本申请属于钻井液封堵能力评价技术领域，尤其涉及一种页岩纳微米孔缝封堵评价系统。
背景技术：
钻井过程中，钻井液进入泥页岩不仅能导致孔隙压力的上升，也直接降低钻井液支撑井壁的有效应力，由于孔隙流体组分的变化，进一步诱发严重的泥页岩水化效应。因此，泥页岩孔隙流体传递是促使井壁不稳定的最根本原因。
为了解决泥页岩井壁失稳的问题，钻井工程人员提出了活度平衡理论，即亲水的、渗透率极低的泥页岩可以与钻井液之间形成半透膜，可以适当增加钻井液中无机盐的浓度，使钻井液和地层水的活度达到平衡，从而阻止钻井液中的水向地层运移，对泥页岩进行封堵，防止泥页岩水化坍塌。因此通过测量钻井液与泥页岩中地层水之间的压力变化和压力差即可对钻井液的封堵效果进行评价。但是泥页岩的孔隙度极其微小，钻井液中水和无机盐离子的扩散极为缓慢和微量，压力变化难以监测。目前常规的钻井液封堵评价设备对微小压力变化不敏感，同时页岩对压力的传递也很缓慢，会影响页岩微小孔隙封堵情况的评价结果的精度和页岩微小孔缝封堵的评价效率。因此，如何提出一种装置，能够实现页岩中微小孔隙的封堵情况的评价，提升页岩孔隙封堵评价的效率以及精度，是本领域亟需解决的技术问题。
技术实现要素：
本申请目的在于提供一种页岩纳微米孔缝封堵评价系统，实现了钻井液封堵页岩地层层理裂缝和页岩中微小孔隙的评价效果，提升了页岩孔隙封堵评价的效率以及精度。
本申请提供了一种页岩纳微米孔缝封堵评价系统，包括：
分别设置在岩心夹持器两端的上游循环装置和下游加压装置，所述岩心夹持器还连接有围压加载装置；
所述上游循环装置包括相互连接的驱替泵和活塞容器，所述活塞容器用于盛装钻井液，所述活塞容器与所述岩心夹持器之间设置有上游压力测量装置；
所述下游加压装置包括机械助力泵，所述机械助力泵和所述岩心夹持器之间设置有下游压力测量装置；
所述围压加载装置包括自动跟踪泵。
进一步地，所述页岩纳微米孔缝封堵评价系统的另一个实施例中，所述上游循环装置还包括第一回压阀，所述第一回压阀的一端与所述岩心夹持器连接，所述第一回压阀的另一端依次连接有回压测量装置、调压阀、氮气瓶。
进一步地，所述页岩纳微米孔缝封堵评价系统的另一个实施例中，所述岩心夹持器还连接有液体处理装置，所述液体处理装置包括钻井液回收容器、第二回压阀、上游放空阀，所述第二回压阀的一端与所述岩心夹持器连接，所述第二回压阀的另一端与所述钻井液回收容器以及所述上游放空阀连接。
进一步地，所述页岩纳微米孔缝封堵评价系统的另一个实施例中，所述页岩纳微米孔缝封堵评价系统还包括温度模拟装置，所述岩心夹持器、所述上游循环装置、所述下游加压装置、所述围压加载装置均设置在所述温度模拟装置内。
进一步地，所述页岩纳微米孔缝封堵评价系统的另一个实施例中，所述温度模拟装置包括恒温箱、温度传感器、温控仪，所述温控仪包括PID控制器。
进一步地，所述页岩纳微米孔缝封堵评价系统的另一个实施例中，所述页岩纳微米孔缝封堵评价系统还包括安全控制装置，所述安全控制装置包括超温保护器、压力安全阀。
进一步地，所述页岩纳微米孔缝封堵评价系统的另一个实施例中，所述下游压力测量装置包括微型压力传感器。
进一步地，所述页岩纳微米孔缝封堵评价系统的另一个实施例中，所述岩心夹持器的下游微腔室用于盛装地层水。
进一步地，所述页岩纳微米孔缝封堵评价系统的另一个实施例中，所述岩心夹持器和所述下游加压装置之间连接有抽真空装置，所述抽真空装置包括抽真空泵。
进一步地，所述页岩纳微米孔缝封堵评价系统的另一个实施例中，所述抽真空装置还包括抽真空阀、集液瓶、抽真空压力表，所述抽真空泵依次与所述抽真空压力表、所述集液瓶、所述抽真空阀连接。
