一种泥页岩井壁稳定及完整性可视化评价装置的制作方法

本发明涉及石油钻探过程中井壁稳定的实验评价设备，具体涉及一种泥页岩井壁稳定及完整性可视化评价装置。

背景技术：

井壁失稳与井筒完整性缺失问题是石油钻井及采油过程中普遍存在的难题，尤其是引起的井下复杂情况和诱发的其它井下事故对石油钻采危害极大。井壁失稳是由多种因素造成的，如钻井液性能、构成地层岩石的成分、井壁与流体之间的物化反应等，故在研究井壁失稳时不再单纯地将其视为纯力学或化学问题，需从耦合的角度分析，以便更真实地评价井壁失稳问题。

钻井过程中的井壁稳定问题、采油时的井筒完整性问题具有极强的时效性，这就要求能够进行实时监控，做到提前预知、及早发现、尽快处理。因此研制出一种能够模拟井下高温高压及流动条件下井内流体对井壁失稳及完整性影响的室内评价仪器变得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种泥页岩井壁稳定及完整性可视化评价装置，这种泥页岩井壁稳定及完整性可视化评价装置用于解决现有技术中对井壁失稳评价缺乏真实性的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种泥页岩井壁稳定及完整性可视化评价装置包括岩心反应釜体、过滤板、密封橡胶筒、CT扫描机、计算机，岩心反应釜体的上端口、下端口分别设置压紧岩心两端的过滤板，每个过滤板处均安装密封岩心反应釜体的轴压活塞，每个轴压活塞的中心设置一个柱塞，每个柱塞均与轴压控制器连接，每个过滤板处还设置有一个变焦内窥镜，每个变焦内窥镜均与内窥镜信号记录仪连接；岩心反应釜体居于密封橡胶筒内，岩心反应釜体与密封橡胶筒之间的环形腔为围压腔，围压腔通过高压管线连接围压液压泵；紧贴岩心反应釜体的外部设有温度传感器和应变测量仪；密封橡胶筒的外部设置有CT扫描机，CT扫描机连接CT成像处理器；岩心反应釜体上端的过滤板与上流体入口和上流体出口连通，岩心反应釜体下端的过滤板和下流体入口和下流体出口连通，上流体出口、下流体出口均与流出流体收集池和流体成分分析仪连通；流体成分分析仪、CT成像处理器、应变测试仪、温度传感器、轴压控制器、内窥镜信号记录仪均与计算机连接，向计算机传递数据信号。

上述方案中上流体入口通过设置有上流体入口闸阀的管线与流体温度调节器和电动液压泵连通，下流体入口通过设置有下流体入口闸阀的管线与流体温度调节器和电动液压泵连通，电动液压泵通过设置有流体循环阀的管线与流出流体收集池相连通。

上述方案中过滤板为圆形钢板，厚度在8 mm左右，其上分布有多个直径为1 mm的小孔，远离圆心处分布较多，靠近圆心处分布较少；圆心处设置有直径为1 cm的圆孔。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用变焦内窥镜技术和计算机断层扫描技术（CT），通过计算机分析系统，可以对岩心样本实验进行实时可视化，实时截取地层截面进行分析，且精度高；本发明可以模拟井下高温高压环境及流体流动条件，更符合井下实际情况。通过记录并分析钻井液对井壁失稳造成的影响，其实验结果可以满足钻井作业安全快速的需要；本发明还可以进行井筒完整性实验，模拟地层流体或者采气、开发过程中的工作液（如压裂液、酸化剂等）侵入地层对井筒完整性的影响，具有一机多用的特点，减少实验仪器的数量，节约实验经费；且利用本发明进行页岩井壁稳定和井筒完整性的研究，可以有效避免钻井时的井壁失稳和气藏开发时的井筒完整性缺失，提高页岩气勘探开发的经济效益。

实验时，通过选择不同的流体出入口，可以进行井壁稳定和井筒完整性两种实验。进行井壁稳定实验时，钻井液通过上流体入口进入、下流体出口流出，此时流体从岩心内壁穿流，利用可视化系统分析环形岩心内壁及周围变化情况，即可进行井壁稳定性研究；进行井筒完整性实验时，流体通过下流体入口进入、上流体出口流出，此时流体从岩心和套管内部渗流，利用可视化系统分析岩心内部变化情况，即可进行井筒完整性研究。

