CN107893634B - 一种用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台，包括动力模块、实验工况调控模块，测试与检测模块、流体循环模块以及喷钻组件。动力模块包括微钻实验装置和泥浆泵；实验工况调控模块包括中控单元和围压调控单元；测试与检测模块包括传感检测单元、数据采集单元、数据处理单元和显示存储单元；流体循环模块包括水龙头、水箱、沉淀过滤池、污水泵和上端开口下端封闭且透明的模拟井筒。本发明的多功能测试与实验平台，可在实验室内模拟实际的喷射钻井过程，为开展喷射钻井的室内实验研究创造必要条件，实验过程中可实现自动化控制，且可使处于地下、不可视的喷射钻井过程可视化，从而变半经验性的研究为科学化、定量化的研究。
Description
技术领域
本发明涉及喷射钻井技术领域，尤其涉及一种用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台。
背景技术
喷射钻井(Jet Drilling)是利用有压钻井液流过嵌固于喷射式钻头的喷嘴时产生高速射流的水力作用，辅助钻头破岩、清洗井底岩屑，可有效提高机械钻速的一种钻井方法。喷射钻井过程中，在使用喷射式钻头的井底条件下，钻井液从喷嘴高速喷出形成射流，被井筒内的钻井液所淹没，并且其运动和发展受到井底和井壁的限制，因而属于淹没非自由射流。
喷射钻井过程中形成的高压射流能够很好地清洗井底钻屑、大幅提升机械钻速，具体表现为三个方面：
1、射流的冲击压力作用(对岩屑的冲击反转作用)。由于射流作用在井底岩屑上的压力极不均匀，可使岩屑产生一个反转力矩，离开井底；
2、漫流的横推作用。漫流具有附面射流性质，高速漫流可对井底岩屑产生一个横推力；
3、射流对井底的破岩作用。若井底岩石的强度较低，当射流冲击力超过地层岩石的破碎压力时，射流将直接破碎岩石；若井底岩石的强度较高，高速射流流体将挤入岩石的微裂纹或裂缝形成“水楔”，使微裂纹或裂缝逐渐扩大，从而能够大幅降低岩石的强度。
目前，对于喷射钻井的研究主要集中在喷射式钻头上嵌固喷嘴的布设方式、射流水力参数和钻头水力参数、水功率传递关系、提高钻头水力参数的途径、喷射钻井水力参数设计等方面，为了更好地研究喷射钻井的相关内容，进一步提升喷射钻井的机械钻速，还需要对喷射钻进过程中包括射流破岩机理、井底流场优化、喷嘴结构优化等方面展开更深入的研究，现有技术中并没有专门用于对喷射钻进过程中包括射流破岩机理、井底流场优化、喷嘴结构优化等方面展开更深入研究的实验装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种能够将过程复杂且不可视的喷射钻井过程置于实验室内，从而实现喷射钻井过程的可视化、科学化及定量化的研究的多功能测试与实验平台。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台，包括动力模块、实验工况调控模块，测试与检测模块、流体循环模块以及喷钻组件。
所述动力模块包括微钻实验装置和泥浆泵，所述喷钻组件与所述微钻实验装置连接；所述实验工况调控模块包括中控单元和围压调控单元；所述测试与检测模块包括传感检测单元、数据采集单元、数据处理单元和显示存储单元，所述传感检测单元实时检测所述微钻实验装置的工况参数及施加在岩样上的围压值；所述流体循环模块包括水龙头、水箱、沉淀过滤池、污水泵和上端开口下端封闭且透明的模拟井筒。
所述模拟井筒内装填有岩样，所述微钻实验装置设置在所述模拟井筒上方，且所述喷钻组件位于所述模拟井筒的上端口内，所述围压调控单元穿过所述模拟井筒的侧壁和/或底壁，并可调节挤压所述岩样的围压值，所述喷钻组件设置在所述模拟井筒的上端口内，并向下喷射流体，所述水箱上的进液口通过管路与所述水龙头连通，所述水箱上的出液口通过管路与所述泥浆泵的进液口连通，所述泥浆泵的出液口通过管路与所述喷钻组件连通，所述水箱上的回流口通过管路与所述污水泵的出液口连通，所述污水泵的进液口通过管路与所述沉淀过滤池的出液口连通，所述沉淀过滤池的进液口通过管路与所述模拟井筒上端口连通；所述中控单元分别与所述微钻实验装置、泥浆泵、传感检测单元、数据采集单元、数据处理单元、显示存储单元和污水泵电连接。
本发明的有益效果是：本发明提供的多功能测试与实验平台，可在实验室内模拟实际的喷射钻井过程，可为开展喷射钻井的室内实验研究创造必要条件，本发明提供的多功能测试与实验平台可实现自动化控制，且可使处于地下、不可视的喷射钻井过程可视化，从而变半经验性的研究为科学化、定量化的研究。
