地层条件下泥岩、钻井液相互作用模拟实验装置及方法与流程

本发明涉及一种油田岩石力学模拟实验装置及方法，特别涉及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。

背景技术：

目前，塔里木、新疆等油田都在实施超深井钻井工程，许多井的井底温度极高，同时一些地热井的井底温度可达400℃，且地层压力高。在深井钻井过程中，由于地温梯度和压力梯度的存在，井眼越深，井筒内的温度和压力就会变得越高。高温高压对泥岩力学特性的影响会很大，并且在高温条件下，钻井液的化学特性会发生改变，影响与泥岩与钻井液间的相互作用，使泥岩力学性能随钻井液浸泡时间的劣化规律更加复杂。

近年来，尽管人们试图通过室内模拟试验的方法获得较准确的泥岩与钻井液相互作用后的岩石力学参数，但由于地层岩性、应力状态、温度等都要求很高，室内实验具有一定的局限性，误差较大。如申请号为CN201610303368.4的发明专利公布的一种钻井液与泥页岩地层理化作用的评价方法，虽然可完成常规的钻井液与岩心的相互作用之后的岩心分析，但是试验过程不能模拟高温条件。美国俄克拉马荷州立大学多孔介质力学研究院的学者们发明了IDSTDTM 实验装置，该装置可以用于测试更小尺寸的圆柱岩样（2.01cm×0.72cm），但是该设备不能实时反映出泥岩与钻井液相互作用过程中的变形参数，同样无法实现200℃以上的高温。

事实上泥岩与钻井液间的相互作用受高温高压环境影响很大。泥岩与钻井液接触后力学参数的变化直接影响井眼钻开后井壁的稳定性。利用非地层温度下测得的钻井液对泥岩变形、破坏参数的影响来进行井壁稳定分析及钻井液设计可能会产生较大的误差。

为准确获得高温高压地层泥岩与钻井液相互作用后泥岩力学性能的变化规律，急需研制出能真实反映地层温度和压力条件下泥岩、钻井液相互作用的模拟实验装置。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供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，可以更加真实有效的模拟地层温度和压力条件下泥岩与钻井液的相互作用。

本发明提到的一种地层条件下泥岩、钻井液相互作用模拟实验装置，其技术方案是：包括高温高压釜（1）、钻井液系统（2）、围压系统（3）、计算机系统（4）、加温系统（5）、第一放空阀（7）、第二放空阀（12）、温控箱（17）和变形传感器（23），

所述钻井液系统（2）的一端通过第一数据传输线（9）与计算机系统（4）相连，并由计算机系统（4）控制；钻井液系统（2）的另一端通过第一高压管线（10）穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）底端相连，用于给高温高压釜（1）中的岩心施加钻井液压力；

围压系统（3）的一端通过第二数据传输线（13）与计算机系统（4）相连，并由计算机系统（4）控制；围压系统（3）的另一端通过第二高压管线（14）穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）相连，用于给高温高压釜（1）中的岩心施加围压；

第一放空阀（7）安装在第三高压管线（8）上，并通过第三高压管线（8）穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）相连，用以实现对高温高压釜（1）中围压流体的放空；

第二放空阀（12）安装在第四高压管线（11）上，并通过第四高压管线（11）穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）相连，用以实现高温高压釜（1）中钻井液的流出；

加温系统（5）包裹在高温高压釜（1）的外侧，利用电磁波加热原理，对高温高压釜（1）内的流体和岩心进行加热；

第三数据传输线（15）的一端与计算机系统（4）相连，第三数据传输线（15）的另一端穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）相连，用于实现计算机系统（4）对高温高压釜（1）内岩心轴向变形的监测。

第四数据传输线（6）的一端与计算机系统（4）相连，第四数据传输线（6）的另一端穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）相连，用于实现计算机系统（4）对高温高压釜（1）内岩心径向变形的监测。

第五数据传输线（16）的一端与温控箱（17）相连，第五数据传输线（16）的另一端上装有温度传感器，穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）内侧相连，用于温控箱（17）对高温高压釜（1）内岩心温度的监测。

第六数据传输线（18）的一端与温控箱（17）相连，第六数据传输线（18）的另一端上装有温度传感器，穿过加温系统（5）与高温高压釜（1）外侧相连，用于温控箱（17）对高温高压釜（1）外侧温度的监测。

