考虑地层岩石力学特性及裂缝特征的堵漏评价装置及方法

本发明涉及石油钻井工程堵漏，尤其涉及一种考虑地层岩石力学特性及裂缝特征的堵漏评价装置及方法。

背景技术：

1、井漏是在建井周期各种井下作业中，钻井液、完井液、水泥浆等油气井工作液在井内压力与地层流体压力压差作用下大量漏入地层的复杂情况。因此，在钻完井过程中，为预防漏失往往需要向钻井液中加入防漏堵漏材料来提高钻井液预防漏失能力和地层承压能力，或井下已发生漏失后进行停钻堵漏。目前防漏堵漏评价装置种类繁杂多样，如中国发明专利《一种缝隙模拟机构、裂缝模拟实验仪及堵漏评价实验装置》(公布号为cn112360432a)，中国发明专利《地层模拟装置、裂缝堵漏仪》(公布号cn113622900a)，中国发明专利《一种裂缝堵漏模拟的实验装置及其实验方法》(公布号为cn112326888b)，中国实用新型专利裂缝模拟装置和可变裂缝封堵模拟评价系统》(公布号为cn218522658u)等。

2、但目前常用堵漏实验仪器中用来模拟裂缝结构的装置，存在以下问题：

3、1)模拟裂缝装置与实际漏失区域地层的力学特征参数差异大，而地层力学特征与地层裂缝应力敏感性相关，影响地层裂缝开度、裂缝扩展、漏失过程和漏失判断。比如中国发明专利《用于地层裂缝的堵漏评价方法》(公布号为cn115248947a)中模拟裂缝的不锈钢板，其杨氏模量、泊松比和表面摩擦系数分别大致在200-240gpa、0.29-0.33、0.1-0.4范围内，而实际漏失区域地层岩石的杨氏模量通常都低于100gpa，泊松比0.25左右，表面摩擦系数通常高于0.6。其力学参数差异将影响封堵实验结果的准确性和有效性。

4、2)模拟裂缝装置与实际漏失区域地层的裂缝特征参数差异大，而地层的裂缝特征与地层裂缝漏失敏感性相关，影响裂缝漏失程度、漏失评价判断和防漏堵漏材料选择。比如中国发明专利《一种缝隙模拟机构、裂缝模拟实验仪及堵漏评价试验装置》、中国实用新型专利《裂缝模拟装置和可变裂缝封堵模拟评价系统》(公布号为cn218522658u)中堵漏仪器模拟漏失通道的裂缝装置，其裂缝大小、裂缝宽度、裂缝形态等关键参数设定没有确切的依据来源，其大部分数据都源自于地质工作人员通过观察地层岩心表面所得，不能准确反映地层复杂三维裂缝特点。

5、总的来说，目前的堵漏评价装置的模拟裂缝装置未考虑地层岩石力学特性及裂缝特征对堵漏评价结果的影响，且现有堵漏评价装置的模拟裂缝装置存在难以真实模拟地层岩石力学特性及裂缝特征的技术问题，堵漏评价装置缺乏合理性，达不到合理评价堵漏材料封堵性能的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述现有堵漏评价实验装置存在的缺陷，提供一种考虑地层岩石力学特性及裂缝特征的堵漏评价装置及方法，解决了现有堵漏评价装置的模拟裂缝装置难以真实模拟地层岩石力学特性及裂缝特征的技术问题，能够对裂缝内堵漏材料进行正压差和负压差下封堵承压能力测试，科学合理地评价漏失裂缝中堵漏材料的封堵承压能力和封堵效果。

2、本发明采用如下技术方案：

3、考虑地层岩石力学特性及裂缝特征的堵漏评价装置，包括井筒模拟系统、压力控制系统、温度控制系统、漏失监测系统和计算机数据采集系统；

4、所述井筒模拟系统包括模拟地层裂缝系统、堵漏浆体、筒体、顶盖、底座、上金属滤网、下金属滤网、上密封垫圈、下密封垫圈、上金属垫片、下金属垫片、金属弹簧，其中：

5、筒体为金属筒状结构，顶盖安装在筒体的顶部，底座安装在筒体的底部；顶盖、底座设有螺纹孔和密封圈，顶盖与进气阀芯密封连接，底座和排液阀芯密封连接，上金属滤网和下金属滤网安装在筒体内，上金属滤网位于底盖的下侧，下金属滤网安装在底座的上侧。