使用本发明提供的多功能测试与实验平台开展喷射钻井的室内实验研究过程中，可对喷射钻井的各个工况参数条件(钻压、扭矩、转速、喷射压力、喷射流量、喷射角度、测试样品、围压)进行动态调节，以满足对不同的工况进行模拟实验研究，各个参数可由测试与检测模块实时检测，并通过测试与检测模块进行数据图像的显示、记录及储存。
本发明提供的多功能测试与实验平台不受场地条件限制，可以在实验室内通过更换不同的测试样品、钻井液类型、钻头类型、喷嘴类型等，测试不同组合型式下的喷射钻井效果，以期对喷射钻井参数进行合理优化。此外，本发明提供的多功能测试与实验平台不仅可开展喷射钻井的室内实验研究，同时还可开展高压射流方面的实验研究工作。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述中控单元包括显示屏、控制按钮、主控制电路和电源，所述主控制电路和电源设置在控制柜内，所述显示屏和控制按钮分别镶嵌设置在所述控制柜的前面板上，且所述显示屏和控制按钮分别与所述主控制电路电连接，所述电源分别与所述显示屏、控制按钮和主控制电路电连接，所述主控制电路还分别与所述微钻实验装置、泥浆泵、传感检测单元、数据采集单元、数据处理单元、显示存储单元和污水泵电连接。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述中控单元可以比较方便地控制所述微钻实验装置、泥浆泵、传感检测单元、数据采集单元、数据处理单元、显示存储单元和污水泵等电器设备的工作状态，以及控制喷钻组件(5)的钻压、扭矩(转速)、喷射压力(流量)的大小。
进一步：所述围压调控单元包括液压泵站、多个液压缸和与所述液压缸数量相同的加持模具，所述液压泵站与所述液压缸连通，所述液压缸的输出端穿过所述模拟井筒的侧壁和/或底壁后通过对应的所述加持模具与所述岩样抵接。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述围压调控单元可以比较方便地调节所述液压缸的运动行程，从而比较精确的调节所述岩样的围压，以便在不同的围压下进行测试与实验。
进一步：所述传感检测单元包括数量与所述液压缸相同的第一压力传感器，还包括位移传感器、第二压力传感器、扭力传感器、转速传感器、角度传感器、压力变送器、流量传感器和称重传感器中的一种或多种，所述第一压力传感器设置在对应的所述加持模具与所述岩样之间，所述位移传感器、第二压力传感器、扭力传感器、转速传感器和角度传感器设置在所述微钻实验装置内，所述压力变送器和流量传感器均设置在所述泥浆泵与所述喷钻组件之间的管路上；所述第一压力传感器用于实时检测所述岩样的围压，所述位移传感器用于实时检测所述喷钻组件的钻进进尺或喷嘴射流喷距，所述第二压力传感器用于实时检测所述喷钻组件的钻压，所述扭力传感器用于实时检测所述喷钻组件的钻进扭矩，所述转速传感器用于实时检测所述喷钻组件的钻进转速，所述角度传感器用于实时检测所述喷钻组件的钻进方向或射流喷射方向，所述压力变送器用于实时检测所述喷钻组件喷射流体的喷射压力，所述流量传感器用于实时检测喷钻组件喷射流体的流量，所述称重传感器用于实时检测所述喷钻组件的射流打击力的值。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述第一压力传感器、位移传感器、第二压力传感器、扭力传感器、转速传感器、角度传感器、压力变送器、流量传感器称重传感器，可以分别测量所述岩样的围压、所述喷钻组件的钻进进尺或喷嘴射流喷距、所述喷钻组件的钻压、喷钻组件的钻进扭矩、所述喷钻组件的钻进转速、所述喷钻组件的钻进方向或射流喷射方向、所述喷钻组件喷射流体的喷射压力、所述喷钻组件喷射流体的流量和所述喷钻组件的射流打击力的值，以便将各项参数调节至实验所需值，从而顺利完成对不同工况参数的实验检测。
进一步：所述数据采集单元包括摄像机和测速仪，所述摄像机和测速仪分别设置在所述模拟井筒的相对两侧，所述摄像机和测速仪均与所述中控单元电连接，并分别用于实时动态拍摄喷射钻井实验过程和测试喷射钻井实验过程中的流场，所述显示存储单元采用PC机或无纸记录仪。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述摄像机可以实时动态拍摄钻井实验过程和测试喷射钻井实验过程中的流场，从而可开展可视化、科学化及定量化的喷射钻井室内实验研究。
进一步：所述流体循环模块还包括搅拌装置，所述搅拌装置设置在所述水箱上，且所述搅拌装置的下端伸入所述水箱内，所述搅拌装置与所述中控单元电连接，并对所述水箱内的流体进行搅拌。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述搅拌装置可以对所述水箱内的流体进行搅拌，使得所述水箱内的流体及外加剂等混合均匀，以便在喷射钻井或高压射流时取得较好的实验效果。
