專利名稱：高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本發(fā)明涉及一種高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置，屬石油勘探開發(fā)過(guò)程中油氣層保護(hù)的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
:井壁失穩(wěn)問(wèn)題是石油鉆井過(guò)程中普遍存在的一個(gè)世界性難題，尤其是引起的井下復(fù)雜情況和誘發(fā)的其它井下事故對(duì)鉆井工程危害極大。井壁不穩(wěn)定嚴(yán)重影響鉆井的速度、質(zhì)量和成本，而且還會(huì)污染儲(chǔ)層，給試油以及油氣開發(fā)帶來(lái)不利影響，甚至延誤勘探開發(fā)的進(jìn)程，影響油氣鉆探開發(fā)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。因此，防止井壁失穩(wěn)是一項(xiàng)貫穿油氣井勘探開發(fā)過(guò)程的系統(tǒng)工程。井壁失穩(wěn)是由多種因素造成的，如地質(zhì)構(gòu)造、原地應(yīng)力、地層的巖性和產(chǎn)狀、粘土礦物類型、鉆井液性能及其與泥頁(yè)巖井壁之間的物化反應(yīng)、鉆井作業(yè)的影響等，故在研究井壁失穩(wěn)時(shí)不再單純地將其視為純力學(xué)或化學(xué)問(wèn)題，需從力化耦合的角度分析，以便更真實(shí)地評(píng)價(jià)井壁失穩(wěn)問(wèn)題。在地層被打開的同時(shí)，井壁就與鉆井液接觸并發(fā)生離子交換、兩者由于化學(xué)勢(shì)差異產(chǎn)生了滲透作用、在壓差作用下的液體侵入以及由于毛管力產(chǎn)生的滲析等各種反應(yīng)，使泥頁(yè)巖水化產(chǎn)生水化應(yīng)力，引起巖石力學(xué)參數(shù)的變化，繼而引起巖石受力狀態(tài)的變化，巖石逐步遭破壞而出現(xiàn)井壁失穩(wěn)。因此，通過(guò)模擬井下條件的井壁失穩(wěn)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)鉆井液和完井液對(duì)井壁的沖刷情況和泥頁(yè)巖的I吳效率，從而優(yōu)選鉆井液和完井液，并為鉆井液和完井液的設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析，是關(guān)系到鉆井作業(yè)安全進(jìn)行、提高鉆井效率的關(guān)鍵。目前石油行業(yè)已從力化耦合協(xié)同作用機(jī)理方面來(lái)研究井壁穩(wěn)定性問(wèn)題。根據(jù)薄膜效應(yīng)的井壁穩(wěn)定模型，現(xiàn)在已經(jīng)研發(fā)出了泥頁(yè)巖水化/力學(xué)耦合實(shí)驗(yàn)裝置、泥頁(yè)巖膜效率測(cè)定儀、高溫高壓井壁穩(wěn)定性測(cè)試儀、巖心浸泡裝置、高溫高壓井壁穩(wěn)定模擬實(shí)驗(yàn)裝置等各種儀器，來(lái)用于評(píng)價(jià)鉆井液對(duì)井壁穩(wěn)定的影響，但上述實(shí)驗(yàn)裝置還不能完全真實(shí)地反映井下條件下鉆井液對(duì)井壁失穩(wěn)的影響。因此，研制出一種能夠模擬井下高溫高壓及流動(dòng)條件下鉆井液對(duì)井壁失穩(wěn)影響的室內(nèi)評(píng)價(jià)儀器意義非常重大，以滿足鉆井作業(yè)安全快速進(jìn)行的需要
發(fā)明內(nèi)容
:為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置，能夠在模擬井下溫度、壓力和流體流動(dòng)的條件下，對(duì)模擬井壁進(jìn)行鉆井液沖涮損害試驗(yàn)，優(yōu)選適合井壁穩(wěn)定的鉆井液和完井液體系，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定、重復(fù)性能好的特點(diǎn)。本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的的。高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置由井壁模擬裝置、出口壓力傳感器、進(jìn)口壓力傳感器、三軸壓力室、壓力室加熱器、出液換向閥、泥漿容器、泥漿容器加熱器、活塞容器、平流泵、電動(dòng)計(jì)量泵、圍壓傳感器、泥漿泵、進(jìn)液換向閥、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。