用于模拟式测量泥页岩的水化应力的装置、设备及方法
【专利摘要】本发明提出了一种用于模拟式测量泥页岩的水化应力的装置、设备及方法，属于石油钻井领域。所述装置包括：紧密围绕泥页岩样品布置的弹性组件；固定在所述弹性组件上的应变片；数据采集处理单元，用于在所述泥页岩样品水化的过程中采集所述应变片的形变信号和/或应力信号，并处理所述信号以获得所述泥页岩样品的水化应力。相比现有技术，弹性条带的设置解决了应变片掉落或脱位的问题，将其固定在泥页岩样品表面。可以精准地测出形变或应力随时间的变化。本发明能够在实验条件下模拟地层温度、压力、流体等井下物理条件，模拟井下一定深度的泥页岩在实际钻井液作用下的水化效果。
【专利说明】用于模拟式测量泥页岩的水化应力的装置、设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于模拟式测量泥页岩的水化应力的装置、设备及方法，属于石油钻井工程领域。
【背景技术】
[0002]井壁稳定问题一直是石油工程界的技术难题之一。据统计，90%以上的井壁稳定问题发生在泥页岩井段，而泥页岩井段的失稳又与泥页岩地层的水化密切相关，因此泥页岩的水化应力是研究泥页岩井壁稳定性的重要参数之一。
[0003]在钻井过程中，井眼的形成打破了地层原有的力学和化学平衡，尽管有井壁泥饼的保护，但泥页岩地层与钻井液在井下温度和压力条件下的接触会产生离子交换作用；泥页岩和钻井液中水的化学势差异产生了渗透作用；在井底压差的作用下，钻井液中的水会沿泥页岩的微裂隙侵入，并且毛管力作用会产生渗析，这些作用使水敏性泥页岩吸水膨胀，产生水化应力，泥页岩的膨胀使井周围岩的应力分布和材料特性发生显著变化，这种变化具有时间效应，随着时间的推移井壁围岩会失稳，导致引发钻井事故。
[0004]已经存在与泥页岩水化应力的理论模型和预测相关的技术，但多数过于复杂，且部分参数难以定量，很难准确计算。而与泥页岩水化应力的实验测定相关的技术则较少，其主要原因是泥页岩水化应力测定的复杂性、实验设备和实验手段的局限性，以及影响因素的多样性等。经过调研发现，目前水化应力的确定方法大致可分为四种:模拟实验法、应力应变关系求取法、化学渗透压理论计算法、依据矿物参数估算法。
[0005]( 1)模拟实验法是通过模拟地下泥页岩与钻井液相互作用的条件，通过测量保持岩芯不发生体积变形时所加的外部载荷来确定水化膨胀压。认为水化膨胀压与外部载荷大小相等，方向相反，作用在同一表面上。实验岩样可为天然岩芯，试验过程中应尽可能恢复原地应力、温度以及饱和地层孔隙流体等，这是准确测量水化膨胀压的关键。该实验方法原理简单，可直接反映原地条件下泥页岩与钻井液间的相互作用，但需要大型的模拟实验装置。
[0006](2)应力应变关系求取膨胀压是一种实验与理论相结合的方法。首先通过先进的实验手段，测试研究粘土颗粒距离与短程斥力之间的关系，从而确定水化应力与水化应变之间的关系，即本构方程。确定水化膨胀压时，令水化应变为零，根据本构关系可确定水化应力。该方法原理简单，但在反映原地状态下泥页岩与钻井液间的相互作用方面有一定的局限性，且需要昂贵精密的实验设备。
[0007](3)化学渗透压计算法，假设泥页岩水化应力是由水分子的渗透作用引起的，认为泥页岩与钻井液间存在非理想半透膜，允许水分子通过，选择性的允许部分离子通过。其驱动力为泥页岩孔隙流体与钻井液中的水的化学势差。该方法确定水化膨胀压的关键点在于准确测量井下条件下泥页岩的膜效率、地层孔隙流体的水活度及钻井液流体的水活度。
[0008](4)矿物参数估算法，是根据…耶(古依)双电层理论，利用膨胀性粘土矿物的颗粒间距、表面电荷种类和密度、比表面积、比亲水量、层间离子种类及浓度等参数，估算水化膨胀压。
[0009]以上四种方法优缺点各不相同，且均具有一定的针对性。其中模拟实验法原理简单，可直观反应井底条件下钻井液/泥页岩间相互作用随时间空间的变化关系，但需要大量的天然泥页岩岩芯以及大型的模拟实验装置，实验前需要恢复岩石的原地状态(包括温度、压力、地层流体),但由于应变片易损坏以及胶套密封的问题，导致实验成功率较低。应力应变实验法是一种实验与经验相结合预测水化膨胀压的方法，但缺少一定的理论基础，且需要先进的实验测量技术手段。化学渗透压计算法适用于确定膨胀性粘土的水化膨胀压，模型没有考虑钻井液/泥页岩间多组分离子等的传递，以及作用时间、作用空间(间距)的影响，在预测硬脆性泥页岩的水化膨胀压时有一定的局限性。矿物参数估算法岩样需求量较小，且该方法实现较为简单，但该方法也仅适用于颗粒间距较大的膨胀性粘土的水化膨胀压的确定。
