CN108318345A - 多方位角井眼破裂压力测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多方位角井眼破裂压力测试装置,包括压力釜、导流堵头、轴向推力机构、位移控制机构、温度控制机构、声学机构以及膨胀机构，压力釜包括第一固定侧壁、第二固定侧壁、弹性壁，第一固定侧壁和第二固定侧壁之间形成第一腔室，弹性壁内侧围构而成第二腔室；轴向推力机构相对导流堵头位于岩石的另一侧，轴向推力机构能相对压力釜运动；膨胀机构包括设置在推力杆上并能沿径向发生形变的膨胀管以及设置在导流堵头上的膨胀接头。膨胀机构独立循环，可实现对井眼围压和轴向压力的独立控制，同时可实现对井眼内流通通道施加不同压力不同温度的控制，通过膨胀管体积变形推算井眼岩石的破裂压力。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学实验领域，尤其涉及一种多方位角井眼破裂压力测试装置。
背景技术
随着油气开发的深入，钻井垂直深度已接近万米，不同井型裸眼井段长度不断增加，钻井安全窗口越来越窄，同时，深层岩石的温度环境发生显著增加，在高温井钻井过程中深层井壁岩石温度甚至可达350℃以上，岩石温度的变化导致岩石的结构和力学特性会发生变化，因此准确了解温度变化对岩石力学特性和损伤破环机理的影响规律，判别和预测井壁强度，特别是高温状态下井壁稳定性对安全钻井工程具有重要的现实意义。
现有的模拟深部岩石复杂环境的岩石力学试验主要在以恒温静态力学试验机为代表的岩石力学试验装置上开展，得到恒温渗流与静压耦合条件下岩石的力学特性。早在20世纪80年代，岩石介质声学测试装置已经较为成熟，但是受到装置的限制，始终没有将岩石声波测试同力学测试同步，没有能够满足岩石高压温变状态的声学响应装置；膨胀管具有膨胀体积大，变形均匀等特点，被大量用于钻井工程的修井、尾管等方面，膨胀管技术的出现，改变了现有力学加载模式，集成现有技术。
1、对于浅部低温地层，采用传统的机械测试方式能够满足岩石的物性参数的测定，且方法成熟，数据获取直接，声学响应测试的发展受到限制，声学测试不需要进行钻井采芯，极大的节约成本和时间；2、随着高温高压井的开发，高温度、高压力共同作用对岩石物性参数的影响加剧，单一的温度或围压环境模拟已经不能精确模拟所需环境。3、膨胀管技术是材料新型技术，对膨胀管的压力控制较难。
因此，研制研究一套经济简捷的室内测量方法及装置是解决深层高温井钻井井壁稳定力学研究的当务之急。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种多方位角井眼破裂压力测试装置，其可以测试岩石在不同温度变化下的破裂压力。
本发明的具体技术方案是：一种多方位角井眼破裂压力测试装置，包括压力釜、导流堵头、轴向推力机构、位移控制机构、温度控制机构、声学机构以及膨胀机构，其中，所述压力釜包括第一固定侧壁、设置在所述第一固定侧壁内的第二固定侧壁、设置在所述第二固定侧壁内并能沿径向产生形变的弹性壁，所述第一固定侧壁和所述第二固定侧壁之间形成第一腔室，所述弹性壁内侧围构而成第二腔室；所述导流堵头设置在所述弹性壁内以供岩石容置，所述导流堵头上设置有与第一腔室连通的导流管；所述轴向推力机构相对所述导流堵头位于岩石的另一侧，所述轴向推力机构能相对所述压力釜运动，所述轴向推力机构位于压力釜内的一端设置有能与所述压力腔和所述测试腔接合的导流机构，所述导流机构包括能在其与所述压力腔和所述测试腔接合时将所述压力腔和所述弹性桶之间连通的渗流通道；所述位移控制机构能相对所述第二固定侧壁沿径向移动，所述位移控制机构的一端位于所述第一腔室内，所述位移控制机构的另一端设置在弹性壁上；所述温度控制机构包括与所述第一腔室连通的流体源以及设置在所述导流管处的温度检测单元；所述声学机构包括设置在所述导流堵头背离所述岩石一侧的声波发射装置和设置在所述渗流堵头背离所述岩石一侧的声波接收装置，或，设置在所述导流堵头背离所述岩石一侧的声波接收装置和设置在所述渗流堵头背离所述岩石一侧的声波发射装置；所述膨胀机构包括设置在所述推力杆上并能沿径向发生形变的膨胀管以及设置在所述导流堵头上的膨胀接头，所述膨胀接头能在所述渗流堵头与所述压力釜接合时与所述膨胀管接合。
