一种用于评价静态推靠式旋转导向翼肋地层适应性的实验装置及方法与流程

1.本发明涉及石油钻井工程领域，具体涉及一种用于评价静态推靠式旋转导向翼肋地层适应性的实验装置及方法。


背景技术：

2.旋转导向钻井技术是20世纪末期发展起来的一项尖端自动化钻井技术，可在钻柱旋转钻进过程中随钻实时完成导向功能。旋转导向钻井技术完全抛开了滑动导向方式，以旋转导向钻进方式自动灵活地调整井斜和方位，大幅度提高了钻井的速度和安全性，具有非常高的轨迹控制精度，完全适合开发特殊油藏的超深井、高难定向井、水平井、大位移井等特殊工艺井导向钻井的需要。
3.国际上具有代表性的旋转导向钻井系统分别是baker hughes公司的auto trak rcls、schlumberger公司的power drive srd和halliburton公司的geo
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pilot系统。旋转导向钻井系统的核心是井下旋转导向工具，根据导向方式可将旋转导向工具分为推靠式、指向式和推靠指向复合式3种。其工作机理都是靠偏置机构分别偏置钻头或钻柱产生导向，推靠式是通过在钻头附近直接给钻头提供侧向力，指向式是通过近钻头处钻柱的弯曲使钻头指向井眼轨迹控制方向。根据偏置机构的工作方式又可分为静态偏置和动态(或调制式)偏置2种，静态偏置式是指导向机构在钻进过程中不与钻柱一起旋转，稳定在某一固定的方向上提供侧向力；动态偏置是指偏置导向机构在钻进过程中与钻柱一起旋转，控制系统使其在某一位置定时支出提供导向力。
4.目前，静态推靠式旋转导向钻井工具在实际现场应用中出现了许多问题，其中最为突出的问题是导向翼肋与井壁接触产生的井下复杂情况以及地层因素对导向工具的影响。首先，导向翼肋与井壁之间存在摩擦阻力，造成钻进困难，翼肋的倒角还会消耗掉大部分的钻压，使得钻压传递效率降低，钻头无法正常破碎岩石。并且，当钻遇较软地层时，在导向力的作用下导向翼肋可能陷入地层中，导致导向翼肋中心偏离井眼中心，增大井眼轨迹调控的难度，造成导向工具的自锁现象和井壁的屈服破坏；国外在墨西哥湾、喀麦隆近海、挪威南部以及泰国湾等地方应用静态推靠式旋转导向钻井工具时，在较软地层均出现过导向工具造斜率不足、导向控制差等问题。
5.多年前，baker hughes公司已研发出平推式旋转导向钻井工具，该新型工具采用平推式双活塞设计，使得导向翼肋与井壁之间的接触面积更大，具有更高的造斜能力。国内川庆钻探等公司也研制出了平推式旋转导向钻井工具，但是针对静态推靠式旋转导向钻井工具地层适应性的研究较少，缺乏对于静态推靠式旋转导向钻井工具地层适应性的认知，对于不同地层适用的斜推式与平推式工具较为模糊，且缺少明确的工具改进方案。因此，亟需提出一种用于评价静态推靠式旋转导向翼肋地层适应性的实验装置及方法，研究旋转导向工具导向翼肋的地层适应性，指导导向翼肋结构的改进。


技术实现要素：

6.本发明针对上述问题提出了一种用于评价静态推靠式旋转导向翼肋地层适应性的实验装置及方法，为静态推靠式旋转导向工具中导向翼肋的选择提供了有力保证，具有极高的推广使用价值。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种用于评价静态推靠式旋转导向翼肋地层适应性的实验装置，其特征在于，包括岩心固定装置、旋转导向钻井模拟工具、周向加压装置和轴向加压装置；
9.所述岩心固定装置设置于垫板上，包括一对靠山和岩心固定套，靠山对称设置于岩心固定套两侧，岩心固定套顶面设置有岩心放置孔，用于固定岩心；
10.所述旋转导向钻井模拟工具设置于岩心内部，包括外壳和导向翼肋，外壳表面沿周向等间距设置有多个翼肋安装槽，各翼肋安装槽内均设置有导向翼肋；