第七数据传输线（19）的一端与温控箱（17）相连，另一端与计算机系统（4）相连接，用于实现高压釜温度的自动记录和控制。

优选的，上述高温高压釜（1）包括岩心（20）、下压头（21）、上压头（22）、传感器系统（23），岩心（20）被夹在上压头（22）和下压头（21）之间，岩心（20）通过铜套（25）、第一小石墨环（26）、第二小石墨环（28）和钢管（29）进行密封，高温高压釜（1）采用柔性的大石墨环（24）进行密封，变形传感器（23）位于岩心外侧，用于实现对岩心变形的监测。

优选的，上述下压头（21）的中间设有圆形通道，用以将钻井液传递到岩心中，实现流体的流动；下压头（21）的上部端面剖面上带有凹槽，便于钻井液在岩心入口端面的流动。

优选的，上述上压头（22）的中间设有圆形通道，并从上压头（22）的侧壁引出，形成L形通道结构，用以将钻井液从上压头外壁传递到岩心中，实现流体的流动；上压头（22）的下部端面剖面上带有凹槽，便于钻井液在岩心出口端面的流动。

优选的，上述钢管（29）为厚壁刚性材料制成，管壁四周开有一些小孔，确保围压可以作用在铜套（25）上，传递围压给岩心（20），同时使变形传感器（23）可以通过小孔穿过钢管（29）与铜套（25）相连，实现岩心变形的监测。

优选的，上述铜套（25）的壁厚小于0.2mm，由紫铜棒车削加工而成，并经过真空热处理，具有极强的柔韧性，在有效隔绝围压的同时还能保持较强的变形特征。

优选的，上述上压头（22）的上部和下压头（21）的下部分别装第一小石墨环（26）、第二小石墨环（28），且第一小石墨环（26）的上部安装上压帽（27），第二小石墨环（28）的下部安装下压帽（30）。

优选的，上述高温高压釜（1）中的围压流体采用耐高温硅油。

本发明提到的一种地层条件下泥岩、钻井液相互作用模拟实验装置的使用方法，包括以下实验步骤：

（1）准备岩心（20），且岩心两端面平行；

（2）将待实验岩心（20）装在铜套（25）中，然后将岩心（20）和铜套（25）放入钢管（29）内，上压头（22）的上部和下压头（21）的下部分别装好第一小石墨环（26）、第二小石墨环（28），之后装好上压帽（27）及下压帽（30）；

（3）利用上压帽（27）、下压帽（30）将带有第一小石墨环（26）、第二小石墨环（28）的上压头（22）、下压头（21）压入铜套（25）内，使岩心（20）在铜套（25）及钢管（29）的中央位置，将上压帽（27）及下压帽（30）同时向第一小石墨环（26）、第二小石墨环（28）挤压，使第一小石墨环（26）、第二小石墨环（28）变形，变形后的小石墨环将铜套（25）紧密的压持在钢管（29）上，确保岩心（20）密封严密；

（4）将岩心外侧装好变形传感器系统（23）后，置于高温高压釜（1）内；

（5）打开围压系统（3），使高温高压釜（1）中充满耐高温硅油；

（6）将第二放空阀（12）打开，与真空泵连接，抽真空；

（7）利用计算机系统（4）控制围压系统（3）给高温高压釜（1）内施加围压，当围压达到设定值时，利用伺服控制系统保持围压恒定；再用计算机系统（4）控制钻井液系统（2）给高温高压釜（1）内岩心（20）施加钻井液压力，当钻井液压力达到设定值时，并利用伺服控制系统维持钻井液压力不变；

（8）打开温控箱（17），并设置目标温度，对高温高压釜（1）内流体进行加热，直至温度达到设定值，加热过程中保持各压力不变；加温完成后保证在整个实验过程中温度、各压力保持不变；

（9）利用计算机系统（4）记录岩心的轴向和径向变形随岩心与钻井液接触时间的变化规律；

（10）待岩心与钻井液的相互作用时间达到设定值后，增大岩心的轴向应力，直至岩心（20）发生破坏，测得与钻井液发生反应后岩心的力学参数，从而得出浸泡钻井液对于岩心的力学参数的影响；

（11）降低高温高压釜温度，降温到100℃以下，再开始同时卸载钻井液压力、围压，卸压后打开第一放空阀（7），第二放空阀（12），拆卸高温高压釜（1），取出变形传感器（23）及实验岩心（20），实验完成。

优选的，步骤1中，岩心的标准为直径25mm，高度50mm；另外，在步骤6中，第二放空阀（12）打开，与真空泵连接，抽真空4h。

本发明相对于现有技术，其有益效果如下：

(1)、本发明解决了泥岩在高温高压条件下与钻井液相互作用后的力学特性测试问题，可较真实的还原泥岩在地层温压条件受钻井液浸泡的影响规律，对现场应用更具指导性，避免钻井复杂事故的发生；

