專利名稱：一種井下環(huán)境模擬裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于油田、礦山等行業(yè)的試驗裝置領(lǐng)域，具體涉及一種井下環(huán)境模擬裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前，有關(guān)井下環(huán)境模擬的技術(shù)包括以下幾種:西南石油大學(xué)設(shè)計了模擬3000m井下工況的高溫高壓模擬井筒，是一種井下工具和儀器儀表研發(fā)的試驗平臺。該裝置通過泵和電加熱器循環(huán)加熱井筒內(nèi)的液壓油，使其基本達(dá)到預(yù)期溫度。用加壓泵循環(huán)加壓至設(shè)定壓力，再由循環(huán)泵和盤管保持設(shè)定溫度，實現(xiàn)井下溫度和壓力環(huán)境。該裝置由加溫系統(tǒng)與加壓系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，包括循環(huán)泵、電加熱器、電磁換向閥、井筒、加壓柱塞泵、加壓閥等。該裝置的井筒內(nèi)徑為Φ 177.8mm，模擬井內(nèi)溫度120°C，井底壓力40MPa。該裝置沒有地層巖心模塊與地層流體模擬模塊。另外，試驗時可放入到模擬井筒內(nèi)部的儀器外徑范圍較小，且模擬的井底壓力較小，因此其應(yīng)用范圍受到了限制。原地礦部探礦工藝研究所研制了 M150模擬井筒，用來模擬井底狀況和井底參數(shù)，解決野外試驗研制工作周期長，費用高，檢測手段欠缺等問題。該裝置由底座、筒體、觀察筒、出水口組件、密封部分組成。最大模擬井底壓力2.45MPa，模擬溫度最高150°C。勝利石油管理局鉆井工藝研究院提出了研制模擬6000m深井鉆進模擬井筒的機構(gòu)的方案。該裝置主要由上固定帽、支座、泥漿出口、上密封塞、上鋼端帽、高壓膠囊、加熱層等部分組成。利用該裝置可進行井下鉆具工藝技術(shù)研究，深井鉆井液特性與鉆進地層相適應(yīng)試驗等工作。模擬上覆巖層壓力150MPa，圍壓70MPa，井底壓力82.5MPa，巖樣溫度220°C。井底溫度由巖樣周圍的加熱套模擬，井底壓力由鉆井液密閉回路控制。大慶石油管理局研制了可模擬6000m井下環(huán)境的鉆井全尺寸綜合模擬試驗裝置。其中高溫高壓模擬井筒由油壓泵組合體、軸壓泵、調(diào)壓泵、密封壓力泵、巖石試樣等組成?？赡M井底巖石溫度210°C，孔隙壓力64.2MPa，。井底溫度由安裝在井筒外壁的加熱套及從鉆頭噴出的高溫鉆井液來維持。井底壓力采用鉆井液密閉回路來控制。該裝置為鉆井模擬臺架，動態(tài)模擬鉆井過程，井筒內(nèi)巖心模擬垂直方向地層。上述原地礦部探礦工藝研究所研制的M150模擬井筒、勝利石油管理局鉆井工藝研究院研制的模擬6000m深井鉆井模擬井筒和大慶石油管理局研制的模擬6000m井下環(huán)境鉆井全尺寸綜合模擬試驗裝置，都是動態(tài)模擬井下鉆具工況，進行鉆井液、巖樣、性能試驗研究，還可進行地層巖石特征、破碎機理、破巖工具等課題研究。但是，這三種裝置中巖心均安裝在裝置的井筒中部，模擬的是垂直方向地層，不能模擬水平方向地層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種井下環(huán)境模擬裝置及方法，可在地面模擬井下真實環(huán)境，可作為隨鉆地層壓力測量短節(jié)及其它井下工具、儀器的地面試驗、測試平臺。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種井下環(huán)境模擬裝置，該裝置包括模擬井筒1、地層巖心模擬模塊2、地層流體模擬模塊3、地層壓力模擬模塊4、環(huán)空壓力模擬模塊5和數(shù)據(jù)采集與控制模塊7 ；所述模擬井筒I用于模擬井眼，待測的井下工具或儀器放置在所述模擬井筒I內(nèi)；所述地層巖心模擬模塊2用于模擬水平方向地層，其安裝在所述模擬井筒I的筒壁上，其一端與模擬井筒I的內(nèi)腔相連通，另一端與地層流體模擬模塊3的一端相連通；所述地層流體模擬模塊3用于模擬真實地層流體，其一端與地層巖心模擬模塊2相連通，另一端與地層壓力模擬模塊4相連通；所述地層壓力模擬模塊4用于模擬地層壓力，其輸出的壓力通過地層流體模擬模塊3的傳遞，作用在地層巖心模擬模塊2上；所述環(huán)空壓力模擬模塊5用于模擬井底環(huán)空壓力，其與模擬井筒I的內(nèi)腔連通，向模擬井筒I內(nèi)部施加高壓；所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊7用于對地層壓力模擬模塊4的輸出值即地層壓力、環(huán)空壓力模擬模塊5的輸出值即環(huán)空壓力做閉環(huán)反饋控制，使地層壓力、環(huán)空壓力的輸出值與各自的預(yù)設(shè)值相近，對地層壓力與環(huán)空壓力進行精確控制。所述模擬井筒I包括上端蓋、井壁和下端蓋，所述井壁為套筒結(jié)構(gòu)，兩端帶有外翻邊，上端蓋與井壁上端的外翻邊通過螺栓連接，下端蓋與井壁下端的外翻邊通過螺栓連接；井筒的內(nèi)腔形成了測試井下工具與儀器的空間；在所述模擬井筒I的筒壁上開有入口，在上端蓋上開有出口。所述井下環(huán)境模擬裝置進一步包括井底溫度模擬模塊6，其向模擬井筒I內(nèi)提供高溫流體，用于模擬井底溫度。所述井下環(huán)境模擬裝置進一步包括熱交換器8，所述熱交換器8螺旋纏繞在所述模擬井筒I的外壁上；所述井底溫度模擬模塊6包括電機、高溫液壓泵、電加熱器、雙向液壓鎖、電磁換向閥、電磁閥和溫度傳感器；所述電機與高溫液壓泵相連，帶動高溫液壓泵回轉(zhuǎn)；高溫液壓泵有2個接口，第一個接口與電磁換向閥相連，第二個接口與電磁閥相連；電磁換向閥有3個接口，第一個接口與液壓泵連接，第二個接口與油箱相連，第三個接口與雙向液壓鎖連接；雙向液壓鎖的4個接口，分別連接模擬井筒I筒壁上的入口、模擬井筒I的上端蓋上的出口、電磁換向閥及油箱；電磁閥有2個接口，第一個接口與液壓泵連接，第二個接口與熱交換器8的上端連接，熱交換器8的下端接入油箱；在雙向液壓鎖與模擬井筒I的上端蓋上的出口之間的管路上裝有溫度傳感器；在所述雙向液壓鎖與模擬井筒I上端蓋上的出口之間的管路上安裝有截止閥；數(shù)據(jù)采集與控制模塊7分別連接電加熱器和溫度傳感器；所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊7進一步用于對井底溫度模擬模塊6的輸出值即井底溫度做閉環(huán)反饋控制，使井底溫度的輸出值與預(yù)設(shè)值相近，對井底溫度進行精確控制。