一种模拟全尺寸井壁稳定的评价方法
【专利摘要】本发明公开了一种模拟全尺寸井壁稳定的评价方法，利用全尺寸井壁稳定模拟器对岩心施加实验所要求的围压、孔隙压力、水平压力、上覆岩层压力泥浆循环压力和钻井液循环介质，并通过井径测量仪（19）测量在实验的过程中岩心井眼的扩径情况，通过地层滑行波声速测试系统，测量在实验过程中不同循环介质下经钻井液的浸泡后井壁处岩样声波特性变化，通过井壁可视与成像系统直接观察经过钻井液井壁浸泡后井眼实际变化情况。本发明的有益效果是：能够更加真实地模拟井下高温高压环境，能够动态评价井壁稳定情况，可改变井筒循环介质，评价不同钻井方式下井壁稳定情况，有助于优选钻井方式与钻井液体系，具备较大的实用性，便于推广。
【专利说明】一种模拟全尺寸井壁稳定的评价方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及油气田勘探开发中模拟研究井壁稳定实验评价方法【技术领域】，特别是一种模拟全尺寸井壁稳定的评价方法。
【背景技术】
[0002]井壁失稳问题是油气田勘探开发过程中普遍存在并一直困扰石油工业界的一个大问题。井壁不稳定严重影响着钻井的速度，质量以及成本，据保守的估计，井壁失稳每年约会给世界石油工业造成5?6亿美元的损失，并且由于井壁失稳导致钻井液浸入到储层中，污染了储层，给油气田的开采带来不利的影响，这个严重制约了勘探开发的进程。因此，维持井壁稳定是石油工作者勘探开发油气田过程中普遍关注的问题，并且是世界石油界始终致力于攻关的重要内容。
[0003]影响井壁稳定的因素很多，其中包括地层岩性以及粘土矿物类型，构造应力，地层压力，液柱压力，地层温度，钻井液浸泡和冲刷等。因此在研究井壁稳定问题时不能简单的将其看成纯力学或化学问题，必须从力学、物理和化学方面综合考虑。
[0004]目前，石油界已经从力学、物理和化学方面开展了井壁稳定的综合研究。根据总吸附量水法，等效孔隙压力法以及总水势弹性增量理论，已经研制了泥页岩高温高压井壁稳定性水化/力学耦合模拟实验装置、新型高温高压井壁稳定性模拟实验装置、高温高压井壁稳定性测试仪、模拟地层条件井壁稳定评价装置以及高温高压泥页岩井壁稳定性评价装置等仪器。但是这些仪器，无法模拟真实地层高温高压井下力学环境，不能综合评价不同钻井方式对井壁稳定的影响，无法进行钻井液性能、岩石声波特性与地层渗透性综合评价，测量参数有限，并且不能直观的反应井壁失稳后的情况。因此研制出一种能够真实的反应岩石在井底环境下以及不同循环介质条件下的钻井液对井壁稳定的影响的室内评价装置具有重要意义，以满足油气田勘探开发安全经济进行的需要。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于全直径尺寸岩心模拟地层环境以及不同井筒循环介质等工况条件下井壁稳定的模拟全尺寸井壁稳定的评价方法。
[0006]本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种模拟全尺寸井壁稳定的评价方法，它包括以下步骤:
51、利用所研究的实验岩样获取实验所需的空心岩心；
52、将所制得的空心岩心安放在全尺寸井壁稳定模拟器中；
53、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的围压调节系统给岩心施加所要求的围压；
54、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的孔隙压力系统给岩心施加所要求的孔隙压力；
55、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的真三轴稳压系统，给岩心施加实验所要求的水平压力；
56、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的上覆压力控制系统，给岩心施加实验所要求的上覆岩层压力；
57、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的高压泥浆循环系统，给岩心循环实验所需要的压力和钻井液循环介质；
58、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的井径测量仪，测量在实验的过程中岩心井眼的扩径情况；
59、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的地层滑行波声速测试系统，测量在实验过程中不同循环介质下经钻井液的浸泡后井壁处岩样声波特性变化；
S10、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的井壁可视与成像系统，直接观察经过钻井液井壁浸泡后井眼实际变化情况。
[0007]通过步骤S8、S9和SlO可以获得不同钻井方式条件下井径大小、井壁处声波的特性以及井壁成像数据。
