本發(fā)明屬于石油勘探開發(fā)過程中關(guān)于井壁穩(wěn)定性技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價裝置及方法。

背景技術(shù)：

泥頁巖井壁穩(wěn)定一直是困擾石油勘探開發(fā)的一大難點。目前隨著我國頁巖氣資源勘探開發(fā)戰(zhàn)略步伐的加快，研究人員更加關(guān)注泥頁巖基本物理力學(xué)特性珠研究。因為頁巖氣勘探開發(fā)過程中遇到的泥頁巖井壁穩(wěn)定問題和裂縫性泥頁巖漏失問題都與泥頁巖在賦存的地質(zhì)環(huán)境、地層流體分布情況、地應(yīng)力及工程因素條件下泥頁巖所表現(xiàn)出的物理力學(xué)性能有著密不可分的關(guān)系。目前室內(nèi)針對泥頁巖井壁穩(wěn)定性展開的實驗主要分為兩大類：一是直接實驗法，即測定鉆井液對井壁直接作用的程度，如分散性、膨脹性、水化應(yīng)力、膜效率等；二是間接實驗法，即測定影響井壁失穩(wěn)的各種因素，如巖石礦物組份分析、掃描電鏡結(jié)構(gòu)分析、陽離子交換量、比表面積等。這些針對泥頁巖的物理力學(xué)特性研究成果并不鮮見，但是針對含裂縫的硬脆性泥頁巖的穩(wěn)定性評價研究還不多。工程上普遍認為含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性受鉆井液液柱壓力作用下的裂縫孔隙壓力傳遞、水化變形的影響十分顯著，造成裂縫地層的力學(xué)強度減弱及漏失，因此含裂縫的硬脆性泥頁巖的穩(wěn)定性評價研究是該領(lǐng)域研究的重點和難點。由于傳統(tǒng)的穩(wěn)定性評價方法不適用于含裂縫泥頁巖的穩(wěn)定性評價，因而專門針對于含裂縫的泥頁巖穩(wěn)定性評價的方法，目前國內(nèi)研究的相對較少。

目前，國內(nèi)用于室內(nèi)評價井壁穩(wěn)定性的試驗方法主要有以下幾種：

分散性(回收率)實驗：包括以下兩種：(1)頁巖滾動實驗，該實驗是按照SY/T5613-2000《泥頁巖理化性能實驗方法》中制訂的實驗方法，采用滾動加熱爐和高溫罐完成實驗。該方法主要用于評價泥頁巖的分散性，鉆井液對地層分散能力的抑制程度。(2)是CST(毛細管吸入時間)實驗，該實驗可測定液體通過特性濾紙上標定距離所需的時間，用于評價泥頁巖在水中的分散情況。

膨脹性實驗：包括常溫常壓膨脹性實驗和高溫高壓膨脹性實驗兩種。其實驗原理是，先測定一定質(zhì)量干泥頁巖的體積/高度，再測泥頁巖與試液接觸一定時間后的體積/高度，其膨脹體積占原樣體積/高度的百分數(shù)稱為該泥頁巖的膨脹率，兩者均可用于優(yōu)化鉆井液體系的性能。

分散及膨脹性實驗采用的實驗巖樣是實際巖樣經(jīng)搗碎后重新壓制形成的人造巖樣，這種實驗操作基本上破壞了原始巖樣的結(jié)構(gòu)特性(裂縫、層理特性)，并不適用于含裂縫泥頁巖的穩(wěn)定性評價。

水化應(yīng)力的測定實驗：目前較好的是采用應(yīng)變片法進行測定。實驗原理是利用應(yīng)變片繞巖樣一周，將巖樣與試液接觸后發(fā)生的變形以信號的形式導(dǎo)出，而實驗前巖樣應(yīng)變?yōu)?，因此兩者之間的差值即為水化應(yīng)力值。

膜效率的測定實驗：主要通過以下兩種方法完成：(1)利用化學(xué)勢差作用下的壓力傳遞作用；(2)利用不同離子濃度(化學(xué)勢)的電阻率不同測定膜效率。

此外，室內(nèi)評價泥頁巖井壁穩(wěn)定性的方法還較多，例如：介電常數(shù)的測定實驗、頁巖穩(wěn)定指數(shù)法、巖心浸泡實驗、X射線衍射與掃描電鏡實驗、泥頁巖比表面積測定實驗等。這些實驗方法各有側(cè)重點，均直接或間接建立起鉆井液與井壁穩(wěn)定之間的聯(lián)系，但多以完整巖心為研究對象，未能反映出在鉆井過程中鉆井液是如何與裂縫地層相互作用、做到井壁穩(wěn)定性的定量與定性分析。