进一步：所述流体循环模块还包括流体回收装置，所述流体回收装置设置在所述水箱的下方，且所述水箱的底部设有排液口，且所述排液口通过管道与所述流体回收装置连通。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述流体回收装置可以将喷射钻井实验结束后位于所述水箱中的经过处理后达到排放要求的废液排出，避免造成环境污染。
进一步：所述水箱与所述水龙头之间、所述水箱与所述泥浆泵之间、所述污水泵与所述沉淀过滤池之间、所述沉淀过滤池与所述模拟井筒之间以及所述水箱与所述流体回收装置之间的管路上均设有电磁阀，所有所述电磁阀均与所述中控单元电连接。
上述进一步方案的有益效果是：通过设置所述电磁阀可以通过所述中控单元对上述管路进行自动控制，以实现不同不同管路中流体的流通情况，从而实现远程控制。
进一步：所述喷钻组件为喷射式钻头或喷嘴。
上述进一步方案的有益效果是：设置喷射式钻头或喷嘴，可分别进行喷射钻井实验和高压射流实验，实现多功能测试与实验，丰富了产品功能，增强了产品的通用性。
进一步：所述模拟井筒的底部设有用于支撑其的支撑架，所述岩样设置在所述模拟井筒的中心位置处。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述支撑架可以使得整个模拟井筒得到更稳定的支撑，通过将所述岩样设置在所述模拟井筒的中心位置处，可以进一步使得整个模拟井筒的中心更加平稳，并且在实验过程中整个模拟井筒保持稳定。
附图说明
图1为本发明一实施例的用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台电气连接示意图；
图2为本发明的用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台结构示意图；
图3为本发明一实施例的传感检测单元结构示意图；
图4为本发明一实施例的数据采集单元结构示意图；
图5为本发明另一实施例的用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台电气连接示意图；
图6为本发明又一实施例的用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台电气连接示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、动力模块，2、实验工况调控模块，3、测试与检测模块，4、流体循环模块，5、喷钻组件，6、岩样,7、支撑架；
11、微钻实验装置，12、泥浆泵，21、中控单元，22、围压调控单元，31、传感检测单元，32、数据采集单元，33、数据处理单元，34、显示存储单元，41、水龙头，42、水箱，43、沉淀过滤池，44、污水泵，45、模拟井筒，46、搅拌装置，47、流体回收装置，48、电磁阀；
211、显示屏，212、控制按钮，213、控制柜，221、液压缸，222、加持模具，311、第一压力传感器，312、位移传感器，313、第二压力传感器，314、扭力传感器，315、转速传感器，316、角度传感器，317、压力变送器，318、流量传感器，319、称重传感器，321、摄像机，322、测速仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例,，且所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，一种用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台，包括动力模块1、实验工况调控模块2，测试与检测模块3、流体循环模块4以及喷钻组件5。
其中，所述动力模块1包括微钻实验装置11和泥浆泵12，所述喷钻组件5与所述微钻实验装置11连接。实际中，所述动力模块1的作用是为喷射钻井实验提供所需动力，其中，所述微钻实验装置11在喷射钻井实验中的作用相当于实际喷射钻井时的钻机，它可在喷射钻井实验过程中为所述喷钻组件5施加钻进破碎岩样6时所需的钻压、扭矩(转速)，以及调节钻进角度(射流喷射角度)；所述泥浆泵12在喷射钻井实验过程中为驱动喷钻流体闭式循环流动的动力源，同时为喷钻组件5提供有压钻井液或提供射流的喷射压力(流量)。这里，所述泥浆泵12选用变频式高压泥浆泵，并且配以高压胶管使用。
