模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置及实验方法

模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置及实验方法
【专利摘要】本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置及实验方法；模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置包括第一高压氮气瓶、第一循环筒、漏失实验筒、第二循环筒、第二高压氮气瓶、伺服控制注入泵；第一高压氮气瓶与第一循环筒底端相连；第五高压管线的两端分别与第一循环筒上端和岩心夹持器上端连接；伺服控制注入泵与漏失实验筒下端相接；第二高压氮气瓶与第二循环筒底端相连；第四高压管线的两端分别与第二循环筒上端和岩心夹持器上端连接。本发明可真实模拟原始地应力状态下钻井液在不同岩性岩心端面的正循环和反循环动态堵漏过程，可模拟岩心尺寸大，实验方法简单，实验误差小，对现场应用更具指导性。
【专利说明】模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置及实验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置及实验方法，用于石油钻井过程中钻遇易漏地层时的漏失压力预测与相应堵漏剂堵漏效果评价。
【背景技术】
[0002]油气钻井过程中的井漏问题一直是困扰国内外石油勘探、开发的重大工程技术难题，至今未能完全解决。丼壁漏失不仅会引起卡钻、井喷、坍塌等一系列复杂情况，增加了钻井成本，而且也为后期的开发带来了极大的困难。随着油田的深入开发，深井、超深井以及复杂井的增多，使丼漏问题异常突出。
[0003]近年来，人们逐步尝试通过室内试验的方法进行钻井液漏失与堵漏效果评价，但试验结果与实际钻井过程中井壁钻井液的动态漏失有很大误差。例如，申请号为200910167764.9的发明专利公布的模拟裂缝堵漏试验装置及试验方法以及申请号为201210023152.4的发明专利公布的高温高压钻井液漏失动态评价仪均采用了不锈钢钢板来模拟裂缝，不能用于实际岩心的模拟，且只模拟钻井液从井筒向地层的静态漏失，忽略了钻井液本身在井筒中的流动；又如，申请号为201220295161.4的实用新型专利公布的一种钻井液漏失用高温高压堵漏试验装置，虽然增加了循环系统实现钻井液对堵层的冲刷，但无法进行反循环冲刷；另外，以上三种装置均未能实现应力状态下的钻井液动态漏失，不能很好地模拟钻井过程中的漏失现象。
[0004]为此，亟须研制出能真实反应地层应力状态和钻井液流动状态的实验装置，为钻井过程中的漏失压力预测以及堵漏措施制定提供一定的依据。

【发明内容】

[0005]为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置及方法，以更加真实地模拟裂缝性地层在原始条件下的漏失情况，以及相应的堵漏措施的实施效果。
[0006]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置，包括:第一高压氮气瓶、第一循环筒、漏失实验筒、岩心夹持器、第二循环筒、第二高压氮气瓶、伺服控制注入泵；岩心夹持器置于漏失实验筒内；
所述第一高压氮气瓶通过第一高压管线与第一循环筒底端相连，第一高压管线上设置第一减压阀；第一高压氮气瓶内装有高压氮气，第一循环筒内设有第一活塞，所述第一循环筒的底部设有第一阀门，第一循环筒的顶部安装有第一压力表；
第五高压管线的一端与第一循环筒的上端相连、另一端穿过漏失实验筒的上端与岩心夹持器的上端连接，第五高压管线上设有第二阀门；
第二高压管线的一端与岩心夹持器的底端相连、另一端穿过漏失实验筒的下端与烧杯相连，第二高压管线上设有第六阀门；
所述漏失实验筒下端通过第六高压管线与伺服控制注入泵相接，第六管线上设有第三阀门，所述伺服控制注入泵与计算机控制系统相连并由计算机控制系统控制；
