一种层状硬脆性泥页岩水化特性的评价装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于油气钻探工程技术领域，涉及泥页岩水化特性的评价装置，尤其涉及 一种层状硬脆性泥页岩水化特性的评价装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，钻井过程中钻遇层状硬脆性泥页岩时遇到的井壁稳定问题一直是困扰油 气钻探工程的一大难题。层状硬脆性泥页岩的层理发育异常、膨胀性粘土含量较高，容易导 致钻井过程中出现严重的井壁失稳现象，例如井筒缩径、井壁垮塌、钻井液漏失和储层损害 等问题。因此，对层状硬脆性泥页岩水化特性进行评价具有重要的经济意义和社会意义。
[0003] 目前，在评价层状硬脆性泥页岩水化特性的过程中，还没有合理的评价装置，从而 导致评价结果不准确，误差较大，而且成本较高。另外，对膨胀性岩石膨胀特性的评价方法 通常是采用膨胀仪进行测试的方法，即用粉碎机将岩芯破碎成粉末，再用一定目数的筛网 进行过滤，将小于一定粒径的岩粉用岩芯压实器压制成人造岩芯，然后将人造岩芯放入膨 胀仪中进行测试。由于岩芯被粉碎，破坏了原始岩芯中存在的微裂缝，因此这种方法忽略了 原始岩石中微裂缝遇水膨胀的情况，无法真实还原岩石的膨胀状态。尤其是海相沉积页岩 中存在笔石的微裂缝，其裂缝宽度极小，肉眼难以观测，但是这些微裂缝却存在着严重遇水 膨胀的情况。因此，急需开发一种层状硬脆性泥页岩水化特性的评价装置和评价方法，以定 量评价岩石的水化特性，同时也能够真实有效的反映岩石的水化特性，更好的防止井壁失 稳，阻止井下复杂情况的发生。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种层状硬脆性泥页岩水化特性的评 价装置，包括底座和密封底座，还包括高温高压三轴伺服压机系统、孔压化学流体驱替系统 和声波测试系统。
[0005] 高温高压三轴伺服压机系统主要用于夹持岩芯样品，并对其施加围压和温度，使 岩芯样品恢复到地层原位状态；声波测试系统集成于高温高压三轴伺服压机系统的上压头 和下压头上，用于测量纵波和横波在岩芯样品不同状态下的传播速度；孔压化学流体驱替 系统能够从孔压化学流体驱替净化装置的一端将化学流体注入岩芯样品中，并将岩芯样品 饱和后与其另一端连通，使化学流体在一定孔隙压力下在岩芯样品中以一定流量循环。层 状硬脆性泥页岩水化特性的评价装置综合了上述三个系统的特点和优势，能够将岩芯样品 恢复到地层原位状态（高温高压的三轴应力状态），并通过测量此时由化学流体注入饱和 的岩芯样品的声波时速特性来评价岩石的水化特性，为设计层状硬脆性泥页岩水化特性的 评价方法提供了装置基础。
[0006] 优选的是，所述高温高压三轴伺服压机系统与孔压化学流体驱替系统和声波测试 系统相连。
[0007] 在上述任一方案中优选的是，所述高温高压三轴伺服压机系统包括轴向加载装 置、加载框架、三轴压力室、上压头、下压头、围压增压器和围压筒。
[0008] 在上述任一方案中优选的是，所述加载框架的底部设置底座，所述围压筒置于所 述底座的上方，所述围压筒的下端设置密封底座。密封底座对围压筒起到密封的作用。
[0009] 在上述任一方案中优选的是，所述下压头置于所述密封底座的上方，所述上压头 置于所述轴向加载装置的下方。
[0010] 在上述任一方案中优选的是，所述轴向加载装置的下端置于所述三轴压力室内。 [0011] 在上述任一方案中优选的是，所述围压增压器通过围压油管线与所述围压筒相 连。
[0012] 在上述任一方案中优选的是，将岩芯样品置于上压头与下压头之间。
[0013] 在上述任一方案中优选的是，所述孔压化学流体驱替系统包括孔压化学流体驱替 净化装置、孔隙流体管线I和孔隙流体管线II。
[0014] 在上述任一方案中优选的是，所述孔隙流体管线I的一端与岩芯样品的上端相 连，另一端与所述孔压化学流体驱替净化装置的一端相连。
[0015] 在上述任一方案中优选的是，所述孔隙流体管线II的一端与岩芯样品的下端相 连，另一端与所述孔压化学流体驱替净化装置的另一端相连。
[0016] 在上述任一方案中优选的是，所述声波测试系统包括声波探头I和声波探头II。
[0017] 在上述任一方案中优选的是，所述声波探头I与上压头相连，所述声波探头II与 下压头相连。声波探头I和声波探头II与上压头和下压头可通过焊接的方式相连。
[0018] 在上述任一方案中优选的是，所述层状硬脆性泥页岩水化特性的评价装置用于层 状硬脆性泥页岩水化特性的评价方法中。
[0019] 在上述任一方案中优选的是，所述层状硬脆性泥页岩水化特性的评价方法，其按 照先后顺序包括以下步骤：
[0020] 步骤一：对岩石进行描述后取芯，制备岩芯样品；
[0021] 步骤二：将岩芯样品恢复至地层原位孔隙流体饱和状态；
[0022] 步骤三：测试地层原位状态条件下岩芯样品的纵波波速和横波波速，然后改变孔 隙流体性质，并测试改变孔隙流体性质后岩芯样品的纵波波速和横波波速；步骤四：根据 不同孔隙流体性质条件下岩芯样品的纵波波速和横波波速的变化情况，评价层状硬脆性泥 页岩的水化特性。