优选地，所述压力釜包括上盖，所述轴向推力机构包括轴向加载机构、能与所述轴向加载机构传动连接并穿设在所述上盖上的推力杆，所述推力杆位于所述压力釜内的一端固定设置有与所述上盖密封的密封盖板，所述渗流堵头固定设置在所述密封盖板上，所述膨胀管穿设在所述渗流堵头上。
优选地，所述渗流堵头在其背离岩石的一侧设置有保护罩，所述保护罩罩设在所述声学探头外。
优选地，所述压力釜包括底板，所述底板上设置有与所述压力腔连通的导液塞，所述导流管穿设在所述底板上。
优选地，所述温度控制机构能根据所述温度检测单元得到的数据对所述流体源进行控制，所述导流堵头与所述底板之间形成腔室，所述声学探头设置在所述腔室内。
优选地，所述渗流接口在其朝向岩石的一侧设置有多个沿圆周方向排布的导流槽，各个所述导流槽与渗流通道连通。
优选地，所述声学探头为周期性声学探头，所述声学探头包括横波声学探头和纵波声学探头。
优选地，包括倾角控制装置，所述倾角控制装置能使所述压力釜转动，以使所述压力釜相对水平面呈夹角。
优选地，所述位移控制机构包括位移传感器。
优选地，所述膨胀管接头背离所述膨胀管的一端密闭。
优选地，包括控制单元，所述控制单元用于对轴向推力机构、位移控制机构、温度控制机构、声学机构进行控制。
本发明的优点：膨胀机构独立循环，可实现对井眼围压和轴向压力的独立控制，同时可实现对井眼内流通通道施加不同压力不同温度的控制，通过膨胀管体积变形推算井眼岩石的破裂压力，声学信号辅助测量，在预测和评价井下井壁强度的同时，建立声学信号与力学特性的关系，为油气深井、超深井和高温井的井壁稳定预测提供指导依据。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1为根据本发明实施例的多方位角井眼破裂压力测试装置的结构示意图。
图2为轴向推力机构的仰视图；
图3为图2的截面示意图；
图4为压力釜的俯视图；
图5为图4的剖视图；
图6为岩石受力测试示意图。
以上附图的附图标记：1-压力釜；2-声学机构；3-膨胀机构；4-倾角控制机构；41-法兰连接座；42-控制台底座；43-支撑杆；44-液压驱动装置；45-丝杠；46-液压控制箱；5-控制单元；101-第一固定侧壁；102-第二固定侧壁；103-位移控制机构；104a-上密封压头；104b-导流堵头；105-导液塞；106-渗流堵头；107-渗流接口；108-密封盖板；109-上盖；110-弹性壁；201-发射探头；202-接口；203-接收探头；301-膨胀管；302a-上膨胀短接；302b-下膨胀短接；303-增压管线。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
参照图1、图2、图3、图4、图5所示，本申请实施例中的多方位角井眼破裂压力测试装置包括：压力釜1、导流堵头104b、轴向推力机构、位移控制机构103、温度控制机构、声学机构2以及膨胀机构3，其中，所述压力釜1包括第一固定侧壁101、设置在所述第一固定侧壁101内的第二固定侧壁102、设置在所述第二固定侧壁102内并能沿径向产生形变的弹性壁110，所述第一固定侧壁101和所述第二固定侧壁102之间形成第一腔室，所述弹性壁110内侧围构而成第二腔室；所述导流堵头104b设置在所述弹性壁110内以供岩石容置，所述导流堵头104b上设置有与第一腔室连通的导流管；所述轴向推力机构相对所述导流堵头104b位于岩石的另一侧，所述轴向推力机构能相对所述压力釜1运动，所述轴向推力机构位于压力釜1内的一端设置有能与所述压力釜1接合的渗流堵头106，所述渗透堵头具有能在所述渗流堵头106与所述压力釜1接合时将所述第一腔室和所述第二腔室之间连通的渗流通道；所述位移控制机构