地层模拟装置、钻进试验系统及钻进试验方法与流程

本发明涉及石油钻井的待测工具测试，具体涉及一种地层模拟装置、实钻试验装置及钻进试验方法。

背景技术：

1、由于钻井时井下环境复杂，受到温度、压力及振动等多方面因素影响，待测工具的可靠性要求较高。新研发的待测工具在入井测试时往往出现功能失效、结构失效甚至断裂等复杂情况，导致试验井产生巨大损失，严重时甚至导致井眼报废。为了解决新工具入井风险大的问题，需要设计可模拟井下复杂环境的实验装置。

2、中国专利(cn110529098a)公开了一种近水平定向钻进实钻模拟与钻进参数测试装置及方法，包括模拟地质体，钻进驱动系统，钻井泵，固控系统，管汇系统和监测控制系统六部分。通过水平放置的混凝土圆柱模拟实钻地质体，该试验台可为定向钻进工艺开发、仪器测试、近水平定向钻进基础研究提供场地和平台。主要存在的问题是采用混凝土圆柱模拟地层，只能进极短行距离的钻进，当钻头钻进进尺较长时，钻头容易穿出混凝土块，且存在钻井液泄露等环境污染等风险。

3、中国专利(cn101806214b)公开了一种超深井钻进模拟实验装置，主要由钻进系统、高压釜系统、岩样加热与加压系统、检测系统和数据采集系统组成，岩样放置在实验台上，电阻丝对岩样进行加热，岩样夹持加压机构对岩样进行加压，钻进系统对岩样进行钻进，实际上只是提供了一块模拟井下温度压力的岩样，无法模拟实际钻井工况。

4、现有技术(全尺寸钻井井底压力模拟装置，浙江大学硕士论文，2004年10月)中公开了我国第一台模拟井深6000m压力环境的全尺寸钻井模拟试验装置。借助原有的井架、平台等设备，研究设计了模拟6000m井底压力坏境的高压模拟井筒、钻柱高压转联器、钻井液高压模拟系统以及高压除砂器等机械装置，对相关领域的理论、工艺、技术的发展具有积极推动作用和应用价值，但仅仅是对井深压力的模拟，无法实现长距离、长时间的实际钻进过程的模拟。

5、现有技术(zm－35型钻井模拟试验装置的研制，中国石油勘探开发研究院科技成果，2000年10月)公开了国内首台能模拟地层环境的室内钻井实验装置，它由模拟主机、液压系统和电气系统三大部分组成，试验结果可用来改进破岩工具设计和指导实际生产，达到提高钻进速度、降低钻井成本的目的，但没有形成实际钻进进尺的能力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种地层模拟装置，解决现有技术难以模拟出钻进进尺较长的实际钻井工况的技术问题。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：一种地层模拟装置，包括由套管串联而成的套管串，套管串一端作为混凝土的泵入端，另一端作为钻头的钻进端；套管外壁通过套管固定器固定在支架上；套管上设有插入套管内的插销，插销的抗剪强度小于钻头的抗剪强度。

3、进一步的，所述套管固定器包括套环与高度调节机构，套环固定套接在套管上，高度调节机构的上端用于限制套环转动、高度调节机构的下两端与支架顶部固定连接。

4、进一步的，所述高度调节机构为螺栓，套管固定器下部开豁口，螺栓入豁口内；支架顶部设有螺纹孔，通过调节螺栓旋出螺纹孔的长度来调节对套管的支撑高度。

5、进一步的，所述插销为铝棒。

6、本发明还提供一种钻进试验系统，包括本发明所提供的地层模拟装置，还包括钻井液循环装置、钻进动力模拟装置与钻柱；钻柱用于连接钻头以及待测工具；钻进动力模拟装置用于为钻柱提供旋转动力与推进动力；钻井液循环装置用于将钻井液送入地层模拟装置中，并回收钻进过程中产生的固相物质。

7、进一步的，所述钻井液循环装置包括钻井液储藏罐，钻井液储液罐通过吸入管线与液泵连接，液泵通过高压软管线与钻柱的进液口连接，从而通过钻柱内部将钻进液输送至钻头；套管串的钻进端连接有返回接头，返回接头通过返回管线连接钻井液固控装置，钻井液固控装置用于过滤随钻井液返回的固相物质，并将过滤掉固相物质的钻井液送回钻井液储藏罐中。

