(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210812370.X (22)申请日 2022.07.12 (71)申请人 中国石油大 学 （华东） 地址 266580 山东省青岛市经济技 术开发 区长江西路6 6号 (72)发明人 张立松　李文杰　王伟　陈劭颖　 蒋梦罡　杨清纯　孙致学　 (74)专利代理 机构 青岛高晓专利事务所(普通 合伙) 37104 专利代理师 段雅静 (51)Int.Cl. G01N 3/12(2006.01) G01N 3/02(2006.01) G01N 15/08(2006.01) (54)发明名称 一种点涡流场条件下井眼周围热流固耦合 载荷改变的自适应加载试验 装置和方法 (57)摘要 本发明提供了一种点涡流场条件下井眼周 围热流固耦合载荷改变的自适应加载试验装置 和方法， 所述装置包括点涡流场控制模块、 高压 流体密封模块、 应力场施加模块、 渗流场施加模 块、 温度场施加模块和数据处理模块； 通过螺旋 叶片螺旋间距的可控， 结合依照车行道分界线设 置的流体分割板， 实现流体公转点涡流场的可 控， 解决了室内试验难以模拟公转点涡流场的问 题； 采用基于矩形阵列排布的三棱柱状凹凸啮合 的密封结构， 啮合处设置耐水层 充分阻碍流体泄 漏， 解决了热流固耦合试验中流体潜在泄漏的问 题。 本发明提供的试验方法， 解决了钻井液点涡 流场引起的热流固耦合载荷改变难以模拟的问 题， 所述自适应 分步加载试验 方法的加载精度能 够达到94％以上。 权利要求书3页 说明书9页 附图5页 CN 115201009 A 2022.10.18 CN 115201009 A 1.一种点涡流场条件下井眼周围热流固耦合载荷改变的自适应加载试验装置， 其特征 在于， 所述试验装置包括点涡流场控制模块、 高压流体密封模块、 应力场施加模块、 渗流场 施加模块、 温度场施加模块和数据处 理模块； 所述点涡流场控制模块负责控制 实现钻井液点涡流场的多变性， 由螺旋轴、 可伸缩支 架、 螺旋叶片和流体分割板构成； 螺旋叶片 螺旋缠绕于螺旋轴上且固定连接， 螺旋叶片层与 层之间设置可伸缩支架， 可伸缩支架控制 螺旋叶片沿着螺旋轴进行伸长或缩短， 增大或减 小螺旋叶片的导程， 实现井眼空间内流体公转点涡 流场； 流体分割板与螺旋叶片垂 直相交， 流体分隔板沿着螺旋叶片外沿螺旋缠绕于螺旋轴， 负责分割钻井液 的流动， 模拟实际钻井 过程中钻柱旋转对不同半径位置产生的点涡流场影响； 所述点涡流场控制模块设置于岩样井眼正下方， 钻井液通过点涡流场控制模块流入井 眼岩样的井眼中， 从井眼岩样的井眼上方流出， 不同导程的螺旋叶片控制钻井液 的不同周 向流速， 形成钻井液的不同点涡流场， 即完成点涡流场的多变性。 2.根据权利要求1所述的一种点涡流场条件下井眼周围热流固耦合载荷改变的自适应 加载试验装置， 其特征在于， 所述高压流体密封模块负责热流固耦合加载过程中的流体密 封， 由顶盖、 耐水层、 轴向压力机、 井眼岩样放置器和底座构成； 由下至上依次设置有底座、 井眼岩样放置器、 井眼岩样、 轴向压力机和顶盖； 所述井眼岩样放置器与底座固定连接， 井 眼岩样放置于井眼岩样放置器的环形内凹槽中， 二者以三棱柱状凹凸啮合的方式固定； 井 眼岩样放置器的环形内凹槽中依照矩形阵列分布有三棱柱沟槽， 井眼岩样两端对应分布有 三棱柱凸起； 三棱柱状的凸起和沟槽相互啮合对井眼岩样与井眼岩样放置器之 间的接触位 置进行密封； 轴向压力机与井眼岩样以三棱柱状凹凸啮合的方式紧密接触固定， 凹凸啮合 位置处设有耐水层， 强化流体密封； 轴向压力机与顶盖固定连接， 轴向压力机的液压外壁 啮 合井眼岩 样的井眼直径。 3.根据权利要求1所述的一种点涡流场条件下井眼周围热流固耦合载荷改变的自适应 加载试验装置， 其特征在于， 点涡 流场控制模块置于井眼岩样放置器的井眼中， 螺旋轴固定 连接井眼岩样放置器； 井眼岩样放置器底部设置注液管， 注液管通过管道与钻井液储集箱 连通， 负责将钻井液导入螺 旋叶片内。 4.根据权利要求1所述的一种点涡流场条件下井眼周围热流固耦合载荷改变的自适应 加载试验装置， 其特征在于， 所述应力场施加模块负责井眼周围热流固耦合载荷改变中的 应力场自适应加载， 由轴向压力机、 刚性筒、 气管、 气压泵和气囊构成； 所述渗流场施加模块负责井眼周围热流固耦合载荷改变中的渗流场自适应加载， 由管 道、 出液管、 注液管、 水压泵、 钻井液储集箱、 减压阀和钻井液收集箱构成； 所述温度场施加模块主要负责井眼周围热流固耦合载荷改变中的温度场自适应加载， 由保温层和 加热板构成； 所述数据处理模块负责监测井 眼周围热流固耦合载荷的改变， 由CT扫描设备、 信息处 理系统、 压力传感器、 应 变传感器和温度传感器构成。 