(wú)桿腔端連接，活塞缸的活塞桿穿過(guò)巖芯夾持器抵接巖芯為鉆桿與形成在巖芯表面的濾餅之間的摩擦鉆進(jìn)提供壓力。通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)械助力栗能調(diào)整活塞缸對(duì)巖芯的作用力，從而調(diào)整鉆桿與形成在巖芯表面的濾餅之間的貼靠力或壓力的大小。
[0012]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)，所述鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括鉆進(jìn)電機(jī)。優(yōu)選地，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)與鉆桿之間連接有扭矩傳感器，在步進(jìn)電機(jī)與鉆桿之間設(shè)有推力傳感器。旋轉(zhuǎn)電機(jī)和鉆進(jìn)電機(jī)對(duì)鉆桿進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而模擬鉆桿的復(fù)合鉆進(jìn)。
[0013]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述加熱機(jī)構(gòu)包括電加熱套和用于調(diào)節(jié)電加熱套的加熱溫度的控溫儀。通過(guò)控溫儀能夠調(diào)整電加熱套的加熱溫度，從而方便控制復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的溫度。
[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，所述鉆井液供給系統(tǒng)包括進(jìn)液通道和回液通道。鉆井液從進(jìn)液通道進(jìn)入復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，然后從回液通道流出。因此，能保證復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)有動(dòng)態(tài)的鉆井液。
[0015]在一個(gè)實(shí)施例中，所述進(jìn)液通道上設(shè)有儲(chǔ)液罐和高壓栗，所述儲(chǔ)液罐內(nèi)設(shè)有對(duì)鉆井液進(jìn)行攪拌的攪拌器，所述高壓栗將儲(chǔ)液罐內(nèi)的鉆井液運(yùn)送到復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。設(shè)置的攪拌器能對(duì)儲(chǔ)液罐內(nèi)的鉆井液進(jìn)行攪拌，從而保證在不同時(shí)間流出儲(chǔ)液罐的鉆井液的性能比較均勻。高壓栗抽取儲(chǔ)液罐內(nèi)的常壓鉆井液后，向復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輸出高壓的鉆井液。
[0016]在一個(gè)實(shí)施例中，所述回液通道上設(shè)有降溫降壓機(jī)構(gòu)和輸送栗，其中，降溫降壓機(jī)構(gòu)與復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的出液口連接，輸送栗與儲(chǔ)液罐連接。出液口流出的鉆井液經(jīng)降溫降壓機(jī)構(gòu)處理后，經(jīng)輸送栗運(yùn)送到儲(chǔ)液罐。這有利于鉆井液被循環(huán)利用。
[0017]本發(fā)明還涉及一種用于評(píng)價(jià)深井鉆井液的潤(rùn)滑性的方法，其采用上述的用于評(píng)價(jià)深井鉆井液的潤(rùn)滑性能的實(shí)驗(yàn)裝置，并包括以下步驟:
[0018]鉆井液供給系統(tǒng)的進(jìn)液通道上設(shè)有高壓栗，高壓栗將鉆井液運(yùn)送到復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的環(huán)空管路中；
[0019]待環(huán)空管路充滿鉆井液，調(diào)節(jié)進(jìn)液通道上的鉆井液的流量和壓力，調(diào)節(jié)加熱機(jī)構(gòu)使復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的鉆井液的溫度到預(yù)定值；
[0020]待鉆井液在巖芯表面形成穩(wěn)定厚度的濾餅后，通過(guò)壓力機(jī)構(gòu)向巖芯施加預(yù)定壓力；
[0021 ]啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使鉆桿在巖芯加持器中做旋轉(zhuǎn)與滑動(dòng)的復(fù)合鉆進(jìn)運(yùn)動(dòng)；
[0022]通過(guò)測(cè)試與計(jì)算單元分別記錄鉆桿與濾餅之間的動(dòng)摩擦力和鉆桿的扭矩，計(jì)算得到鉆桿與濾餅之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)和鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)。
[0023]在一個(gè)實(shí)施例中，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所述復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能承受的工作溫度不低于260°C，能承受的工作壓力不低于40MPa。這樣的復(fù)合鉆井實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠模擬深井的高溫高壓工況，例如模擬深井的工況為溫度在250°C、壓力在35MPa。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1所示是本發(fā)明的用于評(píng)價(jià)深井鉆井液的潤(rùn)滑性能的實(shí)驗(yàn)裝置的一種具體實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0026]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于評(píng)價(jià)深井鉆井液的潤(rùn)滑性能的實(shí)驗(yàn)裝置的一種具體實(shí)施例。在該實(shí)施例中，該實(shí)驗(yàn)裝置主要包括復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、鉆井液供給系統(tǒng)、壓力機(jī)構(gòu)以及測(cè)試與計(jì)算單元。在下面的實(shí)施例中，該復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)耐受的溫度在260°C以上，該復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)耐受的壓力在40MPa以上。因此，該復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能很好地適用于模擬深井鉆井中的高溫高壓工況。
[0027]在本實(shí)施例中，鉆井液供給系統(tǒng)與復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接為復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)的高壓鉆井液。此處的動(dòng)態(tài)指的是在復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的鉆井液的入口不斷有新的鉆井液鉆入，而進(jìn)入復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的鉆井液不斷地從鉆井液的出口流出，從而形成一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。
[0028]在一個(gè)實(shí)施例中，壓力機(jī)構(gòu)連接在復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的巖芯8上，為鉆桿9與濾餅之間的摩擦鉆進(jìn)提供貼靠力或壓力。在巖芯8與鉆桿9之間留有供鉆井液流動(dòng)的環(huán)形空間，鉆井液進(jìn)入該空間時(shí)在巖芯8的表面形成濾餅。在做摩擦鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，濾餅是已形成在巖芯8的表面。換句話說(shuō)，壓力機(jī)構(gòu)用于推動(dòng)巖芯8與鉆桿9發(fā)生貼靠，并可調(diào)控巖芯8與鉆桿9之間的貼靠力或正壓力的大小，為鉆桿9在已形成濾餅的巖芯8的表面發(fā)生滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦提供必要條件。
[0029]另外，測(cè)試與計(jì)算單元，用于測(cè)試和計(jì)算濾餅與鉆桿9之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)和濾餅與鉆桿9之間的鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)。
[0030]在一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)12、鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
11、鉆桿9、巖芯8、加熱機(jī)構(gòu)和巖芯夾持器7。其中，巖芯8和加熱機(jī)構(gòu)均設(shè)在巖芯夾持器7內(nèi)，加熱機(jī)構(gòu)為鉆桿9與巖芯8表面的濾餅之間的復(fù)合鉆進(jìn)提供高溫的環(huán)境。尤其是，加熱機(jī)構(gòu)可以直接對(duì)巖芯8進(jìn)行加熱。另外，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)12和鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)11均用于驅(qū)動(dòng)鉆桿9，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)12和鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)11均位于巖芯夾持器7外部，連接在鉆桿9的一端，使得鉆桿9做旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與滑動(dòng)鉆進(jìn)復(fù)合的復(fù)