用於油頁巖真三軸水力壓裂模擬實驗試塊的鑽孔製作裝置的製作方法
2024-01-31 11:17:15
本發明涉及油頁巖水力壓裂研究領域，特別涉及一種油頁巖真三軸水力壓裂模擬實驗裝置及實驗方法
背景技術：
進入21世紀以來，各國對石油資源的需求急劇增大，然而隨著各地油田的老化與多年的開採，傳統的油氣資源已經難以滿足經濟發展的需求，油頁巖作為一種新興的接替資源，其開採與利用已成為現今研究與關注的熱點。
現有的油頁巖開採技術大致分為地面乾餾技術與原位開採技術兩種，其中原位開採技術對環境的汙染小，但仍然存在開採成本高，開採周期長等缺點，通過水力壓裂技術人工造縫提高油頁巖滲透性可以有效的改善目前的原位開採技術現狀，水力壓裂技術作為頁巖氣開發的核心技術之一，現已廣泛應用在頁巖氣井的增產作業中。
現有專利文件cn104330310a與cn204128905u中，公開了一種油頁巖水力壓裂模擬實驗系統及實驗樣品的製作方法，該水力壓裂實驗模擬系統是由水力壓裂加壓及數據採集部分和實驗樣品三軸加壓部分組成；能夠利用真實的油頁巖試塊來測試油頁巖在不同地應力情況下以及不同射孔條件下的裂縫起裂壓力及裂縫擴展情況；即可以利用真實的油頁巖試塊進行實驗,還可以利用真三軸施壓實驗臺將三個方向上的應力充分傳遞到油頁巖試塊上,模擬油頁巖在地下埋藏區真實的受力狀況，讓油頁巖試塊受力更具有真實性。試驗所用的樣品試塊為外包裹的油頁巖，通過不同直徑的鑽杆，利用電鑽鑽孔，並將注漿管澆築在水泥中製成，利用固結的水泥模擬油頁巖的上下覆地層，模擬油頁巖真實埋藏情況。
上述電鑽成孔機構雖然能夠完成實驗需求進行注漿實驗，但是其鑽孔過程複雜，在鑽孔過程中每鑽進一定深度就需要中止鑽進，使用吹風機進行排粉，成孔過程複雜。並且在實驗完成後，澆築在試塊中的注漿管周圍會固結大量的水泥塊，難以回收利用。另外，電鑽成孔難以保證鑽進深度和鑽進方向的精確，鑽孔過程會破壞試塊原有的結構，產生一定的實驗誤差。因此，設計能夠鑽進精確深度鑽孔並可循環使用的鑽孔裝置對油頁巖水力壓裂實驗有重要意義。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一套鑽孔裝置，可以降低鑽孔成本，提高鑽孔的精確度與質量。
本發明包括注漿管、左右夾持器、油頁巖鑽杆、內螺紋給壓套管、給壓螺杆、擰管轉盤；
注漿管下方具有鑽頭結構，鑽頭體結構上方為第一外螺紋，第一外螺紋上方有一直徑大於第一外螺紋外徑的定位擋板，注漿管上部配有第一六方接頭，第一六方接頭內有第一內螺紋用於連接注漿泵進行水力壓裂實驗，注漿管內為注漿通道。
左右夾持器上方具有凸出外螺紋，凸出外螺紋能與內螺紋給壓套管第二內螺紋擰合，夾持試塊模具並承擔鑽孔給進時的反力。凸出外螺紋具有螺紋孔和注漿管通口，左右夾持器具有夾持器框架，左右夾持器由螺栓、螺紋孔固定配合成整體。
油頁巖鑽杆為實心結構，油頁巖鑽杆下方有切削出刃用於鑽進油頁巖樣本，油頁巖鑽杆具有第二外螺紋與給壓螺杆第二六方接頭中的第三內螺紋配合。油頁巖鑽杆外徑與注漿管內徑相同，在鑽進過程中封堵注漿管防止水泥進入注漿管，油頁巖鑽杆上部為第三六方接頭。
