一种高温高压含地层流体大孔缝堵漏模拟装置及方法

本发明属于油气井工程，具体涉及一种高温高压含地层流体大孔缝堵漏模拟实验装置及方法。

背景技术：

1、随着石油勘探开发的深入，深井超深井所钻遇的复杂地层越来越多，钻井液频繁大量漏失的问题日益突出，严重影响钻井安全、限制钻井速度、损耗钻井液材料，且钻井液一旦漏入储层，将会对储层造成严重的损害，严重影响油气产量和开发效益，如中石化西北油田分公司的火成岩大裂缝、碳酸盐大缝洞所引起的恶性漏失，已严重影响其开发效益。常规堵漏模拟实验装置及方法大多针对小孔缝研发，用于评价常规堵漏材料在小孔缝中滞留、架桥、填塞进而封堵漏层的能力。如“智能高温高压动态堵漏评价实验仪”（cn1731176a），通过给泥浆罐中加入堵漏剂的钻井液与完井液在模拟地层温度、压力、流速的条件下，由泥浆泵驱动活塞式高温高压泥浆罐中的入井流体，对钢珠漏床、人造缝板和地层岩心进行堵漏实验，从而评价钻井液与完井液中堵漏材料的堵漏效果；“高温高压漏失地层模拟封堵测试装置”（cn102518432a），针对常规漏失，模拟钻井液在不同工况条件的堵漏过程，测试堵漏相关参数、确定封堵效果，从而评价堵漏剂及钻井液的封堵性能；“高温高压钻井液漏失动态评价仪”（cn102562040a），用于模拟复杂裂缝的漏失和堵漏过程，其裂缝模块主要由上柱体、下柱体和加热板组成，带凹槽的上、下柱体中间放置橡胶垫片形成裂缝，具有自动化程度高、功能齐全、裂缝模块类型齐全且尺寸大、实时监测钻井液滤失等特点，克服了常规堵漏装置尺寸规模偏小、裂缝类型单一，且不能模拟复杂缝洞性漏失以及裂缝壁面滤失，不能评价封堵层位置及其渗透性方面的不足；“一种高温高压循环钻井液模拟堵漏实验装置”（cn215985935u），能够模拟堵漏钻井液封堵漏层中裂缝的过程。

2、上述方法及装置都是通过模拟堵漏材料在漏层孔缝中滞留、架桥、填塞、形成封堵带进而封堵漏层，常规堵漏材料由于其尺寸小，难以在大孔缝中滞留、架桥和填塞，并不适于模拟对含地层流体大孔缝漏层的封堵过程。

3、固化胶结型堵漏浆通过其在大孔缝中固化、胶结、形成高强度的固化体而实现对大孔缝漏层的有效封堵，但由于其堵漏机理不同于常规堵漏材料的滞留、架桥和填塞，且体系中不一定含有纤维、颗粒等架桥类物理堵漏材料。因此，当前评价常规堵漏材料封堵小孔缝堵漏效果的常规堵漏模拟装置，难以评价此类固化胶结型堵漏浆对大孔缝漏层的封堵能力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高温高压含地层流体大孔缝堵漏模拟装置，该装置贴合井下实际、结构简单可靠、操作简便快捷，为含地层流体大孔缝漏层的堵漏研究提供平台和手段。

2、本发明的另一目的还在于提供利用上述装置进行高温高压含地层流体大孔缝堵漏的模拟方法，通过更真实地模拟动态条件下含地层流体大孔缝漏层的堵漏过程，对固化胶结型堵漏浆的封堵效果进行量化评价。

3、为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

4、本发明针对常规堵漏材料和堵漏浆难以有效封堵的大孔缝漏层，由常规堵漏材料在孔缝中的架桥和填塞，转变到堵漏浆在含地层流体大孔缝中的充填、固化、胶结。

5、考虑到大孔缝中存在地层流体，堵漏浆进入漏层时必须排开地层流体，堵漏浆在大孔缝中推进时可能受到地层流体的污染/破坏、堵漏浆和地层流体之间的密度差可能会影响堵漏浆在大孔缝中的分布进而影响封堵效果，本发明评价堵漏效果的内容，也从常规堵漏材料的种类粒度及加量组合、有效封堵前的漏失量、封堵层厚度、封堵层的击穿压力，转变为堵漏浆在孔缝中的抗水侵能力、滞留能力和充填效率以及堵漏浆固化后的强度、形成封堵带的厚度及承压能力等。

6、一种高温高压含地层流体大孔缝堵漏模拟装置，主要由模拟井筒、加压系统、加热系统、数据测试及采集系统组成。

7、所述模拟井筒包括釜盖、上釜体和下釜体，釜盖上设置进液口和排气口，模拟井筒通过进液口连接加压系统，上釜体内中心位置有圆柱形内筒，上釜体和下釜体通过法兰连接，上釜体和下釜体之间设置隔离孔缝板，实现对上、下釜体的机械隔离，并支撑位于上釜体中的内筒，下釜体底部连接底座，上、下釜体外壁设置加热保温套和温度传感器。

8、所述内筒中堆积不同尺寸的细沙/颗粒和圆球/石块，模拟不同孔缝尺寸的漏层。其中，圆球/石块的尺寸较大，直接堆积模拟大孔缝漏层，细沙/颗粒的尺寸较小，容易漏过中间隔离缝板，需用圆球/石块在其下做支撑。并用模拟地层流体将漏层淹没，模拟不同孔缝尺寸且含地层流体的漏层。

