一种模拟渗流场变化的水侵后井壁坍塌压力测量装置的制作方法

本实用新型属于泥页岩钻井过程中井壁失稳研究的技术领域，具体涉及一种模拟渗流场变化的水侵后井壁坍塌压力测量装置。

背景技术：

近年来，随着常规油气资源的日渐衰竭，页岩油气因其巨大的地质储量和开发前景而备受关注。但在页岩气开采领域尚存在许多技术性难题，比如在钻井工程中，当钻遇泥页岩储层时，由于泥页岩水侵导致的井壁失稳问题尤为棘手，据初步统计，石油天然气工业每年因井壁失稳问题带来的经济损失就高达8-10亿美元，因此加强泥页岩钻井过程中的井壁失稳问题理论与实验方面的研究迫在眉睫。

泥页岩发生水侵的影响因素有毛管力、化学势、深部地层中的压力场、温度场、渗流场等，基于此，本实用新型装置加设了温度控制系统和压力控制系统，模拟真实钻井工况下地层的高温高压环境。另外由于渗透率属于岩石固有属性，其数值大小不可变，所以在本装置中，用相邻两模拟岩心的接触端面来模拟天然裂缝，通过向模拟岩心两端施压来减小模拟裂缝的开度，从而间接的改变整体模拟岩心的渗透率值。

泥页岩主要成分为各种粘土类矿物，如蒙脱石、伊利石、高岭石等，且层理弱面较发育，力学性质不稳定，因此相较于其他类岩石，具有其独有的特性，主要为吸水膨胀，钻井液中的水相可以进入粘土类矿物的晶层间，使得固体颗粒体积膨胀，孔隙压力增大，从而使井周原始应力场发生改变，岩石力学参数发生变化，最终导致缩径和坍塌等一系列复杂工况的发生，大大延长了钻井施工周期，增加了钻井作业成本。

岩石力学参数和地应力大小都与水侵量有关，而坍塌压力的大小直接决定了施工过程中钻井液密度窗口的下限，因此设计一套温度压力环境可控，渗透率可变，水侵量、坍塌压力可测的水侵发生后的井壁坍塌压力测量装置变的越来越重要。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决上述问题，提供一种结构简单，使用方便，制造成本较低，能够模拟渗流场变化的水侵后井壁坍塌压力测量装置。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种模拟渗流场变化的水侵后井壁坍塌压力测量装置，包括地层模拟模块、钻井液循环模块、压力控制模块和数据处理模块，压力控制模块分别作用于地层模拟模块和钻井液循环模块,数据处理模块检测地层模拟模块在压力控制模块的作用下的渗透率。

优选地，所述地层模拟模块包括高压釜和数量为三的模拟岩心，模拟岩心位于高压釜的内部，相邻模拟岩心的接触端面形成模拟裂缝。

优选地，所述钻井液循环模块包括模拟井筒、清水储液罐、液体注入泵、储液罐和液体循环动力泵，模拟井筒穿设于高压釜，模拟岩心位于高压釜内部，模拟岩心为圆柱体结构，且其圆弧形外壁与模拟井筒直接接触；模拟井筒的上端通过高承压管道与储液罐连通，模拟井筒的下端通过高承压管道与液体循环动力泵的端部连通，液体循环动力泵的另一端通过高承压管道与储液罐连通，储液罐通过高承压管道与液体注入泵连通，液体注入泵通过高承压管道与清水储液罐相连，清水储液罐内部的液体通过液体注入泵注入储液罐中，储液罐中的液体通过高承压管道进入模拟井筒中，再通过液体循环动力泵之后返回到储液罐中。

优选地，所述储液罐与液体注入泵之间设有第六阀门，第六阀门能控制储液罐与液体注入泵之间高承压管道的连通与断开；储液罐与液体循环动力泵之间设有第七阀门，第七阀门控制储液罐与液体循环动力泵之间高承压管道的连通与断开；模拟井筒与储液罐之间的高承压管道上设有第五压力表，第五压力表用于监控模拟井筒与储液罐之间的压力值。

优选地，所述压力控制模块包括加压钢板、高压氮气瓶、密封橡胶垫、第一气体注入阀组、第二气体注入阀组和第三气体注入阀组，密封橡胶垫位于加压钢板的两端，加压钢板位于高压釜的内部，加压钢板的数量为二且分布在模拟岩心的两端，第三气体注入阀组与第一气体注入阀组的结构相同；位于模拟岩心上边的加压钢板的另一面与第三气体注入阀组相连，位于模拟岩心下边的加压钢板的另一面与第一气体注入阀组相连；第一气体注入阀组与第三气体注入阀组通过管路相连后与高压氮气瓶通过高承压管道相连，高压氮气瓶通过高承压管道与第二气体注入阀组相连，第二气体注入阀组的另一端穿过高压釜与模拟岩心相连。