(2)、本发明所用主体设备是在原有的岩石三轴力学实验设备基础上改造而来的，既大大节约了成本，又能满足实验要求；

(3)、高温高压釜外侧采用电磁加热系统进行加温，既保证了加温过程的安全，又能使温度达到石油及地热钻井中地层实际温度的要求（最高500℃）；

(4)、采用经真空热处理的铜套进行岩心与围压流体间的密封，在有效传递围压的同时还能随岩心一起发生变形。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为高温高压釜内部结构示意图；

图3为岩心密封结构示意图；

图4为高温高压釜内下压头示意图；

图5为高温高压釜内下压头的俯视图；

图6为高温高压釜内上压头示意图；

图7为高温高压釜内上压头的仰视图；

图中，1、高温高压釜，2、钻井液系统，3、围压系统，4、计算机系统，5、加温系统，6、第四数据传输线，7、第一放空阀，8、第三高压管线，9、第一数据传输线，10、第一高压管线，11、第四高压管线，12、第二放空阀，13、第二数据传输线，14、第二高压管线，15、第三数据传输线，16、第五数据传输线，17、温控箱，18、第六数据传输线，19、第七数据传输线，20、岩心，21、下压头，22、上压头，23、变形传感器，24、大石墨环，25、铜套，26、第一小石墨环，27、上压帽，28、第二小石墨环，29、钢管，30、下压帽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提到的测量高温高压下泥岩、钻井液相互作用的实验装置，主要包括：高温高压釜1、钻井液系统2、围压系统3、计算机系统4、加温系统5、第一放空阀7，第二放空阀12，温控箱17。

所述钻井液系统2的一端通过第一数据传输线9与计算机系统4相连，并由计算机系统4控制；钻井液系统2的另一端通过第一高压管线10穿过加温系统5与高温高压釜1底端相连，用于给高温高压釜1中的岩心施加钻井液压力；

围压系统3的一端通过第二数据传输线13与计算机系统4相连，并由计算机系统4控制；围压系统3的另一端通过第二高压管线14穿过加温系统5与高温高压釜1相连，用于给高温高压釜1中的岩心施加围压。

第一放空阀7安装在第三高压管线8上，并通过第三高压管线8穿过加温系统5与高温高压釜1相连，用以实现对高温高压釜1中围压流体的放空。

第二放空阀12安装在第四高压管线11上，并通过第四高压管线11穿过加温系统5与高温高压釜1相连，用以实现高温高压釜1中钻井液的流出。

加温系统5包裹在高温高压釜1的外侧，利用电磁波加热原理，对高温高压釜1内的流体和岩心进行加热；

第三数据传输线15的一端与计算机系统4相连，第三数据传输线15的另一端穿过加温系统5与高温高压釜1相连，用于实现计算机系统4对高温高压釜1内岩心轴向变形的监测。

第四数据传输线6的一端与计算机系统4相连，第四数据传输线6的另一端穿过加温系统5与高温高压釜1相连，用于实现计算机系统4对高温高压釜1内岩心径向变形的监测。

第五数据传输线16的一端与温控箱17相连，第五数据传输线16的另一端上装有温度传感器，穿过加温系统5与高温高压釜1内侧相连，用于温控箱17对高温高压釜1岩心温度的监测。

第六数据传输线18的一端与温控箱17相连，第六数据传输线18的另一端上装有温度传感器，穿过加温系统5与高温高压釜1外侧相连，用于温控箱17对高温高压釜1外侧温度的监测。

第七数据传输线19的一端与温控箱17相连，另一端与计算机系统4相连接,用于实现高压釜温度的自动记录和控制。

如图2所示，高温高压釜1，包括岩心20，下压头21，上压头22，传感器系统23。岩心20被夹在上压头22和下压头21之间，高温高压釜1采用柔性的大石墨环24进行密封，石墨环的耐高温高压特性可以确保在高温高压情况下的密封，变形传感器23位于岩心外侧，用于实现对岩心变形的监测。

如图3所示，岩心与围压之间通过铜套25、第一小石墨环26、第二小石墨环28和钢管29进行密封。待实验岩心20装在铜套25中，铜套25放在钢管29内，上压头22的上部和下压头21的下部分别装有第一小石墨环26、第二小石墨环28，之后装有上压帽27及下压帽30。利用上压帽27、下压帽30将带有第一小石墨环26、第二小石墨环28的上压头22、下压头21压入铜套25内。确保岩心20在铜套25及钢管29的中央位置，将上压帽27及下压帽30同时向第一小石墨环26、第二小石墨环28挤压，使第一小石墨环26、第二小石墨环28变形，第一小石墨环26、第二小石墨环28将铜套25紧密的压持在钢管29上，确保岩心20与围压之间的密封。