所述環(huán)空壓力模擬模塊5包括電機、液壓泵、電磁閥、調(diào)速閥、增壓缸、電磁換向閥和壓力傳感器；所述電機與液壓泵相連，電磁換向閥的第一個接口與液壓泵相連通，第二個接口與冷卻器相連通，冷卻器再與過濾器相連通，第三個接口與調(diào)速閥的一端相連通，調(diào)速閥的另一端與增壓缸的下腔相連通，第四個接口與增壓缸的上腔連通，增壓缸的上腔與電磁閥的一個接口相連通，電磁閥的另一個接口與模擬井筒I的筒壁上的入口連接；所述壓力傳感器安裝在所述環(huán)空壓力模擬模塊5與模擬井筒I連接的管路上；所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊7分別與液壓泵和壓力傳感器連接。在所述地層巖心模擬模塊2內(nèi)部裝有巖心；根據(jù)試驗要求，可更換不同物理性質(zhì)的巖心，模擬水平方向地層；根據(jù)試驗要求，在所述地層流體模擬模塊3內(nèi)可更換不同性質(zhì)的流體模擬真實地層流體。所述地層壓力模擬模塊4采用液壓系統(tǒng)，其輸出的高壓油液先進入地層流體模擬模塊3，再通過地層流體模擬模塊3進入地層巖心模擬模塊2 ；所述地層巖心模擬模塊2包括外安裝座、法蘭盤、高壓油口、模擬巖心安裝座、巖心和密封件；所述模擬巖心安裝座和外安裝座均為一端帶法蘭的套筒狀結(jié)構(gòu)，巖心外包裹有密封件，巖心及密封件一起安裝在所述模擬巖心安裝座內(nèi)，模擬巖心安裝座再安裝在外安裝座內(nèi)，模擬巖心安裝座的法蘭的內(nèi)端面與外安裝座的法蘭的外端面接觸，模擬巖心安裝座的法蘭的外端面與法蘭盤接觸，通過螺栓將法蘭盤、模擬巖心安裝座和外安裝座固定在一起；所述外安裝座固定在模擬井筒I的井壁上，模擬巖心安裝座一端插入地層巖心模擬模塊安裝孔內(nèi)，在法蘭盤的中心安裝有高壓油口，模擬地層流體通過高壓油口進入巖心，再通過巖心滲透進入模擬井筒I內(nèi)；所述地層流體模擬模塊3為液壓缸結(jié)構(gòu)，缸體內(nèi)裝有活塞，活塞將缸體分為兩個腔，活塞的一側(cè)為高壓液壓油腔，另一側(cè)為模擬地層流體腔；在所述高壓液壓油腔一側(cè)開有液壓油入口，在高壓液壓油腔上端開有排氣口 ；在所述模擬地層流體腔的一側(cè)開有模擬地層流體出口，在模擬地層流體腔的上端開有模擬地層流體注入口 ；所述液壓油入口與地層壓力模擬模塊4相連通，所述模擬地層流體出口與地層巖心模擬模塊2上的高壓油口相連通；電機與液壓泵相連，電磁換向閥的第一個接口與液壓泵相連通，第二個接口與冷卻器相連通，冷卻器與過濾器相連通，第三個接口通過雙向液壓鎖與調(diào)速閥的接口相通，調(diào)速閥與增壓缸的下腔相連通，第四個接口通過雙向液壓鎖與增壓缸的上腔連通；增壓缸的上腔也與電磁閥連通；液壓泵的出油口還接有溢流閥；所述地層壓力模擬模塊4包括電磁閥、增壓缸、調(diào)速閥、電磁換向閥、液壓泵和電機；電機與液壓泵相連，電磁換向閥的第一個接口與液壓泵相連通，第二個接口與冷卻器相連通，冷卻器與過濾器相連通，第三個接口通過雙向液壓鎖與調(diào)速閥的接口相通，調(diào)速閥與增壓缸的下腔相連通，第四個接口通過雙向液壓鎖與增壓缸的上腔連通。增壓缸的上腔也與電磁閥連通。液壓泵的出油口還接有溢流閥。所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊7通過壓力傳感器采集地層壓力模擬模塊4與環(huán)空壓力模擬模塊5輸出的地層壓力與環(huán)空壓力信號，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化與調(diào)制處理送入工控機，分別與預(yù)設(shè)的地層壓力和環(huán)空壓力數(shù)值做比較，兩者的差值作為控制信號，控制地層壓力模擬模塊4與環(huán)空壓力模擬模塊5的輸出壓力，使輸出的地層壓力、環(huán)空壓力與預(yù)先設(shè)定的地層壓力數(shù)值、環(huán)空壓力數(shù)值相近或相似，達(dá)到精確閉環(huán)反饋控制地層壓力、環(huán)空壓力的目的。所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊7通過溫度傳感器采集井底溫度模擬模塊6輸出的溫度信號，然后經(jīng)a/d轉(zhuǎn)化與調(diào)制處理送入工控機，與預(yù)設(shè)的井底溫度做比較，兩者的差值作為控制信號，控制井底溫度模擬模塊6的輸出值，使井底溫度模擬模塊6的輸出溫度與預(yù)先設(shè)定的井底溫度數(shù)值相近或相似，達(dá)到精確閉環(huán)反饋控制井底溫度的目的。所述井下環(huán)境模擬裝置的使用方法包括以下步驟第一步根據(jù)試驗要求選取地層巖心模擬模塊2的巖心、地層流體模擬模塊3內(nèi)的流體，并設(shè)定地層壓力模擬模塊4、環(huán)空壓力模擬模塊5、井底溫度模擬模塊6的預(yù)設(shè)值；第二步將待測試的井下工具或儀器放置于模擬井筒I內(nèi)；第三步將模擬井筒I密封；第四步井底溫度模擬模塊6開機，數(shù)據(jù)采集與控制模塊7初始化，設(shè)定井底溫度初始值；第五步在井底溫度模擬模塊6內(nèi)加熱液壓油至設(shè)定溫度，并注入到模擬井筒I內(nèi)，液壓油從模擬井筒I筒壁上的的入口進入，從模擬井筒I上端蓋上的出口排出，循環(huán)一段時間，這樣將模擬井筒I內(nèi)空氣完全排出，讓模擬井筒I內(nèi)完全充滿液壓油，形成井底高溫環(huán)境；第六步如數(shù)據(jù)采集與控制模塊7采集到的井底溫度達(dá)到設(shè)定值，井底溫度模擬模塊6停止向模擬井筒I內(nèi)注入高溫液壓油，進行下一步操作，否則數(shù)據(jù)采集與控制模塊7繼續(xù)調(diào)整井底溫度模擬模塊6的高溫液壓油輸出溫度，使高溫液壓油的輸出溫度接近或達(dá)到設(shè)定初始值，繼續(xù)向模擬井筒I內(nèi)注入液壓油；第七步從井底溫度模擬模塊6出來的高溫油液進入熱交換器8內(nèi)循環(huán)，保持模擬井筒I內(nèi)的設(shè)定溫度；第八步設(shè)定地層壓力、環(huán)空壓力初始值，地層壓力模擬模塊4、環(huán)空壓力模擬模塊5開機；第九步地層壓力模擬模塊4、環(huán)空壓力模擬模塊5分別持續(xù)向地層巖心模擬模塊