[0008]本发明具有以下优点:本发明采用的全尺寸井壁稳定模拟器具有较高的压力温度性能指标，通过本方法能够更加真实地模拟井下高温高压环境，可模拟井下真实环境，力口载上覆地层压力、围压、孔隙压力和液柱压力以及控制地层温度，同时其钻井液循环系统是按照井筒结构进行设计，能够动态评价井壁稳定情况，可改变井筒循环介质，模拟在气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井及常规水基钻井等钻井方式下不同位置点井径的变化，评价不同钻井方式下井壁稳定情况，选择合理的钻井方式，优化钻井液性能，有助于优选钻井方式与钻井液体系，同时引入三维气液两相渗透率测试和地层滑行波声波速度测试系统，能够综合评价近井壁地层渗透性和岩石声波特性，研究不同钻井方式条件下近井壁地带岩石声波特性变化，同时配备了可视化动态分析系统，利用激光束测试不同位置点井眼形状，实现井壁成像，能够更加直观的观测井径变化和井壁压裂垮塌情况，具备较大的实用性，便于推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明采用的全尺寸井壁稳定模拟器的结构示意图
图中，1-独立电动液压泵，2-液压泵压力显示器，3-上覆压力显示器，4-泵压加压手阀，5-泵压泄压手阀，6-上轴压活塞，7-下轴压活塞，8-上柱塞，9-下柱塞，10-左上声波探头，11-右上声波探头，12-左下声波探头，13-右下声波探头，14-上高温高压透明观察片，15-下高温高压透明观察片，16-上高温高压变焦内窥镜，17-下高温高压变焦内窥镜，18-密封橡胶套，19-井径测量仪，20-左上机械移动臂，21-右上机械移动臂，22-左下机械移动臂，23-右下机械移动臂，24-左上加热器，25-右上加热器，26-左下加热器，27-右下加热器，28-高温高压釜体，29-围压入口，30-围压独立电动液压泵，31-围压加压阀，32-围压液压泵显示器，33-围压显示器，34-围压液压泄压阀，35-钻井液压力入口，36-钻井液压力出口，37-上泥浆循环手阀，38-下泥浆循环手阀，39-泥浆循环泵，40-左机械移动调节器，41-右机械移动调节器，42-水平压力电动液压泵，43-水平压力显示器A，44-水平压力加压阀，45-水平压力显示器B，46-水平压力泄压阀，47-氮气瓶，48-低压气源压力表，49-气体过滤器，50-气体增压机，51-高压容器，52-排水阀，53-回压控压手阀，54-气驱手阀，55-高压回压器，56-孔压入口，57-孔压出口，58-孔隙压力渗透层。
【具体实施方式】[0010]下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述:
一种模拟全尺寸井壁稳定的评价方法，它包括以下步骤:
51、利用所研究的实验岩样获取实验所需的空心岩心；
52、将所制得的空心岩心安放在全尺寸井壁稳定模拟器中；
53、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的围压调节系统给岩心施加所要求的围压；
54、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的孔隙压力系统给岩心施加所要求的孔隙压力；
55、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的真三轴稳压系统，给岩心施加实验所要求的水平压力；
56、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的上覆压力控制系统，给岩心施加实验所要求的上覆岩层压力；
57、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的高压泥浆循环系统，给岩心循环实验所需要的压力和钻井液循环介质；
58、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的井径测量仪(19)，测量在实验的过程中岩心井眼的扩径情况；
59、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的地层滑行波声速测试系统，测量在实验过程中不同循环介质下经钻井液的浸泡后井壁处岩样声波特性变化；
S10、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的井壁可视与成像系统，直接观察经过钻井液井壁浸泡后井眼实际变化情况。
[0011]通过步骤S8、S9和SlO可以获得不同钻井方式条件下井径大小，井壁处声波的特性以及井壁成像数据，通过这些参数可以综合的评价处井壁稳定情况。