9、所述模拟井筒固定于旋转支架上，模拟井筒通过旋转调节其倾斜角度，模拟直井、大斜度井和水平井的状态。

10、所述上釜体为高压腔，通过氮气瓶进行加压，给堵漏浆提供排开大孔缝漏层中地层流体、在大孔缝漏层中推进的动力，以及堵漏浆固化胶结后测试封堵带击穿压力的动力。

11、所述下釜体为低压腔，盛有地层流体，模拟充满地层流体的溶洞，并承接穿过大孔缝漏层和中间隔离缝板的堵漏浆。

12、所述下釜体靠近中间隔离孔缝板处设有背压阀，可调节泄压值大小，在实验前关闭，确保下釜体、上釜体内充满地层流体，在堵漏浆穿过漏层和隔离孔缝板进入下釜体时对外排液泄压，根据其所排出的地层流体体积，控制堵漏浆的挤入量。

13、所述加压系统，包括氮气瓶、压力表、压力管线、储液罐和进液管线，氮气瓶通过压力管线给储液罐提供压力，将堵漏浆挤入模拟漏层，并通过背压阀处模拟地层流体的排除情况控制挤入的量；在模拟井筒内全部充满液体的情况下，背压阀的排出量即为挤入堵漏浆或顶替液的量；对不含桥堵材料的固化胶结型堵漏浆，挤注完成后调高背压阀的排放压力，对整个模拟井筒进行加压，在一定程度上模拟堵漏浆在井下的高压环境。

14、所述加热系统，包括温度传感器、加热保温套，用于测量、显示和控制模拟井筒内部的温度，模拟堵漏浆在井下漏层中的高温环境，加快堵漏浆的凝结过程。

15、所述数据测试及采集系统，包括设置在上下釜体上的压力传感器和背压阀排出液体积测量仪。对桥堵型堵漏浆，可根据挤注期间上腔压力的增加及稳定情况判断所用堵漏浆对模拟漏层的堵漏效果，同时，可利用背压阀排出液体积得到不同时刻的累计漏失量，进而详细、量化分析封堵带形成的大致过程。

16、所述釜盖、上釜体、内筒、下釜体、中间隔离孔缝板均由耐高温不锈钢材料制成。

17、所述釜盖和上釜体之间、上下釜体之间均采用丝扣和法兰进行连接，中间隔离孔缝板通过丝扣或台阶，坐于上釜体下端或下釜体上端。

18、利用上述装置进行高温高压含地层流体大孔缝堵漏的模拟方法，依次包括如下步骤：

19、（1）关闭背压阀，使上釜体与内筒的环形空间、下釜体内充满地层流体，向内筒由下至上堆积设定数量的石块/圆球、颗粒/细沙或其组合组成模拟漏层，灌注地层流体直至淹没模拟漏层；

20、（2）打开加热保温套加热至设定温度值，通过氮气瓶挤注储液罐中的堵漏浆进入内筒，堵漏浆排开或穿过地层流体后进入模拟漏层，堵漏浆在模拟漏层中形成封堵带，调节背压阀至设定压力值，在堵漏浆穿过模拟漏层和带孔缝隔离板进入下釜体时背压阀对外排液泄压；

21、（3）针对小孔缝漏层的桥堵类堵漏，根据挤注期间上釜体压力的增加及稳定情况，测量背压阀排出液体积，得到不同时刻的累计漏失量，判断堵漏浆对模拟漏层的堵漏效果；

22、（4）针对大孔缝漏层的胶结类堵漏，对模拟井筒加热保温，候凝一段时间，待堵漏浆固化胶结后，直接对上釜体加压，直至下釜体背压阀排液泄压，表明此时封堵带已经被击穿，上、下釜体之间的压差即是封堵带的承压能力；

23、（5）关闭加热保温套电源，对模拟井筒进行降温，当模拟井筒的温度降低至45°c以下时，通过排气阀、排液口分别对上、下釜体进行泄压；

24、（6）从内筒中顶出封堵带，得到其剪切胶结强度，从封堵带顶面向下截取50mm测试其抗压强度，对封堵带进行ct扫描观察模拟漏层被堵漏浆封堵后的内部结构。

25、与现有技术方法相比较，本发明具有以下有益效果：

26、 (1)可通过在内筒中堆积不同尺寸的细沙/颗粒/圆球/石块或其组合，模拟不同孔缝尺寸的漏层，既能用于常规钻井液针对小尺寸孔缝的桥堵模拟实验，也能用于固化胶结型堵漏浆对大孔缝漏层的模拟堵漏实验，此外，还可通过充满模拟地层流体的下腔，模拟缝洞型漏层常见的大溶洞；

27、 (2)充分考虑了大孔缝中含有地层流体、堵漏浆在孔缝中推进时可能被地层流体稀释破坏、进而影响堵漏浆固化后封堵带承压能力，更符合大孔缝漏层在井下的堵漏实际情况；

28、 (3)通过背压阀排出液体积测量，既可检测常规钻井液对小孔缝漏层进行桥堵时的瞬时及累计漏失量，又可控制固化胶结型堵漏浆在大孔缝漏层中的挤入量；

29、 (4) 既可通过检测堵漏过程中上下釜体之间的压差判断常规钻井液对小孔缝漏层的堵漏效果，也可在固化胶结型堵漏浆形成封堵带后通过上下釜体之间的压差得到封堵带的击穿压力；

30、 (5)对固化胶结型堵漏浆在大孔缝漏层中形成封堵带，既可用抗压强度试验机测其剪切胶结强度和抗压强度，也可通过ct扫描观察其内部结构情况，从而更好研究含地层流体大孔缝漏失层的堵漏机理，为优选适于含地层流体大孔缝漏失层的堵漏浆、提高大孔缝漏层的堵漏效率奠定基础。