2、模擬井筒I加壓；第十步如果數(shù)據(jù)采集與控制模塊7采集到的地層壓力與環(huán)空壓力達(dá)到設(shè)定值，進行下一步操作，否則數(shù)據(jù)采集與控制模塊7繼續(xù)調(diào)整地層壓力模擬模塊4、環(huán)空壓力模擬模塊5的輸出壓力，使輸出壓力接近或達(dá)到地層壓力、環(huán)空壓力設(shè)定值；第十一步如果需要開始測試試驗，進行下一步操作，否則等待；第十二步對模擬井筒I內(nèi)的井下工具或儀器開始測試試驗；第十三步如果結(jié)束本次測試，進行下一步操作，否則轉(zhuǎn)到第六步；第十四步關(guān)閉井下溫度模擬模塊6 ；第十五步關(guān)閉地層壓力模擬模塊4、環(huán)空壓力模擬模塊5 ；第十六步裝置冷卻、泄壓；第十七步數(shù)據(jù)采集與控制模塊7關(guān)機；第十八步取出測試的井下工具或儀器；第十九步數(shù)據(jù)后期處理與解釋；第二十步裝置保養(yǎng)，準(zhǔn)備下次測試。在所述第二步中，一般的井下工具與儀器可放置在模擬井筒I的中部，做抗高溫、抗高壓試驗；如果是測試地層壓力測量短節(jié)，則將地層壓力測量短節(jié)放入模擬井筒I內(nèi)，并將其探頭頂靠在地層巖心模擬模塊2位于模擬井筒I內(nèi)的一側(cè)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:(I)利用本發(fā)明可以在室內(nèi)模擬井下環(huán)境，包括不同巖性、不同物理性質(zhì)(如滲透率等)的地層、地層流體、地層壓力、環(huán)空壓力、井底溫度；(2)利用該裝置，可進行井下工具、儀器抗高溫、抗高壓的工作壽命的地面測試；(3)利用該裝置可進行隨鉆地層壓力測量短節(jié)工作可靠性測試；(4)利用該裝置，避免了在鉆井現(xiàn)場進行井下工具、儀器試驗時的設(shè)備搬遷、操作
維護不便、影響鉆進效率以及增大鉆井成本的問題，同時也降低了試驗難度，提高了經(jīng)濟效.、/■
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圖1是本發(fā)明井下環(huán)境模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，I為模擬井筒，2為地層巖心模擬模塊，3為地層流體模擬模塊，4為地層壓力模擬模塊，5為環(huán)空壓力模擬模塊，6為井底溫度模擬模塊，7為數(shù)據(jù)采集及控制模塊，8為熱交換器。圖2是本發(fā)明井下環(huán)境模擬裝置中的環(huán)空壓力模擬模塊5的組成圖。

圖中，9為液壓泵，10為電磁閥，11為調(diào)速閥，12為增壓缸，13為電磁換向閥，14為壓力傳感器。圖3是本發(fā)明井下環(huán)境模擬裝置中的井底溫度模擬模塊6的組成圖。圖中，15為高溫液壓泵，16為電加熱器，17為電磁換向閥，18為電磁閥，19a和19b為溫度傳感器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述:本發(fā)明井下環(huán)境模擬裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括以下部分:(I)模擬井筒I模擬井筒I包括上端蓋、井壁和下端蓋，根據(jù)鉆井實際井下環(huán)境與尺寸進行耐高溫高壓設(shè)計，其內(nèi)徑為280mm，高2400mm，但不限于這些尺寸。井壁外側(cè)安裝地層巖心模擬模塊2，井筒內(nèi)壁形成了測試井下工具與儀器的空間。在所述模擬井筒I的筒壁上開有入口，在上端蓋上開有出口。(2)地層巖心模擬模塊2地層巖心模擬模塊2安裝在模擬井筒I的筒壁上,用于模擬水平方向地層。地層巖心模擬模塊2 —端與地層流體模擬模塊3相通,另一端與模擬井筒I的內(nèi)腔相通。地層巖心模擬模塊2內(nèi)部裝有巖心，根據(jù)試驗需求，可更換不同物理性質(zhì)的巖心，模擬水平方向地層。具體來說，所述地層巖心模擬模塊2包括外安裝座、法蘭盤、高壓油口、模擬巖心安裝座、巖心和密封件；所述模擬巖心安裝座和外安裝座均為一端帶法蘭的套筒狀結(jié)構(gòu)，巖心外包裹有密封件，巖心及密封件一起安裝在所述模擬巖心安裝座內(nèi)，模擬巖心安裝座再安裝在外安裝座內(nèi)，模擬巖心安裝座的法蘭的內(nèi)端面與外安裝座的法蘭的外端面接觸，模擬巖心安裝座的法蘭的外端面與法蘭盤接觸，通過螺栓將法蘭盤、模擬巖心安裝座和外安裝座固定在一起;所述外安裝座固定在模擬井筒I的井壁上，模擬巖心安裝座一端插入地層巖心模擬模塊安裝孔內(nèi)，在法蘭盤的中心安裝有高壓油口，模擬地層流體通過高壓油口進入巖心，再通過巖心滲透進入模擬井筒I內(nèi)。(3)地層流體模擬模塊3地層流體模擬模塊3 —端連通地層壓力模擬模塊4,另一端與地層巖心模擬模塊2相連。根據(jù)試驗要求，可更換不同性質(zhì)的流體模擬真實地層流體。具體來說，所述地層流體模擬模塊3為液壓缸結(jié)構(gòu)，缸體內(nèi)裝有活塞，活塞將缸體分為兩個腔，活塞的一側(cè)為高壓液壓油腔，另一側(cè)為模擬地層流體腔；在所述高壓液壓油腔一側(cè)開有液壓油入口，在高壓液壓油腔上端開有排氣口 ；在所述模擬地層流體腔的一側(cè)開有模擬地層流體出口，在模擬地層流體腔的上端開有模擬地層流體注入口；所述液壓油入口與地層壓力模擬模塊4相連通，所述模擬地層流體出口與地層巖心模擬模塊2上的高壓油口相連通； 電機與液壓泵相連，電磁換向閥的第一個接口與液壓泵相連通，第二個接口與冷卻器相連通，冷卻器與過濾器相連通，第三個接口通過雙向液壓鎖與調(diào)速閥的接口相通，調(diào)速閥與增壓缸的下腔相連通，第四個接口通過雙向液壓鎖與增壓缸的上腔連通；增壓缸的上腔也與電磁閥連通；液壓泵的出油口還接有溢流閥。(4)地層壓力模擬模塊4地層壓力模擬模塊4通過地層流體模擬模塊3向地層巖心模擬模塊2提供不同壓力的高壓油，模擬地層壓力。地層壓力模擬模塊4由液壓元件等組成。高壓油液的壓力通過地層流體模擬模塊3的傳遞，作用在地層巖心模擬模塊2的巖心端面上，模擬真實地層壓力。模擬地層壓力值最高可達(dá)70MPa(范圍為O. l-70MPa。)，但不限于這些數(shù)值。具體來說，該模塊包括電磁閥、增壓缸、調(diào)速閥、電磁換向閥、液壓泵和電機。