应力-钻井液流动-水化对地层作用的测试装置及方法

1.本发明属于油气钻井工程领域，具体地，涉及一种应力-钻井液流动-水化对地层作用的测试装置及方法。


背景技术：

2.油气藏钻井过程中，由于井壁附近岩石孔隙内地层孔隙流体与井筒内循环流动的钻井液在物理化学性质上的差异，会发生孔隙流体压力、密度、离子组成、毛细管力的变化。同时，钻井液的温度和压力随着井筒深度的增大而增大，进一步地影响钻井液的理化性质。在这种复杂的影响下，井壁岩石包括力学性质在内的各项性质都会发生改变。cn20170010420公开了一种地层条件下泥岩、钻井液相互作用模拟实验装置及方法，虽然能够模拟高温高压地层条件下钻井液与岩样相互作用，但没有考虑到岩样本身的应力状态对与钻井液作用后的岩样性质的影响。事实上，对于不同地质环境下的地层岩石，其原地应力状态不同，钻开井眼后井壁岩石的应力状态可能存在较大差异，这时岩石本身的应力状态是井筒内循环钻井液对井壁岩石性质的影响的重要因素。准确获取钻井液对不同应力条件下的井壁岩石性质的影响规律，对于钻井过程中井壁稳定性分析以及钻井液性能评价具有至关重要的指导作用，同时也为油气井高效钻完井的方案设计及优化奠定基础。本发明提出一种应力-钻井液流动-水化对地层作用的测试装置及方法，准确获取钻井液对不同应力条件下的井壁岩石性质的影响规律，实现对地层参数的有效性、精确性研究。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明提出一种应力-钻井液流动-水化对地层作用的测试装置及方法，实现了地层应力状态、钻井液的温度、压力、流速以及水化作用对地层性质影响的综合研究，具有高效率和高精度的优点。
4.应力-钻井液流动-水化对地层作用的测试装置，所述测试装置包括压力釜、中央控制伺服器、钻井液控制系统、温度控制系统、循环控制系统、液压系统和变形监测系统，
5.所述钻井液控制系统、温度控制系统、循环控制系统、液压系统和变形监测系统分别与中央控制伺服器相连；
6.所述钻井液控制系统通过压力传感器和钻井液注入放空管线与压力釜相连，所述压力传感器设置在压力釜上且深入压力釜内部，所述钻井液控制系统为所述中央控制伺服器采集所述压力传感器的压裂液压力数据，并根据所述中央控制伺服器的指令，通过所述钻井液注入放空管线完成所述压力釜内的抽真空以及钻井液的注入、增压和返排；
7.所述压力釜釜体外部覆盖有电磁加热装置，压力釜底部集成有温度传感器，所述温度控制系统分别与温度传感器和电磁加热装置相连；
8.所述压力釜底部设置有循环扰动器且深入压力釜内部，所述循环控制系统通过循环扰动器与压力釜相连；
9.所述液压系统通过液压管线与压力釜的液压腔相连；
10.所述压力釜内部充满钻井液，测试岩样放置在压力釜内，在每个测试岩样的轴向和径向分别设置有高精度应变片，所述变形监测系统通过高精度应变片及数据传输线缆与压力釜内的测试岩样相连；
11.所述压力釜将压力釜顶部液压腔内的液压压力转化为对压力釜中每个测试岩样施加的不同大小轴压，与高温高压循环钻井液作用，测定所需的岩样参数。
12.进一步地，所述压力釜为耐高温、耐高压、耐腐蚀的合金材料制成，包括可拆卸式密封顶盖、高导热釜体、固定式密封底盖和压力转换压头，所述可拆卸式密封顶盖设置在高导热釜体顶部且通过紧固螺栓连接，所述可拆卸式密封顶盖内部形成有中空的液压腔，所述液压腔下腔壁上等距分布有若干个相同的阶梯状压头凹槽，所述阶梯状压头凹槽将液压腔下腔壁与可拆卸式密封顶盖下表面连通，所述压力转换压头设置在阶梯状压头凹槽内。
13.进一步地，所述固定式密封底盖上集成安装了温度传感器、压力传感器、循环扰动器及钻井液注入与放空管线、数据传输线缆；且固定式密封底盖的内表面分布有相同径向尺寸的用于固定岩样的若干凹槽；
14.所述压力转换压头其一端径向尺寸与所述可拆卸式密封顶盖阶梯状压头凹槽内某一阶梯相同，另一端径向尺寸与所述固定式密封底盖内表面凹槽相同，所述压力转换压头侧面与阶梯状压头凹槽接触处设置有密封圈，每个所述压力转换压头预先被装配在所述阶梯状压头凹槽中。