优选地，所述高压氮气瓶与第二气体注入阀组之间的高承压管道上设有第三阀门，第三阀门控制高压氮气瓶与第二气体注入阀组之间高承压管道的连通与断开；高压氮气瓶与第三气体注入阀组之间的高承压管道上设有第一阀门，第一阀门控制高压氮气瓶与第三气体注入阀组之间高承压管道的连通与断开，高压氮气瓶与第一气体注入阀组之间的高承压管道上设有第五阀门，第五阀门控制高压氮气瓶与第一气体注入阀组之间高承压管道的连通与断开，第一阀门所在高承压管道与第五阀门所在高承压管道合并后与高压氮气瓶相连的高承压管道之间设有第四阀门，第一阀门所在高承压管道与第五阀门所在高承压管道合并后高承压管道与高压氮气瓶之间的连通与断开通过第四阀门控制。

优选地，所述高压氮气瓶与第三气体注入阀组连通的高承压管道上设有第一压力表，第一压力表用于检测高压氮气瓶与第三气体注入阀组连通高承压管道中的压力，即加压钢板施加在模拟岩心上的压力值。

优选地，所述储液罐的顶部设有第四气体注入阀组，高压氮气瓶与第三气体注入阀组连通的高承压管道与第四气体注入阀组通过高承压管道相连，高压氮气瓶与第三气体注入阀组连通的高承压管道与第四气体注入阀组相连的高承压管道上设有第二阀门，第二阀门控制自身所在管路的连通与断开。

优选地，所述数据处理模块包括位移传感器、数据采集终端、电源、电阻板和测压探头，位移传感器等距分布且紧贴于模拟岩心侧壁经串联后与数据采集终端电连接，电阻板的端部穿过高压釜与模拟岩心相连，电阻板的另一端通过电源与数据采集终端电连接，测压探头端部穿过高压釜与模拟井筒内部相连，测压探头在模拟井筒内部的位置与位移传感器的位置等高且对称布置，测压探头的另一端与数据采集终端电连接，数据采集终端分别与第一压力表和第五压力表电连接。

优选地，所述测压探头的数量为三，数量为三的测压探头与数据采集终端之间分别设有第二压力表、第三压力表和第四压力表，第二压力表检测位于高压釜上部的测压探头所测得数据，第三压力表检测位于高压釜中部的测压探头所测得数据，第四压力表检测位于高压釜底部的测压探头所测得数据。

本实用新型的有益效果是：本实用新型所提供的一种模拟渗流场变化的水侵后井壁坍塌压力测量装置结构简单，使用方便，制造成本较低，测得数据准确；通过测量不同渗透率条件下模拟岩心的水侵量，以及不同水侵量下对应的井壁坍塌压力大小，从而建立渗透率、水侵量、坍塌压力随时间变化的对应关系，对施工现场钻井液密度的合理选取具有一定的指导意义。

附图说明

图1是本实用新型一种模拟渗流场变化的水侵后井壁坍塌压力测量装置的结构示意图。

附图标记说明：1、高压釜；2、模拟井筒；3、位移传感器；4、加压钢板；5、第一阀门；6、第二阀门；7、数据采集终端；8、第一压力表；9、电源；10、电阻板；11、第三阀门；12、高压氮气瓶；13、第四阀门；14、密封橡胶垫；15、第五阀门；16、第一气体注入阀组；17、第二气体注入阀组；18、模拟岩心；19、模拟裂缝；20、第二压力表；22、第三压力表；23、第四压力表；24、第五压力表；25、第四气体注入阀组；26、储液罐； 27、第六阀门；28、液体注入泵；29、清水储液罐；30、第七阀门；31、液体循环动力泵； 161、第三气体注入阀组。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明：

如图1所示，本实用新型提供的一种模拟渗流场变化的水侵后井壁坍塌压力测量装置，包括地层模拟模块、钻井液循环模块、压力控制模块和数据处理模块，压力控制模块分别作用于地层模拟模块和钻井液循环模块,数据处理模块检测地层模拟模块在压力控制模块的作用下的渗透率,温度变化，压力变化等。