11.所述周向加压装置设置于旋转导向钻井模拟工具内部，包括周向伺服液压油缸和周向传感器，周向伺服液压油缸施压端对应各翼肋安装槽位置处均设置有液压柱塞，液压柱塞顶端设置有周向传感器，周向传感器与导向翼肋相接触；
12.所述轴向加压装置通过支架固定于旋转导向钻井模拟工具上方位置处，与旋转导向钻井模拟工具位于同一直线上，包括轴向伺服液压油缸和轴向传感器，轴向传感器设置于轴向伺服液压油缸的施压端，与旋转导向钻井模拟工具顶端相接触；
13.所述周向伺服液压油缸、周向传感器、轴向伺服液压油缸和轴向传感器均与伺服液压控制系统相连接，周向传感器包括周向测力传感器和周向位移传感器，轴向传感器包括轴向测力传感器和轴向位移传感器。
14.优选地，所述岩心固定套采用304不锈钢或45#钢制成，垫板和支架的倾斜角度均可调整。
15.优选地，所述岩心呈中空的圆柱体结构，内部中空部分用于放置旋转导向钻井模拟工具，岩心内壁用于模拟井壁。
16.优选地，所述旋转导向钻井模拟工具与实际旋转导向钻井工具的工作部分尺寸相同，导向翼肋为斜推式导向翼肋或平推式导向翼肋，内部设置有复位弹簧，导向翼肋可拆卸更换。
17.优选地，所述旋转导向钻井模拟工具设置有三个导向翼肋。
18.优选地，所述周向位移传感器和轴向位移传感器均为非接触式磁致伸缩位移传感器。
19.一种用于评价静态推靠式旋转导向翼肋地层适应性的实验方法，采用如上所述的实验装置，具体包括如下步骤：
20.步骤1，将岩心置于岩心固定套内，利用靠山将岩心固定套固定于垫板上；
21.步骤2，在旋转导向钻井模拟工具外壳的翼肋安装槽内安装导向翼肋，检查导向翼肋的灵活性，将周向伺服液压油缸置于旋转导向钻井模拟工具内，检查周向伺服液压油缸的灵活性；
22.步骤3，将旋转导向钻井模拟工具置于岩心内，检查轴向伺服液压油缸的灵活性，调整轴向伺服液压油缸的位置，将轴向伺服液压油缸固定于旋转导向钻井模拟工具上方，使得轴向伺服液压油缸与旋转导向钻井模拟工具位于同一直线上；
23.步骤4，利用伺服液压控制系统控制周向伺服液压油缸的液压力值，周向伺服液压油缸向旋转导向钻井模拟工具的导向翼肋施加周向液压力，使得导向翼肋与岩心内壁相紧贴，保持周向伺服液压油缸的液压力值恒定；
24.步骤5，利用伺服液压控制系统控制轴向伺服液压油缸的液压力值，轴向伺服液压油缸向旋转导向钻井模拟工具施加轴向液压力，以恒定速度推动旋转导向钻井模拟工具沿直线运动；
25.步骤6，利用轴向传感器测量旋转导向钻井模拟工具在轴向方向上的位移及受力值，再利用周向传感器测量旋转导向钻井模拟工具在周向方向上的位移及受力值，确定导向翼肋的岩心压入深度；
26.步骤7，利用伺服液压控制系统改变轴向伺服液压油缸和周向伺服液压油缸的液压力值，重复步骤4至步骤6，得到不同液压力值条件下旋转导向钻井模拟工具在周向方向和轴向方向上的位移及受力值，确定导向翼肋岩心压入深度随液压力值的变化规律；
27.步骤8，保持轴向伺服液压油缸和周向伺服液压油缸的液压力值恒定，利用伺服液压控制系统改变轴向伺服液压油缸和周向伺服液压油缸的加载速度，重复步骤4至步骤6，得到不同加载速度条件下旋转导向钻井模拟工具在周向方向和轴向方向上的位移和受力值，确定导向翼肋岩心压入深度随加载速度的变化规律；
28.步骤9，保持轴向伺服液压油缸和周向伺服液压油缸的液压力值和加载速度恒定，重复步骤4至步骤6，得到不同时间下旋转导向钻井模拟工具在周向方向和轴向方向上的位移和受力值，确定导向翼肋岩心压入深度随时间的变化规律。
29.优选地，选用多个具有不同岩石力学参数的岩心，分别重复步骤1至步骤6，根据各岩石力学参数条件下旋转导向翼肋的岩心压入深度，确定各岩石力学参数对导向翼肋岩心压入深度的影响。
30.优选地，所述岩石力学参数包括弹性模量、抗压强度和泊松比。