液壓油的壓力通過地層流體模擬模塊作用在地層巖心模擬模塊內(nèi)的巖心上，來模擬真實的地層壓力。液壓泵的輸出壓力有限，為模擬更大壓力范圍的地層壓力，采用增壓缸放大液壓泵輸出壓力的方法模擬地層壓力。電機與液壓泵相連，電磁換向閥的第一個接口與液壓泵相連通，第二個接口與冷卻器相連通，冷卻器與過濾器相連通，第三個接口通過雙向液壓鎖與調(diào)速閥的接口相通，調(diào)速閥與增壓缸的下腔相連通，第四個接口通過雙向液壓鎖與增壓缸的上腔連通。增壓缸的上腔也與電磁閥連通。液壓泵的出油口還接有溢流閥。使用時，向電動機供電，帶動液壓泵回轉(zhuǎn)，高壓液壓油經(jīng)過換向閥，再通過雙向液壓鎖與調(diào)速閥進入增壓缸的下腔，通過增壓缸的增壓作用，高壓油的壓力數(shù)值在增壓缸的上腔被放大，通過電磁閥后進入地層流體模擬模塊3，然后作用在地層巖心模擬模塊2內(nèi)的巖心上，模擬地層壓力。換向閥控制增壓缸內(nèi)活塞的運動方向，高壓油進入增壓缸的下腔，活塞向上運動到增壓缸的上腔頂端后，控制換向閥，關(guān)閉電磁閥，高壓油作用在增壓缸的上腔頂端，活塞向下運動，回到增壓缸的下腔低端，恢復(fù)初始狀態(tài)。需要再次增壓時，控制換向閥，使高壓油進入液壓缸的下腔，活塞再次向上運動，放大液壓泵的輸出壓力，模擬地層壓力。調(diào)速閥控制液壓缸內(nèi)的活塞運動速度，使液壓缸上腔的壓力勻速增大，保持地層壓力增長的穩(wěn)定性，提高地層壓力控制精度。當(dāng)?shù)貙訅毫ι叩筋A(yù)先設(shè)定的數(shù)值后，電磁閥可切斷地層流體模擬模塊3的液壓源，進而保持地層巖心模擬模塊內(nèi)的地層壓力。此時液壓泵可停止轉(zhuǎn)動，節(jié)省能量。當(dāng)?shù)貙訅毫p小時，控制系統(tǒng)自動開啟液壓泵，繼續(xù)通過地層流體模擬模塊3向地層巖心模擬模塊2內(nèi)的巖心提供模擬地層流體，直到地層壓力與預(yù)設(shè)值相近，液壓泵再次停止運轉(zhuǎn)。(5)環(huán)空壓力模擬模塊5環(huán)空壓力模擬模塊5采用高溫液壓油作為介質(zhì)，通過液壓系統(tǒng)向模擬井筒I內(nèi)提供不同壓力的高壓油，用來模擬環(huán)空壓力。具體到圖1，環(huán)空壓力模擬模塊5的高壓油從模擬井筒I的筒壁上的入口進入模擬井筒1，給模擬井筒I加壓。模擬環(huán)空壓力的高壓油不能從上端蓋進入模塊6，如圖3所示，從上端蓋出口出來的管線有截止閥，可以關(guān)閉，阻止高壓油液進入井底溫度模擬模塊6，而且井底溫度模擬模塊6里面也有雙向液壓鎖，阻止模擬環(huán)空壓力的液壓油進入。如圖2所示，該模塊包括電機、液壓泵9、電磁閥10、調(diào)速閥11、增壓缸12、電磁換向閥13、壓力傳感器14。環(huán)空壓力模擬模塊5輸出的液壓油作用在模擬井筒I內(nèi)，來模擬環(huán)空壓力。液壓泵9的輸出壓力有限，為模擬更大壓力范圍的環(huán)空壓力，采用增壓缸12放大液壓泵9輸出壓力的方法模擬環(huán)空壓力。電機與液壓泵9相連，電磁換向閥10的第一個接口與液壓泵9相連通，第二個接口與冷卻器相連通，冷卻器再與過濾器相連通，第三個接口與調(diào)速閥11的一端相連通，調(diào)速閥11的另一端與增壓缸12的下腔相連通，第四個接口與增壓缸12的上腔連通，增壓缸12的上腔與電磁閥13的一個接口相連通，電磁閥13的另一個接口與模擬井筒I的筒壁上的入口連接；在環(huán)空壓力模擬模塊5與模擬井筒I連接的管路上接有壓力傳感器14 ;所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊7分別與液壓泵9和壓力傳感器14連接。使用時，向電動機供電，帶動液壓泵9回轉(zhuǎn)，高壓液壓油經(jīng)過換向閥10，再經(jīng)過調(diào)速閥11進入增壓缸12的下腔，通過增壓缸的增壓作用，高壓油的壓力數(shù)值在增壓缸12的上腔被放大，通過電磁閥13后進入模擬井筒I內(nèi)，模擬環(huán)空壓力。換向閥10控制增壓缸12內(nèi)活塞的運動方向，當(dāng)活塞運動到增壓缸12的上腔頂端后，控制換向閥10，高壓油作用在增壓缸12上腔頂端，增壓缸12內(nèi)的活塞向下運動，回復(fù)到初始位置。需要再次增壓時，控制換向閥10，使高壓油進入液壓缸12的下腔，液壓缸12內(nèi)的活塞再次向上運動，放大液壓泵9的輸出壓力，模擬環(huán)空壓力。調(diào)速閥11控制液壓缸12內(nèi)的活塞運動速度，使液壓缸12上腔的壓力勻速增大，保持環(huán)空壓力增長的穩(wěn)定性，提高環(huán)空壓力控制精度。當(dāng)環(huán)空壓力升高到預(yù)先設(shè)定的數(shù)值后，電磁閥13可切斷環(huán)空壓力模擬模塊5的液壓源，進而保持模擬井筒I內(nèi)的環(huán)空壓力。此時液壓泵9可停止轉(zhuǎn)動，節(jié)省電能。當(dāng)環(huán)空壓力減小時，數(shù)據(jù)采集與控制模塊7自動開啟液壓泵9，打開電磁閥13，繼續(xù)向模擬井筒I內(nèi)提供高壓油，壓力傳感器14檢測到環(huán)空壓力與預(yù)設(shè)值相近，液壓泵9再次停止運轉(zhuǎn)。模擬井底環(huán)空壓力值最高可達(dá)70MPa(范圍是O. l_70MPa。)，但不限于這些數(shù)值。(6)井底溫度模擬模塊6井底溫度模擬模塊6向模擬井筒I提供高溫流體，模擬井底溫度。該模塊由抗高溫液壓元件組成。如圖3所示，井底溫度模擬模塊6模擬井底高溫狀態(tài)，最高溫度125°C，包括電機、高溫液壓泵15、電加熱器16、電磁換向閥17、電磁閥18、溫度傳感器19a、19b。電機與高溫液壓泵15相連，帶動高溫液壓泵15回轉(zhuǎn)；高溫液壓泵15有2個接口，第一個接口與電磁換向閥17相連，第二個接口與電磁閥18相連；電磁換向閥17有3個接口，第一個接口與液壓泵15連接，第二個接口與油箱相連，第三個接口與雙向液壓鎖連接。雙向液壓鎖的4個接口，分別連接模擬井筒I筒壁上的入口、模擬井筒I的上端蓋上的出口、電磁換向閥17及油箱。電磁閥18有2個接口，第一個接口與液壓泵15連接，第二個接口與熱交換器8的上端連接，熱交換器8的下端接入油箱。在雙向液壓鎖與模擬井筒I的上端蓋上的出口之間的管路上裝有溫度傳感器19a，數(shù)據(jù)采集與控制模塊7分別連接電加熱器16和溫度傳感器19a。另外，在在下部油箱內(nèi)安裝有溫度傳感器1%，其測定的溫度不需要給控制模塊7。