[发明专利]一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置及实验方法

权利要求书

1.一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置，其特征在于，包括滑轮轨道(17)，在滑轮轨道(17)上设置有透明可视化的模拟井筒(8)，所述模拟井筒(8)的一端下方设有滑轮(16)，另一端下方固定连接有液压缸(38)，在连接液压缸(38)的一端还安装有钻杆(5)，钻杆(5)的一端伸入模拟井筒(8)内，另一端连接有步进驱动机构(1)和旋转驱动机构(4)，在钻杆(5)上还设有推力传感器(2)和扭矩传感器(3)；

在模拟井筒(8)的上方设有岩屑送料口(9)，该岩屑送料口(9)通过进液管线(18)连接至泥浆槽(24)，在进液管线(18)上顺序设有高压泵(23)、流量计B(22)、压力传感器(19)；

在模拟井筒(8)的下端连接有通向泥浆槽(24)的回液管线(26)，在回液管线(26)上顺序设有降温降压机构(29)、流量计A、输送泵(28)；

在模拟井筒(8)外壁上设置有用于检测岩屑床厚度和平整性的超声波探头(6)，在模拟井筒(8)上靠近滑轮(16)的一端固定连接有岩心夹持器(13)，在岩心夹持器(13)上部设置加热机构，岩心夹持器(13)下部设置岩心(11)，岩心(11)下侧设有压力机构；在模拟井筒(8)下壁内侧还设有岩屑起降台(7)，岩屑起降台(7)连接至岩屑床控制中心(20)。

2.如权利要求1所述的一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置，其特征在于，所述液压缸(38)的动力来源于液压泵，液压泵由泵体(36)、柱塞(35)、操作手柄(37)构成，油箱(33)分别与液压缸(38)和液压泵通过油管相连，在油箱(33)与液压泵之间以及液压泵与液压缸之间设置有单向阀(34)，在油箱与液压缸之间设置有截止阀(32)。

3.如权利要求2所述的一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置，其特征在于，在模拟井筒(8)与钻杆(5)连接处设有橡胶圈进行密封处理。

4.如权利要求3所述的一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置，其特征在于，所述加热机构包括电加热套(10)和控温仪(15)，控温仪(15)分别与电加热套(10)和温度传感器(16)相连，通过控温仪能够调节电加热套的加热温度，从而控制模拟井筒内的温度，模拟深井钻井中的高温环境。

5.如权利要求4所述的一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置，其特征在于，模拟井筒(8)能够无级调节井斜角大小，调节角度为0°～90°。

6.如权利要求5所述的一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置，其特征在于，所述压力机构包括活塞缸(12)和为活塞缸提供压力的机械助力泵(21)，其中机械助力泵(21)与活塞缸(12)的无杆腔端连接，活塞缸的活塞杆穿过岩心夹持器(13)与岩心(11)抵接，为钻杆和形成在岩心表面的滤饼之间的摩擦钻进提供压力。

7.如权利要求6所述的一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置，其特征在于，泥浆槽(24)上方设置带有滤网的岩屑回收槽(27)，泥浆槽中设有搅拌器(25)。

8.如权利要求7所述的一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置，其特征在于，在模拟井筒(8)上还设有用于检测模拟井筒两端压差的压差变送器(30)，其中，压差变送器(30)两端接头穿过模拟井筒连接至井筒内壁，测定井筒两端压力差值；所述压差变送器(30)与压力传感器(19)、超声波探头(6)、流量计A、流量计B(22)、推力传感器(2)、扭矩传感器(3)、温度传感器(14)、控温仪(15)，均通过数据线连接至计算显示单元(31)，用于显示各项检测数据和计算钻杆与滤饼之间的滑动摩擦系数。

9.采用权利要求8所述的一种考虑岩屑床的水平井钻井润滑性实验装置进行实验的方法，包括以下步骤

(一)从岩屑送料口(9)加入岩屑，通入高压钻井液，岩屑被下方流经的高压钻井液携带至模拟井筒内，并在重力作用下堆积在模拟井筒下方的岩屑起降台(7)上形成岩屑床；

(二)调节高压泵和加热机构参数，使温度压力达到预定数值；

(三)待模拟井筒内岩屑堆积的厚度和平整度达到预定数值，且钻井液在岩心的表面上形成一定厚度的泥饼后，通过液压升降装置调节井斜角，再改变步进驱动机构和旋转驱动机构的功率改变钻进速度，模拟复合钻进；在循环模拟钻进过程中，扭矩传感器、推力传感器、压力传感器、温度传感器、流量计、超声波探头、压差变送器将测量的信号传递至计算显示单元(31)，计算获得钻杆与钻井液、岩屑床以及岩心的滑动摩擦系数；

(四)打开模拟井筒(8)下方回液管线(26)阀门，钻井液携带岩屑流经降温降压机构(29)和流量计，通过输送泵输送至岩屑回收槽和泥浆回收槽，岩屑被过滤网阻隔在上方岩屑回收槽中，钻井液流入下方泥浆回收槽，岩屑和钻井液经处理后再次进入模拟井筒内，保证模拟井筒内有动态循环的钻井液。