旋转导向钻井深部模拟试验系统及方法

1.本发明属于深部钻探技术领域，具体涉及一种旋转导向钻井深部模拟试验系统及方法。


背景技术：

2.旋转导向钻井系统可有效提高钻井速度、钻井安全性和井眼轨迹控制精度，是高效完成定向井和水平井的国之利器，也是提高常规和非常规复杂油气藏勘探开发效率的关键技术。因此，旋转导向系统及相关技术的研发，对石油工业的发展具有重要意义；然而地下数千米的钻井深不可见，在室内实验室进行智能导向钻井的模拟试验，是验证其可靠性的重要方法。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的试验装置无法获取可靠的深部钻井弯曲路径开采数据的问题，本发明提供了一种旋转导向钻井深部模拟试验系统及方法。
4.本发明的第一方面公开了一种旋转导向钻井深部模拟试验系统，该系统包括总控中心、地应力加载组件和钻进系统组件，所述地应力加载组件、所述钻进系统组件均与所述总控中心信号连接；所述地应力加载组件包括多个围压加载单元，多个所述围压加载单元依次连接设置并且多个所述围压加载单元构成预设曲线段；多个所述围压加载单元用于对其内设置的样品组件提供围压。
5.所述样品组件的周侧设置有与所述围压加载单元匹配的加载垫块。
6.所述钻进系统组件包括旋转导向钻杆组件和旋转驱动组件，所述旋转导向钻杆组件用于在预设曲线段的样品路径内钻进，所述旋转驱动组件用于为所述旋转导向钻杆组件提供旋转力和推力。
7.在一些优选实施例中，所述围压加载单元包括反力框架组件和加载油缸组件，所述反力框架组件设置于所述加载垫块的外侧。
8.所述加载油缸组件装设于所述反力框架组件，用于对样品提供预设加载力。
9.在一些优选实施例中，所述反力框架组件包括第一侧部框架、第二侧部框架、第三侧部框架和第四侧部框架，所述第一侧部框架与所述第三侧部框架相对设置；所述第二侧部框架与所述第四侧部框架相对设置。
10.所述第一侧部框架、所述第二侧部框架、所述第三侧部框架、所述第四侧部框架均开设有油缸安装孔。
11.所述加载油缸组件为四个，四个所述加载油缸组件分别装设于所述第一侧部框架、所述第二侧部框架、所述第三侧部框架、所述第四侧部框架。
12.所述加载油缸组件包括油缸底座、油缸缸体、油缸端盖和油缸活塞，所述油缸活塞的一端设置于所述油缸缸体内部；所述油缸底座设置于所述油缸缸体的外侧；所述油缸端
盖设置于所述油缸缸体远离所述油缸底座的一侧。
13.所述油缸油塞的自由端贯穿对应的油缸安装孔悬伸至与加载垫块抵触。
14.在一些优选实施例中，所述第三侧部框架为底部框架。
15.所述底部框架的底部还设置有支撑部；所述底部框架的底部到地面的距离大于底部设置的所述加载油缸组件的底部到地面的距离。
16.所述支撑部上还开设有下连接孔，用于固定相邻的两个所述反力框架组件。
17.在一些优选实施例中，所述第一侧部框架、所述第二侧部框架、所述第三侧部框架、所述第四侧部框架与所述支撑部一体成型设置。
18.在一些优选实施例中，所述旋转导向钻杆组件包括钻头、导向机构组件和钻杆，所述导向机构组件设置于所述钻头与所述钻杆之间。
19.所述导向机构组件包括旋转内筒、可伸缩翼肋、外筒、智能导钻系统和压块；所述旋转内筒的一端开设有钻头连接孔，另一端开设有钻杆连接孔。
20.所述可伸缩翼肋、所述智能导钻系统均装设于所述外筒的外侧，且所述可伸缩翼肋与所述智能导钻系统互不干涉。
21.所述外筒套设于所述旋转内筒的外侧，所述外筒通过轴承组件与所述旋转内筒连接。
22.在钻进的过程中，所述智能导钻系统自动控制所述可伸缩翼肋的伸缩高度，控制所述钻头按预设曲线段的路径钻进。
23.在一些优选实施例中，所述旋转驱动组件包含底板、钻杆支撑架、控制台和动力组件；所述钻杆支撑架、所述控制台均装设于所述底板；所述钻杆支撑架为多个，多个所述钻杆支撑架沿所述钻杆的纵向轴线依次设置，以承载所述旋转导向钻杆组件。
24.所述动力组件装设于所述控制台；所述动力组件包括旋转伺服电机、电机支架、电机底板、导轨、滑块、螺杆丝杠、推力伺服电机和动力组件底板。
25.所述旋转伺服电机装设于所述电机支架；所述电机支架固定于所述电机底板。
26.所述滑块固设于所述电机底板的底部，并且所述滑块与所述导轨可相对滑动设置；所述导轨、所述螺杆丝杠和所述推力伺服电机均固设于所述动力组件底板。
27.所述旋转伺服电机与所述钻杆的尾端连接，以为所述钻杆提供旋转力；所述推力伺服电机与所述螺杆丝杠连接；所述推力伺服电机用于带动所述螺杆丝杠做直线运动，以为所述钻杆提供推力。
28.在一些优选实施例中，多个所述钻杆支撑架等间距设置。
29.在一些优选实施例中，所述加载垫块的纵向轴线与预设曲线段一致设置。