測試開始時，電加熱器16先將油液加熱至設(shè)計溫度，電磁閥18關(guān)閉，電磁閥17閥芯處于右位，液壓泵15將高溫油液泵入模擬井筒I內(nèi)，并注滿。模擬井眼內(nèi)注滿高溫液壓油后，在模擬井筒I外圍安裝有熱交換器8,電磁閥17處于左位,打開電磁閥18,向熱交換器內(nèi)通入循環(huán)的高溫油液，通過熱傳導(dǎo)控制并保持模擬井眼內(nèi)的油液溫度在設(shè)定溫度，起微調(diào)溫度作用。溫度傳感器19a檢測模擬井眼內(nèi)的溫度，如低于設(shè)定溫度，則向電加熱器16供電，加熱液壓油，通過在熱交換器8內(nèi)循環(huán)，經(jīng)熱傳導(dǎo)使模擬井筒I內(nèi)溫度上升至設(shè)定溫度。如模擬井筒I內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度，則數(shù)據(jù)采集與控制模塊7停止向電加熱器16供電，使系統(tǒng)冷卻至設(shè)定溫度，達(dá)到閉環(huán)反饋精確控制井底溫度的目的。高溫流體被送至模擬井筒I周圍的熱交換器8，通過熱傳導(dǎo)加熱并保持模擬井筒內(nèi)流體的溫度，模擬井底溫度，溫度值最高可達(dá)125°C (范圍是25-125°C。)，但不限于這些數(shù)值。(7)數(shù)據(jù)采集與控制模塊7數(shù)據(jù)采集與控制模塊7的作用是對地層壓力模擬模塊4、環(huán)空壓力模擬模塊5、井底溫度模擬模塊6的輸出值，即地層壓力、環(huán)空壓力、井底溫度做閉環(huán)反饋控制，使這些壓力、溫度輸出值與預(yù)設(shè)值相近，對地層壓力與環(huán)空壓力進行精確控制。使用時，井底溫度模擬模塊6內(nèi)的加熱裝置將流體(比如液壓油)加熱至預(yù)設(shè)溫度，然后將流體注入模擬井筒I的密閉空間內(nèi)，如圖3所示，流體從模擬井筒I筒壁上的的入口進入，從模擬井筒I上端蓋上的出口排出，循環(huán)一段時間，采用這種低進高出的循環(huán)方式是為了模擬井筒I內(nèi)完全充滿液壓油，將模擬井筒I內(nèi)空氣完全排出，形成井底高溫環(huán)境。通過溫度傳感器實時監(jiān)測模擬井筒I內(nèi)的溫度，然后高溫流體停止注入，并在模擬井筒I外圍的熱交換器8內(nèi)循環(huán)。通過熱傳遞，對模擬井筒I內(nèi)的高溫流體保溫，使模擬井筒I內(nèi)的溫度維持在設(shè)定溫度。如果模擬井筒I內(nèi)的溫度降低，則向熱交換器8內(nèi)通入溫度更高的高溫流體，使模擬井筒I內(nèi)的溫度上升至設(shè)定溫度，起到調(diào)節(jié)模擬井筒溫度與保溫的作用。模擬井筒I內(nèi)的溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定值后，啟動環(huán)空壓力模擬模塊5。環(huán)空壓力模擬模塊5向模擬井筒I內(nèi)注入一定量的高壓油液，模擬環(huán)空壓力。此時模擬井筒I內(nèi)的壓力逐步升高，達(dá)到環(huán)空壓力預(yù)先設(shè)定值后，環(huán)空壓力模擬模塊5停止工作。壓力傳感器持續(xù)監(jiān)測模擬井筒I內(nèi)的環(huán)空壓力，如低于預(yù)設(shè)值，環(huán)空壓力模擬模塊5繼續(xù)工作，直至恢復(fù)到環(huán)空壓力預(yù)設(shè)值。高壓油液與上述高溫液壓油有一定混合，直到試驗結(jié)束，在環(huán)空壓力模擬模塊5加壓過程中，沒有流體從上端蓋的出口流出。環(huán)空壓力模擬模塊5工作的同時，地層壓力模擬模塊4也處于工作狀態(tài)。地層壓力模擬模塊4向地層流體模擬模塊3內(nèi)注入一定量的高壓油液，模擬地層壓力。此時地層壓力模擬模塊4的輸出壓力逐步升高，達(dá)到預(yù)先設(shè)定好的地層壓力后，地層壓力模擬模塊4停止工作。壓力傳感器持續(xù)監(jiān)測地層壓力，如果低于預(yù)設(shè)值，地層壓力模擬模塊4繼續(xù)工作，直至恢復(fù)到預(yù)設(shè)的地層壓力值。地層流體模擬模塊3與地層壓力模擬模塊4相連。地層壓力模擬模塊4的高壓油液作用在地層流體模擬模塊3內(nèi)。地層流體模擬模塊3由活塞分隔為兩部分，左側(cè)容納液壓油，右側(cè)容納地層流體，由于活塞具有密封作用，兩側(cè)的流體不能相互混合。從地層壓力模擬模塊4出來的液壓油直接進入到地層流體模擬模塊左側(cè)腔室，活塞在高壓作用下將其右側(cè)的地層流體注入到地層巖心模擬模塊2內(nèi)。根據(jù)試驗要求，地層流體模擬模塊3可更換不同性質(zhì)的地層流體，模擬井下真實狀況。地層巖心模擬模塊2與地層流體模擬模塊3相連。在地層壓力作用下，地層流體滲入地層巖心模擬模塊2內(nèi)的巖心中，再從巖心滲透到模擬井筒I內(nèi)，模擬地層內(nèi)的流體。巖心根據(jù)試驗要求可更換，模擬不同物理性質(zhì)的地層。本發(fā)明中，地層巖心模擬模塊2安裝在模擬井筒I的外側(cè)，模擬水平方向地層。因此，除了對其它井下工具、儀器進行試驗外，還可對地層壓力測量短節(jié)進行地面測試。模擬井筒I與地層巖心模擬模塊2相連。試驗時,一般的井下工具與儀器可放置在模擬井筒I的中部，做抗高溫、抗高壓試驗。地層壓力測量短節(jié)在模擬井筒I內(nèi)做測試時，可將地層壓力測量短節(jié)的探頭頂靠在地層巖心模擬模塊2位于模擬井筒I內(nèi)的一側(cè)，然后進行測試。數(shù)據(jù)采集與控制模塊7的作用是對地層壓力模擬模塊4、環(huán)空壓力模擬模塊5、井底溫度模擬模塊6的輸出值，即地層壓力、環(huán)空壓力、井底溫度做閉環(huán)反饋控制，使這些壓力、溫度輸出值與預(yù)設(shè)值相近，對地層壓力與環(huán)空壓力進行精確控制。數(shù)據(jù)采集與控制模塊7的功能由工控機完成，其工作原理如下數(shù)據(jù)采集與控制模塊7通過壓力傳感器采集地層壓力模擬模塊4與環(huán)空壓力模擬模塊5輸出的地層壓力與環(huán)空壓力信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換與調(diào)制處理送入工控機，分別與預(yù)設(shè)的地層壓力、環(huán)空壓力數(shù)值做比較，兩者的差值作為控制信號，控制地層壓力模擬模塊4與環(huán)空壓力模擬模塊5的輸出壓力，使地層壓力模擬模塊4與環(huán)空壓力模擬模塊5輸出的地層壓力、環(huán)空壓力與預(yù)先設(shè)定的地層壓力數(shù)值、環(huán)空壓力數(shù)值相近或相似，達(dá)到精確閉環(huán)反饋控制地層壓力、環(huán)空壓力的目的。