以下涉及井壁穩(wěn)定的評價方法雖然較為先進，但均關(guān)注井壁受損情況，尚未關(guān)注到裂縫孔隙壓力傳遞及水化應(yīng)變這些影響含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素：

中國專利CN200420096536.X公開了一種高溫、高壓井壁穩(wěn)定性實驗：該實驗采用了人工井壁循環(huán)系統(tǒng)，利用聲波測量+信號采集系統(tǒng)測定井壁受鉆井液沖刷的變形程度及造壁情況的影響。

見中國專利CN201110421883.X公開了一種高溫高壓泥頁巖井壁穩(wěn)定性評價裝置，該裝置包括人工井壁模擬裝置、高溫高壓三軸壓力室、壓力、溫度和圍壓控制系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等組成。該裝置能夠在模擬井下溫度、壓力和循環(huán)流體流動的條件下，對模擬井壁進行鉆井液沖涮損害試驗，通過超聲波測量及成像手段模擬井壁被外來流體浸蝕后的擴徑、縮徑及垮塌的和程度，可實時觀測和記錄模擬井壁測涮的程度及造壁情況，為綜合評價鉆井液完井液對井壁失穩(wěn)以及垮塌程度的影響提供了新的綜合測試手段。

中國專利CN201410012192.8公開了一種模擬全尺寸井壁穩(wěn)定的評價方法，該方法利用全尺寸井壁穩(wěn)定模擬器對巖心施加實驗所要求的圍壓、孔隙壓力、水平壓力、上覆巖層壓力、泥漿循環(huán)壓力和鉆井液循環(huán)介質(zhì)，并通過井徑測量儀測量在實驗的過程中巖心井眼的擴徑情況，通過地層滑行波聲速測試系統(tǒng)，測量在實驗過程中不同循環(huán)介質(zhì)下經(jīng)鉆井液的浸泡后井壁處巖樣聲波特性變化，通過井壁可視與成像系統(tǒng)直接觀察經(jīng)過鉆井液浸泡后的井眼實際變化情況。該方法主要用于全直徑巖心井壁穩(wěn)定分析，雖能真實地模擬井下環(huán)境、能動態(tài)的評價井壁穩(wěn)定情況，可改變循環(huán)介質(zhì)，有助于優(yōu)選鉆井方式與鉆井液體系；能綜合評價近井壁地層滲透性和巖石聲波特性，實現(xiàn)井壁成像等。但是，該模擬器不能模擬含裂縫泥頁巖在地層環(huán)境下的吸水膨脹產(chǎn)生的膨脹應(yīng)變、裂縫地層孔隙壓力穿透規(guī)律等井壁穩(wěn)定性的重要影響因素。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價的室內(nèi)方法，該方法是利用具有高溫高壓功能的含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價的裝置，能夠模擬不同鉆井條件下(欠平衡、過平衡)巖心尺度的硬脆性泥頁巖地層的裂縫孔隙壓力、水化變形特征等物理力學(xué)特征的變化規(guī)律，確定含裂縫泥頁巖地層壓力穿透規(guī)律及周期，實現(xiàn)硬脆性泥頁巖的穩(wěn)定性評價。

本發(fā)明提供一種用于含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價裝置，該裝置主要包括：

釜體，用于固定巖心并模擬巖心周邊環(huán)境；

與釜體相連的溫控降溫組件，控制所述溫控降溫組件對巖心進行加熱、控溫以模擬地層實際溫度；

與釜體相連的壓力梯度裝置及壓力梯度采集組件，用于給所述巖心施加實驗所需的圍壓以模擬地層覆壓；

與釜體相連的循環(huán)泥漿組件，用于模擬鉆井液循環(huán)的壓力作用；

與釜體相連的巖心形變測量組件，用于測量巖心形變；

數(shù)據(jù)測量與采集組件，其分別與溫控降溫組件、壓力梯度裝置及壓力梯度采集組件、循環(huán)泥漿組件以及巖心形變測量組件連接，用于進行膨脹應(yīng)變、裂縫巖心的孔隙壓力傳遞規(guī)律及穿透的周期監(jiān)測結(jié)果的獲取。

該裝置可以模擬不同鉆井條件下(欠平衡、過平衡)巖心尺度的硬脆性泥頁 巖地層裂縫孔隙壓力、水化變形特征等物理力學(xué)特征的變化規(guī)律。而且在本發(fā)明還在該裝置基礎(chǔ)上，通過相應(yīng)的實驗流程、測試數(shù)據(jù)及圖表，設(shè)計出了一套用于含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價的室內(nèi)方法。