【发明内容】
[0010]针对上述现有技术中的不足，即现有技术中的技术方案针对性较强、对仪器设备精密度要求较高、设备体积大、严重依赖经验缺乏理论基础、仅适用于颗粒间距较大的膨胀性粘土，本发明提出了用于模拟式测量泥页岩的水化应力的装置、设备及方法。
[0011]本发明的装置、设备及方法基于传统岩石力学测定中的实验方法和泥页岩特性，对泥页岩的水化应力实验方法进行了进一步的改进和提升，提出了一种原理简单、影响因素少、测试精度高的应变片法。
[0012]现有技术中的操作方法可以应用于砂岩、石灰岩、玄武岩等非水化岩石的应力应变测试，但不适用于泥页岩的水化应力的测试。其主要原因是应变片较小，泥页岩水化膨胀，颗粒之间的作用力减弱，颗粒甚至会分散开，黏贴的应变片会部分地从泥页岩样品上脱落，从而失去了其信号传输功能。
[0013]为了克服该问题，本发明的装置采用弹性组件环绕泥页岩样品，弹性组件的弹性条带内放置应变片，这样即可测量试样的变形和应变大小，无论泥页岩颗粒间作用力如何减小，应变片都不会从泥页岩样品上脱落；而且为了减小实验误差，优选地在轴向上放置4个应变片，在周向上放置2个应变片，通过数据处理，大大提高实验精度。最终实现了一种原理简单、影响因素少、测试精度高的用于模拟式测量泥页岩的水化应力的装置及相应的设备和方法。
[0014]本发明提出了一种用于模拟式测量泥页岩的水化应力的装置，包括:紧密围绕泥页岩样品布置的弹性组件；固定在所述弹性组件上的应变片；数据采集处理单元，用于在所述泥页岩样品水化的过程中采集所述应变片的形变信号和/或应力信号，并处理所述信号以获得所述泥页岩样品的水化应力。相比现有技术，弹性组件的设置解决了应变片由于泥页岩颗粒之间的作用力减弱而掉落或脱位的问题，将其固定在泥页岩样品表面。可以精准地测出形变或应力随时间的变化。
[0015]在一个实施方案中，所述弹性组件包括至少两条沿轴向布置的第一弹性条带和至少一条沿周向环绕式布置的第二弹性条带。如此可以得到轴向、周向两个方向上的形变量或应力值，以此得出整个泥页岩样品的水化应力。
[0016]在一个实施方案中，所述弹性组件还包括位于轴向端部处的两个片体状的弹性端帽，所述弹性端帽覆盖在所述泥页岩样品的端部，且所述第一弹性条带沿轴向连接两个所述弹性端帽。端帽的设置不仅能够更好地固定弹性组件，也可以保证轴向条带上的轴向应力平均、稳定地分布。
[0017]在一个实施方案中，所述应变片位于所述第一弹性条带和所述第二弹性条带的表面上，或被包裹在所述第一弹性条带和所述第二弹性条带的内部。尤其是包括在弹性条带内部的方案，可以在井下温度和压强环境下一定程度地保护应变片。
[0018]在一个实施方案中，位于所述第一弹性条带上的所述应变片在周向上相互错位(即该类应变片并不处在同一条周线上),位于所述第二弹性条带上的所述应变片在轴向上相互错位(即该类应变片并不处在同一条轴线上以保证更均匀地采点以对泥页岩样品进行整体测量。
[0019]在一个实施方案中，所述第一弹性条带的数量为4条，所述第二弹性条带的数量为2条。这可以在最大程度地节省材料的情况下保证所述装置的测量精度。
[0020]在一个实施方案中，所述数据采集处理单元包括与所述应变片相连的传感器和与所述传感器相连的数据处理器，所述传感器能够测量所述应变片的形变值和/或应力值并传送到所述数据处理器，所述数据处理器能够对所接收到的形变值和/或应力值进行处理以获取泥页岩样品的水化应力。
[0021]本发明还提出了一种用于模拟式测量泥页岩的水化应力的设备，包括:内部布置有钻井液的活塞釜，所述活塞釜能够通过活塞的移动控制内部压力；布置在所述活塞釜中的根据上述实施方案中任一项所述的装置；布置在所述活塞釜中的温控装置。在一个实施方案中，所述温控装置包括加热电阻丝。
[0022]本发明还提出了通过根据上述设备来模拟式测量泥页岩的水化应力的方法，包括:步骤1:将泥页岩样品置于所述装置内；步骤2:将所述装置和所述泥页岩样品置于所述设备的活塞釜中；步骤3:通过移动所述活塞釜的活塞控制泥页岩样品周围的压力，通过所述温控装置控制所述泥页岩样品周围的温度，使得所述压力和温度与所模拟的井下环境一致；步骤4:通过所述数据采集处理单元采集在所述泥页岩样品的水化过程中所述应变片的形变信号和/或应力信号，并处理所述信号以获得所述泥页岩样品的水化应力。
[0023]上述技术方案可以各种可行的方式相互组合，或采用等效物来替代，只要能够达到本发明的目的。