5.根据权利要求4所述的一种点涡流场条件下井眼周围热流固耦合载荷改变的自适应 加载试验装置， 其特征在于， 所述应力场施加模块中， 刚性筒外壁固定连接底座， 刚性筒外 壁与井眼岩样之 间填充保温层和气囊， 气囊通过气管与气 压泵相连接； 气 压泵给气囊加压， 气囊膨胀挤压井眼岩样完成围压施加； 通过向轴向压力机的液压腔内注入 液体推动液压柱权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115201009 A 2挤压井眼岩样， 完成轴向压力施加； 通过围压和轴向压力的施加， 实现井眼岩样的应力场施 加。 6.根据权利要求4所述的一种点涡流场条件下井眼周围热流固耦合载荷改变的自适应 加载试验装置， 其特征在于， 所述渗流场施加模块中， 通过水压泵控制钻井液压力变化， 将 一定压力的钻井液从注液管注入到螺旋叶片 中， 进而充满井眼岩样的内部孔隙， 施加 流体 压力； 钻井液通过顶盖中的出液管输送到钻井液收集箱内； 管道和钻井液收集箱之间设置 有减压阀； 管道与注液 管和出液管均可拆卸连接 。 7.根据权利要求4所述的一种点涡流场条件下井眼周围热流固耦合载荷改变的自适应 加载试验装置， 其特征在于， 所述温度场施加模块中， 紧邻井眼岩样的侧壁和上下表面均设 置有加热板， 负责提高试验装置内的温度； 钻井液加热到 设定温度后从注液管注入， 防止钻 井液注入引起装置内部温度不均匀的现象； 保温层设置于刚性筒外壁外侧， 负责降低整个 装置内部温度的损耗。 8.根据权利要求4所述的一种点涡流场条件下井眼周围热流固耦合载荷改变的自适应 加载试验装置， 其特征在于， 所述数据 处理模块中， 井眼岩样的内壁设置有压力传感器、 应 变传感器和温度传感器， 通过线路与试验装置外的信息处理系统连接， 分别监测井眼岩样 受到的钻井液压力、 井眼岩样受到的轴向压力、 井眼应变和井眼岩样的温度； CT扫描设备扫 描井眼岩 样放置器上的井眼岩 样， 实时监测井眼岩 样内部的孔隙变化情况。 9.一种点涡流场条件下井眼周围热流固耦合载荷改变的自适应加载试验方法， 其特征 在于， 所述试验方法在权利要求1 ‑8任一所述的试验 装置中进行， 具体操作步骤 包括： 步骤1： 建立初始热流固耦合环境， 对井 眼岩样施加围压和轴向压力， 完成井眼岩样所 受应力场中的水平应力、 轴向应力施加； 提高井眼岩样内部温度， 完成井眼岩样所受温度场 中的温度施加； 通过增大钻井液压力提高井眼岩样井眼内的流体压力， 完成井眼岩样所受 渗流场中的流体压力施加； 完成初始热流固耦合环境的建立； 步骤2： 利用点涡流场控制模块在井眼岩 样内激发点涡流场， 实现渗 流场载荷改变； 步骤3： 在渗 流场载荷改变的条件下， 计算应力场和温度场载荷的改变量； 步骤4： 采用分步加载方式实现步骤3中的应力场载荷改变量的加载， 设定应力场载荷 改变量的分步加载量， 实现应力场载荷改变量的分步加载， 即自适应分步加载； 步骤5： 根据热流固耦合载荷改变量的自适应分步加载判据验证步骤4的合理性； 若不 合理， 在步骤4中重新设定分步加载量， 再次进行自适应分步加载， 直至满足热流固耦合载 荷改变量的自适应分步加载判据； 步骤6： 采用分步加载方式实现步骤3中温度场载荷改变量的加载， 设定温度场载荷改 变量的分步加载量， 实现温度场载荷改变量的分步加载， 即自适应分步加载； 步骤7： 根据热流固耦合载荷改变量的自适应分步加载判据验证步骤6的合理性； 若不 合理， 在步骤6中重新设定分步加载量， 再次进行自适应分步加载， 直至满足热流固耦合载 荷改变量的自适应分步加载判据； 步骤8： 通过步骤4～7完成热流固耦合载荷改变量的1次分步加载； 在此基础上， 重 复步 骤4～7完成点涡流场条件下 热流固耦合载荷改变量的全部分步加载。 10.根据权利要求9所述的一种点涡流场条件下井眼周围热流固耦合载荷改变的自适 应加载试验方法， 其特征在于， 所述热流固耦合载荷改变量的自适应分步加载判据包括如权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115201009 A 3