103能相对所述第二固定侧壁102沿径向移动，所述位移控制机构103的一端位于所述第一腔室内，所述位移控制机构103的另一端设置在弹性壁110上；所述温度控制机构包括与所述第一腔室连通的流体源以及设置在所述导流管处的温度检测单元；所述声学机构2包括设置在所述导流堵头104b背离所述岩石一侧的声波发射装置和设置在所述渗流堵头106背离所述岩石一侧的声波接收装置，或，设置在所述导流堵头104b背离所述岩石一侧的声波接收装置和设置在所述渗流堵头106背离所述岩石一侧的声波发射装置；所述膨胀机构3包括设置在所述推力杆上并能沿径向发生形变的膨胀管301以及设置在所述导流堵头104b上的下膨胀短接302b，所述下膨胀短接302b能在所述渗流堵头106与所述压力釜1接合时与所述膨胀管301接合。
借由上述结构，自压力腔进入的流体可以从渗流堵头106的渗流通道进入弹性壁110，压力腔内的流体可以通过位移控制机构103对弹性壁110提供径向的作用力，进入弹性壁110内的流体可以对岩石提供轴向的作用力，温度控制机构可以根据温度传感器来对弹性壁110内的流体的温度进行控制，由此构建出了岩石的高温高压结构。并且，声学机构2还可以对弹性壁110内的岩石进行声波测试。同时可实现对井眼内流通通道施加不同压力不同温度的控制，通过膨胀管301体积变形推算井眼岩石的破裂压力。
参照图4和图5所示，具体的，压力釜1包括底壁、设置在底壁上的第一固定侧壁101、设置在底壁上的第二固定侧壁102、设置在底壁上的弹性壁110。第二固定侧壁102位于第一固定侧壁101的内侧，并且两者之间的间隙空间形成第一腔室。第二固定侧壁102位于第二固定侧壁102的内侧，并且第二固定侧壁102的内壁围绕形成第二腔室。
第一固定侧壁101具有翻边，该翻边可以通过法兰与上盖109连接。底壁上通过法兰可以与倾角控制机构4连接。包括倾角控制装置，所述倾角控制装置能使所述压力釜1转动，以使所述压力釜1相对水平面呈夹角。具体的，倾角控制机构4包括法兰连接座41、控制台底座42、支撑杆43、液压驱动装置44(例如，千斤顶)、丝杠45、液压控制箱46，所述液压控制箱46能对液压驱动装置44控制使其伸长或收缩。法兰连接座41固定设置在底壁上。支撑杆43的一端固定设置在控制台底座42上，支撑杆43的另一端与法兰连接座41铰接。液压驱动装置44能使法兰连接座41带动压力釜1相对支撑杆43旋转，从而与水平面形成夹角。丝杠45设置在法兰连接座41和控制台底座42之间，用于在液压驱动装置44运行到预定位置时，将压力釜1固定。压力釜1的底壁上还设置有与所述第一腔室连通的导液塞105。
第一固定侧壁101和第二固定侧壁102可以由钢结构制成。弹性壁110可以由高变形金属制成。其中，第一固定侧壁101和底壁可以为一体式构造。第二固定侧壁102可以通过销钉固定在底壁上。弹性壁110可以沿径向发生形变。
在弹性壁110内部的下端设置有导流堵头104B。岩石可以放置在导流堵头104B上，并位于第二腔室内。所述导流堵头104B和所述底壁上设置有与第二腔室连通的导流管。所述导流管可以将第二腔室内的流体排出。
参照图1所示，所述位移控制机构103能相对所述刚性桶沿径向移动，所述位移控制机构103的一端位于所述第一腔室内，所述位移控制机构103的另一端设置在所述弹性壁110上。位于第一腔室内的流体可以通过位移控制机构103来对弹性壁110产生径向的作用力，从而使弹性壁110产生沿径向的变形。所述位移控制机构103还包括能检测弹性壁110沿径向发生形变量的位移传感器。
参照图2和图3所示，所述轴向推力机构包括轴向加载装置、能与所述轴向加载装置传动连接并穿设在所述上盖109上的推力杆，所述推力杆位于所述压力釜1内的一端固定设置有与所述上盖109密封的密封盖板108，所述导流机构包括渗流堵头106和渗流接口107。渗流堵头106通过螺栓连接渗流接口107，渗流接口107通过螺栓固定在密封盖板108上。