本申请提供的页岩纳微米孔缝封堵评价系统，可以通过岩心夹持器模拟岩心样品在地层的环境，利用上游循环装置向岩心夹持器内循环泵入钻井液，并利用下游加压装置模拟岩心样品在地层中的压力。通过上游循环装置、下游加压装置以及围压加载装置逐渐对岩心夹持器中的岩心样品加压，通过上游压力测量装置和下游压力测量装置可以采集岩心样品两端的压力变化。通过上述装置可以完成岩心样品的孔隙压力传递实验，获得随时间变化的压力曲线，根据获得的压力曲线实现了钻井液对页岩微小孔缝的封堵情况的评价。通过测试钻井液(上游)与页岩中地层水(下游)之间的压力变化来研究页岩及钻井液的成膜机理，实现了评价钻井液封堵页岩地层层理裂缝和页岩中微小孔隙的效果，提升了页岩微小孔缝尤其是纳微米孔缝封堵情况评价结果的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一个实施例中页岩纳微米孔缝封堵评价系统的结构示意图；
图2是本申请一个实施例中岩心夹持器的主视图；
图3是本申请一个实施例中岩心夹持器的剖面示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
对页岩孔隙封堵能力的测试，可以采用孔隙压力传递实验来进行测试。本申请实施例主要是基于钻井液成膜理论和页岩的非理想膜效应开发而成，主要通过仿真模拟页岩所处地层条件，通过测试钻井液(上游)与页岩中地层水(下游)之间的压力变化来研究页岩及钻井液的成膜机理，分析钻井液与页岩之间流体渗流规律，评价钻井液封堵页岩地层层理裂缝和页岩中微小孔隙(0.001到0.01μm之间)的效果。
本申请实施例提供的页岩纳微米孔缝封堵评价系统可以进行页岩地层纳微米孔缝封堵实验、压力传递实验、页岩的膜效率的测定、页岩渗透率测试实验、钻井液成膜机理研究实验等。
压力传递实验的原理包括：首先在岩样上/下两端建立压差，保持上游压力不变，通过压力传感器和差压传感器实时监测岩样下端封闭流体的压力变化情况。通过测试不同封堵浆(钻井液)在相同的实验条件下的压力传递情况(即下游压力变化情况)，可以评价不同封堵浆(钻井液)对页岩孔缝的封堵效果。
本申请实施例中各个附图中的附图标记可以表示为以下含义：
机械助力泵-1，下游加压阀-2，抽真空阀-3，微型压力传感器阀-4，抽真空压力表-5，抽真空泵-6，自动跟踪泵-7，第二回压阀-8，上游放空阀-9，钻井液回收容器-10，回收阀-11，压力安全阀-12，回压测量装置-13，调压阀-14，氮气瓶-15，驱替泵-16，进液阀-17，第一回压阀-18，活塞容器-19，出液阀-20，上游压力测量装置-21，岩心夹持器-22，下游压力测量装置-23，下游放空阀-24，集液瓶-25，下游微腔室-26，岩心腔-27。
图1是本申请一个实施例中页岩纳微米孔缝封堵评价系统的结构示意图，图2是本申请一个实施例中岩心夹持器的主视图，图3是本申请一个实施例中岩心夹持器的剖面示意图，如图1-图3所示，本申请提供的页岩纳微米孔缝封堵评价系统包括：
分别设置在岩心夹持器22两端的上游循环装置和下游加压装置，所述岩心夹持器22还连接有围压加载装置；
所述上游循环装置包括相互连接的驱替泵16和活塞容器19，所述活塞容器19用于盛装钻井液，所述活塞容器19与所述岩心夹持器22之间设置有上游压力测量装置；
所述下游加压装置包括机械助力泵1，所述机械助力泵1和所述岩心夹持器22之间设置有下游压力测量装置；
所述围压加载装置包括自动跟踪泵7。
具体地，如图3所示，岩心加持器22中包括岩心腔27和下游微腔室26，下游微腔室26中可以装有地层水，本申请实施例中可以将岩心样品放入岩心夹持器22中。通过上游循环装置可以向岩心夹持器22提供循环的钻井液。如图1所示，上游循环装置中可以包括驱替泵16，驱替泵16与装有钻井液的活塞容器19连接，驱替泵16可以将活塞容器19中的钻井液循环的泵入岩心夹持器22中，用于为岩心样品提供高精度流量或高精度恒定高压的液体或气体的驱替。本申请实施例中驱替泵16可以采用ISCO泵，采用ISCO泵能够提供恒定的流量，或者提供恒定的压力，为实验提供精确稳定的实验环境，保证实验结果的准确性。在活塞容器19和岩心夹持器22之间设有上游压力测量装置21，上游压力测量装置21可以使用压力传感器，本申请一个实施例中上游压力测量装置21可以使用BYG压力传感器，用于测量岩心夹持器22上游(钻井液一侧)的压力。本申请一个示例中，ISCO泵的最大工作压力可以为25.8MPa(3750psi)，工作流量可以为0.001至138ml/min，上游压力测量装置21中的压力传感器的量程可以为0至10.5MPa(1500psi)，精度可以为0.1％F.S。