所述的井壁模擬裝置由井壁加熱器、井壁外筒、超聲波探頭、井壁內(nèi)筒、模擬井壁、超聲波探桿、數(shù)據(jù)采集連接器、旋轉(zhuǎn)升降器構(gòu)成；在井壁外筒外裝有井壁加熱器；在井壁外筒內(nèi)裝有井壁內(nèi)筒；在井壁內(nèi)筒內(nèi)裝有模擬井壁；在井壁外筒的筒底設(shè)有鉆井循環(huán)液進(jìn)口 ；在井壁外筒上方的側(cè)壁上設(shè)有鉆井循環(huán)液出口 ；超聲波探桿安裝在井壁外筒的上蓋上，超聲波探桿的下端插入到井壁內(nèi)筒內(nèi)；超聲波探頭固定安裝在超聲波探桿的下端，數(shù)據(jù)采集連接器安裝在超聲波探桿的上端；超聲波探頭通過(guò)數(shù)據(jù)采集連接器與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)相連接；超聲波探桿的上端與旋轉(zhuǎn)升降器相連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)升降器的電機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)超聲波探桿的旋轉(zhuǎn)和升降。 進(jìn)液換向閥的左端口與井壁外筒筒底的鉆井循環(huán)液進(jìn)口通過(guò)循環(huán)管道相連接；進(jìn)液換向閥的上端口與三軸壓力室的左進(jìn)口通過(guò)循環(huán)管道相連接；進(jìn)液換向閥的右端口與泥漿泵的出口通過(guò)循環(huán)管道相連接；泥漿泵的進(jìn)口與泥漿容器的下部出口通過(guò)循環(huán)管道相連接；出液換向閥的左端口與三軸壓力室的右出口通過(guò)循環(huán)管道相連接；出液換向閥的上端口與井壁外筒側(cè)壁上的鉆井循環(huán)液出口通過(guò)循環(huán)管道相連接；出液換向閥的下端口與泥漿容器的下部進(jìn)口通過(guò)循環(huán)管道相連接；活塞容器的上部通過(guò)一個(gè)三通管分別與三軸壓力室的上壓頭和下壓頭相連接；平流泵與活塞容器的下部進(jìn)口相連接；電動(dòng)計(jì)量泵的出口端通過(guò)一個(gè)三通管分別與三軸壓力室的筒體和泥漿容器的上端相連接；壓力室加熱器固定安裝在三軸壓力室的外壁上；泥漿容器加熱器固定安裝在泥漿容器的外壁上；在三軸壓力室的上壓頭上裝有進(jìn)口壓力傳感器；在三軸壓力室的下壓頭上裝有出口壓力傳感器；在電動(dòng)計(jì)量泵的出口端裝有圍壓傳感器；數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)線分別與旋轉(zhuǎn)升降器、出口壓力傳感器、進(jìn)口壓力傳感器、平流泵、電動(dòng)計(jì)量泵、圍壓傳感器相連接。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有如下有益效果:本發(fā)明能夠在模擬井下溫度、壓力和循環(huán)流體流動(dòng)的條件下，對(duì)模擬井壁進(jìn)行鉆井液沖涮損害試驗(yàn)，通過(guò)超聲波測(cè)量及成像手段模擬井壁被外來(lái)流體侵蝕后的擴(kuò)徑、縮徑及垮塌的程度，可實(shí)時(shí)觀測(cè)和記錄模擬井壁沖涮的程度及造壁情況，定量測(cè)試模擬井壁濾失速率，同時(shí)建立壓力傳遞和化學(xué)滲透實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停繙y(cè)定泥頁(yè)巖極低滲透率和泥頁(yè)巖膜效率，為綜合評(píng)價(jià)鉆井液完井液對(duì)井壁失穩(wěn)以及垮塌程度的影響提供了新的綜合測(cè)試手段；解決了單一通過(guò)泥頁(yè)巖極低滲透率和膜效率測(cè)試的力化耦合模型評(píng)價(jià)井壁失穩(wěn)的局限性，從而更有利于優(yōu)選適合井壁穩(wěn)定的鉆井液和完井液體系。該評(píng)價(jià)裝置提高了測(cè)量過(guò)程的簡(jiǎn)便性和精準(zhǔn)性，具有重復(fù)性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。


