用於測試鑽井液與巖石間壓力傳遞的實驗裝置的製作方法

2023-05-28 05:46:39

本實用新型涉及石油開採領域，具體涉及一種用於測試鑽井液與巖石間壓力傳遞的實驗裝置。

背景技術：

在鑽井或完井過程中出現的井壁坍塌、縮徑和地層壓裂等複雜情況統稱為井壁失穩，其大多發生在泥頁巖地層中。井壁失穩不僅嚴重影響地質錄井、延長鑽井周期和增加鑽井成本，而且還會汙染儲層，造成重大經濟損失。造成井壁失穩的原因，不外乎不可避免的先天因素和鑽井施工造成的後天因素。先天因素主要包括：地層巖石的組成和物理化學性質、地質構造類型、原地應力狀態、地層傾角，以及巖石層之間的膠結程度的強弱、巖石強度大小與承壓能力大小等。後天因素主要包括：鑽完井方式、井眼軌跡和鑽具對井壁的碰撞等，但更集中於鑽井液性能方面，如鑽井液濾液侵入地層的深度、鑽井液的抑制性與封堵性等方面。

在打開地層之前，埋在地層深處的巖石同時受到上覆巖石壓力、最大水平地應力和最小水平地應力的作用而處於力學平衡狀態。當巖石被鑽頭破碎，鑽井液與地層接觸，井壁圍巖的受力狀態就發生了改變，沒有了原井眼內巖石對井壁的支撐，取而代之的是鑽井液靜液柱壓力對井壁的支撐。在這種新的力學條件下，井眼應力重新分布，使井壁周圍產生了極高的應力集中，如果此時巖石強度不足或鑽井液靜液柱壓力支撐不足，就會出現井壁失穩現象。

目前，對於膨脹型地層井壁失穩可以通過提高鑽井液的抑制性來解決，而對於硬脆性的含裂隙泥頁巖地層的井壁失穩問題，往往通過向鑽井液中添加封堵材料降低鑽井液的濾失量，減緩鑽井液與井壁周圍巖石之間的壓力傳遞，即減小井筒圍巖的水平應力的改變量，延長坍塌周期手段的措施來解決。常見的用於測試鑽井液與巖石之間壓力傳遞的實驗裝置是由中國石油大學(華東)研發的泥頁巖水化-力學耦合(SHM)模擬裝置。該裝置的基本原理是在待測巖樣上下兩端建立初始差壓，在保持一端壓力不變的情況下，通過壓差傳感器檢測巖樣兩端的動態壓差變化，當壓差傳感器顯示結果為零時，即視巖樣被擊穿，此時即為壓力穿透時刻。然而，該裝置只能對單個巖樣進行壓力傳遞測試。無論測試使用的巖樣是天然巖芯還是人工巖芯，對同一巖芯均無法實現二次測試，尤其無法對即時壓力擊穿的巖芯的進行壓力傳遞測試；其次，該裝置並沒有模擬實際鑽井施工中鑽井液進入管柱噴出後，流經管柱與井壁(或套管)形成的環形空間向上流動進入泥漿池的循環過程，對於懸浮穩定性較差的鑽井液而言，鑽井液中的高密度固相部分容易落覆在巖樣表面，從而影響測試結果的準確性。

技術實現要素：

本實用新型針對現有技術的不足之處，提出了一種用於測試鑽井液與巖石間壓力傳遞的實驗裝置，其可以模擬井下鑽井液動態循環過程。

根據本實用新型提供的一種用於測試鑽井液與巖石間壓力傳遞的實驗裝置，包括依次連接在一起的鑽井液循環裝置、巖芯夾持裝置和數據採集處理裝置。

根據本實用新型，鑽井液循環裝置中的鑽井液經鑽井液循環裝置循環流經巖芯夾持裝置，鑽井液循環過程中對巖芯加持裝置中的巖芯樣品的不同位置產生不同的壓力，該不同的壓力變化通過數據採集處理裝置進行採集和輸出，從而實現對井下鑽井液動態循環過程的模擬。

在一些實施方案中，鑽井液循環裝置包括通過管路連通在一起的盛液罐、循環泵和模擬鑽具，模擬鑽具與巖芯加持裝置相連通，以使得盛液罐中的鑽井液在循環泵的作用下通過管路依次流經模擬鑽具和巖芯加持裝置後循環回盛液罐。

在一些實施方案中，巖芯夾持裝置包括與模擬鑽具相連通的第一缸體和用於夾持巖芯樣品的第二缸體，第一缸體和第二缸體相互連通。優選地，第二缸體與第一缸體相互垂直。

在一些實施方案中，第一缸體的開口端設置有第一缸蓋，模擬鑽具通過第一缸蓋固定於第一缸體內。

在一些實施方案中，第一缸蓋上還設置有回流孔，回流孔與盛液罐相連通。

在一些實施方案中，第一缸體的外壁和第二缸體的外壁上設置有加熱套。

在一些實施方案中，第二缸體與巖芯樣品之間對扣式設置有承壓板和加壓板以使得巖芯樣品被承壓板和加壓板完全包圍。

在一些實施方案中，承壓板和加壓板與巖芯樣品之間還設置有橡膠套。

在一些實施方案中，第二缸體的與承壓板相接觸的外壁上設置有延伸至巖芯樣品的測試孔。優選地，測試孔的個數為沿第二缸體的軸向上均勻分布的多個。

在一些實施方案中，數據採集裝置包括與加壓板相連的第一壓力控制器，與測試孔相連的第二壓力傳感器，以及設置在模擬鑽具和盛液罐之間的管路上的第三壓力傳感器，其中，第一壓力控制器、第二壓力傳感器和第三壓力傳感器均與計算機相連。