地层模拟模块包括高压釜1和数量为三的模拟岩心18，模拟岩心18位于高压釜1的内部，相邻模拟岩心18的接触端面形成模拟裂缝19。在实际使用过程中，可根据实际使用需要修改模拟岩心18的块数和大小从而得到不同数量的模拟裂缝19，以便加大渗透率数值可调范围和更加接近于实际地层环境。

钻井液循环模块包括模拟井筒2、储液罐26、液体注入泵28、清水储液罐29和液体循环动力泵31，模拟井筒2穿设于高压釜1。模拟岩心18位于高压釜1内部，模拟岩心18 为圆柱体结构且其圆弧形外壁与模拟井筒2直接接触。模拟井筒2的上端通过高承压管道与储液罐29连通，模拟井筒2的下端通过高承压管道与液体循环动力泵31的端部连通。液体循环动力泵31的另一端通过高承压管道与储液罐29连通，储液罐29通过高承压管道与液体注入泵28连通，液体注入泵28通过高承压管道与清水储液罐26相连，清水储液罐 26内部的液体通过液体注入泵28注入储液罐29中，储液罐29中的液体通过高承压管道进入模拟井筒2中，再通过液体循环动力泵31之后返回到储液罐29中。

清水储液罐26和储液罐29的外表面上均刻有刻度，在本实用新型工作过程中，操作人员可以根据储液罐29和清水储液罐26内的液体体积变化值来计算水侵量，计算方法为：水侵量＝储液罐初始液体体积+清水注入体积-储液罐最终液体体积。

储液罐29与液体注入泵28之间设有第六阀门27，第六阀门27能控制储液罐29与液体注入泵28之间高承压管道的连通与断开；储液罐29与液体循环动力泵31之间设有第七阀门30，第七阀门30控制储液罐29与液体循环动力泵31之间高承压管道的连通与断开；模拟井筒2与储液罐29之间的高承压管道上设有第五压力表24，第五压力表24用于监控模拟井筒2与清水储液罐29之间的压力值。

压力控制模块包括加压钢板4、高压氮气瓶12、密封橡胶垫14、第一气体注入阀组16、第二气体注入阀组17和第三气体注入阀组161，密封橡胶垫14位于加压钢板4的两端，加压钢板4位于高压釜1的内部，加压钢板4的数量为二且分布在模拟岩心18的两端，第三气体注入阀组161与第一气体注入阀组16的结构相同；位于模拟岩心18上边的加压钢板4 的另一面与第三气体注入阀组161相连，位于模拟岩心18下边的加压钢板4的另一面与第一气体注入阀组16相连；第一气体注入阀组16与第三气体注入阀组161通过管路相连后与高压氮气瓶12通过高承压管道相连，高压氮气瓶12通过高承压管道与第二气体注入阀组17相连，第二气体注入阀组17的另一端穿过高压釜1与模拟岩心18相连。高压氮气瓶 12内部充有高压气体，高压气体能够通过高压氮气瓶12向与高压氮气瓶12连通的高承压管道通入高压气体，已完成相关的工作。

高压氮气瓶12与第二气体注入阀组17之间的高承压管道上设有第三阀门11，第三阀门11控制高压氮气瓶12与第二气体注入阀组17之间高承压管道的连通与断开。高压氮气瓶12与第三气体注入阀组161之间的高承压管道上设有第一阀门5，第一阀门5控制高压氮气瓶12与第三气体注入阀组161之间高承压管道的连通与断开，高压氮气瓶12与第一气体注入阀组16之间的高承压管道上设有第五阀门15，第五阀门15控制高压氮气瓶12与第一气体注入阀组16之间高承压管道的连通与断开，第一阀门5所在高承压管道与第五阀门15所在高承压管道合并后与高压氮气瓶12相连的高承压管道之间设有第四阀门13，第一阀门5所在高承压管道与第五阀门15所在高承压管道合并后高承压管道与高压氮气瓶12 之间的连通与断开通过第四阀门13控制。

高压氮气瓶12与第三气体注入阀组161连通的高承压管道上设有第一压力表8，第一压力表8用于检测高压氮气瓶12与第三气体注入阀组161连通高承压管道中的压力，即加压钢板4施加在模拟岩心18上的压力值。

储液罐29的顶部设有第四气体注入阀组25，高压氮气瓶12与第三气体注入阀组161 连通的高承压管道与第四气体注入阀组25通过高承压管道相连，高压氮气瓶12与第三气体注入阀组161连通的高承压管道与第四气体注入阀组25相连的高承压管道上设有第二阀门6，第二阀门6控制自身所在管路的连通与断开。

