一种测定泥页岩吸水扩散系数的试验装置及方法与流程

本发明涉及一种测定泥页岩吸水扩散系数的试验装置及方法，属于石油钻采领域。

背景技术：

钻井过程中由于泥页岩地层吸水导致的井壁坍塌往往引发起下钻过程中的阻卡或卡钻事故，损失巨大。为防止泥页岩地层的井壁坍塌，需要评价泥页岩在钻井液作用下的吸水扩散系数，并以此为基础优化钻井液性能。

泥页岩与钻井液接触，钻井液中的自由水向泥页岩内部运移，泥页岩内部含水量的分布规律受吸水扩散方程的控制，与常规的泥页岩浸泡试验相比，井下条件下泥页岩吸水存在以下区别：1)井壁周围地层吸水主要发生在径向，井壁内部任意一点的含水量随空间位置和井眼钻开时间变化，2)钻井液存在循环，3)井周地层处于高温高压环境。如果能够近似真实地模拟井下条件测量并评价泥页岩的吸水扩散系数，从而以此为基础优化钻井液性能，对于防止泥页岩地层坍塌，保证钻井安全高效钻井具有非常大的意义，但是目前针对泥页岩吸水扩散系数的测量多以简单的浸泡试验代替，只是一种定性评价方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种测定泥页岩吸水扩散系数的试验装置及方法，能够定量测定泥页岩的吸水扩散系数，克服现有泥页岩浸泡吸水测量不能反映井下条件的局限性，即只能定性，不能定量的不足，从而真实模拟真实地层环境下泥页岩的吸水扩散特征。

本发明所提供的测定泥页岩吸水扩散系数的试验装置，包括一高压釜；所述高压釜内设有泥页岩厚壁圆柱筒；

所述泥页岩厚壁圆柱筒的两端密封设置，且所述泥页岩厚壁圆柱筒的上端口连接入口管线，下端口连接出口管线，所述入口管线与所述出口管线的另一端延均伸至所述高压釜之外，可通过泵送装置与管线进行连接，用于钻井液的循环；

所述泥页岩厚壁圆柱筒的上端设有轴向应力施加装置，用于对所述泥页岩厚壁圆柱筒施加轴压。

上述的试验装置中，所述泥页岩厚壁圆柱筒外包覆有密封套。

上述的试验装置中，所述泥页岩厚壁圆柱筒的两端采用密封块密封，所述密封块外包覆有所述密封套。

上述的试验装置中，所述高压釜内设有热电偶，以控制所述高压釜内的温度。

利用所述试验装置，可实现对泥页岩的吸水扩散系数的定量测定，具体包括如下步骤：

1)利用所述高压釜和所述轴向应力施加装置向所述泥页岩厚壁圆柱筒分别施加围压和轴压；

2)通过所述入口管线向所述泥页岩厚壁圆柱筒内注入钻井液，同时调整所述出口管线上的阀门使所述泥页岩厚壁圆柱筒内的钻井压力为模拟井眼内压力，并保持所述钻井液的循环；

3)试验结束后，释放所述泥页岩厚壁圆柱筒内的压力，取出所述泥页岩厚壁圆柱筒，测量所述泥页岩厚壁圆柱筒的重量，得到泥页岩的含水量增量；

4)对所述泥页岩厚壁圆柱筒进行扩孔，记录扩孔后所述泥页岩厚壁圆柱筒的内径和重量，然后重复步骤1)-3)至少一次；

5)利用有限差分将径向吸水扩散方程离散，并将试验结束时不同半径处泥页岩的含水量增量表达为吸水扩散系数、初始含水量和饱和含水量的函数；

6)在与步骤5)中相同离散网格条件下，对试验结束时刻的不同扩孔内径条件下的泥页岩的含水量增量进行积分计算，含水量增量仍是吸水系数扩散系数、初始含水量和饱和含水量的函数，即得到泥页岩的吸水扩散系数。