所述內螺紋給壓套管中空，內螺紋給壓套管內部配有第二內螺紋能與左右夾持器的凸出外螺紋配合，通過在內螺紋給壓套管中擰進給壓螺杆實現鑽孔的給進。另外，該裝置保證了垂直成孔的精度。內螺紋給壓套管具有凸出結構，該凸出結構用於擰管。
所述給壓螺杆中空，給壓螺杆下部開有與注漿管第一六方接頭配合的內六方凹槽，給壓螺杆上部為第三六方接頭，第三六方接頭與擰管卡盤的第二六方凹槽配合。第三六方接頭內部有配合油頁巖鑽杆第二外螺紋的內螺紋，能固定油頁巖鑽杆的位置。給壓螺杆配有第三外螺紋，第三外螺紋配合內螺紋給壓套管，擰進時帶動注漿管給進鑽入水泥。
擰管卡盤具有環形加固結構、擰進卡手、第一六方凹槽和第二六方凹槽。
本發明的試塊鑽進方法，包括如下步驟：
步驟一、用左右夾持器夾持試塊模具並用螺栓擰進螺紋孔固定，在上方凸出外螺紋擰進內螺紋給壓套管；
步驟二、將給壓螺杆、注漿管、油頁巖鑽杆擰合組裝成一個整體，注漿管的第一六方接頭與給壓螺杆的內六方凹槽配合，並利用給壓螺杆中內螺紋確保油頁巖鑽杆的切削出刃表面與注漿管下出刃表面平齊。
步驟二、將該整體擰進內螺紋給壓套管，實驗人員用擰管轉盤的第二六方凹槽配合給壓螺杆的第三六方接頭向下擰進，注漿管下方的鑽頭結構鑽入水泥，通過擠壓水泥成孔，上方的第一外螺紋在鑽進過程中在水泥中攻絲形成與之配合的螺紋，直至注漿管的定位擋板接觸到水泥表面時停止擰進。
步驟三、改換第一六方凹槽擰進油頁巖鑽杆，鑽進確定深度後停止鑽進。
步驟四、待水泥塊7-12天後完全固結，依次按照油頁巖鑽杆、內螺紋給壓套管、給壓螺杆、左右夾持器的順序拆卸裝置，完成階梯式鑽孔。
步驟五、注漿管上第一六方接頭的內第一內螺紋與泵線相連，進行水力壓裂實驗。實驗完成後重新組裝裝置擰出注漿管並清理表面固結的少量水泥以備下次實驗。
本發明的有益效果：
待水泥固結試塊達到較大強度，水泥中掃掠形成的內螺紋與注漿管螺紋相配合可以抵抗水力壓裂實驗時高壓液體產生的力，可以達到傳統實驗中在水泥砂漿內築注漿管的結合強度，保證實驗的需求。注漿管留在試塊中，利用小尺寸鑽杆在油頁巖中鑽進一定深度的裸眼，成階梯式孔，更加真實的模擬了生產作業中的輔助套管和裸眼壓裂。整個鑽孔過程採用人力手工擰進，從成本、精確度方面而言都超越了原本的電鑽鑽進。並且由於注漿管表面噴刷了隔絕材料，可以在實驗後擰出循環使用，大大地降低了實驗成本。
附圖說明
圖1為本發明已配合的左右夾持器的結構示意圖。
圖2為本發明的注漿管結構剖視圖。
圖3為本發明的給壓螺杆的結構剖視圖。
圖4為本發明的油頁巖鑽杆結構示意圖。
圖5為本發明的內螺紋給壓套管結構剖視圖。
圖6為本發明的擰管轉盤結構俯視圖。
圖7為本發明的結構示意圖。
圖中：1—左右夾持器；2—注漿管；3—給壓螺杆；4—油頁巖鑽杆；5—內螺紋給壓套管；6—擰管轉盤；7—液壓閥組合；8—泵裝置；101—夾持器框架；102—凸出外螺紋；103—螺紋孔；104—注漿管通口；201—鑽頭結構；202—注漿通道；203—定位擋板；204—第一六方接頭；205—第一內螺紋；206—第一外螺紋；301—第二六方接頭；302—內螺紋；303—第三外螺紋；304—內六方凹槽；401—第三六方接頭；402—第二外螺紋；403—切削出刃；501—第二內螺紋；502—擰管用凸出結構；601—環形加固結構；602—擰進卡手；603—第一六方凹槽；604—第二六方凹槽。