[0012]如图1所示，所述的全尺寸井壁稳定模拟器，它包括套装于岩心外部的筒形的密封橡胶套18，岩心和密封橡胶套18之间设置有孔隙压力渗透层58，岩心周围通过孔隙压力渗透层58与密封橡胶套18接触，岩心的内部布置有井径测量仪19，密封橡胶套18的两端分别安装有密封所述密封橡胶套18端口的上轴压活塞6和下轴压活塞7，上轴压活塞6和下轴压活塞7上均设置有连通密封橡胶套18内部空间的通孔，上轴压活塞6的通孔内通过螺纹安装有上柱塞8，下轴压活塞7的通孔内通过螺纹安装有下柱塞9，上柱塞8和下柱塞9上均设置有连通密封橡胶套18内部空间的通孔，上柱塞8的通孔内安装有上高温高压变焦内窥镜16，下柱塞9的通孔内安装有下高温高压变焦内窥镜17，上轴压活塞6压紧岩心的上表面，且上轴压活塞6底部与岩心的上表面之间设置有上高温高压透明观察片14，下轴压活塞7压紧岩心的下表面，且上轴压活塞6顶部与岩心的下表面之间设置有下高温高压透明观察片15，上高压透明观察片、下高压透明观察片、上高温高压变焦内窥镜16和下高温高压变焦内窥镜17构成井壁可视与成像系统，能够直接观察出井眼扩径、缩径等情况，上柱塞8的底部镶嵌有左上声波探头10和右上声波探头11，下柱塞9的顶部镶嵌有左下声波探头12和右下声波探头13，左上声波探头10、右上声波探头11、左下声波探头12和右下声波探头13构成地层滑行波声速测试系统，可以测量钻井液循环过程中近井壁地带岩石声波特性变化，密封橡胶套18的外部套装有高温高压釜体28，密封橡胶套18与高温高压釜体28之间形成密封的围压腔，高温高压釜体28内部安装有真三轴稳压系统，高温高压釜体28上设置有连通围压腔的围压入口 29，围压入口 29通过高压管线连接围压调节系统，上轴压活塞6上设置有从上部连通岩心内部的钻井液压力入口 35，下轴压活塞7上设置有从下部连通岩心内部的钻井液压力出口 36，钻井液压力入口 35和钻井液压力出口 36分别通过高压管线连接高压泥浆循环系统，上轴压活塞6上设置有从上部连通孔隙压力渗透层58的孔压入口 56，下轴压活塞7上设置有从下部连通孔隙压力渗透层58的孔压出口57，孔压入口 56和孔压出口 57分别通过高压管线连接孔隙压力系统，上轴压活塞6通过高压管线连接上覆压力控制系统。
[0013]所述的高温高压釜体28中镶嵌有左上加热器24、右上加热器25、左下加热器26和右下加热器27，左上加热器24、右上加热器25、左下加热器26和右下加热器27分别位于岩心的左上部、右上部、左下部和右下部。镶嵌有左上加热器24、右上加热器25、左下加热器26和右下加热器27的高温高压釜体28构成釜体加热控温系统，加热功率较高，能够提供150°C的高温环境，并且控温准确，确保本装置处于恒温工作环境。
[0014]所述的真三轴稳压系统包括左上机械移动臂20、右上机械移动臂21、左下机械移动臂22和右下机械移动臂23，左上机械移动臂20、右上机械移动臂21、左下机械移动臂22和右下机械移动臂23分别安装于高温高压釜体28内部的左上部、右上部、左下部和右下部。真三轴稳压系统能够保证机械部分的同步、匀速移动。
[0015]所述的左上机械移动臂20、右上机械移动臂21、左下机械移动臂22和右下机械移动臂23分别通过高压管线连接水平压力液压系统，所述的水平压力液压系统包括水平压力电动液压泵42、水平压力显示器A43、水平压力加压阀44、水平压力显示器B45和水平压力泄压阀46，水平压力电动液压泵42的输出管线依次连接水平压力显示器A43、水平压力加压阀44、泄压管线、左侧高压管线和右侧高压管线，泄压管线上安装有水平压力显示器B45和水平压力泄压阀46，左侧高压管线依次连接左上机械移动臂20和左下机械移动臂22，右侧高压管线依次连接右上机械移动臂21和右下机械移动臂23，左侧高压管线上安装有左机械移动调节器40，右侧高压管线上安装有右机械移动调节器41。
[0016]所述的上覆压力控制系统包括独立电动液压泵1、液压泵压力显示器2、泵压加压手阀4、上覆压力显示器3和泵压泄压手阀5，独立电动液压泵I的输出管线依次连接液压泵压力显示器2、泵压加压手阀4、泄压管线和上轴压活塞6，泄压管线上安装有上覆压力显示器3和泵压泄压手阀5。所述的上覆压力控制系统能够提供高达151MPa的上覆岩层压力。
[0017]所述的围压调节系统包括围压独立电动液压泵30、围压液压泵显示器32、围压加压阀31、围压显示器33和围压液压泄压阀34，围压独立电动液压泵30的输出管线依次连接围压液压泵显示器32、围压加压阀31、泄压管线和围压入口 29，泄压管线上安装有围压显示器33和围压液压泄压阀34。围压调节系统能够提供90MPa的围压。
[0018]所述的高压泥浆循环系统包括泥浆循环泵39、上泥浆循环手阀37和下泥浆循环手阀38，泥浆循环泵39的输出管线依次连接上泥浆循环手阀37和钻井液压力入口 35，钻井液压力出口 36通过管线依次连接下泥浆循环手阀38和泥浆循环泵39。高压泥浆循环系统能够提供60MPa的液柱压力，并且在实验的过程中可以保证钻井液的循环。