如图1所示，下游加压装置包括机械助力泵1，机械助力泵1中的介质可以为淡水，本申请一个示例中，机械助力泵1的最大工作压力可以为20Mpa，机械助力泵1可以与岩心夹持器22的末端相连。机械助力泵1与岩心夹持器22之间可以设置下游压力测量装置23，下游压力测量装置23可以使用压力传感器，本申请一个实例中，下游压力测量装置23可以使用微型压力传感器(如：齐平膜微型压力传感器)，可以选择量程为0至10.5MPa(1500psi)，精度为0.25％F.S的微型压力传感器。
岩心加持器22的下游微腔26中可以装有地层水，用于模拟地层，与岩心夹持器22连接的下游加压装置主要用于模拟地层中的孔隙压力。为保证下游微腔室的体积小，岩心夹持器22的下游端尽可能减少阀门，其储液的孔径可以采用1/16in的小孔。与岩心夹持器22的下游端连接的下游加压装置中的压力传感器选择微型压力传感器，可以避免压力传感器所占体积对岩心夹持器22的下游体积的影响，其将压力传感器的螺纹设计成M5×1，尽量减少传感器的必要占据空间。可以通过特制的阀门和压力传感器将下游端的下游加压装置的有效体积控制在0.13～0.16ml，岩心夹持器22的岩心腔27可装载短岩心，最短可达15mm。
如图1所示，本申请实施例中，岩心夹持器22还连接有围压加载装置，围压加载装置可以包括自动跟踪泵7，自动跟踪泵7包括恒压和压力跟踪两种工作模式，可分别输出恒定压力和以一定压差跟踪岩心夹持器22的入口压力。围压加载装置用于模拟地层上覆压力，自动跟踪泵7可手动控制也可由计算机通过RS232串口控制。本申请一个示例中，自动跟踪泵7的最高工作压力可以为20MPa，恒压精度为±0.1MPa，跟踪精度为±0.1MPa，跟踪速度为3MPa/s。
此外，本申请一个实施例中，页岩纳微米孔缝封堵评价系统还可以包括数据采集装置，数据采集装置可以采用PCI(Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准)总线数据采集板。数据采集装置可以与系统中的压力传感器、温度传感器等连接，采集系统中的压力、温度等数值，实时监测压力、温度的变化。数据采集装置还可以设置数据的采集频率，例如：对压力值的采集频率可以为100个数据点/秒。数据采集装置中的软件可以采用模块化设计，如：压力采集模块、温度采集模块等，每个模块均可以独立运行，都具有实验数据管理和计算、图形显示和实验报告打印等功能。
本申请提供的页岩纳微米孔缝封堵评价系统，可以通过岩心夹持器模拟岩心样品在地层的环境，利用上游循环装置向岩心夹持器内循环泵入钻井液，并利用下游加压装置模拟岩心样品在地层中的压力。通过上游循环装置、下游加压装置以及围压加载装置逐渐对岩心夹持器中的岩心样品加压，通过上游压力测量装置和下游压力测量装置可以采集岩心样品两端的压力变化。通过上述装置可以完成岩心样品的孔隙压力传递实验，获得随时间变化的压力曲线，根据获得的压力曲线实现了钻井液对页岩微小孔缝的封堵情况的评价。通过测试钻井液(上游)与页岩中地层水(下游)之间的压力变化来研究页岩及钻井液的成膜机理，实现了评价钻井液封堵页岩地层层理裂缝和页岩中微小孔隙的效果，提升了页岩微小孔缝尤其是纳微米孔缝封堵情况评价结果的准确性。
如图1所示，在本申请一个实施例的基础上，上游循环装置还可以包括第一回压阀18，第一回压阀18的一端与岩心夹持器22连接，另一端依次连接有回压测量装置13、调压阀14、氮气瓶15。本申请一个示例中，第一回压阀18的工作压力可以不大于15MPa，精度约为0.08MPa。调压阀14、第一回压阀18、氮气瓶15组成的压力控制系统主要用于维护上游循环装置的压力恒定。回压测量装置13可以使用压力传感器，本申请一个实施例中回压测量装置13可以使用BYG压力传感器。