具體實施方式
如圖1至圖7所示，本發明包括注漿管2、左右夾持器1、油頁巖鑽杆4、內螺紋給壓套管5、給壓螺杆3、擰管轉盤6；
注漿管2下方具有鑽頭結構201，鑽頭體結構201上方為第一外螺紋206，第一外螺紋206上方有一直徑大於第一外螺紋206外徑的定位擋板203，注漿管2上部配有第一六方接頭204，第一六方接頭204內有第一內螺紋205用於連接注漿泵進行水力壓裂實驗，注漿管2內為注漿通道202。
左右夾持器1上方具有凸出外螺紋102，凸出外螺紋102能與內螺紋給壓套管5第二內螺紋501擰合，夾持試塊模具並承擔鑽孔給進時的反力。凸出外螺紋102具有螺紋孔103和注漿管通口104，左右夾持器1具有夾持器框架101，左右夾持器1由螺栓、螺紋孔103固定配合成整體。
油頁巖鑽杆4為實心結構，油頁巖鑽杆4下方有切削出刃403用於鑽進油頁巖樣本，油頁巖鑽杆4具有第二外螺紋402與給壓螺杆3第二六方接頭301中的第三內螺紋302配合。油頁巖鑽杆4外徑與注漿管2內徑相同，在鑽進過程中封堵注漿管2防止水泥進入注漿管2，油頁巖鑽杆4上部為第三六方接頭401。
所述內螺紋給壓套管5中空，內螺紋給壓套管5內部配有第二內螺紋501能與左右夾持器1的凸出外螺紋102配合，通過在內螺紋給壓套管5中擰進給壓螺杆3實現鑽孔的給進。另外，該裝置保證了垂直成孔的精度。內螺紋給壓套管5具有凸出結構502，該凸出結構502用於擰管。
所述給壓螺杆3中空，給壓螺杆3下部開有與注漿管2第一六方接頭204配合的內六方凹槽304，給壓螺杆3上部為第三六方接頭301，第三六方接頭301與擰管卡盤6的第二六方凹槽604配合。第三六方接頭301內部有配合油頁巖鑽杆4第二外螺紋402的內螺紋302，能固定油頁巖鑽杆4的位置。給壓螺杆3配有第三外螺紋303，第三外螺紋303配合內螺紋給壓套管5，擰進時帶動注漿管2給進鑽入水泥。
擰管卡盤6具有環形加固結構601、擰進卡手602、第一六方凹槽603和第二六方凹槽604。
本發明的試塊鑽進方法，包括如下步驟：
步驟一、用左右夾持器1夾持試塊模具並用螺栓擰進螺紋孔103固定，在上方凸出外螺紋102擰進內螺紋給壓套管5；
步驟二、將給壓螺杆3、注漿管2、油頁巖鑽杆4擰合組裝成一個整體，注漿管2的第一六方接頭204與給壓螺杆3的內六方凹槽304配合，並利用給壓螺杆3中內螺紋302確保油頁巖鑽杆4的切削出刃403表面與注漿管2下出刃表面平齊。
步驟二、將該整體擰進內螺紋給壓套管5，實驗人員用擰管轉盤6的第二六方凹槽604配合給壓螺杆3的第三六方接頭301向下擰進，注漿管2下方的鑽頭結構201鑽入水泥，通過擠壓水泥成孔，上方的第一外螺紋206在鑽進過程中在水泥中攻絲形成與之配合的螺紋，直至注漿管2的定位擋板203接觸到水泥表面時停止擰進。
步驟三、改換第一六方凹槽603擰進油頁巖鑽杆4，鑽進確定深度後停止鑽進。
步驟四、待水泥塊7-12天後完全固結，依次按照油頁巖鑽杆4、內螺紋給壓套管5、給壓螺杆3、左右夾持器1的順序拆卸裝置，完成階梯式鑽孔。
步驟五、注漿管2上第一六方接頭204的內第一內螺紋205與泵線相連，進行水力壓裂實驗。實驗完成後重新組裝裝置擰出注漿管2並清理表面固結的少量水泥以備下次實驗。