所述第二高压氮气瓶通过第三高压管线与第二循环筒底端相连，第三高压管线上设置第二减压阀，第二高压氮气瓶内装有高压氮气，第二循环筒内设有第二活塞；
所述第二循环筒的底部设有第五阀门，第二循环筒的顶部安装有第三压力表；
第四高压管线的一端与第二循环筒的上端相连、另一端穿过漏失实验筒的上端与岩心夹持器的上端连接，第四高压管线上设有第四阀门。
[0007]模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验方法，利用上述的实验装置，具体实验步骤如下:
(1)、准备钻井液、堵漏剂和待实验的岩心；
(2)、将待实验的岩心安装在岩心夹持器上，并置于漏失实验筒中，打开第三阀门，利用计算机控制系统逐步给漏失实验筒内施加岩心的围压，当压力达到设定值时保持稳定不变；
(3)、钻井液动态堵漏实验
①在第一循环筒内加满设定堵漏剂体系的钻井液，进行正循环；打开第一减压阀、第二阀门、第四阀门、第二减压阀；第一阀门、第五阀门均处于关闭状态，逐步调节第一减压阀和第二减压阀的压力，使第一压力表指示的压力高于第三压力表指示的压力0.5MPa，保证钻井液在岩心端面的流动，期间可以通过调节第五阀门放空气体来降低第二循环筒中的压力；打开第六阀门，观察烧杯内钻井液的流出情况，记录漏失量和漏失时间；
②当第六阀门出口钻井液流量明显降低时，关闭第一减压阀和第二减压阀，进行反循环；打开第一阀门放空第一循环筒内的气体，关闭第一阀门；打开第一减压阀、第二减压阀；第一阀门、第五阀门均处于关闭状态，逐步调节第二减压阀和第一减压阀的压力，使第三压力表指示的压力高于第一压力表指示的压力0.5MPa，保证钻井液在岩心端面的流动，期间可以通过调节第一阀门放空气体来降低第一循环筒中的压力；观察烧杯内钻井液的流出情况，记录漏失量和漏失时间，分析堵漏效果；
(4)、堵漏成功后，关闭第一减压阀、第二阀门、第一阀门、第五阀门；打开第二减压阀，第四阀门，逐步增加第二循环筒内的压力，进行钻井液穿透实验，获得相应的承压能力；
(5)、钻井液芽透实验完成后，先卸压，然后取出岩心，实验完毕。
[0008]相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果:
(I)、本发明以实际岩心为实验对象，可模拟不同岩性地层的漏失情况，评价堵漏材料的堵漏效果，对现场应用更具指导性。
[0009](2)、增加了钻井液在岩心端面的循环系统，克服了以往研究中的仅能实现单向漏失与堵漏的弊端，实现了钻井液在岩心端面的正循环和反循环动态堵漏，可真实模拟实际钻井过程中钻井液在地下的漏失与堵漏情况。
[0010](3)、钻井液的漏失与堵漏是在较高的围压下进行的，可较真实地模拟原始地层应力状态下钻井过程中钻井液的漏失与堵漏情况。
[0011](4)、可模拟岩心尺寸大，最大可实验岩心尺寸为直径100mm，高100mm，实验方法
简单，操作方便，实验误差小。【专利附图】

【附图说明】
[0012]图1为本发明的模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置示意图；
图2为漏失实验筒内岩心夹持器示意图；
图3为岩心夹持器上端盖底端面剖面图；
图4为岩心夹持器下端盖上端面剖面图；
图中，1、第一高压氮气瓶，2、第一减压阀，3、第一高压管线，4、第一循环筒，40、第一活塞,5、第一阀门，7、第一压力表,8、第二阀门,9、漏失实验筒,10、岩心夹持器,11、第三阀门，12、伺服控制注入泵，13、计算机控制系统，14、第六阀门，15、烧杯，17、第二高压管线，18、第四阀门，19、第三压力表，21、第二循环筒，41、第二活塞，22、第五阀门，23、第三高压管线，24、第二减压阀，25、第二高压氮气瓶，26、第四高压管线，27、第五高压管线，28、第六高压管线,29、岩心夹持器上端盖,30、岩心夹持器下端盖,31、岩心,32、胶套。