數(shù)據(jù)采集及控制模塊7通過溫度傳感器采集井底溫度模擬模塊6輸出的溫度信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換與調(diào)制處理送入工控機，與預(yù)設(shè)的井底溫度做比較，兩者的差值作為控制信號，控制井底溫度模擬模塊6的輸出值，使井底溫度模擬模塊6的輸出溫度與預(yù)先設(shè)定的井底溫度數(shù)值相近或相似，精確控制井底溫度。所述井下環(huán)境模擬裝置的使用方法如下(I)根據(jù)試驗要求選取地層巖心模擬模塊2的巖心，地層流體模擬模塊3內(nèi)的流體，并設(shè)定地層壓力模擬模塊4、環(huán)空壓力模擬模塊5、井底溫度模擬模塊6的預(yù)設(shè)值；(2)將待測試的井下工具或儀器放置于模擬井筒I內(nèi)；(3)將模擬井筒I密封；(4)井底溫度模擬模塊6開機，數(shù)據(jù)采集與控制模塊7初始化，設(shè)定井底溫度初始值；(5)第五步在井底溫度模擬模塊6內(nèi)加熱液壓油至設(shè)定溫度，并注入到模擬井筒I內(nèi)，液壓油從模擬井筒I筒壁上的的入口進入，從模擬井筒I上端蓋上的出口排出，循環(huán)一段時間，這樣將模擬井筒I內(nèi)空氣完全排出，讓模擬井筒I內(nèi)完全充滿液壓油，形成井底高溫環(huán)境；(6)如數(shù)據(jù)采集與控制模塊7采集到的井底溫度達(dá)到設(shè)定值，井底溫度模擬模塊6停止向模擬井筒I內(nèi)注入高溫液壓油，進行下一步操作，否則數(shù)據(jù)采集與控制模塊7繼續(xù)調(diào)整井底溫度模擬模塊6的高溫液壓油輸出溫度，使高溫液壓油的輸出溫度接近或達(dá)到設(shè)定初始值，繼續(xù)向模擬井筒I內(nèi)注入液壓油；(7)從井底溫度模擬模塊6出來的高溫油液進入熱交換器8內(nèi)循環(huán)，保持模擬井筒I內(nèi)的設(shè)定溫度；(8)設(shè)定地層壓力、環(huán)空壓力初始值，地層壓力模擬模塊4、環(huán)空壓力模擬模塊5開機；(9)地層壓力模擬模塊4、環(huán)空壓力模擬模塊5分別持續(xù)向地層巖心模擬模塊2、模擬井筒I加壓；(10)如果數(shù)據(jù)采集與控制模塊7采集到的地層壓力與環(huán)空壓力達(dá)到設(shè)定值，進行下一步操作，否則數(shù)據(jù)采集與控制模塊7繼續(xù)調(diào)整地層壓力模擬模塊4、環(huán)空壓力模擬模塊5的輸出壓力，使輸出壓力接近或達(dá)到地層壓力與環(huán)空壓力設(shè)定值；(11)如果需要開始測試試驗，進行下一步操作，否則等待；(12)模擬井筒I內(nèi)井下工具或儀器開始測試試驗；(13)如果結(jié)束本次測試，進行下一步操作，否則轉(zhuǎn)到(6)；(14)關(guān)閉井下溫度模擬模塊6 ；(15)關(guān)閉地層壓力模擬模塊4、環(huán)空壓力模擬模塊5 ；(16)裝置冷卻、泄壓；(17)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)7關(guān)機；(18)取出測試的井下工具或儀器；(19)數(shù)據(jù)后期處理與解釋(待測試工具內(nèi)帶有數(shù)據(jù)存儲裝置，測試結(jié)束后將帶測試工具取出，并下載測試數(shù)據(jù))；(20)裝置保養(yǎng)，準(zhǔn)備下次測試。綜合上述分析，與西南石油大學(xué)研制的高溫高壓模擬井筒相比，本發(fā)明的模擬井筒內(nèi)徑較大，模擬井內(nèi)壓力也較高，因此應(yīng)用范圍也較廣。與原地礦部探礦工藝研究所等單位研制的鉆進模擬井筒相比，本發(fā)明中模擬地層的巖心安裝在井筒側(cè)面，可模擬水平方向地層。而本發(fā)明除了進行其它井下工具與儀器地面測試外，還可對隨鉆地層壓力測量短節(jié)進行地面測試、調(diào)試與試驗，還可進行地層壓力測量算法的研究。在該裝置內(nèi)，其它井下工具儀器可進行抗高溫、抗高壓試驗。該裝置可解決野外試驗工作周期長，費用高，檢測手段欠缺等問題，具有較好的應(yīng)用前景。上述技術(shù)方案只是本發(fā)明的一種實施方式，對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言，在本發(fā)明公開了應(yīng)用方法和原理的基礎(chǔ)上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限于本發(fā)明上述具體實施方式
所描述的方法，因此前面描述的方式只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。
權(quán)利要求
1.一種井下環(huán)境模擬裝置，其特征在于:所述井下環(huán)境模擬裝置包括模擬井筒(I)、地層巖心模擬模塊(2)、地層流體模擬模塊(3)、地層壓力模擬模塊(4)、環(huán)空壓力模擬模塊(5)和數(shù)據(jù)采集與控制模塊(7)； 所述模擬井筒(I)用于模擬井眼，待測的井下工具或儀器放置在所述模擬井筒(I)內(nèi)； 所述地層巖心模擬模塊(2)用于模擬水平方向地層，其安裝在所述模擬井筒(I)的筒壁上，其一端與模擬井筒(I)的內(nèi)腔相連通，另一端與地層流體模擬模塊(3)的一端相連通； 所述地層流體模擬模塊(3)用于模擬真實地層流體，其一端與地層巖心模擬模塊(2)相連通，另一端與地層壓力模擬模塊(4)相連通； 所述地層壓力模擬模塊(4)用于模擬地層壓力，其輸出的壓力通過地層流體模擬模塊(3)的傳遞，作用在地層巖心模擬模塊(2)上； 所述環(huán)空壓力模擬模塊(5)用于模擬井底環(huán)空壓力，其與模擬井筒(I)的內(nèi)腔連通，向模擬井筒(I)內(nèi)部施加高壓； 