31.本发明所带来的有益技术效果：
32.1、本发明提出了一种用于评价静态推靠式旋转导向翼肋地层适应性的实验装置，真实模拟了实际钻井过程中静态推靠式旋转导向工具的工作状态，将复杂的现场旋转钻井过程转化为室内实验，并且实现了对导向翼肋在水平井段及倾斜井段条件下工作情况的模拟，实验结果精确度高，实验装置制造成本低且便于安装拆卸，具有极强的可操作性。
33.2、本发明提出了一种用于评价静态推靠式旋转导向翼肋地层适应性的实验方法，该方法利用伺服液压控制系统控制轴向伺服液压油缸和周向伺服液压油缸，通过改变旋转导向钻井模拟工具的钻进参数，研究钻进参数对导向翼肋工作状态的影响，同时，还能通过更换岩心，研究不同岩石力学参数对导向翼肋工作状态的影响，有利于确定各研究因素对旋转导向钻井工具导向翼肋的影响。
34.3、本发明提出的实验装置中，旋转导向钻井模拟工具的导向翼肋可以拆卸，更换为不同类型的导向翼肋进行实验，结合本发明提出的实验方法，有利于全面研究各影响因素对静态推靠式旋转导向钻井工具导向翼肋的影响，通过实验明确了导向翼肋对不同地层的适应性，实现了对真实钻进过程的模拟，有利于针对真实地层条件为旋转导向钻井工具选择合适的导向翼肋。
附图说明
35.图1为本发明实验装置示意图。
36.图2为本发明实验装置中岩心固定装置示意图。
37.图3为本发明实验装置中旋转导向钻井模拟工具外壳示意图。
38.图4为本发明实验装置中周向加压装置示意图；其中，图4(a)为周向伺服液压油缸施压端的示意图，图4(b)为周向伺服液压油缸的示意图。
39.图5为本发明实验装置中轴向加压装置示意图。
40.图6为本发明实验装置中导向翼肋示意图；其中，图6(a)为斜推式导向翼肋的结构示意图，图6(b)为平推式导向翼肋的结构示意图。
41.图7为本发明实验装置中导向翼肋的工作原理示意图；其中，图7(a)为斜推式导向翼肋的工作原理示意图，图7(b)为平推式导向翼肋的工作原理示意图。
42.图中，1、岩心固定装置，1.1、岩心放置孔，1.2、岩心，1.3、岩心固定套，1.4、靠山，2、旋转导向钻井模拟工具，2.1、外壳，2.2、翼肋安装槽，2.3、导向翼肋，2.4、斜推式导向翼肋，2.5、平推式导向翼肋，2.6、复位弹簧，3、周向加压装置，3.1、周向伺服液压油缸，3.2、液压柱塞，4、轴向伺服液压油缸，5、伺服液压控制系统，6、支架，7、垫板。
具体实施方式
43.下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
44.本发明一种用于评价静态推靠式旋转导向翼肋地层适应性的实验装置，如图1所示，包括岩心固定装置1、旋转导向钻井模拟工具2、周向加压装置3和轴向加压装置。
45.岩心固定装置1设置于垫板7上，垫板7与岩心固定装置1底面直接接触，能够承受施加于岩心固定装置1上的载荷，确保实验过程中不受外界环境的影响；岩心固定装置1如图2所示，包括一对靠山1.4和岩心固定套1.3，靠山1.4对称设置于岩心固定套1.3两侧，用于将岩心固定套1.3固定于垫板7上，防止实验过程中岩心固定套1.3发生移动；岩心固定套1.3顶面设置有用于固定岩心1.2的岩心放置孔1.1，岩心1.2置于岩心放置孔1.1内，呈中空的圆柱体结构，内壁用于模拟井壁。