渗流接口107能与压力腔的上部配合密封，渗流堵头106能与弹性桶的上部密封配合。所述渗流接口107在其朝向岩石的一侧设置有多个沿圆周方向排布的导流槽，各个所述导流槽与渗流通道连通。所述渗流通道与弹性桶内腔连通，所述导流槽与压力腔连通。所述轴向推力机构的推力杆能相对所述压力釜1运动，从而使导流机构与所述第一固定侧壁101、第二固定侧壁102以及弹性桶接合，由此使所述第一腔室和所述第二腔室连通。
参照图1所示，在本实施方式中，所述温度控制机构包括与所述第一腔室连通的流体源以及设置在所述导流管处的温度传感器。所述温度控制机构能根据所述温度传感器得到的数据对所述流体源进行控制。具体的，温度控制机构可以包括电加热炉、温度传感器、温度显示器、信号输出接口202、电阻控制阀。温度控制机构的进液口与进液箱连接，温度控制机构的出口与导液塞105连通，温度传感器安装于导液槽内。控制单元5分别与信号输出接口202和温度显示器连接，控制电阻控制阀位置，调节加热电阻的大小，存储温度数据，显示当前温度值。
在本实施方式中，所述渗流堵头106在其背离岩石的一侧设置有保护罩，所述保护罩罩设在所述声波发射装置外。所述导流堵头104b与所述底壁之间形成腔室，所述声波接收装置设置在所述腔室内。
声波发射装置包括声发射探头201、导线接口202、探头保护壳、压紧垫片和螺栓、密封销钉。声发射探头201内置于一定刚度的保护罩之中；发射探头201固定在渗流堵头106凹槽内，为保证声发射探头201与渗流堵头106接触良好，分别在声发射探头201端部和渗流堵头106接触面涂抹耦合剂；保护罩通过压紧垫片和螺栓与密封盖板108连接，声发射探头201处于密封状态，其作用是防止声发射探头201承受液体压力而损坏。导线通过接口202连接外部设备。密封销钉连接保护罩和盖板。
本申请实施例的声波接收装置包括两个的密封腔室、压紧垫片和压紧销钉、导线出口、密封销钉。两个密封空腔内分别设置有纵波探头和横波探头。所述压紧销钉和压紧垫片的作用是将两个探头紧固在各自的密封腔室内。本申请实施例的声波发射装置和声波接收装置为周期性测试探头。
当然的，在另一个可选的实施方式中，所述渗流堵头106在其背离岩石的一侧设置有保护罩，所述保护罩罩设在所述声波接收装置外。所述导流堵头104b与所述底壁之间形成腔室，所述声波发射装置设置在所述腔室内。具体的，所述声波接收装置和所述发射装置包括周期性声学探头。所述声波接收装置包括横波声学接收探头203和纵波声学接收探头203。
膨胀机构3包括增压管线303、穿设在上盖109上并且与增压管线303连通的上密封压头104a、连接在上密封压头104a并穿过保护罩和渗流堵头106的膨胀短接、连接在上膨胀短接302a下端的膨胀管301、设置在导流堵头104b上的下膨胀短接302b，下膨胀短接302b可以在所述渗流堵头106与所述压力釜1接合时与所述膨胀管301接合。增压管线303可以与电加热炉连通，以接收高温流体。
本申请实施例还包括控制单元5，所述控制单元5用于对轴向推力机构、位移控制机构103、温度控制机构、声学机构2、膨胀机构3进行控制。具体的，所述控制单元5包括信号接收及转换组块、计算机、处理软件，可实施测试过程中温度、压力、位移、声波和倾角的测量和控制。
本实施例提供的试验步骤如下：
(1)将岩石放入岩石压力腔内。
(2)将倾角控制机构4调制设定倾斜角度固定。
(3)打开声波发射装置和声波接收装置，并开始记录。
(4)调节温度控制机构，加热出液管内介质至设定温度，向第一腔室内注入流体施加围压，向膨胀管301内注入流体使膨胀管301发生形变。
(5)进行加压，加热。
(6)实验结束后，放油。
(7)打开压力腔，将装置拿出试验台，排出工程液体。
参照图6所示，本发明适用于岩石力学三轴实验过程中对岩石声波状态的同步监测，同时适用于岩石在不同温度和压力环境下的声波状态测量，同时适用于不同井型(直井、水平井、定向井)井眼周围岩石在不同温度和压力环境下的力学与声波信息同步测量，能够解决高温高压状态下岩石声波状态和力学参数测量。