所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊(7)用于對·地層壓力模擬模塊(4)的輸出值即地層壓力、環(huán)空壓力模擬模塊(5)的輸出值即環(huán)空壓力做閉環(huán)反饋控制，使地層壓力、環(huán)空壓力的輸出值與各自的預(yù)設(shè)值相近，對地層壓力與環(huán)空壓力進行精確控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下環(huán)境模擬裝置，其特征在于:所述模擬井筒I包括上端蓋、井壁和下端蓋，所述井壁為套筒結(jié)構(gòu)，兩端帶有外翻邊，上端蓋與井壁上端的外翻邊通過螺栓連接，下端蓋與井壁下端的外翻邊通過螺栓連接；井筒的內(nèi)腔形成了測試井下工具與儀器的空間；在所述模擬井筒(I)的筒壁上開有入口，在上端蓋上開有出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的井下環(huán)境模擬裝置，其特征在于:所述井下環(huán)境模擬裝置進一步包括井底溫度模擬模塊出)，其向模擬井筒(I)內(nèi)提供高溫流體，用于模擬井底溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的井下環(huán)境模擬裝置，其特征在于:所述井下環(huán)境模擬裝置進一步包括熱交換器(8)，所述熱交換器(8)螺旋纏繞在所述模擬井筒(I)的外壁上； 所述井底溫度模擬模塊(6)包括電機、高溫液壓泵、電加熱器、雙向液壓鎖、電磁換向閥、電磁閥和溫度傳感器；所述電機與高溫液壓泵相連，帶動高溫液壓泵回轉(zhuǎn)；高溫液壓泵有2個接口，第一個接口與電磁換向閥相連，第二個接口與電磁閥相連；電磁換向閥有3個接口，第一個接口與液壓泵連接，第二個接口與油箱相連，第三個接口與雙向液壓鎖連接；雙向液壓鎖的4個接口，分別連接模擬井筒(I)筒壁上的入口、模擬井筒(I)的上端蓋上的出口、電磁換向閥及油箱；電磁閥有2個接口，第一個接口與液壓泵連接，第二個接口與熱交換器(8)的上端連接，熱交換器(8)的下端接入油箱；在雙向液壓鎖與模擬井筒(I)的上端蓋上的出口之間的管路上裝有溫度傳感器；在所述雙向液壓鎖與模擬井筒(I)上端蓋上的出口之間的管路上安裝有截止閥；數(shù)據(jù)采集與控制模塊(7)分別連接電加熱器和溫度傳感器； 所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊(7)進一步用于對井底溫度模擬模塊(6)的輸出值即井底溫度做閉環(huán)反饋控制，使井底溫度的輸出值與預(yù)設(shè)值相近，對井底溫度進行精確控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下環(huán)境模擬裝置，其特征在于:所述環(huán)空壓力模擬模塊(5)包括電機、液壓泵、電磁閥、調(diào)速閥、增壓缸、電磁換向閥和壓力傳感器；所述電機與液壓泵相連，電磁換向閥的第一個接口與液壓泵相連通，第二個接口與冷卻器相連通，冷卻器再與過濾器相連通，第三個接口與調(diào)速閥的一端相連通，調(diào)速閥的另一端與增壓缸的下腔相連通，第四個接口與增壓缸的上腔連通，增壓缸的上腔與電磁閥的一個接口相連通，電磁閥的另一個接口與模擬井筒(I)的筒壁上的入口連接；所述壓力傳感器安裝在所述環(huán)空壓力模擬模塊(5)與模擬井筒(I)連接的管路上；所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊(7)分別與液壓泵和壓力傳感器連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的井下環(huán)境模擬裝置，其特征在于:在所述地層巖心模擬模塊(2)內(nèi)部裝有巖心； 根據(jù)試驗要求，可更換不同物理性質(zhì)的巖心，模擬水平方向地層； 根據(jù)試驗要求，在所述地層流體模擬模塊(3)內(nèi)可更換不同性質(zhì)的流體模擬真實地層流體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的井下環(huán)境模擬裝置，其特征在于:所述地層壓力模擬模塊(4)采用液壓系統(tǒng)，其輸出的高壓油液先進入地層流體模擬模塊(3)，再通過地層流體模擬模塊(3)進入地層巖心模擬模塊(2); 所述地層巖心模擬模塊(2)包括外安裝座、法蘭盤、高壓油口、模擬巖心安裝座、巖心和密封件；所述模擬巖心安裝座和·外安裝座均為一端帶法蘭的套筒狀結(jié)構(gòu)，巖心外包裹有密封件，巖心及密封件一起安裝在所述模擬巖心安裝座內(nèi)，模擬巖心安裝座再安裝在外安裝座內(nèi)，模擬巖心安裝座的法蘭的內(nèi)端面與外安裝座的法蘭的外端面接觸，模擬巖心安裝座的法蘭的外端面與法蘭盤接觸，通過螺栓將法蘭盤、模擬巖心安裝座和外安裝座固定在一起；所述外安裝座固定在模擬井筒(I)的井壁上，模擬巖心安裝座一端插入地層巖心模擬模塊安裝孔內(nèi)，在法蘭盤的中心安裝有高壓油口，模擬地層流體通過高壓油口進入巖心，再通過巖心滲透進入模擬井筒(I)內(nèi)； 所述地層流體模擬模塊(3)為液壓缸結(jié)構(gòu)，缸體內(nèi)裝有活塞，活塞將缸體分為兩個腔，活塞的一側(cè)為高壓液壓油腔，另一側(cè)為模擬地層流體腔；在所述高壓液壓油腔一側(cè)開有液壓油入口，在高壓液壓油腔上端開有排氣口 ；在所述模擬地層流體腔的一側(cè)開有模擬地層流體出口，在模擬地層流體腔的上端開有模擬地層流體注入口 ；所述液壓油入口與地層壓力模擬模塊(4)相連通，所述模擬地層流體出口與地層巖心模擬模塊(2)上的高壓油口相連通；電機與液壓泵相連，電磁換向閥的第一個接口與液壓泵相連通，第二個接口與冷卻器相連通，冷卻器與過濾器相連通，第三個接口通過雙向液壓鎖與調(diào)速閥的接口相通，調(diào)速閥與增壓缸的下腔相連通，第四個接口通過雙向液壓鎖與增壓缸的上腔連通；增壓缸的上腔也與電磁閥連通；液壓泵的出油口還接有溢流閥； 所述地層壓力模擬模塊(4)包括電磁閥、增壓缸、調(diào)速閥、電磁換向閥、液壓泵和電機；電機與液壓泵相連，電磁換向閥的第一個接口與液壓泵相連通，第二個接口與冷卻器相連通，冷卻器與過濾器相連通，第三個接口通過雙向液壓鎖與調(diào)速閥的接口相通，調(diào)速閥與增壓缸的下腔相連通，第四個接口通過雙向液壓鎖與增壓缸的上腔連通。增壓缸的上腔也與電磁閥連通。液壓泵的出油口還接有溢流閥。