:圖1為高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1.井壁加熱器、2.井壁外筒、3.超聲波探頭、4.井壁內(nèi)筒、5.模擬井壁、6.超聲波探桿、7.數(shù)據(jù)采集連接器、8.旋轉(zhuǎn)升降器、9.出口壓力傳感器、10.進(jìn)口壓力傳感器、11.三軸壓力室、12.壓力室加熱器、13.出液換向閥、14.泥漿容器、15.泥漿容器加熱器、16.活塞容器、17.平流泵、18.電動(dòng)計(jì)量泵、19.圍壓傳感器、20.泥漿泵、21.進(jìn)液換向閥。
具體實(shí)施方式
:本發(fā)明由井壁模擬裝置、出口壓力傳感器9、進(jìn)口壓力傳感器10、三軸壓力室11、壓力室加熱器12、出液換向閥13、泥漿容器14、泥漿容器加熱器15、活塞容器16、平流泵17、電動(dòng)計(jì)量泵18、圍壓傳感器19、泥漿泵20、進(jìn)液換向閥21、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。所述的井壁模擬裝置由井壁加熱器1、井壁外筒2、超聲波探頭3、井壁內(nèi)筒4、模擬井壁5、超聲波探桿6、數(shù)據(jù)采集連接器7、旋轉(zhuǎn)升降器8構(gòu)成；在井壁外筒2外裝有井壁加熱器I ;在井壁外筒2內(nèi)裝有井壁內(nèi)筒3 ;在井壁內(nèi)筒3內(nèi)裝有模擬井壁5 ;在井壁外筒2的筒底設(shè)有鉆井循環(huán)液進(jìn)口 ；在井壁外筒2上方的側(cè)壁上設(shè)有鉆井循環(huán)液出口 ；超聲波探桿6安裝在井壁外筒2的上蓋上，超聲波探桿6的下端插入到井壁內(nèi)筒3內(nèi)；超聲波探頭3固定安裝在超聲波探桿6的下端，數(shù)據(jù)采集連接器7安裝在超聲波探桿6的上端；超聲波探頭3通過(guò)數(shù)據(jù)采集連接器7與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)相連接；超聲波探桿6的上端與旋轉(zhuǎn)升降器8相連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)升降器8的電機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)超聲波探桿6的旋轉(zhuǎn)和升降。進(jìn)液換向閥21的左端口與井壁外筒2筒底的鉆井循環(huán)液進(jìn)口通過(guò)循環(huán)管道相連接；進(jìn)液換向閥21的上端口與三軸壓力室11的左進(jìn)口通過(guò)循環(huán)管道相連接；進(jìn)液換向閥21的右端口與泥漿泵20的出口通過(guò)循環(huán)管道相連接；泥漿泵20的進(jìn)口與泥漿容器14的下部出口通過(guò)循環(huán)管道相連接；出液換向閥13的左端口與三軸壓力室11的右出口通過(guò)循環(huán)管道相連接；出液換向閥13的上端口與井壁外筒2側(cè)壁上的鉆井循環(huán)液出口通過(guò)循環(huán)管道相連接；出液換向閥13的下端口與泥漿容器14的下部進(jìn)口通過(guò)循環(huán)管道相連接；活塞容器16的上部通過(guò)一個(gè)三通管分別與三軸壓力室11的上壓頭和下壓頭相連接；平流泵17與活塞容器16的下部進(jìn)口相連接；電動(dòng)計(jì)量泵18的出口端通過(guò)一個(gè)三通管分別與三軸壓力室11的筒體和泥漿容器14的上端相連接；壓力室加熱器12固定安裝在三軸壓力室11的外壁上；泥漿容器加熱器15固定安裝在泥漿容器14的外壁上；在三軸壓力室11的上壓頭上裝有進(jìn)口壓力傳感器10 ;在三軸壓力室11的下壓頭上裝有出口壓力傳感器9 ;在電動(dòng)計(jì)量泵18的出口端裝有圍壓傳感器19 ;數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)線分別與旋轉(zhuǎn)升降器8、出口壓力傳感器9、進(jìn)口壓力傳感器10、平流泵17、電動(dòng)計(jì)量泵18、圍壓傳感器19相連接。應(yīng)用本發(fā)明的高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置，可進(jìn)行模擬井壁測(cè)試實(shí)驗(yàn)和泥頁(yè)巖壓力傳遞與化學(xué)滲透實(shí)驗(yàn)。1、模擬井壁測(cè)試實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)前，按要求完成泥漿的配置和預(yù)處理以及模擬井壁5的制備。