[发明专利]考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置及实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油与地质钻井工程中的岩石破碎实验装置，特别涉及一种考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置及实验方法。

背景技术

随着我国国民经济持续快速增长，能源需求急剧增加，石油天然气资源供需矛盾加剧。2013年我国石油的对外依存度达58.1％，天然气达到31.6％，大大超过国际公认的警戒线，严重威胁到国家能源战略的安全，必须寻找新的资源。天然气作为一种清洁能源，在我国能源消费中所占比例低(2011年仅为4.5％)。2012年中国天然气产量约1000亿方，进口约400亿方。如果要将我国天然气消费比例提高至10％，天然气供需差距将达到2000亿方以上，必须寻找新的天然气资源，页岩气的勘探开发是最现实的选择。我国页岩气分布广泛，资源量丰富，开发潜力巨大。据国际能源署估计，我国14个盆地中的25个页岩构造含有页岩气资源，总资源量约为15～30×10¹²m³，与美国主要盆地和地区的28.3×10¹²m³资源量大致相当，蕴含巨大的经济潜力。

页岩气水平井的多段体积压裂是实现页岩气商业化开采的关键，长水平段对钻柱的水平极限延伸能力以及由此引起的长水平段钻柱的动态振动特性提出更高的要求。钻柱振动引起牙齿与页岩的高频碰撞，极易致使牙齿的加速磨损、碎齿和断齿，直接影响页岩气储层的安全、高效钻井；同时，由于钻头的横向、纵向跳动，极易钻出“葫芦形”的井眼形状，为后期的固井和压裂改造带来一系列难题。

美国页岩气产区主要分布在比较稳定的大地构造单元内，地层呈现较为强烈的横观各向同性。而我国页岩层均经历了强烈的后期改造，地质条件相对复杂，页岩分布不稳定，地层倾斜，页岩呈现较强的各向异性特征。我国页岩气埋藏普遍超过3000米，页岩更加致密。钻井过程中高强度和高研磨性页岩致使其可钻性极差，机械钻速较低，钻井周期长而引起井壁垮塌，单井钻井成本平均比美国高40-50％。这主要是由于各向异性页岩的破碎机理没有掌握、钻头选型不当和不能实现长水平段“一趟钻”完井等造成的。

目前，现有的各向同性砂岩的破岩装置仅能考虑岩石的破碎体积，难以测量钻柱的动态振动对破岩体积、钻压、钻速、进尺和扭矩的影响，而页岩的各向异性易引起钻柱的动态振动又是页岩破碎必须考虑的主要因素之一。

鉴于此，本发明人凭借多年的相关设计和制造经验，采用实验测定钻柱动态振动对破岩体积、钻压、钻速和扭矩的影响，提出一种考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置及实验方法，为页岩气钻井个性化钻头优化设计以及钻井参数优化提供实验装置与方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置及实验方法，通过实验研究页岩的破碎机理以及钻柱动态振动对页岩破岩体积、钻压、钻速和扭矩的影响。

本发明解决此技术问题的技术方案是：一种考虑钻柱动态振动的页岩破碎实验装置，该装置包括一层板1、钻压检测装置、二层板2、平面推力球轴承27、三层板3、夹持装置、扭矩检测装置、位移检测装置、数据采集系统、钻柱14和钻头10；所述一层板1是通过螺栓槽37和螺栓槽38用螺栓将其固定在摇臂钻床的工作台上；所述钻压检测装置是在所述一层板1和所述二层板2之间安装一个或三个悬臂梁压力传感器29，用于测量钻压；所述二层板2与所述三层板3之间通过所述平面推力球轴承27连接；所述夹持装置是在所述三层板3上通过螺栓安装角钢4和角钢26，其中角钢4的侧壁开圆孔，并在圆孔内焊接一个螺母6，螺母6内预先放置一个六角螺栓5，通过所述六角螺栓5旋转推动所述角钢4和角钢26之间的一个活动板7，从而夹紧页岩9；所述扭矩检测装置是在一层板1上通过螺栓连接角钢32，垫片33通过螺栓与所述角钢32连接，在所述垫片33上安装有一个悬臂梁压力传感器30，垫片34通过螺栓连接所述悬臂梁压力传感器30，角钢8通过螺栓连接在三层板3上；位移检测装置由角钢25通过螺栓槽36用螺栓将其连接在摇臂钻床的工作台上，条形钢板19使用螺栓连接在角钢25上，在条形钢板19上螺栓连接角钢18，在角钢18上焊接连接板17，在连接板17上通过螺栓连接安装位移传感器15，位移传感器15的拉杆16螺栓连接塑料圆环11，所述塑料圆环11的内环面通过高强度胶水与滚动轴承12的外圈环面粘接，滚动轴承12的内圈环面通过高强度胶水与“T”形钢管13的外表面粘接，“T”形钢管13的内表面与钻柱14的外表面通过螺钉33固定在一起。