一种泥页岩微纳米级孔隙模拟封堵评价装置及方法与流程

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本发明涉及油田非常规油气勘探技术领域，尤其涉及一种泥页岩微纳米级孔隙模拟封堵评价装置及方法。


背景技术：

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泥页岩地层的井壁失稳是钻井过程中永远无法回避的一个世界性难题。每年给世界石油工业造成巨大损失。这主要是因为泥页岩中不仅含有较多微米级的微裂缝，还存在着大量微纳米级的孔隙结构。这就导致泥页岩与钻井液等外来流体接触时，不仅微裂缝会在外力作用下发生“水力尖劈”作用，使缝宽变大导致井壁失稳；其中外来液相也会在微孔隙结构的毛细管作用力下，由近井壁地带进入地层深部，使深部地层发生水化膨胀、分散，最终引起井塌、卡钻和井眼报废等严重事故。这些问题都严重制约了油气资源的高效开发。
[0003]
大量研究证明，要解决泥页岩地层井壁易失稳的技术难题，首先要提高钻井液的封堵防塌能力。而要研制具有良好封堵能力的钻井液，关键在于室内评价方法对微裂缝和微孔隙的模拟，是否能真实模拟泥页岩裂缝和孔隙的形态，以及能够真实模拟井底高温高压作用下封堵过程。
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目前，室内关于地层微裂缝的模拟方法有很多。比如：砂床封堵实验法，用一定目数的石英砂替代滤纸，通过测量滤失量来评价封堵实验；平滑钢块模拟法，将与岩心等尺寸的钢柱从中间割开，用两个截面为半圆的钢柱或者钢片中间夹不同厚度的纸张来模拟不同宽度的裂缝，然后放入封堵实验仪中进行封堵评价；透明钢化玻璃模拟法，待测岩样为一组透明钢化玻璃，在其表面进行化学刻蚀以模拟泥页岩裂缝表面的粗糙度，最终形成一组深度范围在10~100μm的裂缝。这些方法在一定程度上实现了微裂缝的模拟，对研制封堵能力较强的钻井液配方具有一定的指导意义。但这些方法都不能有效模拟微纳米级孔隙结构，导致钻井液对微纳米级孔隙的封堵能力较弱，在现场施工时，泥页岩水化膨胀、井壁剥落、坍塌等事故依然发生。