钢管29四周开有一些小孔，确保围压可以作用在铜套25上，传递围压给岩心20，同时使变形传感器23可以通过小孔穿过钢管29与铜套相连，实现岩心变形的监测。

铜套25壁厚为0.2mm，由紫铜棒车削加工而成，并加过真空热处理，具有极强的柔韧性，在有效隔绝围压的同时还能保持较强的变形特征。

如图4-5所示，下压头21的中间设有圆形通道，用以将钻井液传递到岩心中，实现流体的流动；下压头21的上部端面剖面上带有凹槽，便于钻井液在岩心入口端面的流动。

如图6-7所示，上压头22内设有圆形通道，用以实现钻井液从岩心端面流出；上压头22的下部端面剖面上带有凹槽，便于钻井液在岩心出口端面的流动。

本发明涉及的一种地层条件下泥岩、钻井液相互作用模拟实验装置的使用方法，利用上述实验装置，具体实验步骤如下：

（1）准备岩心20。岩心标准为直径25mm，高度50mm，为减少误差需保证岩心两端面完全平行；

（2）将待实验岩心20装在铜套25中，然后将岩心20和铜套25放入钢管29内，上压头22的上部和下压头21的下部装好第一小石墨环26、第二小石墨环28，之后装好上压帽27及下压帽30；

（3）利用上压帽27、下压帽30将带有第一小石墨环26、第二小石墨环28的上压头22、下压头21压入铜套25内，确保岩心20在铜套25及钢管29的中央位置。用力将上压帽27及下压帽30同时向第一小石墨环26、第二小石墨环28挤压，使第一小石墨环26、第二小石墨环28变形，变形后的小石墨环将铜套25紧密的压持在钢管29上，确保岩心20的密封；

（4）将岩心外侧装好变形传感器系统23后置于高温高压釜1内；

（5）打开围压系统3，使高温高压釜1中充满耐高温硅油；

（6）将第二放空阀12打开，与真空泵连接，抽真空4h；

（7）利用计算机系统4控制围压系统3给高温高压釜1内施加围压，当围压达到设定值时(根据地层的水平地应力大小确定，本次实验为40MPa），利用伺服控制系统保持围压恒定；再用计算机系统4控制钻井液系统2给高温高压釜1内岩心20施加钻井液压力，当钻井液压力达到设定值时(根据实际钻井时的钻井液压力大小确定，本次实验为35MPa），并利用伺服控制系统维持钻井液压力不变；

（8）打开温控箱17，并根据岩心所在地层的实际温度设置目标温度（如本次待测岩心所处地层的温度为200℃），对高温高压釜1内流体进行加热，直至温度达到200℃，加热过程中保持各压力不变；加温完成后保证在整个实验过程中温度、各压力保持不变；

（9）利用计算机系统4记录岩心的轴向和径向变形随岩心与钻井液接触时间的变化规律，根据记录结果计算岩心受钻井液浸泡后吸水产生的轴向膨胀应变和径向膨胀应变；

（10）待岩心20与钻井液的相互作用时间达到设定值后（可根据实际钻井时间设定，也可利用一组岩心进行多个反应时间后的力学性能测试），增大岩心20的轴向应力，直至岩心20发生破坏，测得与钻井液发生反应后岩心的力学参数和变形参数。从而得出地层条件下浸泡钻井液对岩心的力学性能的影响；

（11）降低高温高压釜温度，降温到100℃以下，再开始同时卸载钻井液压力、围压，卸载过程中保持围压始终大于钻井液压力。卸压后打开第一放空阀7，第二放空阀12。拆卸高温高压釜1，取出变形传感器23及实验岩心20，实验完成。

本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：

(1)、本发明解决了泥岩在高温高压条件下与钻井液相互作用后的力学特性测试问题，可较真实的还原泥岩在地层温压条件受钻井液浸泡的影响规律，对现场应用更具指导性，避免钻井复杂事故的发生；

(2)、本发明所用主体设备是在原有的岩石三轴力学实验设备基础上改造而来的，既大大节约了成本，又能满足实验要求；

(3)、高温高压釜外侧采用电磁加热系统进行加温，既保证了加温过程的安全，又能使温度达到石油及地热钻井中地层实际温度的要求（最高500℃）；

(4)、采用经真空热处理的薄铜套进行岩心与围压流体间的密封，在有效传递围压的同时还能随岩心一起发生变形。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。