[0019]所述的孔隙压力系统包括氮气瓶47、低压气源压力表48、气体过滤器49、气体增压机50、高压容器51、气驱手阀54、回压控压手阀53和高压回压器55，高压容器51底部连接有排水阀52，氮气瓶47通过管线依次连接低压气源压力表48、气体过滤器49、气体增压机50和高压容器51，高压容器51顶部分为两个支路，所述两个支路中的一个支路依次连接气驱手阀54和孔压入口 56，另一支路依次连接回压控压手阀53、高压回压器55和孔压出口 57。孔隙压力系统可以精确的提供60MPa的孔隙压力。
[0020]所述独立电动液压泵I采用200MPa独立电动液压泵，所述液压泵压力显示器2采用200MPa液压泵压力显示器，所述泵压加压手阀4采用200MPa泵压加压手阀，所述泵压泄压手阀5采用200MPa泵压泄压手阀，所述围压独立电动液压泵30采用200MPa围压独立电动液压泵，所述围压加压阀31采用200MPa围压加压阀，所述围压液压泵显示器32采用200MPa围压液压泵显示器，所述围压显示器33采用200MPa围压显示器，所述围压液压泄压阀34采用200MPa围压液压泄压阀，所述泥浆循环泵39采用60MPa泥浆循环泵，所述水平压力电动液压泵42采用200MPa水平压力电动液压泵，所述水平压力加压阀44采用200MPa水平压力加压阀，所述水平压力显示器B45采用200MPa水平压力显示器，所述水平压力泄压阀46采用200MPa水平压力泄压阀，所述气体增压机50采用60MPa气体增压机，所述高压容器51采用2L/60MPa高压容器。
[0021 ] 在控制上覆压力的过程中，通过独立电动液压泵11和液压泵压力显示器2提供初始压力，然后通过泵压加压手阀4和上覆压力显示器3精确控制模拟器的上覆压力，其控制精度可以达到0.1MPa ;在控制水平压力的过程中，通过水平压力电动液压泵42和水平压力显示器提供初始压力，然后再通过水平压力加压阀44和水平压力显示器控制左上机械移动臂20、右上机械移动臂21、左下机械移动臂22、右下机械移动臂23，保证机械部分的同步、匀速移动，提供稳定的真三轴环境；在控制液柱压力的过程中，通过上泥浆循环手阀37和泥浆循环泵39提供液柱压力，并通过下泥浆循环手阀38保证钻井液在模拟器中一直处于循环状态；在控制孔隙压力的过程中，氮气瓶47、低压气源压力表48和气体过滤器49提供气源，然后通过气体增压机50和高压容器51控制模拟器所需要的孔隙压力，通过气驱手阀54向模拟器提供压力，通过高压回压器55、排水阀52和回压控压手阀53进行泄压；在控制围压的过程中，通过围压独立电动液压泵30和围压液压泵显示器32提供初始压力，然后再通过围压加压阀31和围压显示器33控制围压，利用围压液压泄压阀34进行泄压；地层温度是直接通过左上加热器24、右上加热器25、左下加热器26和右下加热器27直接给高温高压釜体28加热。
[0022]本发明实现评价不同钻井方式井壁稳定的具体方法是:通过改变泥浆循环泵39腔室内的循环介质，在循环的过程中打开上泥浆循环手阀37，通过高压管线将不同的循环介质通过钻井液压力入口 35输送到岩心内，然后将钻井液压力出口 36通过高压管线与下泥浆循环手阀38连接，打开下泥浆循环手阀38，即可实现实验过程中泥浆的循环，此外在循环钻井液的过程中，通过井径测量仪19测量岩心内不同位置点处的井径大小，从而反应出在不同的循环介质条件下井壁稳定情况，优化钻井方式。
[0023]本发明实现研究不同钻井方式条件下近井壁地带岩石声波特性变化的具体方法是:通过镶嵌在上柱塞8中的左上声波探头10和右上声波探头11发射声波信号，发射出的声波信号沿着井壁滑行，通过镶嵌在下柱塞9中的左下声波探头12和右下声波探头13接收信号，从而通过接收到的信号判断出在不同钻井方式条件下近井壁地带岩石声波特性。
[0024]本发明实现井壁可视与成像的具体方法是:通过安装在下柱塞9内的下高温高压变焦内窥镜17发射激光束，然后通过安装在上柱塞8内的上高温高压变焦内窥镜16观察井眼扩径和缩径情况，从而实现井眼形状成像。[0025]进一步的，模拟全尺寸井壁稳定的评价方法，包括以下几个步骤:
51、利用所研究的实验岩样获取实验所需的空心岩心；
52、将所制得的空心岩心安放在全尺寸井壁稳定模拟器中；
53、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的围压调节系统给岩心施加所要求的围压，在施加的过程中应该逐渐加大，防止岩心突然受到较大的力而产生破坏；
54、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的孔隙压力系统给岩心施加所要求的孔隙压力，在施加的过程中应该逐渐加大，防止岩心突然受到较大的力而产生破坏；
55、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的真三轴稳压系统，给岩心施加实验所要求的水平压力，该系统是通过水平方向的机械臂进行，由于在施加水平应力之前已经给岩心周围施加了围压，因此该水平压力的大小应该是围压和机械臂所施加力的大小之和；