30.本发明的第二方面公开了一种旋转导向钻井深部模拟试验方法，该方法基于上面所述的旋转导向钻井深部模拟试验系统，具体包括以下步骤：步骤s100，根据钻杆预设曲线段的钻进路径，设置围压加载单元的角度及数量。
31.步骤s200，将样品组件安装到多个围压加载单元的内部，并且多个围压加载单元固定连接。
32.步骤s300，总控中心控制多个围压加载单元进行围压施加，以模拟地应力。
33.步骤s400，控制旋转驱动组件推动钻杆向前钻进，同时启动智能导钻系统控制其全自动导向，以进行深部钻井模拟试验。
34.本发明的有益效果为：1）本发明提供的旋转导向钻井深部模拟试验系统及方法，通过构成预设曲线段的多个围压加载单元的设置，可模拟不同钻井的开采试验，获得直观的不同地应力对应下的弯曲路径模拟下的钻探效果，以及不同设置参数对深部钻井开采工程影响的试验数据，为实际开采提供可靠参数以及开采指导。
35.2）本发明中的地应力加载组件为加载油缸，不需要额外的液压伺服动力源，加载方式简单，成本大大降低。
36.3）本发明中的样品组件可根据不同区域的地质条件灵活更换，对应获得直观的开采效果，可为不同地域的深部钻井开采提供可靠的试验参考、指导数据。
附图说明
37.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
38.图1是本发明中的旋转导向钻井深部模拟试验系统的一种实施例的立体结构示意图。
39.图2是图1中的地应力加载组件的一种具体实施例的结构示意图。
40.图3是图2中的围压加载单元的一种具体实施例的结构示意图。
41.图4是图3的剖视示意图。
42.图5是图3中的反力框架组件的结构示意图。
43.图6是图1中的钻进系统组件的一种具体实施例的结构示意图。
44.图7是图6中的旋转导向钻杆组件的结构示意图。
45.图8是图7中的导向机构组件的剖视示意图。
46.图9是图6中的旋转驱动组件的一种具体实施例的结构示意图。
47.图10是图9中的动力组件的结构示意图。
48.附图标记说明：10、地应力加载组件；20、钻进系统组件；100、围压加载单元；110、反力框架组件，111、第一侧部框架，1110、上连接孔，112、第二侧部框架,113、第三侧部框架，114、第四侧部框架；115、支撑部，1151、下连接孔；120、加载油缸组件，121、油缸底座，122、油缸缸体，123、油缸活塞，124、油缸端盖；130、样品组件；210、旋转导向钻杆组件；211、钻头；212、导向机构组件；2121、旋转内筒，2122、可伸缩翼肋，2123、外筒，2124、钻头连接孔，2125、钻杆连接孔；213、钻杆；220、旋转驱动组件；221、底板，222、钻杆支撑架，223、控制台，224、动力组件，2241、旋转伺服电机，2242、电机支架，2243、电机底板，2244、导轨，2245、滑块，2246、螺杆丝杠，2247、推力伺服电机，2248、动力组件底板。
具体实施方式
49.下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
50.以下参照附图结合实施例进一步说明本发明。
51.参照附图1至附图10，本发明的第一方面公开了一种旋转导向钻井深部模拟试验系统，该系统包括总控中心、地应力加载组件10和钻进系统组件20，地应力加载组件、钻进系统组件均与总控中心信号连接；地应力加载组件包括多个不同角度设置的围压加载单元
100，多个围压加载单元依次固定连接设置并且多个围压加载单元构成预设曲线段，通过组成的弯曲样品路径，以便钻杆旋转导向测试试验；多个围压加载单元用于对其内设置的样品组件130提供围压；样品组件的周侧设置有与围压加载单元匹配的加载垫块。
52.在本实施例中，多个围压加载单元构成预设圆心角、预设半径的圆弧段；设置在样品组件上侧、下侧、左侧、右侧的加载垫块均为对应的圆弧形，保证与样品组件的完全贴合。
53.其中，钻进系统组件包括旋转导向钻杆组件210和旋转驱动组件220，旋转导向钻杆组件用于在预设曲线段的样品路径内钻进，旋转驱动组件用于为旋转导向钻杆组件提供旋转力和推力；总控中心用于存储预设参数以及对应参数控制下对应的钻孔效果。
54.其中，围压加载单元包括反力框架组件110和加载油缸组件120，反力框架组件设置于加载垫块的外侧。
55.加载油缸组件装设于反力框架组件，用于对样品提供预设加载力。
56.在一些优选实施例中，反力框架组件包括第一侧部框架111、第二侧部框架112、第三侧部框架113和第四侧部框架114，第一侧部框架与第三侧部框架相对设置；第二侧部框架与第四侧部框架相对设置。