【具体实施方式】
[0013]如图1所示，模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置，包括:第一高压氮气瓶1、第一循环筒4、漏失实验筒9、岩心夹持器10、第二循环筒21、第二高压氮气瓶25、伺服控制注入泵12 ;岩心夹持器10置于漏失实验筒9内。
[0014]所述第一高压氮气瓶I通过第一高压管线3与第一循环筒4底端相连，第一高压管线3上设置第一减压阀2 ;第一高压氮气瓶I内装有高压氮气，用于给第一循环筒4内的钻井液提供压力；第一循环筒4内设有第一活塞40，第一活塞40用于实现对上端的钻井液和下端的高压氮气的隔离，并将下端的高压氮气的压力传递给上端的钻井液；第一减压阀2用于控制第一高压氮气瓶I的输出压力；所述第一循环筒4的底部设有第一阀门5，第一阀门5用于放空或调节第一循环筒4内的压力；第一循环筒4的顶部安装有第一压力表7，用于指示第一循环筒4中的钻井液压力。
[0015]第五高压管线27的一端与第一循环筒4的上端相连、另一端穿过漏失实验筒9的上端与岩心夹持器10的上端连接，第五高压管线27上设有第二阀门8，第二阀门8用于控制漏失实验筒9中钻井液的进出。
[0016]第二高压管线17的一端与岩心夹持器10的底端相连、另一端穿过漏失实验筒9的下端与烧杯15相连，第二高压管线17上设有第六阀门14 ;第六阀门14用于控制钻井液的流出，烧杯15用来计量穿透后漏失的钻井液。
[0017]所述漏失实验筒9下端通过第六高压管线28与伺服控制注入泵12相接，第六管线28上设有第三阀门11，第三阀门11用于控制围压液体的进出；所述伺服控制注入泵12与计算机控制系统13相连并由计算机控制系统13控制，伺服控制注入泵12经第六高压管线28给漏失实验筒9内岩心施加围压。
[0018]所述第二高压氮气瓶25通过第三高压管线23与第二循环筒21底端相连，第三高压管线23上设置第二减压阀24 ;第二高压氮气瓶25内装有高压氮气，用于给第二循环筒21内的钻井液提供压力；第二循环筒21内设有第二活塞41，第二活塞41用于实现对上端的钻井液和下端的高压氮气的隔离，并将底端高压氮气的压力传递给上端的钻井液；第二减压阀24用于控制第二高压氮气瓶25的输出压力； 所述第二循环筒21的底部设有第五阀门22，第五阀门22用于放空或调节第二循环筒21内的压力；第二循环筒21的顶部安装有第三压力表19，用于指示第二循环筒21中的钻井液压力；
第四高压管线26的一端与第二循环筒21的上端相连、另一端穿过漏失实验筒9的上端与岩心夹持器10的上端连接，第四高压管线26上设有第四阀门18，第四阀门18用于控制漏失实验筒9中钻井液的进出。
[0019]如图2所示，所述岩心夹持器10，包括:岩心夹持器上端盖29、岩心夹持器下端盖30和胶套32，岩心31夹在岩心夹持器上端盖29和岩心夹持器下端盖30之间，并用胶套32密封，夹紧岩心并防止围压液体的渗入。如图3、图4所示，岩心夹持器上端盖29的下端面和岩心夹持器下端盖30的上端面分别设有凹槽，便于钻井液的流动；第四高压管线26和第五高压管线27分别与岩心夹持器上端盖29相连，第二高压管线17与岩心夹持器下端盖30相连。
[0020]如图3所示，岩心夹持器上端盖29底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4所示，岩心夹持器下端盖30上端面剖面上带有凹槽，便于钻井液在岩心出口端面的流动；
正循环时，第一减压阀2、第二阀门8、第四阀门18、第二减压阀24、第三阀门11均处于打开状态，第一阀门5、第五阀门22均处于关闭状态；由第一高压氮气瓶I给内置第一活塞40的第二循环筒21内的钻井液加压后，钻井液经第五高压管线27流入漏失实验筒9内，钻井液在岩心夹持器10上端面循环后经第四高压管线26流入第二循环筒21内；第二高压氮气瓶25通过第二减压阀24、第三高压管线23给第二循环筒21提供压力，目的是保持第一循环筒4和第二循环筒21之间的压差稳定；由伺服控制注入泵12经第三阀门11给漏失实验筒9施加围压。