上述的方法中，步骤5)中，所述径向吸水扩散方程依据质量守恒定律建立，过程如下：

▽q表示水分吸附的质量流量变化量，w表示泥页岩的含水量，t表示饱和钻井液时间(测试时间)，

并假设：

其中，▽w表示泥页岩的含水量增量，q表示水分吸附的质量流量，cf表示吸水扩散系数，与泥页岩和钻井液的性质相关；

将上述方程带入柱坐标系(区别于直角坐标系，计算转换之后分别用半径，角度和纵向坐标替代原直角坐标系中的x,y,z表示方法)中，得到径向吸水扩散方程如式(3)所示：

式(3)中，r表示未扩孔或经扩孔后距离所述泥页岩厚壁圆柱筒轴线的半径；

该方程的求解方式一般为利用边界条件：在筒壁处，即r＝a(a为未扩孔的所述泥页岩厚壁圆柱筒的内半径)时，含水量为饱和含水量，即w＝ws；当r＝∞(在该方法中为所述泥页岩厚壁圆柱筒外半径l)，含水量为地层原始含水量，即w＝w0，由此，

可得到含水量增量w(r,t)的解析解为：

其中j0()、y0()分别为零阶第一类和第二类essel函数；

利用有限差分法对上述积分方程进行求解，即可得到井周地层在不同位置不同时刻的含水量。

依据本发明的试验装置，泥页岩水化仅沿径向方向向前延伸，为一维传播，因此可对上述含水量求解方程进行简化，得到所述泥页岩厚壁圆柱筒的某一半径处地层的含水量为：

其中erfc()为误差补偿函数，具体表示为：

式中表示符合高斯正态随机分布变量η(本发明中为含水量分布)在积分区间(x,∞)内(本发明中为未扩孔或经扩孔后的泥页岩厚壁圆柱筒的内半径a处至外半径l处)的不定积分。

对上述方程进行变形，则在试验时间确定的条件下，含水量增量可表达为：

即含水量增量为吸水扩散系数、初始含水量及饱和含水量的函数。

上述的方法中，步骤6)中，在测试时间确定的条件下，含水量增量径向分布函数为一确定函数，并不随扩孔测量等操作而改变(不考虑测试过程中的自然蒸发等引起的变化)，因此，在步骤5)中相同离散网格条件下，多次扩孔测试试验结束时刻后，不同扩孔内径条件下的样品含水量增量测量结果，仍为同一吸水扩散系数、初始含水量及饱和含水量的函数。

利用扩孔后不同的径向区域范围，对式(6)进行积分，得到方程组，求解方程组即得到泥页岩的吸水扩散系数。

如进行两次扩孔时，对式(6)进行积分得到式(7)所示方程组：

其中，δw1，δw2，δw3分别表示未扩孔前、第一次和第二次扩孔后的含水量增量；l表示所述泥页岩厚壁圆柱筒的外半径，δr1，δr2分别表示第一次与第二次扩孔的半径增量，a表示未扩径的所述泥页岩厚壁圆柱筒的内半径；

求解上述积分方程，得到初始含水量、饱和含水量和的值，然后将这三个值代入式(6)中，再结合误差补偿函数即获得精确的地层吸水扩散系数，相较于传统测试中先测定(或认为假定)初始含水量及饱和含水量的方法，更接近于真实的地层情况。

若扩孔多于两次，可利用最小二乘法对测量数据进行处理，再带入方程(7)中得到所述吸水扩散系数。

上述的方法中，利用所述热电偶调整所述高压釜内温度至模拟地层温度。

本发明试验装置可以模拟井下条件下的吸水特征，因此可以分析井下温压条件对泥页岩的吸水特性的影响规律。

本发明试验装置可以模拟钻井液的循环流动，因此可以分析滤饼性质对泥页岩吸水特征的影响规律。

利用本发明试验装置，通过两次扩孔泥页岩厚壁圆柱筒质量的测量，可以定量评价泥页岩吸水扩散吸水。

本发明提供了模拟井下温压及钻井液循环条件下的吸水扩散系数试验装置及吸水扩散系数的测定方法，可以研究井下温压条件、钻井液性能等因素对泥页岩吸水特性的影响，并能够定量测定吸水扩散系数，有助于优化防塌钻井液性能，防止泥页岩井壁周期性坍塌，对于安全有效钻井具有重要的意义。