8、进一步的，钻井液固控装置设置在钻井液储藏罐上方，钻井液固控装置底部的出液口与钻井液储藏罐顶面的进液口之间通过滤网连通。

9、进一步的，所述钻进动力模拟装置包括液压缸与齿轮传动系统，齿轮传动系统包括主动轮与从动轮，钻柱与从动轮的轴孔传动连接，钻柱外伸出从动轮的轴孔的一端通过推力轴承与液压缸的活塞杆连接，使得活塞杆能够带动钻柱往复运动而不随钻柱旋转。

10、进一步的，所述钻柱由钻杆串联而成，钻杆两端分别设有公扣管螺纹与母扣管螺纹，使得相邻钻杆之间通过公扣管螺纹与母扣管螺纹结构密封连接。

11、本发明还提供一种钻进试验方法，采用本发明所提供的钻进试验系统，包括以下步骤：

12、将支架固定在地面上，使得地层模拟装置附着在地面上；

13、从泵入端泵入混凝土至套管串内并候凝至设计强度，从而形成模拟地层；

14、将待测工具与钻头安装到钻柱上；

15、启动钻井液循环装置与钻进动力模拟装置，在钻进动力模拟装置的驱动下，钻头从钻进端开始不断深入套管内的模拟地层中，同时钻井液循环装置回收钻进过程中产生的固相物质，从而模拟出实际钻井工况。

16、进一步的，在泵入混凝土之前，调整各个高度调节机构对相应套管的支撑高度，从而调整套管串的曲率，实现对井眼曲率的模拟。

17、进一步的，当钻头钻出套管串的泵入端后，视为完成一次钻进；每完成一次钻进，就重新泵入混凝土并候凝至设计强度，再次从钻进端开始钻进，直到完成总钻进次数，总钻进次数根据待测工具所需的测试时长设置。

18、进一步的，钻柱的进液口上设有水阀；当钻进动力模拟装置推动钻柱运动到达推进行程极限，而钻头还未钻出套管串的泵入端时，暂停钻进，关闭水阀，后退钻柱，接入新的钻杆以延长钻柱长度后，再继续钻进。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、1、本发明通过套管串来提供较长的地层模拟长度，套管内灌注不同强度的混凝土就能模拟出不同的地层强度，套管外壁通过套管固定器固定在支架上保证了模拟地层的外部稳定性。通过插销能够将混凝土与套管连接为一体，避免钻头钻进过程产生的扭矩导致混凝土与套管发生分离，保证了模拟地层的内部稳定性；同时插销的抗剪强度小于钻头的抗剪强度，钻头可以顺利钻过插销，使得插销不会对钻进过程产生妨碍作用。综合地层模拟长度、地层模拟强度与模拟地层的稳定性，本发明能够模拟出钻进进尺较长的实际钻井工况。

21、2、本发明通过高度调节支架来调整对套管的支撑高度，使套管串呈现高低起伏的状态，从而模拟出井眼曲率，满足定向类工具进行钻进试验所需的钻井工况。

22、3、采用螺栓作为高度调节机构，结构简单，成本低廉，调节方便。钻头大多采用钢材制成，采用铝棒作为插销，适用于大多数情况。

23、4、待测工具在正式投入生产井应用前，需要进行钻进实验以测试待测工具的性能，并及时发现待测工具存在的问题，本发明的钻进试验系统能够为模拟实际钻进施工过程提供完备的试验条件，如提供钻井液、提供模拟地层。

24、5、钻柱由钻杆串联而成，可通过接入更多数量的钻杆来延长钻柱长度，匹配较长的钻进尺寸。同时，还能配合钻进动力模拟装置以较短的行程极限，完成较短短的钻进尺寸，有利于缩短钻进试验系统的整体尺寸。

25、6、本发明通过重复泵入混凝土，可反复进行钻进试验，从而能测试待测工具在长时间工作下的性能，还可测试待测工具的寿命。