如图1所示，在本申请一个实施例的基础上，岩心夹持器22还连接有液体处理装置，液体处理装置可以包括钻井液回收容器10、第二回压阀8、上游放空阀9，第二回压阀8的一端与岩心夹持器22连接，另一端与钻井液回收容器10、上游放空阀9连接。钻井液回收容器10主要用于回收实验过程中使用的钻井液，避免钻井液污染环境。实验结束时，打开第二回压阀8和上游放空阀9可以卸掉上游循环装置中的回压以及上游压力。
在上述实施例的基础上，页岩纳微米孔缝封堵评价系统还可以包括温度模拟装置，温度模拟装置可以设置在整个系统的外侧，可以将系统中其他装置均设置在温度模拟装置中。如：可以阿金岩心夹持器22、上游循环装置、下游加压装置、围压加载装置等设置在所温度模拟装置内。温度模拟装置可以为实验提供所需的温度环境，如：可以使用温控箱等作为温度模拟装置。通过设置温度模拟装置可以确保系统的温度保持恒定，提升了页岩微小孔缝尤其是纳微米孔缝封堵情况评价的准确性。
本申请一个实施例中，温度模拟装置包括恒温箱、温度传感器、温控仪，温控仪可以使用PID(proportion integration differentiation)控制器调节控制恒温箱的温度，操作简单，温度控制的精度可以控制在±0.1℃。此外，还可以采用多风道循环，使恒温箱内温度均匀。可以选用低噪音电动机为温度模拟装置提供动力，降低噪音，采用脱卸式可移动结构，便于流程的安装与维护，恒温箱的内表面可以选用不透钢材料，外表面喷塑，设计玻璃观察门，恒温箱的内部可以设有照明灯方便观察。
如图1所示，本申请一个实施例中，岩心夹持器22和下游加压装置之间连接有抽真空装置，抽真空装置包括抽真空泵6。实验过程中钻井液或泥页岩中的介质传递将会是一个比较缓慢的过程，针对一段较短的时间内，此过程中的压力变化将会很小，管线中存在的空气可能会影响钻井液的压力传递。并且，气体属于可压缩气体，且可压缩系数比较大，可能会影响介质传递引起的压力变化，其次，气体对温度变化的影响比较敏感。抽真空泵6可以在实验前将系统中的空气排出，可以准确的记录岩心样品在实验过程中的压力变化，避免系统中的空气影响实验测量的结果。
如图1所示，本申请一个实施例中，抽真空装置还包括抽真空阀3、集液瓶25、抽真空压力表5，抽真空泵6依次与抽真空压力表5、集液瓶25、抽真空阀3连接。抽真空阀3可以控制系统中的空气从抽真空装置中排出，抽真空压力表5可以测量抽真空装置中的压力变化。集液瓶25中可以装入地层水，在进行岩心压力传递实验前，可以讲讲岩心样品放入几页平中，打开抽真空泵6，可以将岩心样品进行抽真空饱和，使得岩心样品中注入饱和地层水。将进行抽真空饱和后的岩心样品放入岩心夹持器22，进行岩心压力传递实验。
此外，本申请一个实施例中，页岩纳微米孔缝封堵评价系统还可以包括安全控制装置，安全控制装置可以包括超温保护器、压力安全阀。超温保护器可以与系统中的温度传感器连接，当系统中的温度超过一定阈值时，超温保护器可以切断电源，保护系统中的各个装置的安全。压力安全阀可以与系统中的压力传感器连接，当系统中的压力超过一定阈值时，压力安全阀可以切断电源，保护系统中的各个装置的安全。如图1所示，本申请一个实施例中压力安全12可以与回压测量装置13连接，当然根据需要，还可以在其他温度传感器或温度测量装置中连接有压力安全阀12。
下面结合图1-图3，通过介绍本申请实施例提供的页岩纳微米孔缝封堵评价系统进行压力传递实验，评价页岩微小孔缝尤其是纳微米孔缝的封堵情况，具体介绍本申请实施例中的技术方案：
选取岩心，记录岩心的直径长度。将待测岩心放入集液瓶25，在集液瓶25里注入模拟地层水没过岩心，关闭抽真空阀3，将集液瓶25密封连接抽真空泵6，开启抽真空泵6将岩心进行抽空饱和。岩心饱和地层水后取出，将岩心放入岩心夹持器22。