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的井下環(huán)境模擬裝置，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊(7)通過壓力傳感器采集地層壓力模擬模塊(4)與環(huán)空壓力模擬模塊(5)輸出的地層壓力與環(huán)空壓力信號，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化與調(diào)制處理送入工控機，分別與預(yù)設(shè)的地層壓力和環(huán)空壓力數(shù)值做比較，兩者的差值作為控制信號，控制地層壓力模擬模塊(4)與環(huán)空壓力模擬模塊(5)的輸出壓力，使輸出的地層壓力、環(huán)空壓力與預(yù)先設(shè)定的地層壓力數(shù)值、環(huán)空壓力數(shù)值相近或相似，達(dá)到精確閉環(huán)反饋控制地層壓力、環(huán)空壓力的目的； 所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊(7)通過溫度傳感器采集井底溫度模擬模塊(6)輸出的溫度信號，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化與調(diào)制處理送入工控機，與預(yù)設(shè)的井底溫度做比較，兩者的差值作為控制信號，控制井底溫度模擬模塊(6)的輸出值，使井底溫度模擬模塊(6)的輸出溫度與預(yù)先設(shè)定的井底溫度數(shù)值相近或相似，達(dá)到精確閉環(huán)反饋控制井底溫度的目的。
9.一種使用權(quán)利要求8所述的井下環(huán)境模擬裝置的方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟: 第一步:根據(jù)試驗要求選取地層巖心模擬模塊(2)的巖心、地層流體模擬模塊(3)內(nèi)的流體，并設(shè)定地層壓力模擬模塊(4)、環(huán)空壓力模擬模塊(5)、井底溫度模擬模塊(6)的預(yù)設(shè)值； 第二步:將待測試的井下工具或儀器放置于模擬井筒(I)內(nèi)； 第三步:將模擬井筒(I)密封； 第四步:井底溫度模擬模塊(6)開機，數(shù)據(jù)采集與控制模塊(7)初始化，設(shè)定井底溫度初始值；· 第五步:在井底溫度模擬模塊￠)內(nèi)加熱液壓油至設(shè)定溫度，并注入到模擬井筒(I)內(nèi)，液壓油從模擬井筒(I)筒壁上的的入口進入，從模擬井筒(I)上端蓋上的出口排出，循環(huán)一段時間，這樣將模擬井筒(I)內(nèi)空氣完全排出，讓模擬井筒(I)內(nèi)完全充滿液壓油，形成井底高溫環(huán)境； 第六步:如數(shù)據(jù)采集與控制模塊(7)采集到的井底溫度達(dá)到設(shè)定值，井底溫度模擬模塊(6)停止向模擬井筒(I)內(nèi)注入高溫液壓油，進行下一步操作，否則數(shù)據(jù)采集與控制模塊(7)繼續(xù)調(diào)整井底溫度模擬模塊￠)的高溫液壓油輸出溫度，使高溫液壓油的輸出溫度接近或達(dá)到設(shè)定初始值，繼續(xù)向模擬井筒(I)內(nèi)注入液壓油； 第七步:從井底溫度模擬模塊(6)出來的高溫油液進入熱交換器(8)內(nèi)循環(huán)，保持模擬井筒(I)內(nèi)的設(shè)定溫度； 第八步:設(shè)定地層壓力、環(huán)空壓力初始值，地層壓力模擬模塊(4)、環(huán)空壓力模擬模塊(5)開機； 第九步:地層壓力模擬模塊(4)、環(huán)空壓力模擬模塊(5)分別持續(xù)向地層巖心模擬模塊(2)、豐吳擬井筒(I)加壓； 第十步:如果數(shù)據(jù)采集與控制模塊(7)采集到的地層壓力與環(huán)空壓力達(dá)到設(shè)定值，進行下一步操作，否則數(shù)據(jù)采集與控制模塊(7)繼續(xù)調(diào)整地層壓力模擬模塊(4)、環(huán)空壓力模擬模塊(5)的輸出壓力，使輸出壓力接近或達(dá)到地層壓力、環(huán)空壓力設(shè)定值； 第十一步:如果需要開始測試試驗，進行下一步操作，否則等待； 第十二步:對模擬井筒(I)內(nèi)的井下工具或儀器開始測試試驗； 第十三步:如果結(jié)束本次測試，進行下一步操作，否則轉(zhuǎn)到第六步； 第十四步:關(guān)閉井下溫度模擬模塊(6)； 第十五步:關(guān)閉地層壓力模擬模塊(4)、環(huán)空壓力模擬模塊(5)； 第十六步:裝置冷卻、泄壓；第十七步:數(shù)據(jù)采集與控制模塊(7)關(guān)機； 第十八步:取出測試的井下工具或儀器； 第十九步:數(shù)據(jù)后期處理與解釋； 第二十步:裝置保養(yǎng)，準(zhǔn)備下次測試。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的使用井下環(huán)境模擬裝置的方法，其特征在于:在所述第二步中，一般的井下工具與儀器可放置在模擬井筒I的中部，做抗高溫、抗高壓試驗；如果是測試地層壓力測量短節(jié)，則將地層壓力測量短節(jié)放入模擬井筒I內(nèi)，并將其探頭頂靠在地層巖心模擬模塊2位于模擬井筒I內(nèi)·的一側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種井下環(huán)境模擬裝置及方法，屬于油田、礦山等行業(yè)的試驗裝置領(lǐng)域。該裝置包括模擬井筒、地層巖心模擬模塊、地層流體模擬模塊、地層壓力模擬模塊、環(huán)空壓力模擬模塊、井底溫度模擬模塊。利用本發(fā)明可以在室內(nèi)模擬井下環(huán)境，包括不同巖性、不同物理性質(zhì)(如滲透率等)的地層、地層流體、地層壓力、環(huán)空壓力、井底溫度。本發(fā)明的裝置可作為地層壓力測量短節(jié)及其它井下工具、儀器的地面試驗測試平臺，還可進行地層壓力測量算法的研究。本發(fā)明解決了野外試驗工作周期長，費用高，檢測手段欠缺等問題，降低了試驗難度，提高了經(jīng)濟效益，具有較好的應(yīng)用前景。
文檔編號E21B47/06GK103075147SQ201110328439
公開日2013年5月1日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者牛新明, 鄭俊華, 楊春國, 高炳堂, 王磊, 劉宇輝, 王強, 凌勇 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院, 四川航天技術(shù)研究院