15.进一步地，所述阶梯状压头凹槽、所述固定式密封底盖内表面凹槽和所述压力转换压头的数量相等；所述固定式密封底盖内表面凹槽径向尺寸与测试岩样的尺寸相同。
16.一种采用应力-钻井液流动-水化对地层作用的测试装置的测试方法，所述测试方法包括以下步骤：
17.步骤1、取下可拆卸式密封顶盖，向压力釜内放置若干测试岩样，每个测试岩样底部均放置在固定式密封底盖内表面凹槽内，在每个测试岩样的轴向和径向分别设置高精度应变片，然后将压力转换压头与可拆卸式密封顶盖的装配体准确放置于测试岩样顶部，并将可拆卸式密封顶盖安装紧固；
18.步骤2、开启液压系统，通过液压管线向液压腔注入液压油，直至液压腔内达到指定液压值，利用钻井液控制系统和钻井液注入放空管线对压力釜内部抽真空，然后通过钻井液注入放空管线向压力釜内注入钻井液并加压，加压过程中钻井液控制系统通过压力传感器实时监测压力釜内压力，直至到达指定压力后停止加压，利用温度控制系统开启电磁加热装置并获得温度传感器数据，将钻井液加热到指定温度，利用循环控制系统开启循环扰动器使钻井液在压力釜内以指定速度循环流动；
19.步骤3、钻井液与测试岩样作用一定时间后，记录中央控制伺服器采集的不同应力条件下每个测试岩样的轴向和径向应变数据，然后关闭各系统，压裂液返排，打开可拆卸式密封顶盖取出测试岩样并测定计算各项所需性质参数。
20.有益效果：本发明具有的有益效果如下：
21.1)在相同钻井液环境条件下，采用压力转换压头，将三轴力学实验机对压力釜可拆卸式密封顶盖液压腔内的液压压力转化为对压力釜中每个测试岩样施加的不同大小轴压，控制了单一变量，研究精度和研究效率提高。
22.2)可以模拟实际钻井施工过程中井筒内的高温高压条件与钻井液的循环流动，能
够获得符合工程实际情况的研究结果。
23.3)压力釜结构简单可靠，实验装置整体实现了信息化、模块化控制装置操作更加规范化。
附图说明
24.图1为本发明所述的模拟研究装置示意图；
25.图2为本发明图1虚线框内压力釜纵向剖切展开后的内部结构示意图；
26.图3为图2aa
′
截面的剖面俯视图；
27.图4为本发明所述的固定式密封底盖内表面俯视图；
28.图5为本发明所述的压力转换压头示意图；
29.图6为本发明所述的肋板型循环扰动器横截面图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
31.如图1所示，为本发明所述的应力-钻井液流动-水化对地层作用的测试装置示意图，包括压力釜1、中央控制伺服器4、钻井液控制系统3、温度控制系统2、循环控制系统5、液压系统6及变形监测系统。所述钻井液控制系统3、温度控制系统2、循环控制系统5、液压系统6及变形监测系统分别与中央控制伺服器4相连。所述钻井液控制系统3通过压力传感器1-6和钻井液注入放空管线7与压力釜1相连。所述温度控制系统2通过温度传感器1-5和电磁加热装置1-8与压力釜1相连。所述循环控制系统5通过肋板型循环扰动器1-7与压力釜1相连。所述液压系统6通过液压腔1-10和液压管线11与压力釜1相连。所述变形监测系统通过高精度应变片12及数据传输线缆8与压力釜1内的测试岩样9相连。
32.如图2所示，为本发明所述的压力釜纵向剖切展开后的内部结构示意图。压力釜1为耐高温、耐高压、耐腐蚀的合金材料制成，包括圆形可拆卸式密封顶盖1-1、高导热圆筒釜体1-2、圆形固定式密封底盖1-3以及压力转换压头1-4。可拆卸式密封顶盖1-1、圆形固定式密封底盖1-3与高导热圆筒釜体1-2之间为螺栓连接。图3、图4、图5分别为图2中aa
′
截面的剖面俯视图、固定式密封底盖1-3内表面俯视图以及压力转换压头1-4示意图。所述可拆卸式密封顶盖1-1内部形成有中空的液压腔体1-10，液压管线通过液压管线安装孔1-1-2与液压腔体1-10连接。所述液压腔体1-10下腔壁上等距分布有4个相同的阶梯状压头凹槽1-1-1。所述阶梯状压头凹槽1-1-1每个阶梯的直径分别为φ1＝50mm、φ2＝45mm、φ3＝40mm、φ4＝35mm。所述阶梯状压头凹槽1-1-1将液压腔体1-10下腔壁与可拆卸式密封顶盖1-1下表面连通。压力釜1内腔尺寸为φ＝150