6、筒体内上金属滤网下侧为上金属垫片，上金属垫片下侧为金属弹簧和堵漏浆体，金属弹簧下侧为下金属垫片。

7、筒体内下金属垫片下侧为上密封垫圈，下金属滤网上侧为下密封垫圈，上密封垫圈和下密封垫圈之间为模拟地层裂缝系统，模拟地层裂缝装置中心为模拟裂缝，实验条件下待评价浆体可以在其内形成封堵层；

8、控制压力变化的压力控制系统通过压力管线与井筒模拟系统相接，温度控制系统为井筒模拟系统加热同时监测对应的温度，用于测量漏失滤液的漏失监测系统位于井筒模拟系统的下部，用于收集数据的计算机数据采集系统与压力控制系统、温度控制系统、漏失监测系统相接。

9、所述筒体上下端部均具有螺纹。所述上密封垫圈、下密封垫圈均为耐高温橡胶环，用于密封模拟裂缝系统环隙。

10、所述上金属垫片、下金属垫片为环形垫片，用于固定压紧模拟裂缝系统。

11、所述压力控制系统包括上快拆接口、上泄压口、上泄压阀门、第一压力控制装置、第一压力阀门、第二压力阀门、压力表、压力泵、第二压力控制装置、下泄压阀门、下泄压口、下快拆接口，其中：

12、上快拆接口通过滑扣安装在进气阀芯上，进气阀芯通过管线ⅰ与第一压力控制相连，在管线ⅰ上安装有上泄压阀门，上泄压阀门出口端为上泄压口，第一压力控制装置通过管线ⅱ与压力泵相连，在管线ⅱ上安装有第一压力阀门，第一压力控制装置通过信号线与计算机数据采集系统相接。

13、排液阀芯上通过滑扣安装有下快拆接口，下快拆接口通过管线ⅲ与第二压力控制装置相接，在管线ⅲ上安装有下泄压阀门，下泄压阀门的出口端为下泄压口，第二压力控制装置通过管线ⅳ与压力泵相接，在管线ⅳ上具有第二压力阀门，压力泵上具有压力表，第二压力控制装置通过信号线与计算机数据采集系统相接。

14、所述温度控制系统包括温度控制装置、温度传感器、电源接口、加热套筒，其中：

15、筒体置于加热套筒中，温度传感器安装在筒体内，温度传感器通过数据传输线与温度控制装置及计算机数据采集系统相接，温度控制装置一端与加热套筒相接，另一端与电源接口相接，电源接口另一端与加热套筒相接。

16、所述漏失监测系统包括排液阀芯、排液开关、漏失滤液收集器、漏失监测装置，其中：

17、排液阀芯上安装有排液开关，排液开关下端为漏失滤液收集器，漏失滤液收集器用于收集漏失滤液，漏失监测装置安装在漏失滤液收集器的底部，漏失监测装置通过数据传输线与计算机数据采集系统相连。

18、所述模拟地层裂缝系统通过以下方法制得，包括：

19、1)获取漏失区域地层岩样，测试岩样力学特征参数

20、所述的地层岩样为钻井取芯岩样，所述的力学特征包括杨氏模量e、泊松比ν、摩擦系数μ关键参数数据。

21、2)制备模拟地层岩样。

22、按实验要求和api标准配制特殊的模拟地层浆体，所述的模拟地层浆体配方包括g级油井、骨料、配浆水、降失水剂、纤维，以一定比例混合配制，倒入养护模具中，将模具置于高温高压养护釜中养护一定龄期，取出模拟地层岩样备用。