所述实验工况调控模块2包括中控单元21和围压调控单元22，所述实验工况调控模块2的作用是调控喷射钻井实验的工作条件和状况，其中，所述中控单元21在喷射钻井实验中的作用主要为控制微钻实验装置11、泥浆泵12、测试与检测模块3、流体循环模块4中的电气设备的启/闭；同时还可控制所述喷钻组件钻压、扭矩(转速)或喷射压力(流量)的大小。所述围压调控单元22实则为液压***。
所述测试与检测模块3包括传感检测单元31、数据采集单元32、数据处理单元33和显示存储单元34，所述传感检测单元31实时检测所述微钻实验装置11的工况参数及施加在岩样6上的围压值。所述测试与检测模块3的作用是对喷射钻井实验过程中的有关参数进行实时测试与检测，并对有关数据和图像等进行实时显示、分析、记录和储存。
所述流体循环模块4包括水龙头41、水箱42、沉淀过滤池43、污水泵44和上端开口下端封闭且透明的模拟井筒45。所述模拟井筒45内装填有岩样6，所述微钻实验装置11设置在所述模拟井筒45上方，且所述喷钻组件5位于所述模拟井筒45的上端口内，所述围压调控单元22穿过所述模拟井筒45的侧壁和/或底壁，并可调节挤压所述岩样6的围压值，所述喷钻组件5设置在所述模拟井筒45的上端口内，并向下喷射流体。所述水箱42的侧壁上分别设有进液口、出液口和回流口，所述水箱42上的进液口通过管路与所述水龙头41连通，所述水箱42上的出液口通过管路与所述泥浆泵12的进液口连通，所述泥浆泵12的出液口通过管路与所述喷钻组件5连通，所述水箱42上的回流口通过管路与所述污水泵44的出液口连通，所述污水泵44的进液口通过管路与所述沉淀过滤池43的出液口连通，所述沉淀过滤池43的进液口通过管路与所述模拟井筒45上端口连通；所述中控单元21分别与所述微钻实验装置11、泥浆泵12、传感检测单元31、数据采集单元32、数据处理单元33、显示存储单元34和污水泵44电连接。
其中，所述水龙头41的作用是为喷射钻井实验提供清水；所述水箱42为储存流体的容器，在水箱42的侧面适当位置处分别设有与水龙头41连通的进液口、与所述泥浆泵12连通的出液口以及与污水泵47连通的回液口，水箱42的每个口均由适宜的胶管/高压胶管与上述相应的部件连通。胶管/高压胶管用于构筑流体(钻井液)循环时的通路，它是流体(钻井液)能够正常循环的媒介，若流体(钻井液)流通段为高压流体，则需采用高压胶管，否则采用普通的胶管连通即可。沉淀过滤池43用于沉淀、过滤喷射钻井实验过程中由于钻进破碎岩样产生的混杂于钻井液中的钻屑，以保证钻井液正常的闭式循环。若仅依靠沉淀过滤池43尚达不到去除钻井液中岩屑的要求，还可视实际情况增加其余用于除渣的固控设备或絮凝试剂。污水泵44用于辅助经沉淀过滤池处理后的钻井液回流入水箱42中，同时也可作为处理实验过程中发生紧急状况时的备用泵使用。模拟井筒45是喷射钻井实验中用于模拟钻孔的部件，它是放置岩样、钻进破碎岩样、或进行高压射流研究等的主要场所。所述岩样6用于模拟实际的喷射钻井中钻遇的岩层，岩样6的规格需与模拟井筒45的内部规格相适宜。
本发明提供的多功能测试与实验平台，可在实验室内模拟实际的喷射钻井过程，可为开展喷射钻井的室内实验研究创造必要条件，本发明提供的多功能测试与实验平台可实现自动化控制，且可使处于地下、不可视的喷射钻井过程可视化，从而变半经验性的研究为科学化、定量化的研究。
使用本发明提供的多功能测试与实验平台开展喷射钻井的室内实验研究过程中，可对喷射钻井的各个工况参数条件(钻压、扭矩、转速、喷射压力、喷射流量、喷射角度、测试样品、围压)进行动态调节，以满足对不同的工况进行模拟实验研究，各个参数可由测试与检测模块3实时检测，并通过测试与检测模块3进行数据图像的显示、记录及储存。
本发明提供的多功能测试与实验平台不受场地条件限制，可以在实验室内通过更换不同的测试样品、钻井液类型、钻头类型、喷嘴类型等，测试不同组合型式下的喷射钻井效果，以期对喷射钻井参数进行合理优化。此外，本发明提供的多功能测试与实验平台不仅可开展喷射钻井的室内实验研究，同时还可开展高压射流方面的实验研究工作。使用本发明的整个实验过程中的流体为闭式循环，可避免浪费和环境污染，有效降低实验成本。利用本发明得到的有关结果和结论，可为喷射钻井(或高压射流)的顺利实施提供科学的指导依据。
如图2中所示，在上述实施例中，所述中控单元21包括显示屏211、控制按钮212、主控制电路(图中未示出)和电源(图中未示出)，所述主控制电路和电源设置在控制柜213内，所述显示屏211和控制按钮212分别镶嵌设置在所述控制柜213的前面板上，且所述显示屏211和控制按钮212分别与所述主控制电路电连接，所述电源分别与所述显示屏211、控制按钮212和主控制电路电连接，所述主控制电路还分别与所述微钻实验装置11、泥浆泵12、传感检测单元31、数据采集单元32、数据处理单元33、显示存储单元34和污水泵44电连接。通过所述中控单元21可以比较方便地控制所述微钻实验装置11、泥浆泵12、传感检测单元31、数据采集单元32、数据处理单元33、显示存储单元34和污水泵44等电器设备的工作状态，以及控制喷钻组件5的钻压、扭矩(转速)、喷射压力(流量)的大小。