46.旋转导向钻井模拟工具2置于岩心1.2的内部中空处，包括外壳2.1和导向翼肋2.3，外壳2.1尺寸与实际旋转导向钻井工具工作部分的外壳尺寸相同，本实施例中外壳2.1表面沿周向等间距设置有三个翼肋安装槽2.2，如图3所示，三个翼肋安装槽2.2内均安装有可拆卸的导向翼肋2.3，如图6所示，导向翼肋2.3可以选择斜推式旋转导向翼肋2.4或平推式旋转导向翼肋2.5；斜推式旋转导向翼肋2.4和平推式旋转导向翼肋2.5内部均设置有复位弹簧2.6，如图7所示，当向复位弹簧2.6施加压力时，复位弹簧2.6压缩，支撑导向翼肋2.3从翼肋安装槽2.2内推出，导向翼肋2.3与岩心1.2内壁紧贴，模拟实际钻进过程中导向翼肋2.3的工作状态；当停止向复位弹簧2.6施加压力时，复位弹簧2.6恢复原始状态，导向翼肋2.3缩回翼肋安装槽2.2内，所以通过调整复位弹簧2.6所施加的压力能够控制导向翼肋2.3的伸缩，模拟实际钻进过程中导向翼肋2.3的工作状态，同时，本实施例中旋转导向钻井模拟工具2采用周向三翼肋结构，相比于单翼肋旋转导向钻井模拟工具更接近现场工况，更加能够反映实际钻进过程，模拟结果更加准确。
47.旋转导向钻井模拟工具2内部设置有周向加压装置3，如图4所示，周向加压装置3
包括周向伺服液压油缸3.1和周向传感器，周向伺服液压油缸3.1的施压端设置有多个液压柱塞3.2，用于推动导向翼肋2.3紧贴于岩心1.2内壁，液压柱塞3.2的数量与导向翼肋2.3数量相同，各液压柱塞3.2等间距分布，设置于与各翼肋安装槽2.2相对位置处，液压柱塞3.2顶端设置有周向传感器，周向传感器与导向翼肋2.3相接触，用于测量实验过程中导向翼肋2.3在水平方向上的位移与受力值，确定钻进过程中导向翼肋2.3施加的压力以及导向翼肋2.3压入岩心1.2的深度。
48.轴向加压装置通过支架6固定于旋转导向钻井模拟工具2上方位置处，与旋转导向钻井模拟工具2位于同一直线上，垫板7和支架6的倾斜角度均可调整，从而调整轴向加压装置和岩心固定装置1的倾斜角度，用于模拟水平井段和不同角度的倾斜井段，本实施例中轴向加压装置设置于旋转导向钻井模拟工具2的正上方，如图5所示，包括轴向伺服液压油缸4和轴向传感器，轴向伺服液压油缸4用于推动旋转导向钻井模拟工具2在岩心1.2内沿竖直方向运动，用于模拟旋转导向钻井模拟工具2的实际钻进过程；轴向传感器设置于轴向伺服液压油缸4的施压端，与旋转导向钻井模拟工具2的顶端相接触，用于测量实验过程中旋转导向钻井模拟工具2在竖直方向上的位移与受力值，竖直方向上的受力值相当于实际钻进过程中旋转导向钻井工具的钻压，位移相当于实际钻进过程中的旋转导向钻井工具的进尺。
49.周向伺服液压油缸3.1、周向传感器、轴向伺服液压油缸4和轴向传感器均与伺服液压控制系统5相连接，伺服液压控制系统5不仅能够控制周向伺服液压油缸3.1和轴向伺服液压油缸4的液压力值、加载速度和加载时间，还能控制周向传感器和轴向传感器，获取并存储周向传感器和轴向传感器的测量数据，并且伺服液压控制系统5能够实现对周向伺服液压油缸3.1和轴向伺服液压油缸4的单独控制，使得两个液压油缸互不影响；周向传感器包括周向测力传感器和周向位移传感器，周向测力传感器用于测量导向翼肋2.3的周向液压力值，即获得导向翼肋2.3的周向施力大小，周向位移传感器用于测量导向翼肋2.3的伸出长度，即确定导向翼肋2.3压入岩心1.2的深度；轴向传感器包括轴向测力传感器和轴向位移传感器，轴向测力传感器用于测量旋转导向钻井模拟工具2所受的轴向液压力值，获取旋转导向钻井模拟工具2所受的钻压值，轴向位移传感器用于测量旋转导向钻井模拟工具2的轴向位移，获取旋转导向钻井模拟工具2的实际进尺；其中，周向位移传感器和轴向位移传感器均为非接触式磁致伸缩位移传感器，不易受测量环境的影响，测量结果准确。
50.同时，本发明实验装置采用轴向加压装置与支架6相结合，机械设计灵活，既可以水平放置也可以竖直放置，使得该装置既可以用于模拟旋转导向钻井工具在倾斜井段的钻进过程，还可以模拟旋转导向钻井工具在水平井段的钻井过程，有利于全面评价导向翼肋2.3的地层适应性。
51.本发明还提出了一种用于评价静态推靠式旋转导向翼肋地层适应性的实验方法，采用上述用于评价静态推靠式旋转导向翼肋地层适应性的实验装置，具体包括如下步骤：