本发明提供的试验装置稳定可靠，相应的方法简单可行，能够真实模拟真实地层环境下泥页岩的吸水扩散特征。

附图说明

图1为本发明测定泥页岩吸水扩散系数的试验装置的结构示意图；

其中，各标记如下：1轴向压力施加装置，2高压釜，3钻井液入口管线，4泥页岩厚壁圆柱筒，5密封套，6钻井液出口管线，7热电偶。

图2为本发明测定泥页岩吸水扩散系数的试验装置中试验岩心的示意图。

其中，r表示泥页岩厚壁圆柱筒4的外径，ri表示泥页岩厚壁圆柱筒的内径以及试验后通过扩孔改变的内径，h表示泥页岩厚壁圆柱筒的高度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，为本发明提供的测定泥页岩吸水扩散系数的试验装置的结构示意图，它包括高压釜2，用于施加围压。高压釜2内设有泥页岩厚壁圆柱筒4，用于模拟泥页岩地层，其结构示意图如图2所示。泥页岩厚壁圆柱筒4的两端由密封块(图中未标)密封，泥页岩厚壁圆柱筒4和密封块外包覆有密封套5。泥页岩厚壁圆柱筒4的上端口连接钻井液入口管线3，下端口连接钻井液出口管6线，钻井液入口管线3与钻井液出口管线6的另一端延伸至高压釜2之外，使用时，可通过泵送装置与管线进行连接，实现钻井液的循环。泥页岩厚壁圆柱筒4的上端设有轴向应力施加装置1，用于对泥页岩厚壁圆柱筒4施加轴压。高压釜2内设有热电偶7，以控制高压釜2内的温度。

利用本发明试验装置进行泥页岩的吸水扩散系数的测定时，可按照如下步骤进行：

(1)利用密封套5加工好并称重的泥页岩厚壁圆柱筒4试件与上下密封块密封，与钻井液入口管线3和钻井液出口管线6连接，并放入高压釜2内，向高压釜2加液压油至压力达到模拟地层压力，给泥页岩厚壁圆柱筒4施加围压。

(2)通过轴向应力施加装置1，给泥页岩厚壁圆柱筒4施加轴向压力值模拟地层压力。

(3)打开热电偶7，调整高压釜2内温度至模拟地层温度。

(4)打开钻井液入口管线3上的阀门，向泥页岩厚壁圆柱筒4内注入钻井液，同时调整钻井液出口管线6上的阀门至泥页岩厚壁圆柱筒4内钻井压力为模拟井眼内压力，并保持钻井液循环。

(5)记录试验开始时间，24小时后结束试验。

(6)释放泥页岩厚壁圆柱筒4的温压，取出试件，并测量试件重量，计算含水量增量。

(7)对泥页岩厚壁圆柱筒4进行扩孔，记录扩孔后的内径和重量，重复上述过程至少一次。

(8)利用有限差分将径向吸水扩散方程离散，并将试验结束时不同半径处泥页岩的含水量增量表达为吸水扩散系数、初始含水量和饱和含水量的函数；

(9)在与步骤(8)中相同离散网格条件下，对试验结束时刻的不同扩孔内径条件下的泥页岩的含水量增重进行积分计算，含水量增量仍是吸水系数扩散系数、初始含水量和饱和含水量的函数，即得到泥页岩的吸水扩散系数。

具体地，含水量增量表达式为：

δw(r)表示不同半径处泥页岩的含水量增量，w0表示初始含水量，ws表示饱和含水量；t表示饱和钻井液时间；erfc()表示误差补偿函数。

进行两次扩孔，利用扩孔后不同的径向区域范围，对上式进行积分，得到方程组，如下：

求解该方程组，得到初始含水量w0、饱和含水量ws和的值，然后将这三个值代入式(6)中，再结合误差补偿函数即获得精确的地层吸水扩散系数cf，相较于传统测试中先测定(或人为假定)初始含水量w0及饱和含水量ws的方法，更接近于真实的地层情况。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合使用，因此本发明当然地涵盖了与本案发明点有关的其他组合及具体应用。