[发明专利]用于评价深井钻井液的润滑性能的实验装置与实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种油气田勘探与开发领域使用的实验装置，具体涉及一种用于 评价深井钻井液的润滑性能的实验装置与实验方法。

背景技术

目前一般使用的润滑仪并不能同时具备测定钻杆与岩芯表面滤饼之间的滑 动摩擦系数、钻杆与岩芯表面滤饼之间钻井液润滑系数，并且测试条件有限。例 如，经常使用的EP极压润滑仪，只能测定常温常压条件下钻井液与套管之间的 润滑系数，既不能设定高温高压的测试环境，也不能测定钻杆与岩芯表面滤饼之 间的润滑系数，钻杆与岩芯表面滤饼或套管之间滑动摩擦系数的测定则更不能 及；美国Magcobar泥浆公司设计的LEM系列润滑仪是在模拟钻井液动态循环条 件下测定钻井液的润滑系数，并且将最大工作温度提高到150℃，最大工作压力 提高到6.9MPa，但是仍也不具备测定钻杆与岩芯表面滤饼或套管之间的滑动摩擦 系数的功能。滤饼粘附系数测定仪虽然可以在一定条件下测定钻井液在岩芯表面 所形成滤饼的润滑系数，但是该仪器并未建立钻井液的动态循环过程，钻杆在滤 饼表面的滑动与实际现场施工中真实情况有很大出入；其次，该设备不具备测定 钻杆与滤饼或套管之间润滑系数的功能，且最大工作温度不超过150℃，最大工 作压力不超过3.5Mpa，这都限制了测试条件，并影响测试参数的参考价值。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是，提供一种用于评价深井钻井液的润滑性 能的实验装置，该实验装置能用于模拟深井工况，既能测定钻杆与岩芯表面滤饼 之间的滑动摩擦系数，又能测定钻杆与岩芯表面滤饼之间的钻井液的润滑系数。

针对该问题的技术解决方案是，提供一种具有以下结构用于评价深井钻井液 的润滑性能的实验装置，包括：

复合钻进实验系统，其包括旋转驱动机构、钻进驱动机构、钻杆、岩芯、加 热机构和岩芯夹持器，其中，岩芯和加热机构均设在岩芯夹持器内，旋转驱动机 构和钻进驱动机构均用于驱动钻杆；

钻井液供给系统，其为复合钻进实验系统提供动态的高压钻井液；

压力机构，连接在复合钻进实验系统的岩芯上，为钻杆与形成在岩芯表面的 滤饼之间的摩擦钻进提供压力；和

测试与计算单元，用于测试和计算滤饼与钻杆之间的滑动摩擦系数和钻杆与 岩芯表面滤饼之间钻井液的润滑系数。

与现有技术相比，本发明的用于评价深井钻井液的润滑性能的实验装置具有 以下优点。加热机构和钻井液供给系统一起能够模拟深井钻井中的高温高压环 境。且通过复合钻进实验系统可以模拟钻杆的滑动钻进和旋转钻进的复合钻进过 程，通过测试与计算单元可以实现对钻杆与岩芯之间的滑动摩擦系数以及钻杆与 岩芯之间的钻井液润滑系数的同时测定。因此，既能测定钻杆与岩芯表面滤饼之 间的滑动摩擦系数，又能测定钻杆与岩芯表面滤饼之间的钻井液的润滑系数。另 外，该实验装置将滑动钻进和旋转钻进进行了整合，减少了配置，与实际工况更 接近。

在一个实施例中，所述钻杆的两端分别连接有夹持器保护套筒，两端的夹持 器保护套筒与岩芯夹持器固定连接，夹持器保护套筒与钻杆动密封连接。此处设 置的夹持器保护套筒对钻杆起到了支撑作用，保证钻杆的顺利钻进。另外，夹持 器保护套筒与钻杆动密封连接能起到防止钻井液泄漏的作用。

在一个实施例中，所述压力机构包括活塞缸和为活塞缸提供压力的机械助力 泵，其中，机械助力泵与活塞缸的无杆腔端连接，活塞缸的活塞杆穿过岩芯夹持 器抵接岩芯为钻杆与形成在岩芯表面的滤饼之间的摩擦钻进提供压力。通过调节 机械助力泵能调整活塞缸对岩芯的作用力，从而调整钻杆与形成在岩芯表面的滤 饼之间的贴靠力或压力的大小。

在一个优选的实施例中，所述旋转驱动机构包括旋转电机，所述钻进驱动机 构包括钻进电机。优选地，在旋转电机与钻杆之间连接有扭矩传感器，在步进电 机与钻杆之间设有推力传感器。旋转电机和钻进电机对钻杆进行驱动，从而模拟 钻杆的复合钻进。

在一个优选的实施例中，所述加热机构包括电加热套和用于调节电加热套的 加热温度的控温仪。通过控温仪能够调整电加热套的加热温度，从而方便控制复 合钻进实验系统内的温度。

在一个实施例中，所述钻井液供给系统包括进液通道和回液通道。钻井液从 进液通道进入复合钻进实验系统，然后从回液通道流出。因此，能保证复合钻进 实验系统内有动态的钻井液。