数据处理模块包括位移传感器3、数据采集终端7、电源9、电阻板10和测压探头21，移传感器3等距分布且紧贴于模拟岩心18侧壁经串联后与数据采集终端7电连接。在本实施例中，位移传感器3的数量为三，等距离分布且紧贴于模拟岩心18的侧壁，贴有位移传感器3的模拟岩心18的侧壁与模拟井筒2直接接触。相邻位移传感器3串联并通过导线与数据采集终端7电连接。电阻板10的端部穿过高压釜1与模拟岩心18相连，电阻板10的另一端通过电源9与数据采集终端7电连接。电阻板10的数量为二分别与位于高压釜1内部的模拟岩心18相连。电阻板10在电源9通电过程中产生热量，使模拟岩心18的温度升高。测压探头21端部穿过高压釜1与模拟井筒2内部相连，测压探头21在模拟井筒2内部的位置与位移传感器3的位置等高且对称布置。测压探头21的另一端与数据采集终端7 电连接，数据采集终端7分别与第一压力表8和第五压力表24电连接。

测压探头21的数量为三，数量为三的测压探头21与数据采集终端7之间分别设有第二压力表20、第三压力表22和第四压力表23，第二压力表20检测位于高压釜1上部的测压探头21所测得数据，第三压力表22检测位于高压釜1中部的测压探头21所测得数据，第四压力表23检测位于高压釜1底部的测压探头21所测得数据。

第一压力表8、位移传感器3、第二压力表20、第三压力表22、第四压力表23、第五压力表24所测得数据均通过数据采集终端7进行数据处理和进行相关的控制。在本实施例中，位移传感器3、加压钢板4、第一阀门5、第二阀门6、数据采集终端7、第一压力表8；电源9、电阻板10、第三阀门11、高压氮气瓶12、第四阀门13、第五阀门15、第一气体注入阀组16、第二气体注入阀组17、模拟岩心18、第二压力表20、第三压力表22、第四压力表23、第五压力表24、第四气体注入阀组25、第六阀门27、液体注入泵28、第七阀门30、液体循环动力泵31和第三气体注入阀组161均为现有成熟技术设备。

为了便于理解本实用新型的工作原理，现将本实用新型的工作过程叙述一遍：

第一步，打开交流电源，通过电阻板10向模拟岩心18加热使温度达到预设值T，其中 T为温度值的代号。

第二步，打开第三阀门11，通过第二气体注入阀组17向模拟岩心18加压达预设值P1，其中P1为模拟岩心18内部的压力值。

第三步、关闭第三阀门11，打开第二阀门6和第四阀门13，由第四气体注入阀组25 向储液罐29注入高压气体使钻井液循环模块中压力达到预设值P2，其中P2为压力值，可近似为模拟井筒2中液柱压力值；当P1>P2时，整个设备处于模拟欠平衡钻井条件；当P1＝P2 时，整个设备处于模拟平衡钻井条件；当P1<P2时，整个设备处于模拟过平衡钻井条件。

第四步、关闭第三阀门11和第二阀门6，打开第一阀门5、第四阀门13和第五阀门15，通过第一气体注入阀组16和第三气体注入阀组161分别向加压钢板4加压，加压钢板4压缩模拟岩心18使模拟裂缝19的开度减小，由实验前的准备工作计算出对应压力下的模拟岩心渗透率，在本实施例中压力值可自由设定，以便研究不同渗流条件下的水侵情况。打开第七阀门30和液体循环动力泵31，使钻井液循环模块中的流体开始流动，实时监测储液罐29和清水储液罐26内的液体体积变化，即可计算出水侵量。

第五步、打开第六阀门27和液体注入泵28，向钻井液循环模块中加入清水，减小钻井液密度，从而达到减小模拟井筒2中液柱压力的目的，加快井壁坍塌速度。

第六步、随着水侵过程发生和模拟井筒2中液柱压力的减小，井壁会很快发生坍塌，数据采集终端7实时监测模拟井壁处位移量从而确定发生坍塌的位置，另外坍塌点的压力可由第二压力表20、第三压力表22和第四压力表23分别读出，第二压力表20、第三压力表22和第四压力表23的压力值即为坍塌压力值，最终建立渗透率、水侵量、坍塌压力之间的对应关系。

在本实施例中，由加压钢板4向模拟岩心18施压，模拟裂缝19受压开度逐渐减小，从而达到改变整体模拟岩心18渗透率的目的。为获得不同施压条件下的渗透率具体数值，采用的方法是达西实验，测量出几组加压条件下的渗透率值，然后通过线性拟合的方法得出施压值与渗透率之间的关系式。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。