煤層氣直井鉆進過程煤粉產出測試裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于煤層氣井產出測試技術領域，尤其涉及一種煤層氣直井鉆進過程煤粉產出測試裝置。
【背景技術】
[0002]煤層氣作為一種新型清潔能源，受到了人們廣泛的關注，國內紛紛投入煤層氣資源勘探開發中。煤層氣主要賦存在煤層中，為了開發埋藏在地下的煤層氣，地面鉆井是其主要的開發方式。我國煤層在形成后，大多遭受了多期構造運動作用，煤層松軟，鉆井過程中易產生煤粉，這些產出的煤粉可能堵塞煤儲層裂隙通道，使煤儲層的導流能力顯著降低，進而影響了煤層氣井的產氣量。
[0003]煤儲層主要屬性參數(主要包括煤層厚度、巖石力學性質、煤層段力學性質差異組合等)、鉆井參數(主要包括鉆井液密度、鉆壓、轉速、鉆頭直徑等)等差異，造成鉆井過程中煤粉產出量及粒徑的不同，進而造成對儲層導流能力傷害的差異。為了研究煤層氣直井鉆進過程這些參數對煤粉產出量的影響，一些研究者進行了理論推導及簡單的模擬試驗，由于測試裝置簡單，導致測試時無法進行鉆進過程中煤粉的提取，無法較準確的測試煤層受力情況，更不能有效分離煤粉、巖肩與泥漿，更無法測試煤粉產出量和煤粉粒度分布特征，導致研究成果在指導現場施工時存在較大偏差。
【發明內容】
[0004]本發明為了解決現有技術中的不足之處，提供了一種煤層氣直井鉆進過程煤粉產出測試裝置，該測試系統能對不同儲層屬性參數、不同鉆井參數下煤粉產出量及粒徑的分布進行較準確測試，為優化鉆井工藝參數，減少鉆井過程中煤粉產出和井徑擴大率提供理論依據。
[0005]為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案:煤層氣直井鉆進過程煤粉產出測試裝置，包括地層壓力模擬系統1、鉆井模擬系統2、鉆井液循環系統3和煤粉產出測控系統4 ;
地層壓力模擬系統1包括伺服液壓油源5、軸壓模擬裝置和圍壓模擬裝置；
軸壓模擬裝置包括軸壓伺服油箱6、軸壓增壓器7、軸壓伺服控制器8、軸壓充液控制閥9和軸壓充液油箱10 ;軸壓伺服油箱6通過軸壓主油管11與伺服液壓油源5連接，軸壓伺服油箱6通過第一軸壓增壓油管12與軸壓增壓器7連接，軸壓增壓器7通過第二軸壓增壓油管13與軸壓充液控制閥9連接，軸壓充液控制閥9通過第三軸壓增壓油管14與軸壓充液油箱10連接；第一軸壓增壓油管12上沿軸壓伺服油箱6到軸壓增壓器7方向依次設有第一軸壓過濾器15、軸壓油栗電機組16、第二軸壓過濾器17、軸壓蓄能器18和軸壓伺服閥19，第一軸壓增壓油管12上在軸壓油栗電機組16和第二軸壓過濾器17之間連接有軸壓溢流管20，軸壓溢流管20的一端伸入到軸壓伺服油箱6內，軸壓溢流管20沿油液流向依次設有軸壓壓力表21、軸壓溢流閥22和軸壓冷卻器23 ;第三軸壓增壓油管14上沿軸壓充液油箱10到軸壓增壓器7方向依次設有軸壓充液過濾器24和軸壓充液油栗電機組25，第三軸壓增壓油管14上在軸壓充液油栗電機組25和軸壓充液控制閥9之間連接有軸壓充液溢流管26，軸壓充液溢流管26上沿油液流向依次設有軸壓充液壓力表27、軸壓充液溢流閥28和軸壓充液冷卻器29 ;
圍壓模擬裝置包括圍壓伺服油箱30、圍壓增壓器31、圍壓伺服控制器32、圍壓充液油箱33和圍壓充液控制閥36 ;圍壓伺服油箱30通過圍壓主油管34與伺服液壓油源5連接，圍壓伺服油箱30通過第一圍壓增壓油管35與圍壓增壓器31連接，圍壓增壓器31通過第二圍壓增壓油管37與圍壓充液控制閥36連接，圍壓充液控制閥36通過第三圍壓增壓油管38與圍壓充液油箱33連接；第一圍壓增壓油管35上沿圍壓伺服油箱30到圍壓增壓器31方向依次設有第一圍壓過濾器39、圍壓油栗電機組40、第二圍壓過濾器41、圍壓蓄能器42和圍壓伺服閥43，第一圍壓增壓油管35上在圍壓油栗電機組40和第二圍壓過濾器41之間連接有圍壓溢流管44，圍壓溢流管44的一端伸入到圍壓伺服油箱30內，圍壓溢流管44沿油液流向依次設有圍壓壓力表45、圍壓溢流閥46和圍壓冷卻器47 ;第三圍壓增壓油管38上沿圍壓充液油箱33到圍壓增壓器31方向依次設有圍壓充液過濾器48和圍壓充液油栗電機組49，第三圍壓增壓油管38上在圍壓充液油栗電機組49和圍壓充液控制閥36之間連接有圍壓充液溢流管50，圍壓充液溢流管50上沿油液流向依次設有圍壓充液壓力表51、圍壓充液溢流閥52和圍壓充液冷卻器53 ;