[0021]反循环时，第一减压阀2、第二阀门8、第四阀门18、第二减压阀24、第三阀门11均处于打开状态，第一阀门5、第五阀门22均处于关闭状态；由第二高压氮气瓶25给内置第二活塞41的第二循环筒21内的钻井液加压后，钻井液经第四高压管线26流入漏失实验筒9内，钻井液在岩心夹持器10上端面循环后经第五高压管线27流入第一循环筒4内；第一高压氮气瓶I通过第一减压阀2、第一高压管线3给第一循环筒4提供压力，目的是保持第二循环筒21和第一循环筒4之间的压差稳定；由伺服控制注入泵12经第三阀门11给漏失实验筒9施加围压。
[0022]模拟钻井液动态漏失与堵漏实验的方法，利用上述实验装置，具体实验步骤如下:
(1)、准备钻井液、堵漏剂和待实验的岩心；
(2)、将待实验的岩心31安装在岩心夹持器10上，并置于漏失实验筒9中，打开第三阀门11，利用计算机控制系统13逐步给漏失实验筒9内施加岩心的围压，当压力达到设定值时保持稳定不变，；
(3)、钻井液动态堵漏实验
①在第一循环筒4内加满设定堵漏剂体系的钻井液，进行正循环；打开第一减压阀2、第二阀门8、第四阀门18、第二减压阀24;第一阀门5、第五阀门22均处于关闭状态，逐步调节第一减压阀5和第二减压阀24的压力，使第一压力表7指示的压力高于第三压力表19指示的压力0.5MPa，保证钻井液在岩心端面的流动，期间可以通过调节第五阀门22放空气体来降低第二循环筒21中的压力；打开第六阀门14，观察烧杯15内钻井液的流出情况，记录漏失量和漏失时间。
[0023]②当第六阀门14出口钻井液流量明显降低时，关闭第一减压阀2和第二减压阀24，进行反循环；打开第一阀门5放空第一循环筒4内的气体，关闭第一阀门5 ;打开第一减压阀2、第二减压阀24 ;第一阀门5、第五阀门22均处于关闭状态，逐步调节第二减压阀24和第一减压阀2的压力，使第三压力表19指示的压力高于第一压力表7指示的压力
0.5MPa，保证钻井液在岩心端面的流动，期间可以通过调节第一阀门5放空气体来降低第一循环筒4中的压力；观察烧杯15内钻井液的流出情况，记录漏失量和漏失时间，分析堵漏效果。
[0024](4)、堵漏成功后，关闭第一减压阀2、第二阀门8、第一阀门5、第五阀门22 ;打开第二减压阀24，第四阀门18，逐步增加第二循环筒21内的压力，进行钻井液穿透实验，获得相应的承压能力。
[0025](5)、钻井液穿透实验完成后，先卸压，然后取出岩心，实验完毕。
【权利要求】
1.一种模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置，包括:第一高压氮气瓶、第一循环筒、漏失实验筒、岩心夹持器、第二循环筒、第二高压氮气瓶、伺服控制注入泵；岩心夹持器置于漏失实验筒内；其特征在于: 所述第一高压氮气瓶通过第一高压管线与第一循环筒底端相连，第一高压管线上设置第一减压阀；第一高压氮气瓶内装有高压氮气，第一循环筒内设有第一活塞，所述第一循环筒的底部设有第一阀门，第一循环筒的顶部安装有第一压力表； 第五高压管线的一端与第一循环筒的上端相连、另一端穿过漏失实验筒的上端与岩心夹持器的上端连接，第五高压管线上设有第二阀门； 第二高压管线的一端与岩心夹持器的底端相连、另一端穿过漏失实验筒的下端与与烧杯相连，第二高压管线上设有第六阀门； 所述漏失实验筒下端通过第六高压管线与伺服控制注入泵相接，第六管线上设有第三阀门，所述伺服控制注入泵与计算机控制系统相连并由计算机控制系统控制； 所述第二高压氮气瓶通过第三高压管线与第二循环筒底端相连，第三高压管线上设置第二减压阀，第二高压氮气瓶内装有高压氮气，第二循环筒内设有第二活塞； 所述第二循环筒的底部设有第五阀门，第二循环筒的顶部安装有第三压力表； 第四高压管线的一端与第二循环筒的上端相连、另一端穿过漏失实验筒的上端与岩心夹持器的上端连接，第四高压管线上设有第四阀门。