23、3)确定模拟地层岩样与地层岩样力学特征参数等效。

24、所述的力学特征参数等效原则包括模拟地层岩样与地层岩样的弹性模量e等效、泊松比ν等效、摩擦系数μ等效，得到合适的模拟地层岩样。

25、其中，所述的模拟地层裂缝系统与实际漏失区域地层力学特征参数等效原则为：

26、e真实岩心＝e模拟岩心

27、ν真实岩心＝ν模拟岩心

28、μ真实岩心＝μ模拟岩心

29、4)获取漏失区域地层三维裂缝参数数据。

30、进行地层岩样ct扫描，获取高精度的三维地层裂缝数据；

31、所述的ct扫描为无损检测扫描技术；

32、将地层岩样数据导入数据处理软件预处理，去除岩样环状伪影和不规则部分，并创建create mask，用于裂缝体积率k计算；

33、提取岩样裂缝和孔隙，采用灰度阈值分割和亮度差异分割方法在整个三维岩样上提取出岩样裂缝和孔隙；

34、去除岩样孔隙部分，采用二值化数据过滤方法去除三维岩样中孔隙，得到岩样裂缝；

35、计算岩样裂缝连通性，裂缝连通方向设定为岩样轴向方向(z轴)，得到沿岩样轴向方向有连通性的全部裂缝漏失通道；

36、计算岩样裂缝参数，通过公式计算得到三维裂缝的裂缝体积率k、裂缝宽度d和裂缝迂曲度t参数。

37、

38、

39、

40、其中，k为裂缝体积率，单位％；v为岩样总体积，单位mm3；n为裂缝条数；vi为第i条裂缝体积，单位mm3；d为裂缝宽度，单位mm；si为第i条裂缝面积，单位mm2；t为裂缝迂曲度；hi为第i条裂缝沿岩心轴向的裂缝长度，单位mm；h为岩心轴向垂直高度，单位mm。

41、5)构建模拟地层裂缝系统。

42、确定模拟地层裂缝系统和地层岩样裂缝特征参数等效，包括裂缝体积率k等效、裂缝宽度d等效、裂缝迂曲度t等效；

43、所述的模拟地层裂缝系统与实际漏失区域地层三维裂缝特征参数等效原则为：

44、k真实裂缝＝k模拟裂缝

45、d真实裂缝＝d模拟裂缝

46、t真实裂缝＝t模拟裂缝

47、制作三维裂缝特征参数等效的模拟地层裂缝装置；所述的模拟地层裂缝装置用于制备与实际漏失区域地层三维裂缝特征参数等效的模拟地层裂缝系统；

48、制备模拟地层裂缝系统，首先安装模拟地层裂缝装置，将塑型剂注入装置内，等待塑型剂冷却定型后拆卸并取出模拟地层裂缝模具，再将其固定在养护装置中合适位置，将上述的模拟地层岩样浆体倒入养护模具中，先将其放入恒温养护箱中预养护一段时间，再将其置于高温高压养护釜中养护一定龄期，得到与地层岩样力学特征参数和三维裂缝特征参数等效的模拟地层裂缝系统。所述的塑型剂为一种固体塑型剂，高温条件下融化为液态体。

49、考虑地层岩石力学特性及裂缝特征的堵漏评价方法，包括以下步骤：

50、1)实验开始前，检查所有阀门和开关为关闭状态；

51、2)安装筒体，将模拟地层裂缝系统放置于筒体内腔下端，依次放入下密封垫圈、下金属滤网，安装底座和排液阀芯，从筒体内腔上端依次放入上密封垫圈、下金属垫片，注入待评价的防漏堵漏浆体，再依次放入金属弹簧、上金属垫片、上金属滤网，安装顶盖和进气阀芯；

52、3)安装压力控制系统，将上快拆接口扣入进气阀芯，下快拆接口扣入排液阀芯，将第一压力控制装置、第二压力控制装置通过压力管线分别与压力泵连接，第一压力控制装置、第二压力控制装置通过数据传输线分别与计算机数据采集系统连接；