鉆井模擬系統2包括框架58和上下兩端均敞口的圓筒體54，框架58內底部設有底座56，圓筒體54下端通過卡箍55與底座56可拆卸密封連接，圓筒體54上端設有圓環頂蓋57，圓筒體54內設有將圓筒體54內部分隔為導向腔59和試驗腔60的圓環隔板61，圓筒體54、圓環頂蓋57和圓環隔板61的中心線重合，圓環頂蓋57和圓環隔板61的內孔滑動密封連接有軸向壓軸62，框架58上部設有缸體63，軸向壓軸62上部外側設有與缸體63內壁滑動密封配合的活塞柱64 ;框架58頂部上下滑動設有活動架65，活動架上設有驅動電機66，軸向壓軸62內沿中心線方向設有導向孔72，導向孔72內同軸向設有鉆桿67，鉆桿67外徑小于導向孔72內徑，軸向壓軸62頂部設有與鉆桿67外壁滑動密封配合的環形堵蓋68，鉆桿67上端向上穿過環形堵蓋68與驅動電機66傳動連接，鉆桿67下端設有模擬鉆頭69，底座56上設有位于試驗腔60內的樣品煤塊70，樣品煤塊70側部設有用于監測樣品煤塊70變形量的引伸計71，軸向壓軸62外側設有位于導向腔59內并與導向腔59內壁滑動配合的導向板73 ;鉆桿67中心沿軸向方向設有上下通透的鉆井液注入孔76 ；
軸壓充液控制閥9通過軸向模擬注壓管74與缸體63內部連通；圍壓充液控制閥36通過圓周向模擬注壓管75與圓筒體54的試驗腔60連通；
鉆井液循環系統3包括沉淀箱77，沉淀箱77內設有液位傳感器78，沉淀箱77的出液口與鉆井液注入孔76之間設有鉆井液注入管79，鉆井液注入管79沿液流方向依次設有流量計81、鉆井液水栗電機組80、進液閥82和鉆井液壓力計91，沉淀箱77的進液口與軸向壓軸62內的導向孔72之間設有漿液排出管83，漿液排出管83上沿液流方向順次設有出液閥84、煤粉濃度傳感器85和煤粉粒度分離器86 ;
煤粉產出測控系統4包括計算機87和測控儀器88，測控儀器88連接有集線器89、鉆井液控制器90和煤粉濃度傳感器85，集線器89通過數據信號線分別與驅動電機66、軸壓伺服控制器8、圍壓伺服控制器32和伺服液壓油源5連接； 鉆井液控制器90通過控制信號線分別與鉆井液水栗電機組80、流量計81和液位傳感器78連接；
軸壓伺服控制器8通過軸壓控制電纜分別與軸壓增壓器7、軸壓充液控制閥9、軸壓油栗電機組16、軸壓蓄能器18、軸壓伺服閥19、軸壓壓力表21、軸壓溢流閥22、軸壓充液油栗電機組25、軸壓充液壓力表27和軸壓充液溢流閥28連接；
圍壓伺服控制器32通過圍壓控制電纜分別與圍壓增壓器31、圍壓充液控制閥36、圍壓油栗電機組40、圍壓蓄能器42、圍壓伺服閥43、圍壓壓力表45、圍壓溢流閥46、圍壓充液油栗電機組49、圍壓充液壓力表51和圍壓充液溢流閥52連接。
[0006]煤粉粒度分離器86包括沿沿液流方向依次同軸向設置的第一連接套管95、第一煤粉篩筒92、第二煤粉篩筒93、第三煤粉篩筒94和第二連接套管96，第一煤粉篩筒92與第二煤粉篩筒93之間通過第一法蘭盤97連接，第二煤粉篩筒93與第三煤粉篩筒94之間通過第二法蘭盤98連接；
第一煤粉篩筒92內傾斜設有第一篩板99，第二煤粉篩筒93內傾斜設有第二篩板100，第三煤粉篩筒94內傾斜設有第三篩板101，第一篩板99上篩孔的孔徑大于第二篩板100上篩孔的孔徑，第二篩板100上篩孔的孔徑大于第三篩板101上篩孔的孔徑。
[0007]采用上述技術方案，本發明主要包括地層壓力模擬系統、鉆井模擬系統、鉆井液循環系統和煤粉產出測控系統等四大部分。地層壓力模擬系統主要是充分模擬原始狀態下煤儲層所受的應力和儲層壓力條件。鉆井模擬系統為試驗測試提供鉆井動力。鉆井液循環系統主要是模擬鉆井液循環過程以及測試鉆進過程中的煤粉。測控系統主要實現對鉆進過程中鉆井參數、煤粉產出量實時監控和測試的目的。
[0008]地層壓力模擬系統主要由軸壓模擬裝置、圍壓模擬裝置和伺服液壓油源等裝置組成。軸壓模擬裝置和圍壓模擬裝置主要模擬現場煤層所受應力條件，為試驗腔內的樣品煤塊提供軸壓和圍壓。軸壓模擬裝置和圍壓模擬裝置均采用相同的伺服控制裝置和增壓裝置。
[0009]軸壓模擬裝置的具體工作原理如下:軸壓充液控制閥由測控儀器控制，對軸壓增壓器進行調節，使軸壓增壓器保持一定壓力滿足試驗腔內樣品煤塊的軸向壓力。軸壓伺服油箱為軸壓增壓器提供工作油。軸壓伺服油箱通過第一軸壓增壓油管連接有軸壓油栗電機組，并與軸壓伺服閥相連，為軸壓伺服閥提