2.根据权利要求1所述的模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置，其特征在于:所述岩心夹持器，包括:岩心夹持器上端盖、岩心夹持器下端盖和胶套，岩心夹在岩心夹持器上端盖和岩心夹持器下端盖之间，并用胶套密封。
3.根据权利要求1-2所述的模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置，其特征在于:岩心夹持器上端盖的下端面和岩心夹持器下端盖的上端面分别设有凹槽，第四高压管线和第五高压管线分别与岩心夹持器上端盖相连，第二高压管线与岩心夹持器下端盖相连。
4.根据权利要求1-3所述的模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置，其特征在于:正循环时，第一减压阀、第二阀门、第四阀门、第二减压阀、第三阀门均处于打开状态，第一阀门、第五阀门均处于关闭状态；由第一高压氮气瓶给内置第一活塞的第二循环筒内的钻井液加压后，钻井液经第五高压管线流入漏失实验筒内，钻井液在岩心夹持器上端面循环后经第四高压管线流入第二循环筒内；第二高压氮气瓶通过第二减压阀、第三高压管线给第二循环筒提供压力，目的是保持第一循环筒和第二循环筒之间的压差稳定；由伺服控制注入泵经第三阀门给漏失实验筒施加围压。
5.根据权利要求1-4所述的模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置，其特征在于:反循环时，第一减压阀、第二阀门、第四阀门、第二减压阀、第三阀门均处于打开状态，第一阀门、第五阀门均处于关闭状态；由第二高压氮气瓶给内置第二活塞的第二循环筒内的钻井液加压后，钻井液经第四高压管线流入漏失实验筒内，钻井液在岩心夹持器上端面循环后经第五高压管线流入第一循环筒内；第一高压氮气瓶通过第一减压阀、第一高压管线给第一循环筒提供压力，保持第二循环筒和第一循环筒之间的压差稳定；由伺服控制注入泵经第三阀门给漏失实验筒施加围压。
6.一种模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验方法，利用权利要求1-5的实验装置，其特征在于，具体实验步骤如下:(1)、准备钻井液、堵漏剂和待实验的岩心； (2)、将待实验的岩心安装在岩心夹持器上，并置于漏失实验筒中，打开第三阀门，利用计算机控制系统逐步给漏失实验筒内施加岩心的围压，当压力达到设定值时保持稳定不变； (3)、钻井液动态堵漏实验 ①在第一循环筒内加满设定堵漏剂体系的钻井液，进行正循环；打开第一减压阀、第二阀门、第四阀门、第二减压阀；第一阀门、第五阀门均处于关闭状态，逐步调节第一减压阀和第二减压阀的压力，使第一压力表指示的压力高于第三压力表指示的压力0.5MPa，保证钻井液在岩心端面的流动，期间可以通过调节第五阀门放空气体来降低第二循环筒中的压力；打开第六阀门，观察烧杯内钻井液的流出情况，记录漏失量和漏失时间； ②当第六阀门出口钻井液流量明显降低时，关闭第一减压阀和第二减压阀，进行反循环；打开第一阀门放空第一循环筒内的气体，关闭第一阀门；打开第一减压阀、第二减压阀；第一阀门、第 五阀门均处于关闭状态，逐步调节第二减压阀和第一减压阀的压力，使第三压力表指示的压力高于第一压力表指示的压力0.5MPa，保证钻井液在岩心端面的流动，期间可以通过调节第一阀门放空气体来降低第一循环筒中的压力；观察烧杯内钻井液的流出情况，记录漏失量和漏失时间，分析堵漏效果； (4)、堵漏成功后，关闭第一减压阀、第二阀门、第一阀门、第五阀门；打开第二减压阀，第四阀门，逐步增加第二循环筒内的压力，进行钻井液穿透实验，获得相应的承压能力； (5)、钻井液芽透实验完成后，先卸压，然后取出岩心，实验完毕。
【文档编号】E21B33/13GK103953332SQ201410204947
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】韩忠英, 程远方, 常鑫, 邓文彪, 徐鹏 申请人:中国石油大学(华东)