在上述实施例中，所述围压调控单元22包括液压泵站、多个液压缸221和与所述液压缸221数量相同的加持模具222，所述液压泵站与所述液压缸221连通，所述液压缸221的输出端穿过所述模拟井筒45的侧壁和/或底壁后通过对应的所述加持模具222与所述岩样6抵接。通过所述围压调控单元22可以比较方便地调节所述液压缸221的运动行程，从而比较精确的调节所述岩样6的围压，以便在不同的围压下进行测试与实验。
需要指出的是，所述液压缸221的输出端穿过所述模拟井筒45的侧壁和/或底壁时，需要在液压缸221与模拟井筒45的筒壁接触处进行密封和防渗处理，避免所述模拟井筒45的岩样6渗出。
优选地，本实施例中，所述液压缸221和加持模具222的数量均为五个，其中一个所述液压缸221穿过所述模拟井筒45的底壁后通过对应的所述加持模具222与所述岩样6的底部抵接，另外四个所述液压缸221均匀对称地设置在所述模拟井筒45的两侧，且所述液压缸221穿过所述模拟井筒45的侧壁后通过对应的所述加持模具222与所述岩样6的侧部抵接。这样五个所述液压缸221分别通过对应的加持模具222形成对所述岩样6的周向挤压和底部挤压，以便更好的控制和调节所述岩样6的围压。当然，实际中也可以采用更多个或更少个数量的所述液压缸221和加持模具222，并且设置方式也可以对应调整，这里不再赘述。
本实施例中,所述加持模具222由透明、高强的有机玻璃等材料制成。
如图3所示，在上述实施例中，所述传感检测单元31包括数量与所述液压缸221相同的第一压力传感器311，还包括位移传感器312、第二压力传感器313、扭力传感器314、转速传感器315、角度传感器316、压力变送器317、流量传感器318和称重传感器319中的一种或多种，所述第一压力传感器311设置在对应的所述加持模具222与所述岩样6之间，所述位移传感器312、第二压力传感器313、扭力传感器314、转速传感器315和角度传感器316设置在所述微钻实验装置11内，所述压力变送器317和流量传感器318均设置在所述泥浆泵12与所述喷钻组件5之间的管路上。这里，所述第一压力传感器311采用应变片式压力传感器。
所述第一压力传感器311用于实时检测所述岩样6的围压，所述位移传感器312用于实时检测所述喷钻组件5的钻进进尺或喷嘴射流喷距，所述第二压力传感器313用于实时检测所述喷钻组件5的钻压，所述扭力传感器314用于实时检测所述喷钻组件5的钻进扭矩，所述转速传感器315用于实时检测所述喷钻组件5的钻进转速，所述角度传感器316用于实时检测所述喷钻组件5的钻进方向或射流喷射方向，所述压力变送器317用于实时检测所述喷钻组件5喷射流体的喷射压力，所述流量传感器318用于实时检测喷钻组件5喷射流体的流量，所述称重传感器319用于实时检测所述喷钻组件5的射流打击力的值。
通过所述第一压力传感器311、位移传感器312、第二压力传感器313、扭力传感器314、转速传感器315、角度传感器316、压力变送器317、流量传感器318称重传感器319，可以分别测量所述岩样6的围压、所述喷钻组件5的钻进进尺或喷嘴射流喷距、所述喷钻组件5的钻压、喷钻组件5的钻进扭矩、所述喷钻组件5的钻进转速、所述喷钻组件5的钻进方向或射流喷射方向、所述喷钻组件5喷射流体的喷射压力、所述喷钻组件5喷射流体的流量和所述喷钻组件5的射流打击力的值，以便将各项工况参数调节至实验所需值，从而顺利完成对不同工况参数的实验检测。
如图4所示，在上述实施例中，所述数据采集单元32包括摄像机321和测速仪322，所述摄像机321和测速仪322分别设置在所述模拟井筒45的相对两侧，所述摄像机321和测速仪322均与所述中控单元21电连接，并分别用于实时动态拍摄喷射钻井实验过程和测试喷射钻井实验过程中的流场，所述显示存储单元34采用PC机或无纸记录仪。通过所述摄像机321可以实时动态拍摄钻井实验过程和测试喷射钻井实验过程中的流场，从而可开展可视化、科学化及定量化的喷射钻井室内实验研究。这里，所述摄像机321采用高速摄像机，所述测速仪322可以采用粒子图像测速仪(PIV)或者多普勒测速仪。
本实施例中,所数据处理单元33采用Intel Core微处理器，当然，能够满足实验要求的其它型号的数据处理器皆可，这里不做任何限定。