通过改变压缩泵内的循环介质，即可进行不同配方、不同成分的工作液流体（如钻井液、压裂液、酸化液等）实验；通过改变压缩泵的转速，即可进行钻井液流速比较实验；通过改变流体温度调节器的温度设置，即可进行模拟不同温度下的钻井液冲刷井壁实验；通过改变轴压系统和围压系统的压力设定，即可进行模拟不同压力条件下的钻井液冲刷井壁实验或井筒完整性实验；打开流体循环阀，即可实现实验过程中钻井液的循环。

附图说明

图1是一种泥页岩井壁稳定及完整性可视化评价装置示意图。

图2是一种泥页岩井壁稳定及完整性可视化评价装置结构框图。

图中：1-围压液压泵；2-电动液压泵；3-流体温度调节器；4-内窥镜信号记录仪；5-CT成像信号处理器；6-CT扫描机；7-密封橡胶筒；8-应变测量仪；9-温度传感器；10-流出流体收集池；11-流体成分分析仪；12-上变焦内窥镜；13-上轴压活塞；14-下变焦内窥镜；15-上柱塞；16-岩心反应釜体；17-上过滤板；18-下柱塞；19-上流体入口；20-下流体入口；21-下轴压活塞；22-上流体出口；23-下流体出口；24-轴压控制器；25-下过滤板；26-流体循环阀；27-计算机；28-下流体入口闸阀；29-上流体入口闸阀；30-上流体出口闸阀；31-下流体出口闸阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1、图2所示，这种泥页岩井壁稳定及完整性可视化评价装置由计算机分析系统、岩心可视化系统、流体控制系统、岩心应力控制系统和测量系统五部分组成。岩心可视化系统包括变焦内窥镜和CT成像系统；流体控制系统包括电动液压泵2、流体温度调节器3等；岩心压力控制系统包括轴压系统和围压系统；测量系统包括应变测量仪8、温度传感器9和流体成分分析仪11。实验时，通过选择不同的流体出入口，可以进行井壁稳定和井筒完整性两种实验。进行井壁稳定实验时，钻井液通过上流体入口19进入、下流体出口23流出，通过改变压缩泵内的循环介质，即可进行不同配方钻井液的实验；通过改变压缩泵的转速，即可进行钻井液流速实验。打开流体循环阀26，即可实现实验过程中钻井液的循环。进行井筒完整性实验时，流体通过下流体入口20进入、上流体出口22流出，此时流体从岩心内部渗流，利用可视化系统分析岩心内部变化情况，即可进行井壁完整性研究。

这种泥页岩井壁稳定及完整性可视化评价装置的具体结构为：它包括套装于岩心外部的筒形的岩心反应釜体16，岩心反应釜体16选择耐高温高压的聚四氟乙烯内衬的聚酰亚胺材料，岩心反应釜体16上下两端安装有压紧岩心两端的上过滤板17、下过滤板25，过滤板为圆形钢板，厚度在8 mm左右，其上分布有多个直径为1 mm的小孔，远离圆心处分布较多，靠近圆心处分布较少。圆心处设置有直径为1 cm的圆孔。过滤板外径与岩心反应釜体16的内径相同；上过滤板17与上流体入口19和上流体出口22连通，下过滤板25和下流体入口20和下流体出口23连通，上过滤板17上安装有上变焦内窥镜12，下过滤板25上安装有下变焦内窥镜14，上变焦内窥镜12和下变焦内窥镜14构成变焦内窥镜系统，上过滤板17的上部和下过滤板25的下部分别安装密封所述岩心反应釜体16的上轴压活塞13和下轴压活塞21，上轴压活塞13的通孔内安装有上柱塞15，下轴压活塞21的通孔内安装有下柱塞18，上柱塞15和下柱塞18与轴压控制器24连接构成轴压系统，紧贴岩心反应釜体16的外部设有温度传感器9和应变测量仪8，在岩心反应釜体16的外部套有密封橡胶筒7，密封橡胶筒7与岩心反应釜体16之间形成密封的围压腔，围压腔通过高压管线连接围压液压泵1。密封橡胶筒7、岩心反应釜体16和围压液压泵1组成围压系统，密封橡胶筒7的外部设置有CT扫描机6，CT扫描机6与CT成像信号处理器5连接构成CT成像系统，上流体入口19通过设置有上流体入口闸阀29的管线与流体温度调节器3和电动液压泵2连通，上流体出口22通过设置有上流体出口闸阀30的管线与流出流体收集池10和流体成分分析仪11连通，下流体入口20通过设置有下流体入口闸阀28的管线与流体温度调节器3和电动液压泵2连通，下流体出口23通过设置有下流体出口闸阀31的管线与流出流体收集池10和流体成分分析仪11连通，电动液压泵2通过设置有流体循环阀26的管线与流出流体收集池10相连通，电动液压泵2选用最高可达100 MPa的电动液压泵；流体成分分析仪11、CT成像信号处理器5、应变测试仪8、温度传感器9、轴压控制器24、内窥镜信号记录仪4均与计算机27连接，向计算机27传递数据信号。应变测试仪8、温度传感器9、流体成分分析仪11构成测量系统。计算机分析系统安装于计算机27内。