本发明的优点：膨胀机构3独立循环，可实现对井眼围压和轴向压力的独立控制，同时可实现对井眼内流通通道施加不同压力不同温度的控制，通过膨胀管301体积变形推算井眼岩石的破裂压力，声学信号辅助测量，在预测和评价井下井壁强度的同时，建立声学信号与力学特性的关系，为油气深井、超深井和高温井的井壁稳定预测提供指导依据。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多方位角井眼破裂压力测试装置，其特征在于，包括压力釜、导流堵头、轴向推力机构、位移控制机构、温度控制机构、声学机构以及膨胀机构，其中，所述压力釜包括第一固定侧壁、设置在所述第一固定侧壁内的第二固定侧壁、设置在所述第二固定侧壁内并能沿径向产生形变的弹性壁，所述第一固定侧壁和所述第二固定侧壁之间形成第一腔室，所述弹性壁内侧围构而成第二腔室；所述导流堵头设置在所述弹性壁内以供岩石容置，所述导流堵头上设置有与第一腔室连通的导流管；所述轴向推力机构相对所述导流堵头位于岩石的另一侧，所述轴向推力机构能相对所述压力釜运动，所述轴向推力机构位于压力釜内的一端设置有能与所述压力腔和所述测试腔接合的导流机构，所述导流机构包括能在其与所述压力腔和所述测试腔接合时将所述压力腔和所述弹性桶之间连通的渗流通道；所述位移控制机构能相对所述第二固定侧壁沿径向移动，所述位移控制机构的一端位于所述第一腔室内，所述位移控制机构的另一端设置在弹性壁上；所述温度控制机构包括与所述第一腔室连通的流体源以及设置在所述导流管处的温度检测单元；所述声学机构包括设置在所述导流堵头背离所述岩石一侧的声波发射装置和设置在所述渗流堵头背离所述岩石一侧的声波接收装置，或，设置在所述导流堵头背离所述岩石一侧的声波接收装置和设置在所述渗流堵头背离所述岩石一侧的声波发射装置；所述膨胀机构包括设置在所述推力杆上并能沿径向发生形变的膨胀管以及设置在所述导流堵头上的膨胀接头，所述膨胀接头能在所述渗流堵头与所述压力釜接合时与所述膨胀管接合。
2.根据权利要求1所述的多方位角井眼破裂压力测试装置，其特征在于，所述压力釜包括上盖，所述轴向推力机构包括轴向加载机构、能与所述轴向加载机构传动连接并穿设在所述上盖上的推力杆，所述推力杆位于所述压力釜内的一端固定设置有与所述上盖密封的密封盖板，所述渗流堵头固定设置在所述密封盖板上，所述膨胀管穿设在所述渗流堵头上。
3.根据权利要求1所述的多方位角井眼破裂压力测试装置，其特征在于，所述渗流堵头在其背离岩石的一侧设置有保护罩，所述保护罩罩设在所述声学机构外。
4.根据权利要求1所述的多方位角井眼破裂压力测试装置，其特征在于，所述压力釜包括底板，所述底板上设置有与所述压力腔连通的导液塞，所述导流管穿设在所述底板上。
5.根据权利要求4所述的多方位角井眼破裂压力测试装置，其特征在于，所述温度控制机构能根据所述温度检测单元得到的数据对所述流体源进行控制，所述导流堵头与所述底板之间形成腔室，所述声学探头设置在所述腔室内。
6.根据权利要求1所述的多方位角井眼破裂压力测试装置，其特征在于，所述渗流接口在其朝向岩石的一侧设置有多个沿圆周方向排布的导流槽，各个所述导流槽与渗流通道连通。
7.根据权利要求1所述的多方位角井眼破裂压力测试装置，其特征在于，所述声学机构为周期性声学探头，所述周期性声学探头包括横波声学探头和纵波声学探头。
8.根据权利要求1所述的多方位角井眼破裂压力测试装置，其特征在于，包括倾角控制装置，所述倾角控制装置能使所述压力釜转动，以使所述压力釜相对水平面呈夹角，所述位移控制机构包括位移传感器。
9.根据权利要求1所述的多方位角井眼破裂压力测试装置，其特征在于，所述膨胀管接头背离所述膨胀管的一端密闭。
10.根据权利要求1所述的多方位角井眼破裂压力测试装置，其特征在于，包括控制单元，所述控制单元用于对轴向推力机构、位移控制机构、温度控制机构、声学机构、膨胀机构进行控制。
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