如图5所示，优选地，在上述实施例中，所述流体循环模块4还包括搅拌装置46，所述搅拌装置46设置在所述水箱42上，且所述搅拌装置46的下端伸入所述水箱42内，所述搅拌装置46与所述中控单元21电连接，并对所述水箱42内的流体进行搅拌。通过所述搅拌装置46可以对所述水箱42内的流体进行搅拌，使得所述水箱42内的流体及外加剂等混合均匀，以便在喷射钻井或高压射流时取得较好的实验效果。所述搅拌装置46用于制备钻井液时的搅拌作业，
优选地，在上述实施例中，所述流体循环模块4还包括流体回收装置47，所述流体回收装置47设置在所述水箱42的下方，且所述水箱42的底部设有排液口，且所述排液口通过管道与所述流体回收装置47连通。通过所述流体回收装置47可以将喷射钻井实验结束后位于所述水箱42中的经过处理后达到排放要求的废液排出，避免造成环境污染。所述流体回收装置47用于将喷射钻井实验结束后置于水箱42中的经处理后达到排放要求的废液排去。本实施例中，所述流体回收装置47采用地漏。当然，也可以采用其它回收站装置，这里不再一一列举。
如图6所示，优选地，在上述实施例中，所述水箱42与所述水龙头41之间、所述水箱42与所述泥浆泵12之间、所述污水泵44与所述沉淀过滤池43之间、所述沉淀过滤池43与所述模拟井筒45之间以及所述水箱42与所述流体回收装置47之间的管路上均设有电磁阀48，所有所述电磁阀48均与所述中控单元21电连接。通过设置所述电磁阀48可以通过所述中控单元21对上述管路进行自动控制，以实现不同管路中流体的流通情况，从而实现远程控制。若干个电磁阀48安装在不同的管路中分别用于控制对应管路中流体的流通情况，电磁阀48的开闭状态可由中控单元21根据喷射钻井实验的实际需求进行集中式的远程控制。
在上述实施例中，所述喷钻组件5为喷射式钻头或喷嘴。设置喷射式钻头或喷嘴，既可进行喷射钻井实验还可开展高压射流实验，同时能够完成多种功能的测试与实验，丰富了产品功能，增强了产品的通用性。
这里，所述喷射式钻头是喷射钻井实验中用于钻进破碎岩样的工具，它是实际喷射钻井作业中所用钻头的缩小版，喷射式钻头主要由钢体、切削齿、水口(槽)和以一定方式嵌固于钻头底部的若干喷嘴构成，从而使得喷射式钻头在钻进碎岩时，除了具备常规钻头回转切削的碎岩功能外，从若干个喷嘴喷射出的高速射流还可起到辅助碎岩、清洗井底，有效大幅提升钻井(探)机械钻速等有益效果。
优选地，在上述实施例中，为保证实验过程中模拟模拟井筒45的稳定，所述模拟井筒45的底部设有用于支撑其的支撑架7，所述岩样6设置在所述模拟井筒45的中心位置处。通过所述支撑架7可以使得整个模拟井筒45得到更稳定的支撑，通过将所述岩样6设置在所述模拟井筒45的中心位置处，可以进一步使得整个模拟井筒的中心更加平稳，并且在实验过程中整个模拟井筒45保持稳定。这里，所述支撑架7采用三角支撑架，当然也可以采用其它形式的支撑架，这些皆在本发明的保护范围内。
具体地，如使用本发明的多功能测试与实验平台进行喷射钻井的实验研究，首先可按照图2所示连接好实验所需的各个部件，启动中控单元21，将岩样6置于模拟井筒45的中心处，由液压泵站分别调控设置于模拟井筒45两侧和底部的五个液压缸221的运动行程，固连于每个液压缸221前端且与岩样6规格匹配的岩样加持模具222将从不同的方向对岩样6施加围压，直至围压达到实验所需的值时停止液压缸221的加压操作，围压的值可由若干设置于岩样外侧的第一压力传感器311实时检测得到。
打开水龙头41和设置于所述水龙头和水箱42之间管路上的电磁阀48，并向水箱42内放入一定量的清水，再向水箱42中加入制备实验用钻井液所需的材料(加清水和其它外加材料的先后顺序可根据实际情况灵活调整)，启动搅拌装置46对水箱42内的物质进行搅拌作业至全部溶解制成所需的钻井液。分别启动微钻实验装置11和泥浆泵12，以及包括第一压力传感器311、位移传感器312、第二压力传感器313、扭力传感器314、转速传感器315、角度传感器316、压力变送器317和流量传感器318在内的传感器单元，同时启动数据采集单元32、数据处理单元33和显示存储单元34，并做好所有设备、部件的调试工作。根据各个传感器实时检测得到的相应参数，通过操控中控单元21上的相应控制按钮212，将微钻实验装置11提供的钻压、扭矩(转速)、角度和泥浆泵12提供的泵压(射流的喷射压力)、流量(射流的流量)调节至喷射钻井实验所需的值，通过操控微钻实验装置11使其回转器带动钻杆及喷射式钻头沿轴线方向向下给进，从而实现喷射钻井实验中对岩样6的钻进进尺操作，喷射钻井的钻进时间可由秒表计时得到。