开启温度模拟装置，设定实验温度，温度达到实验温度后。
设置自动跟踪泵7的工作模式为恒压模式，设置压力值为100psi，自动跟踪泵7开始工作。待围压达到设定压力时，打开抽真空阀3和微型压力传感器阀4，打开抽开真空泵6，抽真空约10min，关闭抽真空阀3。然后打开下游加压阀2，用机械助力泵1加10psi压力，关闭下游加压阀门2，然后开启抽真空阀3，开抽真空泵6，继续抽真空约10min后，关闭抽真空泵6及抽真空阀3。关闭进液阀17，打开活塞容器19，并装入适量待评价钻井液。
打开进液阀17和出液阀20，设置ISCO泵16(即驱替泵16)为恒流模式，开启氮气瓶15，给ISCO泵16加不超过60psi的压力，开启ISCO泵16，设置ISCO泵16的流速为3至5mL/s。根据实验需要，当实验介质为水相(水基钻井液)时打开第一回压阀18或第二回压阀8，可以将水基钻井液排出，当实验介质为油相(油基钻井液)时，打开回收阀11，可以将油相钻井液排入钻井液回收容器10。
调节调压阀14，使回压压力为30至40psi，待上游压力平衡后，上游压力约为50至60psi。
设置自动跟踪泵7比前一个值增加约100psi，然后调节调压阀14使上游压力上升到约100psi，然后打开下游加压阀2，用机械助力泵1给下游加压50至60psi，按此方法依次加压直至下游压力达到实验压力。每次操作可以使围压提高100psi，上游压力增加50psi，下游压力增加约50psi，三者按此顺序逐渐增压。通过逐渐加压，可以获得岩心样品上下游两端随时间变化的压力变化，缩短了测试时间，提升了页岩微小孔缝尤其是纳微米孔缝封堵的评价效率。
待下游压力达到实验压力后，根据实验前确定的上游压力实验值，设置围压值比上游压力实验值高约100至200psi，待围压稳定后，调节调压阀14使上游压力上升实验压力值。
待上游压力稳定后，重新将ISCO泵16的流量设置为0.1至0.3mL/min。
使用数据采集装置开始采集数据，先将采集到的数据进行校正，自动删除掉没用的数据点，再关闭微型压力传感器阀4。实验完成后，保存实验数据并导出，保存该次实验所得的数据。停止ISCO泵16，关闭氮气瓶15，打开上游放空阀9及第二回压阀8，卸掉回压及上游压力，打开下游放空阀24卸掉下游压力。
温度模拟装置中的温度冷却至室温后，开启自动跟踪泵7，卸掉围压，关闭所有电源。拆开岩心夹持器22，取出岩心，清洗仪器设备。
根据采集到的系统内的压力变化以及温度变化，结合岩心信息及待评价钻井液信息，可以获得实验过程中岩心随时间变化的压力曲线，渗透率，膜效率。通过观察随时间变化的压力曲线变化可以评价钻井液对岩心纳微米孔缝的封堵情况。
本申请实施例提供的页岩纳微米孔缝封堵评价系统中还可以包括其他机构，如连接管线、连接装置、密封装置等，可以根据实际使用进行设置，本申请实施例不作具体限定。
本申请实施例提供的页岩纳微米孔缝封堵评价系统，基于钻井液成膜理论和页岩的非理想膜效应开发而成，设备主要通过仿真模拟页岩所处地层条件，通过测试钻井液(上游)与页岩中地层水(下游)之间的压力变化来研究页岩及钻井液的成膜机理，分析钻井液与页岩之间流体渗流规律，评价钻井液封堵页岩地层层理裂缝和页岩中微小孔隙尤其是纳微米孔缝(如：0.001到0.01微米之间)的效果，对页岩气钻井液封堵性评价研究提供了有力的数据支持。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。本申请说明书附图仅仅只是示意图，不代表各个部件的实际结构。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的实施例而已，并不用于限制本本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在权利要求范围之内。