本发明中作为井筒完整性的实验样本应为内壁套管胶结完好的岩心样本。

1、进行井壁稳定实验：

进行井壁稳定实验时，首先启动计算机27和各个外部设备，设定好实验时的温度和压力（包括轴压和围压）参数（设定的参数可以是定值，也可是随函数动态变化）。将待实验的钻井液通过管线与电动液压泵2相连，打开上流体入口闸阀29、下流体出口闸阀31和流体循环阀26，然后启动电动液压泵2，电动液压泵2将钻井液泵入管线，进入流体温度调节器3，对流体进行加热/降温处理，然后流体通过上流体入口闸阀29进入上流体入口19，进入岩心反应釜体16内部，与岩心样本内壁相接触，此过程即是模仿实际钻井过程中钻井液与页岩地层的接触。然后钻井液从下流体出口23流出岩心反应釜体16，进入流出流体收集池10，少部分流出的钻井液经管线进入流体成分分析仪11，分析钻井液与页岩发生反应后流体成分的变化情况。大部分的钻井液流经流体循环阀26，通过管线返回至电动液压泵2，构成流体的循环，即模拟实际钻井过程中钻井液不断循环、冲刷页岩地层的过程。

2、进行井筒完整性实验：

进行井筒完整性实验时，模拟地层的岩心样本内外壁应固结有套管。进行井筒完整性实验时，首先启动计算机27和各个外部设备，设定好实验时的温度和压力（包括轴压和围压）参数（设定的参数可以是定值，也可是随函数动态变化）。将待实验的工作液（如压裂液、洗井液等）或者其他反应流体（可以是硫化氢、二氧化碳）通过管线与电动液压泵2相连，打开下流体入口闸阀28、上流体出口闸阀30和流体循环阀26，然后启动电动液压泵2，电动液压泵2将反应流体泵入管线，进入流体温度调节器3，对流体进行加热/降温处理，然后流体通过下流体入口闸阀28进入下流体入口20，进入岩心反应釜体16内部，与岩心样本内部相接触，从岩心样本内部渗流通过，此过程即是模仿实际采气生产过程中各种流体与套管的接触。然后反应流体通过上过滤板17（去除大颗粒物，防止堵塞压缩泵、损坏分析仪器）从上流体出口22流出岩心反应釜体16，进入流出流体收集池10，少部分流出的反应流体经管线进入流体成分分析仪11，分析反应流体与页岩及套管胶结处发生反应后流体成分的变化情况。大部分的反应流体流经流体循环阀26，通过管线返回至电动液压泵2，构成流体的循环，即模拟实际采气生产过程中反应流体不断冲刷、渗流页岩地层、腐蚀套管及胶结水泥的过程。

本发明能够在模拟井下高温高压环境和循环流体流动的条件下，对岩心样本进行钻井液或其他工作液流体冲刷损害试验。通过高分辨率变焦内窥镜以及计算机断层扫描（CT）测量及成像手段，实时观测和记录模拟井壁冲刷的程度及造壁情况，模拟井壁被外来流体侵蚀后的扩径、缩径及垮塌的程度。同时本发明也可以模拟进行采气开发时工作液（洗井液、压裂液、酸化液等）对页岩储层完整性的损害情况，为综合评价油气田工作液对井筒的影响提供了新的综合测试手段。本发明能更加真实地模拟井下环境，动态评价井壁稳定和井筒完整性情况，可改变循环介质，有助于优选钻井方式与钻井液体系；能综合评价近井壁地层渗透性和井筒完整性；实现井壁实时成像，观测更加直观；实用性强，具有重复性能好、操作简便、性能稳定等特点。