52.步骤1，将岩心1.2置于岩心固定套1.3内，利用靠山1.4将岩心固定套1.3固定于垫板7上，防止实验过程中岩心固定套1.3发生移动。
53.步骤2，在旋转导向钻井模拟工具2外壳2.1的翼肋安装槽2.2内安装导向翼肋2.3，检查导向翼肋2.3，保证导向翼肋2.3的灵活性，再将周向伺服液压油缸3.1置于旋转导向钻井模拟工具2内，检查周向伺服液压油缸3.1，保证周向伺服液压油缸3.1的灵活性。
54.步骤3，将旋转导向钻井模拟工具2置于岩心1.2内，检查轴向伺服液压油缸4，保证轴向伺服液压油缸4的灵活性，调整轴向伺服液压油缸4的位置，将轴向伺服液压油缸4固定于旋转导向钻井模拟工具2的正上方，使得轴向传感器与旋转导向钻井模拟工具2相接触。
55.步骤4，利用伺服液压控制系统5控制周向伺服液压油缸3.1的液压力值，周向伺服液压油缸3.1向旋转导向钻井模拟工具2的导向翼肋2.3施加周向液压力，使得导向翼肋2.3与岩心1.2内壁相紧贴，模拟导向翼肋2.3的工作状态，并保持周向伺服液压油缸3.1的液压力值恒定。
56.步骤5，利用伺服液压控制系统5控制轴向伺服液压油缸4的液压力值，轴向伺服液压油缸4向旋转导向钻井模拟工具2施加轴向液压力，以恒定速度推动旋转导向钻井模拟工具2沿竖直方向运动，模拟旋转导向钻井工具的钻进过程。
57.步骤6，利用轴向传感器测量旋转导向钻井模拟工具2在竖直方向上的位移及受力值，再利用周向传感器测量旋转导向钻井模拟工具2在水平方向上的位移及受力值，确定导向翼肋2.3的岩心压入深度。
58.步骤7，利用伺服液压控制系统5改变轴向伺服液压油缸4和周向伺服液压油缸3.1的液压力值，重复步骤4至步骤6，得到不同液压力值条件下旋转导向钻井模拟工具2在水平方向和竖直方向上的位移及受力值，确定导向翼肋2.3岩心压入深度随液压力值的变化规律。
59.步骤8，保持轴向伺服液压油缸4和周向伺服液压油缸3.1的液压力值恒定，利用伺服液压控制系统5改变轴向伺服液压油缸4和周向伺服液压油缸3.1的加载速度，重复步骤4至步骤6，得到不同加载速度条件下旋转导向钻井模拟工具2在水平方向和竖直方向上的位移和受力值，确定导向翼肋2.3岩心压入深度随加载速度的变化规律。
60.步骤9，保持轴向伺服液压油缸4和周向伺服液压油缸3.1的液压力值和加载速度恒定，重复步骤4至步骤6，得到不同时间下旋转导向钻井模拟工具2在水平方向和竖直方向上的位移和受力值，确定导向翼肋2.3岩心压入深度随时间的变化规律。
61.采用本发明提出的一种用于评价静态推靠式旋转导向翼肋地层适应性的实验方法，分别对具有不同弹性模量、抗压强度和泊松比的岩心进行测量，重复步骤1至步骤6，确定各模拟钻进过程中旋转导向钻井模拟工具2导向翼肋2.3压入岩心1.2的深度，根据各岩石力学参数条件下导向翼肋2.3对应的岩心压入深度，分别确定岩心弹性模量、抗压强度和泊松比对导向翼肋2.3岩心压入深度的影响。并且，本发明提出的一种用于评价静态推靠式旋转导向翼肋地层适应性的实验方法，还可以通过更换导向翼肋2.3，针对不同类型的导向翼肋2.3进行模拟实验，重复步骤1至步骤6，得到相同地层条件下各类型导向翼肋2.3压入岩心1.2的深度，评价导向翼肋的地层适应性，从而选择更适用于该地层条件的导向翼肋，有利于指导实际旋转导向作业过程中，旋转导向钻井工具导向翼肋的选择。
62.在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
63.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领
域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。