技术实现要素：

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本发明在于克服背景技术中存在的现有方法不能有效模拟微纳米级孔隙结构导致钻井液对微纳米级孔隙的封堵能力较弱的问题，而提供一种泥页岩微纳米级孔隙模拟封堵评价装置。该封堵评价装置，可用于封堵剂的优选实验和钻井液封堵能力评价实验，为泥页岩地层的井壁稳定技术研究提供可靠的评价测试方法。本发明还提供一种泥页岩微纳米级孔隙模拟封堵评价方法。
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本发明解决其问题可通过如下技术方案来达到：一种泥页岩微纳米级孔隙模拟封堵评价装置，包括泥浆杯，所述泥浆杯装有下杯盖、上杯盖，所述下杯盖、上杯盖分别连接阀杆；泥浆杯的顶部阀杆通过高压管线与气源相连，并由销子进行固定；泥浆底部的阀杆通过高压管线与冷凝接收装置相连，并由销子进行固定；冷凝接收装置出液口的下端放置量筒；所述泥浆杯置于加热套内，泥浆杯内装有待测液体，待测液体底部置有不锈钢粉末片。
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所述泥浆杯的顶、底部的高压管线上分别接有压力表；泥浆杯上部和下部的压力差为3.5mpa；所述不锈钢粉末片孔径范围在10nm~500μm之间；所述不锈钢粉末片厚度范围在5~10mm之间。
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所述不锈钢粉末片孔径分布范围广、厚度可控，且内部剖面表面粗糙，与泥页岩地层孔隙结构内部特征相近，可以真实模拟泥页岩纳米级到微米级的孔隙结构和封堵材料在裂缝内部通道的堆积和封堵过程。
[0009]
本发明还提供一种应用封堵评价装置的泥页岩微纳米级孔隙模拟方法，包括以下步骤：（1）选用所需孔径范围的不锈钢粉末片，用于真实模拟泥页岩纳米级到微米级的孔隙结构；（2）配制待测液体，所述待测液体包括膨润土浆及封堵剂；（3）利用封堵装置对微纳米级裂缝的封堵效果进行评价：将阀杆与泥浆杯上杯盖连接，并固定在泥浆杯顶部；然后倒置泥浆杯，倒入步骤（2）待测液体至刻度线，然后安放步骤（1）模拟地层空隙结构的不锈钢粉末片；盖上下杯盖，连接阀杆并拧紧；然后将泥浆杯倒置，使有不锈钢粉末片的一端朝下放入加热套；然后在泥浆杯的上下阀杆连接气源，并将加热套温度设为井底温度，即可在模拟井底温度条件下测试待测液体对指定裂缝的封堵性能。
[0010]
本发明与上述背景技术相比较可具有如下有益效果：（1）不锈钢粉末片孔径范围在10nm~500μm之间，可以真实模拟泥页岩纳米级到微米级的孔隙结构；（2）不锈钢粉末片厚度可以控制在5~10mm之间，可以模拟封堵材料在裂缝内部通道的堆积和封堵过程；（3）不锈钢粉末片内部剖面表面粗糙，与泥页岩地层孔隙结构内部特征相近；（4）本发明封堵评价装置，温度范围为室温～300℃，压力 3.5～5.0mpa，能够满足中浅层井到高温深井的温度和压力模拟要求。附图说明：附图1为本发明的封堵评价装置示意图；附图2为本发明实施例1磺化沥青对纳米级孔隙封堵曲线图；附图3为本发明实施例3封堵剂复配后对纳米级孔隙封堵曲线图。
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图中：１压力表；２泥浆杯；３加热套；４不锈钢粉末片；５冷凝接收装置；６量筒；７气源。
[0012]
具体实施方式：下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明：如图１所示，该封堵评价装置，包括泥浆杯２，泥浆杯２装有下杯盖、上杯盖，所述下杯盖、上杯盖分别连接阀杆；泥浆杯的顶部通过高压管线和阀杆与气源７相连，并由销子进行固定，从顶部给泥浆杯提供高压气源压力；泥浆底部２的阀杆通过高压管线与冷凝接收装置５相连，并由销子进行固定，从底部给泥浆杯提供低压气源压力，泥浆杯上部和下部的压力差为3.5mpa ；冷凝接收装置５出液口的下端放置量筒６，用以收集从冷凝接收装置中滴出的滤失量；所述泥浆杯置于加热套３内，泥浆杯内装有待测液体，待测液体底部置有不锈钢粉末片４；泥浆杯的顶、底部的高压管线上分别接有压力表１。
[0013]
该封堵评价装置用于泥页岩微纳米级孔隙模拟方法为：将阀杆与泥浆杯上杯盖连
接，并固定在泥浆杯顶部；然后倒置泥浆杯，倒入待测液体至刻度线，然后安放模拟地层空隙结构的不锈钢粉末片；盖上下杯盖，连接阀杆并拧紧；然后将泥浆杯倒置，使有不锈钢粉末片的一端朝下放入加热装置；然后在泥浆杯的上下阀杆连接气源，并将加热套温度设为井底温度。即可在模拟井底温度条件下测试待测液体对指定裂缝的封堵性能。
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实施例1选用孔径直径为50nm、200nm、100μm的三种不锈钢粉末片，配制三份基浆待测液体（4%膨润土浆+3%磺化沥青封堵剂），利用本发明的封堵装置对微纳米级裂缝的封堵效果进行评价：将阀杆与泥浆杯上杯盖连接，并固定在泥浆杯顶部；然后倒置泥浆杯，将待测液体倒入泥浆杯至内壁刻度线；接着放置50nm不锈钢粉末片；盖上下杯盖，连接阀杆并拧紧；然后将泥浆杯倒置，使有不锈钢粉末片的一端朝下并放入加热套；然后在泥浆杯的上下阀杆连接气源，并将加热套温度设为井底温度120℃，压力差3.5 mpa，即可在模拟井底温度条件下测试待测液体对指定裂缝的封堵性能。实验结束后，用200nm和100μm不锈钢粉末片重复以上操作步骤，可评价基浆待测液体对200nm和100μm孔隙结构的封堵效果。50nm、200nm、100μm三种不锈钢粉末片封堵效果见附图2。
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从图2可知，孔径越小滤失量越大，随着加量增加，50nm薄片滤失量降低趋势比200nm、300nm薄片降低趋势平稳。这主要是由于磺化沥青中大的惰性颗粒含量较高，大都属于微米级，而薄片孔径属于纳米级，二者直径匹配度较差，很难形成有效封堵，最终导致滤失量较大。
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实施例2选用孔径直径为200nm的不锈钢粉末片，将磺化沥青封堵剂与微纳米聚合物封堵材料np-1（粒径分布范围在10nm~200μm之间）按照1:1、2:1、3:1、4:1的不同比例复配成一种封堵材料，将这种封堵材料按1%~4%的加量加入到4%膨润土浆中配置成待测浆，进行120℃高温高压滤失实验。具体操作步骤为：将阀杆与泥浆杯上杯盖连接，并固定在泥浆杯顶部；然后倒置泥浆杯，将待测液体倒入泥浆杯至内壁刻度线；接着放置200nm不锈钢粉末片；盖上下杯盖，连接阀杆并拧紧；然后将泥浆杯倒置，使有不锈钢粉末片的一端朝下并放入加热套；然后在泥浆杯的上下阀杆连接气源，并将加热套温度设为井底温度120℃，压力差3.5 mpa，即可在模拟井底温度条件下测试待测液体对指定裂缝的封堵性能。实验结束后，用不同比例的配方和加量继续进行封堵评价实验。磺化沥青与纳米材料复配实验数据见表1所示，加入微纳米封堵材料后，高温高压滤失量大幅度下降，由原来32ml 最低减少10ml 以上；在比例为3:1，总体加量2%时，滤失量下降最明显。
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表1（单位：ml） 1:12:13:14:11%23.524.223.823.92%19.620.612.812.03%17.416.912.611.84%16.816.311.511.6实施例3选用孔径分别为50nm、200nm、100μm三种不锈钢粉末片，配置与实施例2相同的待测浆，利用本发明的装置进行封堵实验。如图3所示，三种孔径薄片的滤失量都较低，在总体加量
达到2%以后，滤失量变化已经趋于平稳，与微米级滤纸实验结果一致，说明加入纳米材料使纳米级孔隙的封堵效果得到明显改善。
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实施例使用的微纳米封堵材料为微纳米聚合物封堵材料np-1，粒径分布范围在10nm~200μm之间，由山东得顺源石油科技有限公司生产；不锈钢粉末片购自昆山方豆电子科技有限公司。