本發(fā)明還提供了一種用于含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價方法，包括：

1)提供實驗巖心；

2)提供所述含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價裝置，將所述試驗巖心所述裝置中；

3)給所述巖心施加實驗所需的圍壓以模擬地層覆壓，并給巖心進行加熱、控溫以模擬地層實際溫度；

4)給巖心進口端提供恒壓源，模擬地層原始的孔隙壓力；

5)給巖心的出口端提供一定壓力的循環(huán)泥漿，模擬鉆井液循環(huán)的壓力作用；

6)測定巖心在與鉆井液接觸后的水化膨脹情況；

7)測定巖心在裂縫巖心中的孔隙壓力傳遞情況；

8)進行膨脹應(yīng)變、裂縫巖心的孔隙壓力傳遞規(guī)律及穿透的周期監(jiān)測結(jié)果的獲?。?/p>

9)對獲取的結(jié)果進行評價。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，所述的巖心的尺寸為直徑20mm～50mm，高度100mm。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，所述恒壓源的壓力為0～40MPa。

本發(fā)明有益效果：

本發(fā)明利用含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價裝置，就可以開展以下幾方面的有關(guān)泥頁巖穩(wěn)定性評價：

(1)不同鉆井條件對地層巖心的物理力學(xué)特征(孔隙壓力傳遞前后巖心滲透率的改變，水化應(yīng)變、孔隙壓力傳遞的峰值)的影響效應(yīng)；

(2)含裂縫泥頁巖地層壓力穿透規(guī)律及周期；

(3)硬脆性泥頁巖的承壓能力評價(通過實驗中獲取的壓力傳遞圖表中可以讀出)實現(xiàn)對含裂縫泥頁巖的穩(wěn)定性評價。

本發(fā)明方法綜合考慮了多種影響井壁失穩(wěn)的因素，能夠分析不同鉆井條件下(欠平衡、過平衡)對巖心尺度的硬脆性泥頁巖地層孔隙壓力、水化變形特征等物理力學(xué)特征(滲透率、力學(xué)參數(shù))的影響效應(yīng)，含裂縫泥頁巖地層壓力穿透規(guī) 律及周期，實現(xiàn)模擬地層鉆井環(huán)境下巖心尺度的硬脆性泥頁巖的穩(wěn)定性評價?？朔藗鹘y(tǒng)方法多以人工壓制巖樣開展穩(wěn)定性評價破壞巖心所含裂縫結(jié)構(gòu)面的弊端，實現(xiàn)了對含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性的評價。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一個具體實施例的方法示意圖。

附圖標記：氮氣瓶1、調(diào)壓閥2、調(diào)壓閥壓力表3、恒壓調(diào)壓器5、恒壓調(diào)壓器壓力表4、入口進氣閥6、入口排氣閥7、入口穩(wěn)壓閥8、氣體穩(wěn)壓罐9、巖心端氣閥10、入壓傳感器11、壓力梯度傳感器12、巖心長度形變采集原件13、巖心端14、釜體15、壓力梯度膠套16、長度形變傳感器17、加熱元件18、放液手閥19、油箱20、圍壓泵21、安全閥22、圍壓傳感器23、降溫元件24、回壓手閥25、回壓器26、氣體流量計量系統(tǒng)27、端面形變傳感器28、電阻測量儀29、回壓控制系統(tǒng)30、回控手閥31、輸液泵32、泥漿容器輸入閥33、泥漿容器34、泥漿容器輸出閥35、泥漿容器壓力表36、清水容器輸入閥37、清水容器38、清水容器輸出閥39、清水容器壓力表40、注液閥41、井筒壓力傳感器及顯示儀表42。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖1對本發(fā)明方法具體實施過程作進一步的說明。

具體實施如下：將直徑38mm×長度100mm的巖心裝入釜體15，先通過圍壓泵21向釜體15中加圍壓30MPa。關(guān)閉泥漿容器輸入閥33和泥漿容器輸出閥35，打開清水容器輸入閥37、清水容器輸出閥39和注液閥41。調(diào)節(jié)輸液泵32的壓力為5MPa，經(jīng)盛有清水的清水容器38向釜體15中的井筒中注入清水。在實驗過程中，數(shù)據(jù)采集組件記錄和保存井筒壓力傳感器42、入壓傳感器11、端面形變傳感器28、長度形變傳感器17和壓力梯度膠套16上9只壓力傳感器的數(shù)據(jù)變化，并繪出各數(shù)據(jù)的實時曲線圖。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，可以找到該巖心在特定條件下的壓力傳遞規(guī)律和水化膨脹情況。