與現有技術相比，本實用新型具有以下優點：

1)本實用新型的實驗裝置通過模擬鑽井液經盛液罐、模擬鑽具和巖芯夾持裝置後流回盛液罐的過程，真實再現了現場施工過程中鑽井液的循環過程，其中，巖芯夾持裝置中的加熱套實現了對井下地層溫度條件的模擬；

2)本實用新型的實驗裝置可以連續對同一巖芯樣品進行壓力傳遞測試，避免了巖芯樣品差別引起的實驗誤差；

3)本實用新型的實驗裝置實現了多點測試，在很大程度上提高了對裂縫較發育巖樣壓力傳遞測試的可行性。

附圖說明

在下文中將基於實施例並參考附圖來對本實用新型進行更詳細的描述。其中：

圖1是根據本實用新型的用於測試鑽井液與巖石間壓力傳遞的實驗裝置的結構示意圖；

圖2是圖1所示的巖芯夾持裝置的結構的橫截面示意圖。

在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標記。附圖並未按照實際的比例繪製。

具體實施方式

下面將結合附圖對本實用新型作進一步說明。

這裡所介紹的細節是示例性的，並僅用來對本實用新型的實施例進行例證性討論，它們的存在是為了提供被認為是對本實用新型的原理和概念方面的最有用和最易理解的描述。關於這一點，這裡並沒有試圖對本實用新型的結構細節作超出於基本理解本實用新型所需的程度的介紹，本領域的技術人員通過說明書及其附圖可以清楚地理解如何在實踐中實施本實用新型的幾種形式。

圖1顯示了根據本實用新型提供的一種用於測試鑽井液與巖石間壓力傳遞的實驗裝置100的結構示意圖。該裝置100包括依次連接在一起的鑽井液循環裝置、巖芯夾持裝置和數據採集處理裝置。

根據本實用新型，鑽井液循環裝置中的鑽井液經鑽井液循環裝置循環流經巖芯夾持裝置，鑽井液循環過程中對巖芯加持裝置中的巖芯樣品13的不同位置產生不同的壓力，該不同的壓力變化通過數據採集處理裝置進行採集和輸出，從而實現對井下鑽井液動態循環過程的模擬。

如圖1所示，鑽井液循環裝置包括通過管路連通在一起的盛液罐1、循環泵2和模擬鑽具5，模擬鑽具5與巖芯加持裝置相連通，以使得盛液罐1中的鑽井液在循環泵2的作用下通過管路依次流經模擬鑽具5和巖芯加持裝置後循環回盛液罐1。

在如圖1所示的實施例中，將鑽井液放入盛液罐1中，開啟循環泵2，鑽井液即分別通過進液管3、模擬鑽具5、模擬鑽具5與第一缸體6之間的環空、第一缸蓋7上的回流孔8和回流管線9，流入盛液罐1以實現動態循環。其中，鑽井液的循環壓力可以通過第三壓力傳感器4進行準確測定；鑽井液的溫度可以通過包裹在第一缸體6和第二缸體12外表面的加熱套10進行調整，具體溫度值由控溫儀11進行控制，從而模擬鑽井施工現場鑽井液的動態循環過程。

根據本實用新型，如圖1所示，巖芯夾持裝置包括與模擬鑽具5相連通的第一缸體6和用於夾持巖芯樣品13的第二缸體12，第一缸體6和第二缸體12相互連通。優選地，第二缸體12與第一缸體6相互垂直。第一缸體6的開口端設置有第一缸蓋7，模擬鑽具5通過第一缸蓋7固定於第一缸體6內。同時，第一缸蓋7上還設置有回流孔8，回流孔8與盛液罐1相連通。值得注意的是，第一缸體6和第二缸體12也可以是一體式結構。

根據本實用新型，如圖2所示，第二缸體12與巖芯樣品13之間對扣式設置有承壓板17和加壓板18以使得巖芯樣品13被承壓板17和加壓板18完全包圍。優選地，承壓板17和加壓板18與巖芯樣品13之間還設置有橡膠套14。

結合圖1和圖2所示，將巖芯樣品13放入第二缸體12中，蓋上密封蓋15。開啟第一壓力控制器19，控制加壓板18向承壓板17的方向擠壓，從而給予巖芯樣品13一定的圍壓。橡膠套14包裹在巖芯樣品13的外表面，從而保證圍壓值的穩定性。

回到圖1，第二缸體12的與承壓板17相接觸的外壁上設置有延伸至巖芯樣品13的測試孔20。優選地，測試孔20的個數為沿第二缸體12的軸向上均勻分布的多個。由於鑽井液動態循環過程會引起巖芯樣品13不同位點的壓力值變化，因此通過設置多個測試孔20(圖中僅示意性地標出了一個)可以對巖芯樣品13的不同位點的壓力值進行檢測。該壓力值通過連接測試孔20的第二壓力傳感器21進行測定。優選地，位於密封蓋15上的封端測試孔16連接的第二壓力傳感器21可以測定壓力擊穿巖芯樣品13時的壓力變化值，其測定結果通過與第二壓力傳感器21連接的計算機22進行收集和分析，從而實現了鑽井液與巖石間壓力傳遞測試的目的。

應注意的是，前面所述的例子僅以解釋為目的，而不能認為是限制了本實用新型。雖然已經根據示例性實施例對本實用新型進行了描述，然而應當理解，這裡使用的是描述性和說明性的語言，而不是限制性的語言。在當前所述的和修改的所附權利要求的範圍內，在不脫離本實用新型的範圍和精神的範圍中，可以對本實用新型進行改變。儘管這裡已經根據特定的方式、材料和實施例對本實用新型進行了描述，但本實用新型並不僅限於這裡公開的細節；相反，本實用新型可擴展到例如在所附權利要求的範圍內的所有等同功能的結構、方法和應用。