56、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的上覆压力控制系统，给岩心施加实验所要求的上覆岩层压力，在施加的过程中应该先采用位移控制，待轴压活塞与岩心接触后再采用力的控制，从而精确控制轴压的大小，施加的过程中应该逐渐加大轴压，防止岩心突然受力而发生破坏；
57、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的高压泥浆循环系统，给实验循环所需要的压力和钻井液循环介质，在循环钻井液的过程中应该控制钻井液的循环速度；
58、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的井径测量仪19，测量在实验的过程中岩心井眼的扩径情况，如果在步骤S7中采用的空气作为循环介质，则可以通过激光束进行测量；
59、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的地层滑行波声速测试系统，测量在实验过程中不同循环介质下经钻井液的浸泡后井壁处岩样声波特性变化，发射后的声波沿着岩心壁传播，通过该传播可以判断出不同钻井液在井壁处形成的泥饼情况以及判断泥浆的进入情况；
S10、利用一种模拟全尺寸井壁稳定的评价方法中的井壁可视与成像系统，直接观察经过钻井液井壁浸泡后井眼实际变化情况。
[0026]本专利与现有技术相比，具有的优点是:本发明采用全尺寸井壁稳定模拟器具有较高的压力温度性能指标，通过本发明能够更加真实地模拟井下高温高压环境，可模拟井下真实环境，加载上覆地层压力、围压、孔隙压力和液柱压力以及控制地层温度，同时其钻井液循环系统是按照井筒结构进行设计，能够动态评价井壁稳定情况，可改变井筒循环介质，模拟在气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井及常规水基钻井等钻井方式下不同位置点井径的变化，评价不同钻井方式下井壁稳定情况，选择合理的钻井方式，优化钻井液性能，有助于优选钻井方式与钻井液体系，同时引入三维气液两相渗透率测试和地层滑行波声波速度测试系统，能够综合评价近井壁地层渗透性和岩石声波特性，研究不同钻井方式条件下近井壁地带岩石声波特性变化，同时配备了可视化动态分析系统，利用激光束测试不同位置点井眼形状，实现井壁成像，能够更加直观的观测井径变化和井壁压裂垮塌情况。具备较大的实用性，便于推广。
【权利要求】
1.一种模拟全尺寸井壁稳定的评价方法，其特征在于:它包括以下步骤: 51、利用所研究的实验岩样获取实验所需的空心岩心； 52、将所制得的空心岩心安放在全尺寸井壁稳定模拟器中； 53、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的围压调节系统给岩心施加所要求的围压； 54、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的孔隙压力系统给岩心施加所要求的孔隙压力； 55、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的真三轴稳压系统，给岩心施加实验所要求的水平压力； 56、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的上覆压力控制系统，给岩心施加实验所要求的上覆岩层压力； 57、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的高压泥浆循环系统，给岩心循环实验所需要的压力和钻井液循环介质； 58、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的井径测量仪(19)，测量在实验的过程中岩心井眼的扩径情况； 59、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的地层滑行波声速测试系统，测量在实验过程中不同循环介质下经钻井液的浸泡后井壁处岩样声波特性变化； S10、利用全尺寸井壁稳定模拟器中的井壁可视与成像系统，直接观察经过钻井液井壁浸泡后井眼实际变化情况。
2.根据权利要求1所述的一种模拟全尺寸井壁稳定的评价方法，其特征在于:通过步骤S8、S9和SlO可以获得不同钻井方式条件下井径大小、井壁处声波的特性以及井壁成像数据。
【文档编号】E21B49/00GK103758513SQ201410012192
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】孟英峰, 李皋, 陈一健, 蒋祖军, 刘厚彬, 徐力群 申请人:西南石油大学