53、4)安装温度控制系统，将温度控制装置分别连接在加热套筒、温度传感器、计算机数据采集系统上，接通电源接口；

54、5)安装漏失监测系统，将漏失滤液收集器与排液阀芯连接，放置于漏失监测装置上，漏失监测装置通过数据传输线与计算机数据采集系统连接；

55、6)进行堵漏实验，包括：

56、正压差堵漏评价实验；

57、启动温度控制装置，设置好升温时间，利用环形加热套筒对筒体中的模拟地层裂缝系统和待评价的防漏堵漏浆体进行加热，升温结束后，控制温度在目标温度，打开排液开关，通过漏失监测装置监测漏失情况；

58、启动第一压力控制装置，设置好目标压力，利用压力泵向筒体进行均匀连续打压，直到升至目标压力；设定升压速度和稳压时间；若排液开关打开状态下未监测到漏失或微量漏失，继续升压过程，直至达目标压力值，通过计算机数据采集系统记录漏失滤液漏失量、漏失速率和正压差封堵承压能力(压力值)，实时监测待评价的防漏堵漏浆体的封堵性能变化情况。

59、负压差堵漏评价实验；

60、在完成正压差堵漏评价实验之后，关闭第一压力控制装置、第一压力阀门、排液开关，再打开上泄压阀门泄压结束后关闭，启动第二压力控制装置，设定升压速度和稳压时间，通过计算机数据采集系统监测第二压力控制装置反馈的压力值，若压力值稳定，继续升压，若压力值大幅度降低或降为0，通过计算机数据采集系统记录压力降低之前时刻的压力值，此时刻的压力值为待评价的防漏堵漏浆体抵抗负压差封堵承压能力。

61、7)拆卸堵漏装置，实验结束后，保存好计算机数据采集系统实验数据，关闭压力泵、第一压力阀门、第二压力阀门，关闭温度控制装置，等到堵漏装置温度降至常温以后，打开上泄压阀门和下泄压阀门卸掉筒体内腔和压力管线的压力，关闭第一压力控制装置、第二压力控制装置、漏失监测装置，拆除各个控制装置的所有管线，卸下顶盖和底座，取出模拟地层裂缝系统。

62、8)评价堵漏效果

63、取出筒体中模拟地层裂缝系统，切开模拟地层裂缝系统试样，观察试样中封堵层的堵漏材料的分布状态、分布位置、分布比例、聚积状况等，并用相机进行拍照，结合漏失滤液漏失量、漏失速率、正压差封堵承压能力和负压差封堵承压能力，共同评价待测的防漏堵漏浆体的堵漏效果。同时可对模拟地层裂缝系统中堵漏层结构进行进一步的微细观检测实验，分析堵漏材料微细观失效机理。

64、本发明的有益效果：

65、(1)本发明还原堵漏材料在井下裂缝漏失通道中漏失过程和封堵过程，以漏失量、漏失速率、正压差封堵承压能力、负压差封堵承压能力、封堵层的分布状态、分布位置、分布比例和聚积状况综合评价防漏堵漏材料的封堵效果。

66、(2)本发明通过构建与真实裂缝性漏失地层岩石力学特性及裂缝特征等效的模拟地层三维裂缝系统，解决了现有堵漏评价装置的模拟裂缝装置难以真实模拟地层岩石力学特性及裂缝特征的技术问题，能够对井筒模拟系统中的堵漏材料进行正压差和负压差下封堵承压能力测试，科学合理地评价漏失地层裂缝中堵漏材料的封堵承压能力和封堵效果。

67、(3)本发明建立了地层力学特征参数等效原则，即模拟地层岩样与实际漏失区域地层岩样的弹性模量e等效、泊松比v等效、摩擦系数μ等效；同时，建立了地层三维裂缝特征参数等效原则，即模拟地层裂缝系统与实际漏失区域地层岩样的裂缝体积率k等效、裂缝宽度d等效、裂缝迂曲度t等效。