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將已壓制模擬井壁5的井壁內(nèi)筒4安裝到井壁外筒2中，并檢查井壁內(nèi)筒4和井壁外筒2的密封是否完好，安裝配有超聲波探桿6的頂蓋，連接好信號(hào)線；將配制好的泥漿倒入泥漿容器14中，蓋上泥漿容器14的頂蓋，連接好加壓管線。啟動(dòng)操作軟件，輸入實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)并設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度和泥漿循環(huán)返速，將泥漿泵20的排量設(shè)為0.2m/s后開啟，打開井壁加熱器I對(duì)模擬井壁5進(jìn)行加熱，打開泥漿容器加熱器15對(duì)泥漿容器14進(jìn)行加熱；等溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定值后，啟動(dòng)電動(dòng)計(jì)量泵18對(duì)試液循環(huán)系統(tǒng)加壓并保持壓力為3.5MPa，然后打開井壁外筒2上的濾失閥開始計(jì)量濾失量；按設(shè)定的時(shí)間間隔，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降器8，以lr/min順時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)超聲波探桿6，旋轉(zhuǎn)I周后將超聲波探桿6上提一定高度后再次旋轉(zhuǎn)，與上相同，可在模擬井壁5內(nèi)表面從下至上的20個(gè)不同深度處完成測(cè)量，多次測(cè)量后結(jié)束實(shí)驗(yàn)。停止實(shí)驗(yàn)后關(guān)閉泥漿泵20，停止井壁加熱器I和泥漿容器加熱器15加熱，待溫度降至60°C后泄去循環(huán)系統(tǒng)壓力，打開循環(huán)管道上的排污閥放掉實(shí)驗(yàn)?zāi)酀{，取出井壁內(nèi)筒4觀察模擬井壁5受泥漿侵蝕后的擴(kuò)徑、縮徑及垮塌、泥餅形成等井壁變化情況，通過(guò)操作軟件繪出模擬井壁5內(nèi)表面的成象圖，綜合實(shí)驗(yàn)條件、模擬井壁5的組成和泥漿配方等數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。2、泥頁(yè)巖壓力傳遞與化學(xué)滲透實(shí)驗(yàn):A、實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)巖樣進(jìn)行預(yù)處理，測(cè)定巖樣活度和試驗(yàn)溶液活度，將實(shí)驗(yàn)巖樣裝入三軸壓力室11中，裝入實(shí)驗(yàn)巖樣后啟動(dòng)電動(dòng)計(jì)量泵18，保持圍壓不變；啟動(dòng)平流泵17，使用模擬孔隙液完成被測(cè)巖心的飽和和固化。B、設(shè)定鉆井液液柱壓力，將三軸壓力室11中的巖樣上端壓力增至鉆井液液柱壓力并保持壓力恒定，巖樣上、下端接觸液體均為模擬孔隙液，且上端壓力大于下端。接著利用操作軟件自動(dòng)記錄巖樣上、下端的壓力以及圍壓的變化，待上、下兩端的壓力相近后停止平流泵17。根據(jù)測(cè)得的壓力變化曲線計(jì)算巖樣的滲透率，繪制壓力傳遞曲線。C、啟動(dòng)電動(dòng)計(jì)量泵18把循環(huán)系統(tǒng)的壓力加到與鉆井液液柱壓力一致，啟動(dòng)泥漿泵20，使鉆井液流經(jīng)巖樣上端面以形成端面污染，替換掉巖樣上端的孔隙液，保持巖樣上端面壓力不變。利用操作軟件自動(dòng)記錄巖樣上、下端的壓力變化，待下端壓力趨于穩(wěn)定后停止記錄。D、根據(jù)測(cè)得的下端壓力變化可計(jì)算泥頁(yè)巖的極低滲透率、膜效率和離子擴(kuò)散系數(shù)，繪制巖樣在壓力傳遞和化學(xué)滲透下的壓力曲線，從而評(píng)價(jià)鉆井液的對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響。
權(quán)利要求