具體包括以下步驟：

S1，按照SY/T5336-1996《巖心常規(guī)分析方法》進行制取實驗巖心：直徑38mm×長度100mm；

S2，將準備好的巖心按儀器操作規(guī)程裝入所述裝置的釜體15的井筒中；

S3，操作含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價的裝置中的壓力組件(包括圍壓傳感器23、與圍壓傳感器23連接的圍壓泵21和安全閥22、分別與圍壓泵21和安全閥22連接的油箱20)，以給巖心施加實驗所需的圍壓；

S4，利用含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價的裝置中的溫控組件中的加熱元件18，給釜體15及巖心進行加熱、控溫到實驗所需溫度；

S5，操作含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價的裝置中的氣源供給控制組件(如圖1包括：分別與調(diào)壓閥2連接的氮氣瓶1、壓力表3和恒壓調(diào)壓器5，分別與恒壓調(diào)壓器5連接壓力表4和入口進氣閥6，分別與入口進氣閥6連接的入口排氣閥7、入口穩(wěn)壓閥8、巖心端氣閥10和入壓傳感器11，與入口穩(wěn)壓閥8連接的氣體穩(wěn)壓罐9)，給巖心進口端提供0～10MPa的恒壓氣源；

S6，操作含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價的裝置中的液體介質(zhì)供給組件(包括：輸液泵32、通過泥漿容器輸入閥33與輸液泵32連接的泥漿容器34、分別與泥漿容器34連接的泥漿容器輸出閥35和泥漿容器壓力表36、通過清水容器輸入閥37與輸液泵32連接的清水容器38、分別與清水容器38連接的清水容器輸出閥39和清水容器壓力表40、分別與清水容器輸出閥39和清水容器壓力表40連接的注液閥41、以及分別與注液閥41和與釜體15的井筒連接的井筒壓力傳感器42組成)，給巖心出口端提供一定壓力的循環(huán)泥漿或清水；

S7，操作含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價的裝置中的回壓控制組件(包括：回壓控制器30、通過回控手閥31與回壓控制器30連接的輸液泵32，所述輸液泵32還與泥漿容器輸入閥33連接，與回壓控制器30連接的回壓器26，所述回壓器26還分別與回壓手閥25和氣體流量計量組件27連接)，在進行高溫高壓實驗時用于巖心的回壓控制；

S8，操作含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價的裝置中的氣體流量計量組件27，測定巖心初始滲透率和污染后的滲透率、欠平衡泥漿壓力傳遞實驗；

S9，操作含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價的裝置中的形變傳感器組件(包括：電阻測量儀29、與所述電阻測量儀29連接的端面形變傳感器28、長度形變傳感器17，所述端面形變傳感器28和長度形變傳感器17分別與釜體15中的井筒連接，且所述長度形變傳感器17與所述巖心長度形變采集原件13連接)，測定巖心在與鉆井液接觸后的水化膨脹情況；

S10，操作含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價的裝置中的數(shù)據(jù)測量與采集組件中的壓力梯度測量組件(包括：設(shè)置在所述釜體15的井筒上的壓力梯度膠套16、三縱三橫9只均布壓力傳感器、與所述壓力梯度膠套16和三縱三橫9只均布壓力傳感器連接的壓力梯度采集原件12)，測定巖心在過平衡泥漿壓力傳遞情況、鉆孔壓力傳遞情況和欠平衡泥漿壓力傳遞情況；

S11，操作含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價的裝置中的溫控組件中的降溫元件24，可以對實驗完后的釜體15進行快速降溫，降溫介質(zhì)為自來水；

S12，操作含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價的裝置中的數(shù)據(jù)測量與采集組件中的數(shù)據(jù)采集原件進行實驗數(shù)據(jù)的采集、存儲、回放和曲線報表生成；

S13，對生成的采集的數(shù)據(jù)進行處理后，對含裂縫泥頁巖的穩(wěn)定性進行評價。

本發(fā)明利用含裂縫泥頁巖穩(wěn)定性評價裝置，可以開展以下幾方面的有關(guān)泥頁巖穩(wěn)定性評價：(1)不同鉆井條件對地層巖心的物理力學(xué)特征的影響效應(yīng)模擬實驗；(2)含裂縫泥頁巖地層壓力穿透規(guī)律及周期；(3)硬脆性泥頁巖的承壓能力評價，實現(xiàn)對含裂縫泥頁巖的穩(wěn)定性評價。