×
50mm。所述固定式密封底盖1-3上集成安装了温度传感器1-5、压力传感器1-6、肋板型循环扰动器1-7及钻井液注入放空管线7、数据传输线缆8。且其内表面分布有相同直径φ0＝25mm，深度3mm的4个固定式密封底盖内表面凹槽1-3-1，所述固定式密封底盖1-3上还设置有压力传感器安装孔1-3-2、肋板型循环扰动器安装孔1-3-3、温度传感器安装孔1-3-4、钻井液注入放空管线安装孔1-3-5、密封圈1-3-6；、螺栓连接孔1-3-7。
33.所述高导热圆筒釜体1-2外部覆盖有所述电磁加热装置1-8。所述压力转换压头1-4其一端径向尺寸与所述可拆卸式密封顶盖1-1阶梯状压头凹槽1-1-1内某一阶梯相同，另一端径向尺寸与所述固定式密封底盖1-3内表面凹槽1-3-1相同。所述压力转换压头1-4两端侧面与阶梯状压头凹槽1-1-1接触处设置有密封圈1-9。每个所述压力转换压头1-4预先被装配在所述阶梯状压头凹槽1-1-1中，在液压腔体1-10和钻井液腔体间起到密封隔离作用。
34.所述可拆卸式密封顶盖1-1阶梯状压头凹槽1-1-1、所述固定式密封底盖1-3内表面凹槽1-3-1、所述压力转换压头1-4的数量都为4个。所述固定式密封底盖1-3内表面凹槽1-3-1直径与测试岩样9相同，测试岩样9选用4个相同物理性质参数的标准尺寸(25
×
50mm)岩样。
35.所述钻井液控制系统3为所述中央控制伺服器4采集所述压力传感器1-6的压裂液压力数据p，并根据所述中央控制伺服器4的指令，通过所述钻井液注入放空管线7完成所述压力釜1内的抽真空以及钻井液10的注入、增压和返排。
36.所述温度控制系统2为所述中央控制伺服器4采集所述温度传感器1-5数据t，并根据所述中央控制伺服器4的指令直接控制所述电磁加热装置1-8。
37.所述循环控制系统5根据所述中央控制伺服器4的指令直接控制所述肋板型循环扰动器1-7，实现所述压力釜1内钻井液10的循环流动。图6为本发明所述的肋板型循环扰动器1-7横截面图。
38.使用图1所示实验装置进行应力-钻井液流动-水化对地层联合作用的实验方法，，所述方法具体包括以下步骤：
39.(1)取下可拆卸式密封顶盖1-1，向压力釜1内放置4个测试岩样9，每个测试岩样9底部均放置在固定式密封底盖1-3内表面凹槽1-3-1内，在每个测试岩样9的轴向和径向分别设置高精度应变片12。然后将压力转换压头1-4与可拆卸式密封顶盖1-1的装配体准确放置于测试岩样9顶部，并使用紧固螺栓13将可拆卸式密封顶盖1-1安装紧固；
40.(2)开启液压系统6直至液压腔1-10内达到指定液压p
l
＝35mpa，不同的压力转换压头1-4将液压转换为对测试岩样9的不同轴向压力。利用钻井液控制系统3和钻井液注入和放空管线7对密封压力釜1内部抽真空，然后向压力釜1内注入钻井液10并加压到指定压力pw＝25mpa。利用温度控制系统2开启电磁加热装置1-8并获得温度传感器1-5数据，将钻井液10加热到指定温度tw＝80℃。利用循环控制系统5开启肋板型循环扰动器1-7并调整转速为200转/分，使钻井液10在压力釜1内循环流动；
41.(3)钻井液10与测试岩样9作用一定时间后，记录中央控制伺服器4采集的不同应力条件下每个测试岩样9的轴向和径向应变数据，然后关闭各系统，压裂液10返排，打开可拆卸式密封顶盖1-1取出测试岩样9并测定计算各项所需性质参数。本发明实现了高温高压的井筒环境下，应力-钻井液流动-水化对地层联合作用的实验研究。在模拟了实际地层钻井工况的温度、压力以及钻井液循环条件的前提下，利用压力转换压头1-4完成对测试岩样9不同模拟地应力的施加，具有较高的研究精度和研究效率。
42.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。