57.第一侧部框架、第二侧部框架、第三侧部框架、第四侧部框架均开设有油缸安装孔。
58.加载油缸组件为四个，四个加载油缸组件分别装设于第一侧部框架、第二侧部框架、第三侧部框架、第四侧部框架。
59.加载油缸组件包括油缸底座121、油缸缸体122、油缸端盖124和油缸活塞123，油缸活塞的一端设置于油缸缸体内部；油缸底座设置于油缸缸体的外侧；油缸端盖设置于油缸缸体远离油缸底座的一侧。
60.油缸油塞的自由端贯穿对应的油缸安装孔悬伸至与加载垫块抵触。
61.在本实施例中，第三侧部框架为底部框架；底部框架的底部还设置有支撑部115；底部框架的底部到地面的距离大于底部设置的加载油缸组件的底部到地面的距离。
62.支撑部上还开设有下连接孔1151，第一侧部框架的顶部设置有上连接孔1110，用于固定相邻的两个反力框架组件。
63.优选地，第一侧部框架、第二侧部框架、第三侧部框架、第四侧部框架与支撑部一体成型设置。
64.具体地，旋转导向钻杆组件包括钻头211、导向机构组件212和钻杆213，导向机构组件设置于钻头与钻杆之间；导向机构组件包括旋转内筒2121、可伸缩翼肋2122、外筒2123、智能导钻系统和压块；旋转内筒的一端开设有钻头连接孔2124，另一端开设有钻杆连接孔2125。可伸缩翼肋、智能导钻系统均装设于外筒的外侧，且可伸缩翼肋与智能导钻系统互不干涉。外筒套设于旋转内筒的外侧，外筒通过轴承组件与旋转内筒连接；在钻进的过程中，智能导钻系统自动控制可伸缩翼肋的伸缩高度，控制钻头按预设曲线段的路径钻进。
65.在本实施例中，外筒为非旋转的。
66.进一步地，旋转驱动组件包含底板221、钻杆支撑架222、控制台223和动力组件224；钻杆支撑架、控制台均装设于底板；钻杆支撑架为多个，多个钻杆支撑架沿钻杆的纵向轴线依次设置，以承载旋转导向钻杆组件。
67.动力组件装设于控制台；动力组件包括旋转伺服电机2241、电机支架2242、电机底
板2243、导轨2244、滑块2245、螺杆丝杠2246、推力伺服电机2247和动力组件底板2248；旋转伺服电机装设于电机支架；电机支架固定于电机底板。
68.滑块固设于电机底板的底部，并且滑块与导轨可相对滑动设置；导轨、螺杆丝杠和推力伺服电机均固设于动力组件底板。
69.旋转伺服电机与钻杆的尾端连接，以为钻杆提供旋转力；推力伺服电机与螺杆丝杠连接；推力伺服电机用于带动螺杆丝杠做直线运动，以为钻杆提供推力。
70.优选地，多个钻杆支撑架等间距设置。
71.优选地，加载垫块的纵向轴线与预设曲线段一致设置。
72.本发明的第二方面公开了一种旋转导向钻井深部模拟试验方法，该方法基于上面所述的旋转导向钻井深部模拟试验系统，具体包括以下步骤：步骤s100，根据钻杆预设曲线段的钻进路径，设置围压加载单元的角度及数量；通过本发明公开的方案可模拟不同钻井的开采试验，获得直观的不同地应力对应下的弯曲路径模拟下的钻探效果，以及不同设置参数对深部钻井开采工程影响的试验数据，为实际开采提供可靠参数以及开采指导；步骤s200，将样品组件安装到多个围压加载单元的内部，并且多个围压加载单元固定连接。
73.步骤s300，总控中心控制多个围压加载单元进行围压施加，以模拟地应力。
74.步骤s400，控制旋转驱动组件推动钻杆向前钻进，同时启动智能导钻系统控制其全自动导向，以进行深部钻井模拟试验。
75.进一步地，当旋转导向钻杆组件钻进长度达到一个钻杆的长度时，需要更换钻杆，更换钻杆流程如下：1）将旋转伺服电机和钻杆尾端脱开；2）控制推力伺服电机使旋转伺服电机后退，预留出更换加长钻杆的长度；3）安装加长钻杆，加长钻杆首端与之前的钻杆尾端连接，加长钻杆尾端与旋转伺服电机连接；4）更换完毕；5）更换钻杆后继续钻进，直到试验完成。
76.本发明公开的旋转导向钻井深部模拟试验系统及方法可根据预设路径组合各种角度和数量的围压加载单元，设计出不同的钻进路径，以便验证智能导钻的可靠性，获取可靠的试验数据。
77.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
78.在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
79.此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在
本发明中的具体含义。
80.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
81.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。