[0024]本发明提供了能测量泥页岩的水化应力大小的装置、设备和方法，能够在实验条件下模拟地层温度、压力、流体等井下物理条件，模拟井下一定深度的泥页岩在实际钻井液作用下的水化效果。通过本发明的数据采集功能可以实时记录泥页岩水化过程中的变形和应力大小，克服了通过模型预测水化应力因参数不确定和影响因素较多而导致水化应力大小确定不准的难题，实现了泥页岩水化应力的定量测量，提高了水化应力大小评测的精度。通过本发明的装置、设备和方法能研究水化应力随时间的变化情况，为泥页岩井壁坍塌周期的确定提供了指导依据，为评价钻井液抑制性提供了新方法。
[0025]本发明通过合理设计实验装置，有效减小了外界因素对实验结果的影响，操作简单，维护方便，对分散性较强的泥页岩也有非常好的效果，为指导泥页岩水化应力定量测定和深入研究泥页岩井壁稳定机理提供了室内实验研究设备和方法。也可为钻井液性能评价提供详细的数据指标。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中:
[0027]图1显示了根据本发明的用于模拟式测量泥页岩的水化应力的装置；
[0028]图2显示了包括图1所示的装置的设备。
[0029]在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。
【具体实施方式】
[0030]下面将参照附图来详细地介绍本发明。
[0031]图1显示了根据本发明的用于模拟式测量泥页岩的水化应力的装置10。参照图1，装置10包括紧密围绕泥页岩样品9布置的弹性组件。如图所示，弹性组件包括至少两条沿轴向布置的第一弹性条带1和至少一条沿周向环绕式布置的第二弹性条带2，分别用于测量泥页岩样品9在轴向和周向上的形变和应力。弹性组件还包括位于轴向端部处的两个片体状的弹性端帽3，弹性端帽3覆盖在泥页岩样品9的端部，且第一弹性条带1沿轴向连接两个弹性端帽3。为提高测量精度，减小实验误差，弹性组件应由耐高温、耐高压、抗腐蚀和抗老化性能好的橡胶材料制成。
[0032]装置10还包括固定在弹性组件上的应变片4，用于测量泥页岩样品9的形变量和应力。应变片4可以位于第一弹性条带1和第二弹性条带2的表面上，或被包裹在第一弹性条带1和第二弹性条带2的内部。为了有利于均匀合理地布置测量点，位于第一弹性条带1上的应变片4在周向上相互错位(即该类应变片并不处在同一条周线上),位于第二弹性条带2上的应变片4在轴向上相互错位(即该类应变片并不处在同一条轴线上
[0033]优选地，第一弹性条带1的数量为4条，第二弹性条带2的数量为2条。可以将每个方向上的多个应变片4所提供的形变值或应力值的平均值作为最终测试结果。
[0034]装置10还包括数据采集处理单元5，用于在泥页岩样品9水化的过程中采集应变片4的形变信号和/或应力信号，并处理所述信号以获得泥页岩样品9的水化应力。
[0035]优选地，数据采集处理单元5包括与应变片4相连的传感器和与传感器相连的数据处理器，传感器能够测量应变片4的形变值和/或应力值并传送到数据处理器，数据处理器能够对所接收到的形变值和/或应力值进行处理以获取泥页岩样品的水化应力。
[0036]图2显示了包括图1所示的装置10的设备50。
[0037]参照图2，本发明还提出了用于模拟式测量泥页岩的水化应力的设备50。设备50包括内部布置有钻井液14的活塞釜，活塞釜能够通过活塞11的移动控制内部压力，用于控制泥页岩样品周围的环境压力。活塞11上可设置排气与安全切销15，用于保证设备50的安全。
[0038]设备50还具有布置在活塞釜中的如上所述的装置10。图2中还显示了装置10的数据采集处理单元5。
[0039]设备50还包括布置在活塞釜中的温控装置13，用于控制泥页岩样品周围的环境温度。温控装置13例如可以包括加热电阻丝12。
[0040]本发明还提出了一种通过设备50来模拟式测量泥页岩的水化应力的方法，包括:
[0041]步骤1:将泥页岩样品置于装置10内；
[0042]步骤2:将装置10和泥页岩样品9置于设备50的活塞釜中；
[0043]步骤3:通过移动活塞釜的活塞11控制泥页岩样品9周围的压力，通过温控装置13控制泥页岩样品9周围的温度，使得所述压力和温度与所模拟的井下环境一致；
[0044]步骤4:通过数据采集处理单元5采集在泥页岩样品9的水化过程中应变片4的形变信号和/或应力信号，并处理所述信号以获得泥页岩样品9的水化应力。处理过程例如可以包括依据所采集的数据画出形变值和应力值随时间变化的曲线图。