随着喷射钻井实验钻进进尺的开始，放置于模拟井筒45一旁的摄像机321实时拍摄并记录下喷射钻井实验的全过程，同时放置于模拟井筒45另一旁的测速仪322实时对喷射钻井的流场情况进行精确、科学的测试和显示。喷射钻井实验过程中由各个传感器采集到的数据，经数据处理单元33进行A/D转换后传输至显示存储单元34，再经相应的数据处理软件处理、分析后生成所需的图表，并将它们记录、储存下来；与此同时，由摄像机321、测速仪322拍摄、测试得到的有关录像、图像等也可传输至显示存储单元34上显示、记录并储存下来。
就喷射钻井实验过程中钻井液的流动过程进行说明如下：在喷射钻井实验过程中，经泥浆泵12抽吸作用产生的高压钻井液，由设置于微钻实验装置11上部的三通管路流经钻杆→喷射式钻头→嵌固于喷射式钻头上的若干个喷嘴后产生若干束高压射流进而实现喷射钻井，随着喷射钻井实验的不断进行，岩样6不断被喷射式钻头破碎并形成钻进进尺，与此同时在喷射式钻头的前端(即井底处)产生钻屑，钻屑可由不断循环上返的钻井液由井底携带至模拟井筒45的顶部，再经连通于模拟井筒45顶部的管路流入沉淀过滤池43，混有钻屑的钻井液经多级沉淀、过滤后固相含量大幅降低，达到循环再利用的效果(若固相含量较多，可视实际情况增加额外的固控设备或添加絮凝试剂辅助去除)，启动污水泵44对净化处理后的钻井液进行抽吸并使其回流至水箱42中，至此便完成一次钻井液的闭式循环，待喷射钻井实验结束(或钻井液无法循环再利用需要更新)时，需先对用过的钻井液进行处理，使其达到排放要求后，再由设置于水箱42的排液管排放至流体回收装置47后运至允许排放的指定地点集中处理。
若使用本发明直接连接喷嘴进行高压射流的实验研究，此时可以使用岩样6进行高压射流碎岩实验研究；也可将设置于模拟井筒45底部的液压缸221作为支撑架，并在固连于该液压缸221前端的岩样加持模具222上设置称重传感器319，进行高压射流的打击力测试实验。实验一：高压射流碎岩实验的过程与前述喷射钻井实验的过程基本类似，只是无需连接喷射式钻头以后，只需连接适宜的喷嘴即可，这将无需考虑钻压、扭矩(转速)等喷射钻井实验时所需的钻进参数；实验二：高压射流打击力测试实验中，无需连接喷射式钻头、且无需放置岩样6，其余实验过程与前述实验类似。在高压射流的两个实验中，主要关注的实验参数为射流的喷射压力、流量、喷射距离、喷射角度、喷嘴结构和钻井液类型，可得到的实验结果主要有优化喷嘴结构、优化高压射流碎岩的参数等。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台，其特征在于：包括动力模块(1)、实验工况调控模块(2)，测试与检测模块(3)、流体循环模块(4)以及喷钻组件(5)；
所述动力模块(1)包括微钻实验装置(11)和泥浆泵(12)，所述喷钻组件(5)与所述微钻实验装置(11)连接；
所述实验工况调控模块(2)包括中控单元(21)和围压调控单元(22)；
所述测试与检测模块(3)包括传感检测单元(31)、数据采集单元(32)、数据处理单元(33)和显示存储单元(34)，所述传感检测单元(31)实时检测所述微钻实验装置(11)的工况参数及施加在岩样(6)上的围压值；
所述流体循环模块(4)包括水龙头(41)、水箱(42)、沉淀过滤池(43)、污水泵(44)和上端开口下端封闭且透明的模拟井筒(45)；
所述模拟井筒(45)内装填有岩样(6)，所述微钻实验装置(11)设置在所述模拟井筒(45)上方，所述围压调控单元(22)穿过所述模拟井筒(45)的侧壁和/或底壁，并可调节挤压所述岩样(6)的围压值，所述喷钻组件(5)设置在所述模拟井筒(45)的上端口内，并向下喷射流体，所述流体为钻井液，所述水箱(42)上的进液口通过管路与所述水龙头(41)连通，所述水箱(42)上的出液口通过管路与所述泥浆泵(12)的进液口连通，所述泥浆泵(12)的出液口通过管路与所述喷钻组件(5)连通，所述水箱(42)上的回流口通过管路与所述污水泵(44)的出液口连通，所述污水泵(44)的进液口通过管路与所述沉淀过滤池(43)的出液口连通，所述沉淀过滤池(43)的进液口通过管路与所述模拟井筒(45)上端口连通；
所述中控单元(21)分别与所述微钻实验装置(11)、泥浆泵(12)、传感检测单元(31)、数据采集单元(32)、数据处理单元(33)、显示存储单元(34)和污水泵(44)电连接；
所述围压调控单元(22)包括液压泵站、多个液压缸(221)和与所述液压缸(221)数量相同的加持模具(222)，所述液压泵站与所述液压缸(221)连通，所述液压缸(221)的输出端穿过所述模拟井筒(45)的侧壁和/或底壁后通过对应的所述加持模具(222)与所述岩样(6)抵接；