[0023] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤一中，岩石存在节理和层理。
[0024] 对岩石节理和层理的描述，在取芯工作开始前进行，即针对原始较大尺寸的岩石 进行描述，以便更好的观测岩石节理和层理的存在形式。局部节理组数可根据下述情况进 行描述：大量随机出现的节理、一组节理、一组节理+随机节理、两组节理、两组节理+随机 节理、三组节理、三组节理+随机节理、四组甚至更多节理组、如同土壤一般的破碎岩石。局 部层理组数可根据上述情况进行描述。个别主要的节理或者层理，需要专门记录和描述。根 据井下岩石的实地情况，记录每组节理或者层理的倾向和倾角。
[0025] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤一中，岩芯样品的形状为圆柱形，其长度为 直径的2-3倍。
[0026] 在上述任一方案中优选的是，所述岩芯样品的直径至少为岩石中最大颗粒直径的 20倍。
[0027] 圆柱形岩芯样品的最优选直径为25mm。岩芯样品的上、下端面应保持平整，平整 度（波浪面的波峰与波谷之间的垂直距离）不大于0.01mm;岩芯样品纵轴偏移轴向中心不 超过0.0 Olrad，或者偏移量在0. 05/500mm以内；岩芯样品的侧面应保持光滑笔直，直线度 (圆柱形的最大直径与最小直径之间的差值）不大于0. 3_。
[0028] 在上述任一方案中优选的是，在岩芯样品的底部、中部、上部分别测量两条相互垂 直的直径，将测量结果取平均值，即为岩芯样品的最终直径。所述两条相互垂直的直径，其 二者的测量值相差不应超过〇. 1mm。至少制备三块岩芯样品，进行三次评价试验，以确保测 试结果和评价结果的准确性。
[0029] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，将岩芯样品恢复至地层原位孔隙流 体饱和状态的方法为，配制与地层原位状态孔隙流体具有相同性质的盐溶液，将岩芯样品 抽真空后浸泡于已配制好的盐溶液中，对盐溶液施加一定饱和压力以饱和岩芯样品。在评 价水化特性前，需要将岩芯样品用与地层原位状态流体具有相同活度的盐溶液饱和，以恢 复到地层原位孔隙流体状态，使测试结果能够反映出地层的真实状态。
[0030] 在上述任一方案中优选的是，所述盐溶液为氯化钾、氯化钠、氯化钙、硝酸钾中的 任一种。
[0031] 在上述任一方案中优选的是，对盐溶液施加的饱和压力不大于地层原位状态地应 力。
[0032] 在上述任一方案中优选的是，对盐溶液施加的饱和压力为地层原位状态地应力的 0· 5 倍。
[0033] 在上述任一方案中优选的是，所述岩芯样品抽真空的时间为6小时。
[0034] 在上述任一方案中优选的是，所述岩芯样品饱和的时间为24小时。
[0035] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤三中，地层原位状态条件包括地层原位状 态温度、地层原位状态围压、地层原位状态孔隙压力、地层原位状态孔隙流体性质。
[0036] 在上述任一方案中优选的是，所述孔隙流体性质为孔隙流体活度。
[0037] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤三中，利用层状硬脆性泥页岩水化特性的 评价装置测试岩芯样品的纵波波速和横波波速。
[0038] 在上述任一方案中优选的是，利用层状硬脆性泥页岩水化特性的评价装置测试岩 芯样品的纵波波速和横波波速，按照先后顺序包括以下步骤：
[0039] (1)将恢复至地层原位孔隙流体饱和状态的岩芯样品放置于上压头与下压头之 间。可按照常用的操作规程放置岩芯样品。
[0040] (2)通过围压增压器向围压筒内注入围压油，施加的围压与地层原位状态地应力 相同。围压油可选用硅油。
[0041] (3)将岩芯样品和围压油升温至地层原位状态温度。
[0042] (4)将轴向加载装置向下压，压到与上压头预接触的状态。这里的预接触的状态可 解释为，轴向加载装置对上压头所施加的轴压不大于岩石单轴抗拉强度的1/10。更为优选 的轴压为I. 0-3. OMPa。
[0043] (5)开启声波测试系统，测试地层原位状态条件下岩芯样品的纵波波速Vptl和横波 波速V sq。
[0044] (6)通过孔压化学流体驱替系统将不同性质的孔隙流体注入岩芯样品中，并驱替 之前注入的地层原位状态孔隙流体，施加的孔隙压力与地层原位状态孔隙压力相同。孔隙 流体完全注入岩芯样品的标准为，伺服控制时，保持孔隙压力不变的情况下，孔压活塞的位 移不随时间改变而变化。
[0045] (7)开启声波测试系统，测试改变孔隙流体性质后岩芯样品的纵波波速Vpi和横波 波速Vsi。
[0046] (8)更换岩芯样品，重复步骤（1)至步骤（7)，至少重复进行两次试验。对相同位置 的岩芯样品在每种孔隙流体饱和的水化试验进行三次，以确保试验的可重复性和准确性。
[0047] 在上述任一方案中优选的是，所述不同性质的孔隙流体为氯化钾、氯化钠、氯化 钙、硝酸钾中的任一种。
[0048] 在上述任一方案中优选的是，所述步骤四中，将测试结果取平均值，并计算衰减百 分比，通过衰减百分比评价层状硬脆性泥页岩的水化特性。