[0045]根据本发明的装置10、设备50以及相应的方法克服了现有技术中测定泥页岩的水化应力装置的不足。本发明提出了可在高仿真条件下测定泥页岩的水化应力的装置10和设备50。根据本发明的设备50通过控压功能和温控功能对活塞釜中的钻井液试样进行加压和加热，实现对泥页岩所处的真实井下钻井条件的模拟；通过数据采集处理单元，可以将岩样品与钻井液试样接触后发生的变形以信号的形式导出，准确的记录泥页岩样品在钻井液作用下发生水化时所产生的变形及应力大小，通过对数据进行平均化处理能进一步提高水化应力测量精度。
[0046]根据本发明，可模拟地层温度、压力、流体等井下物理条件，从而模拟井下一定深度的泥页岩在钻井液作用下发生的水化效果，通过温控功能可以达到对钻井液温度的精确控制，通过数据采集处理单元能定量测量泥页岩的水化应力的大小。
[0047]本发明通过合理设计实验装置，有效减小了外界因素对实验结果的影响，操作简单，维护方便，对分散性较强的泥页岩也有非常好的效果，为指导泥页岩的水化应力定量测定和深入研究泥页岩井壁稳定机理提供了室内实验研究设备和方法。也可为钻井液性能评价提供详细的数据指标。
[0048]虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
【权利要求】
1.用于模拟式测量泥页岩的水化应力的装置，包括: 紧密围绕泥页岩样品布置的弹性组件； 固定在所述弹性组件上的应变片； 数据采集处理单元，用于在所述泥页岩样品水化的过程中采集所述应变片的形变信号和/或应力信号，并处理所述信号以获得所述泥页岩样品的水化应力。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述弹性组件包括至少两条沿轴向布置的第一弹性条带和至少一条沿周向环绕式布置的第二弹性条带。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述弹性组件还包括位于轴向端部处的两个片体状的弹性端帽，所述弹性端帽覆盖在所述泥页岩样品的端部，且所述第一弹性条带沿轴向连接两个所述弹性端帽。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述应变片位于所述第一弹性条带和所述第二弹性条带的表面上，或被包裹在所述第一弹性条带和所述第二弹性条带的内部。
5.根据权利要求2到4中任一项所述的装置，其特征在于，位于所述第一弹性条带上的所述应变片在周向上相互错位，位于所述第二弹性条带上的所述应变片在轴向上相互错位。
6.根据权利要求2到5中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一弹性条带的数量为4条，所述第二弹性条带的数量为2条。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的装置，其特征在于，所述数据采集处理单元包括与所述应变片相连的传感器和与所述传感器相连的数据处理器，所述传感器能够测量所述应变片的形变值和/或应力值并传送到所述数据处理器，所述数据处理器能够对所接收到的形变值和/或应力值进行处理以获取泥页岩样品的水化应力。
8.用于模拟式测量泥页岩的水化应力的设备，包括: 内部布置有钻井液的活塞釜，所述活塞釜能够通过活塞的移动控制内部压力； 布置在所述活塞釜中的根据权利要求1到6中任一项所述的装置； 布置在所述活塞釜中的温控装置。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述温控装置包括加热电阻丝。
10.用于通过根据权利要求8所述的设备来模拟式测量泥页岩的水化应力的方法，包括: 步骤1:将泥页岩样品置于所述装置内； 步骤2:将所述装置和所述泥页岩样品置于所述设备的活塞釜中； 步骤3:通过移动所述活塞釜的活塞控制泥页岩样品周围的压力，通过所述温控装置控制所述泥页岩样品周围的温度，使得所述压力和温度与所模拟的井下环境一致； 步骤4:通过所述数据采集处理单元采集在所述泥页岩样品的水化过程中所述应变片的形变信号和/或应力信号，并处理所述信号以获得所述泥页岩样品的水化应力。
【文档编号】G01L1/04GK104458071SQ201310425595
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】路保平, 金衍, 杨顺辉, 卢运虎, 豆宁辉, 朱千千, 赵向阳, 牛成成 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院