所述传感检测单元(31)包括数量与所述液压缸(221)相同的第一压力传感器(311)，还包括位移传感器(312)、第二压力传感器(313)、扭力传感器(314)、转速传感器(315)、角度传感器(316)、压力变送器(317)、流量传感器(318)和称重传感器(319)中的一种或多种，所述第一压力传感器(311)设置在对应的所述加持模具(222)与所述岩样(6)之间，所述位移传感器(312)、第二压力传感器(313)、扭力传感器(314)、转速传感器(315)和角度传感器(316)设置在所述微钻实验装置(11)内，所述压力变送器(317)和流量传感器(318)均设置在所述泥浆泵(12)与所述喷钻组件(5)之间的管路上；
所述第一压力传感器(311)用于实时检测所述岩样(6)的围压，所述位移传感器(312)用于实时检测所述喷钻组件(5)的钻进进尺或喷嘴射流喷距，所述第二压力传感器(313)用于实时检测所述喷钻组件(5)的钻压，所述扭力传感器(314)用于实时检测所述喷钻组件(5)的钻进扭矩，所述转速传感器(315)用于实时检测所述喷钻组件(5)的钻进转速，所述角度传感器(316)用于实时检测所述喷钻组件(5)的钻进方向或射流喷射方向，所述压力变送器(317)用于实时检测所述喷钻组件(5)喷射流体的喷射压力，所述流量传感器(318)用于实时检测喷钻组件(5)喷射流体的流量，所述称重传感器(319)用于实时检测所述喷钻组件(5)的射流打击力的值；
所述流体循环模块(4)还包括搅拌装置(46)，所述搅拌装置(46)设置在所述水箱(42)上，且所述搅拌装置(46)的下端伸入所述水箱(42)内，所述搅拌装置(46)与所述中控单元(21)电连接，并对所述水箱(42)内的流体进行搅拌。
2.根据权利要求1所述的用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台，其特征在于：所述中控单元(21)包括显示屏(211)、控制按钮(212)、主控制电路和电源，所述主控制电路和电源设置在控制柜(213)内，所述显示屏(211)和控制按钮(212)分别镶嵌设置在所述控制柜(213)的前面板上，且所述显示屏(211)和控制按钮(212)分别与所述主控制电路电连接，所述电源分别与所述显示屏(211)、控制按钮(212)和主控制电路电连接，所述主控制电路还分别与所述微钻实验装置(11)、泥浆泵(12)、传感检测单元(31)、数据采集单元(32)、数据处理单元(33)、显示存储单元(34)和污水泵(44)电连接。
3.根据权利要求1所述的用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台，其特征在
于：所述数据采集单元(32)包括摄像机(321)和测速仪(322)，所述摄像机(321)和测速仪(322)分别设置在所述模拟井筒(45)的相对两侧，所述摄像机(321)和测速仪(322)均与所述中控单元(21)电连接，并分别用于实时动态拍摄喷射钻井实验过程和测试喷射钻井实验过程中的流场，所述显示存储单元(34)采用PC机或无纸记录仪。
4.根据权利要求1所述的用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台，其特征在于：所述流体循环模块(4)还包括流体回收装置(47)，所述流体回收装置(47)设置在所述水箱(42)的下方，且所述水箱(42)的底部设有排液口，且所述排液口通过管道与所述流体回收装置(47)连通。
5.根据权利要求4所述的用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台，其特征在于：所述水箱(42)与所述水龙头(41)之间、所述水箱(42)与所述泥浆泵(12)之间、所述污水泵(44)与所述沉淀过滤池(43)之间、所述沉淀过滤池(43)与所述模拟井筒(45)之间以及所述水箱(42)与所述流体回收装置(47)之间的管路上均设有电磁阀(48)，所有所述电磁阀(48)均与所述中控单元(21)电连接。
6.根据权利要求1至5任一项所述的用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台，其特征在于：所述喷钻组件(5)为喷射式钻头或喷嘴。
7.根据权利要求1至5任一项所述的用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台，其特征在于：所述模拟井筒(45)的底部设有用于支撑其的支撑架(7)，所述岩样(6)设置在所述模拟井筒(45)的中心位置处。
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