1.高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置，由井壁模擬裝置、出口壓力傳感器(9)、進(jìn)口壓力傳感器(10)、壓力室加熱器(12)、出液換向閥(13)、泥漿容器加熱器(15)、圍壓傳感器(19)、進(jìn)液換向閥(21)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成；其特征在于在其結(jié)構(gòu)中設(shè)置有三軸壓力室(11)、泥漿容器(14)、活塞容器(16)、平流泵(17)、電動(dòng)計(jì)量泵(18)、泥漿泵(20);所述的井壁模擬裝置由井壁加熱器(I)、井壁外筒(2)、超聲波探頭(3)、井壁內(nèi)筒(4)、模擬井壁(5)、超聲 波探桿￠)、數(shù)據(jù)采集連接器(7)、旋轉(zhuǎn)升降器(8)構(gòu)成；在井壁外筒(2)外裝有井壁加熱器(I);在井壁外筒(2)內(nèi)裝有井壁內(nèi)筒(3);在井壁內(nèi)筒(3)內(nèi)裝有模擬井壁(5);在井壁外筒(2)的筒底設(shè)有鉆井循環(huán)液進(jìn)口 ；在井壁外筒(2)上方的側(cè)壁上設(shè)有鉆井循環(huán)液出口 ；超聲波探桿(6)安裝在井壁外筒(2)的上蓋上，超聲波探桿(6)的下端插入到井壁內(nèi)筒(3)內(nèi)；超聲波探頭(3)固定安裝在超聲波探桿￠)的下端，數(shù)據(jù)采集連接器(7)安裝在超聲波探桿(6)的上端；超聲波探桿(6)的上端與旋轉(zhuǎn)升降器(8)相連接；進(jìn)液換向閥(21)的左端口與井壁外筒(2)筒底的鉆井循環(huán)液進(jìn)口通過(guò)循環(huán)管道相連接；進(jìn)液換向閥(21)的上端口與三軸壓力室(11)的左進(jìn)口通過(guò)循環(huán)管道相連接；進(jìn)液換向閥(21)的右端口與泥漿泵(20)的出口通過(guò)循環(huán)管道相連接；泥漿泵(20)的進(jìn)口與泥漿容器(14)的下部出口通過(guò)循環(huán)管道相連接；出液換向閥(13)的左端口與三軸壓力室(11)的右出口通過(guò)循環(huán)管道相連接；出液換向閥(13)的上端口與井壁外筒(2)側(cè)壁上的鉆井循環(huán)液出口通過(guò)循環(huán)管道相連接；出液換向閥(13)的下端口與泥漿容器(14)的下部進(jìn)口通過(guò)循環(huán)管道相連接；活塞容器(16)的上部通過(guò)一個(gè)三通管分別與三軸壓力室(11)的上壓頭和下壓頭相連接；平流泵(17)與活塞容器(16)的下部進(jìn)口相連接；電動(dòng)計(jì)量泵(18)的出口端通過(guò)一個(gè)三通管分別與三軸壓力室(11)的筒體和泥漿容器(14)的上端相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置，其特征在于壓力室加熱器(12)固定安裝在三軸壓力室(11)的外壁上；泥漿容器加熱器(15)固定安裝在泥漿容器(14)的外壁上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置，其特征在于在三軸壓力室(11)的上壓頭上裝有進(jìn)口壓力傳感器(10);在三軸壓力室(11)的下壓頭上裝有出口壓力傳感器(9);在電動(dòng)計(jì)量泵(18)的出口端裝有圍壓傳感器(19)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)裝置，屬石油勘探開發(fā)過(guò)程中油氣層保護(hù)的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域；其特征在于由井壁模擬裝置、三軸壓力室(11)、泥漿容器(14)、活塞容器(16)、平流泵(17)、電動(dòng)計(jì)量泵(18)、泥漿泵(20)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成；本發(fā)明能夠在模擬井下溫度、壓力和循環(huán)流體流動(dòng)的條件下，對(duì)模擬井壁進(jìn)行鉆井液沖涮損害試驗(yàn)，通過(guò)超聲波測(cè)量及成像手段模擬井壁被外來(lái)流體侵蝕后的擴(kuò)徑、縮徑及垮塌的程度，可實(shí)時(shí)觀測(cè)和記錄模擬井壁沖涮的程度及造壁情況，為綜合評(píng)價(jià)鉆井液完井液對(duì)井壁失穩(wěn)以及垮塌程度的影響提供了新的綜合測(cè)試手段，具有重復(fù)性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)E21B49/00GK103161455SQ20111042188
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者余維初, 羅躍, 吳志堅(jiān), 余鋼 申請(qǐng)人:長(zhǎng)江大學(xué)