用于测试钻井液与岩石间压力传递的实验装置的制作方法

本实用新型涉及石油开采领域，具体涉及一种用于测试钻井液与岩石间压力传递的实验装置。

背景技术：

在钻井或完井过程中出现的井壁坍塌、缩径和地层压裂等复杂情况统称为井壁失稳，其大多发生在泥页岩地层中。井壁失稳不仅严重影响地质录井、延长钻井周期和增加钻井成本，而且还会污染储层，造成重大经济损失。造成井壁失稳的原因，不外乎不可避免的先天因素和钻井施工造成的后天因素。先天因素主要包括：地层岩石的组成和物理化学性质、地质构造类型、原地应力状态、地层倾角，以及岩石层之间的胶结程度的强弱、岩石强度大小与承压能力大小等。后天因素主要包括：钻完井方式、井眼轨迹和钻具对井壁的碰撞等，但更集中于钻井液性能方面，如钻井液滤液侵入地层的深度、钻井液的抑制性与封堵性等方面。

在打开地层之前，埋在地层深处的岩石同时受到上覆岩石压力、最大水平地应力和最小水平地应力的作用而处于力学平衡状态。当岩石被钻头破碎，钻井液与地层接触，井壁围岩的受力状态就发生了改变，没有了原井眼内岩石对井壁的支撑，取而代之的是钻井液静液柱压力对井壁的支撑。在这种新的力学条件下，井眼应力重新分布，使井壁周围产生了极高的应力集中，如果此时岩石强度不足或钻井液静液柱压力支撑不足，就会出现井壁失稳现象。

目前，对于膨胀型地层井壁失稳可以通过提高钻井液的抑制性来解决，而对于硬脆性的含裂隙泥页岩地层的井壁失稳问题，往往通过向钻井液中添加封堵材料降低钻井液的滤失量，减缓钻井液与井壁周围岩石之间的压力传递，即减小井筒围岩的水平应力的改变量，延长坍塌周期手段的措施来解决。常见的用于测试钻井液与岩石之间压力传递的实验装置是由中国石油大学(华东)研发的泥页岩水化-力学耦合(SHM)模拟装置。该装置的基本原理是在待测岩样上下两端建立初始差压，在保持一端压力不变的情况下，通过压差传感器检测岩样两端的动态压差变化，当压差传感器显示结果为零时，即视岩样被击穿，此时即为压力穿透时刻。然而，该装置只能对单个岩样进行压力传递测试。无论测试使用的岩样是天然岩芯还是人工岩芯，对同一岩芯均无法实现二次测试，尤其无法对即时压力击穿的岩芯的进行压力传递测试；其次，该装置并没有模拟实际钻井施工中钻井液进入管柱喷出后，流经管柱与井壁(或套管)形成的环形空间向上流动进入泥浆池的循环过程，对于悬浮稳定性较差的钻井液而言，钻井液中的高密度固相部分容易落覆在岩样表面，从而影响测试结果的准确性。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的不足之处，提出了一种用于测试钻井液与岩石间压力传递的实验装置，其可以模拟井下钻井液动态循环过程。

根据本实用新型提供的一种用于测试钻井液与岩石间压力传递的实验装置，包括依次连接在一起的钻井液循环装置、岩芯夹持装置和数据采集处理装置。

根据本实用新型，钻井液循环装置中的钻井液经钻井液循环装置循环流经岩芯夹持装置，钻井液循环过程中对岩芯加持装置中的岩芯样品的不同位置产生不同的压力，该不同的压力变化通过数据采集处理装置进行采集和输出，从而实现对井下钻井液动态循环过程的模拟。

在一些实施方案中，钻井液循环装置包括通过管路连通在一起的盛液罐、循环泵和模拟钻具，模拟钻具与岩芯加持装置相连通，以使得盛液罐中的钻井液在循环泵的作用下通过管路依次流经模拟钻具和岩芯加持装置后循环回盛液罐。

在一些实施方案中，岩芯夹持装置包括与模拟钻具相连通的第一缸体和用于夹持岩芯样品的第二缸体，第一缸体和第二缸体相互连通。优选地，第二缸体与第一缸体相互垂直。

在一些实施方案中，第一缸体的开口端设置有第一缸盖，模拟钻具通过第一缸盖固定于第一缸体内。

在一些实施方案中，第一缸盖上还设置有回流孔，回流孔与盛液罐相连通。

在一些实施方案中，第一缸体的外壁和第二缸体的外壁上设置有加热套。

在一些实施方案中，第二缸体与岩芯样品之间对扣式设置有承压板和加压板以使得岩芯样品被承压板和加压板完全包围。

在一些实施方案中，承压板和加压板与岩芯样品之间还设置有橡胶套。

在一些实施方案中，第二缸体的与承压板相接触的外壁上设置有延伸至岩芯样品的测试孔。优选地，测试孔的个数为沿第二缸体的轴向上均匀分布的多个。

在一些实施方案中，数据采集装置包括与加压板相连的第一压力控制器，与测试孔相连的第二压力传感器，以及设置在模拟钻具和盛液罐之间的管路上的第三压力传感器，其中，第一压力控制器、第二压力传感器和第三压力传感器均与计算机相连。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)本实用新型的实验装置通过模拟钻井液经盛液罐、模拟钻具和岩芯夹持装置后流回盛液罐的过程，真实再现了现场施工过程中钻井液的循环过程，其中，岩芯夹持装置中的加热套实现了对井下地层温度条件的模拟；

2)本实用新型的实验装置可以连续对同一岩芯样品进行压力传递测试，避免了岩芯样品差别引起的实验误差；

3)本实用新型的实验装置实现了多点测试，在很大程度上提高了对裂缝较发育岩样压力传递测试的可行性。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述。其中：

图1是根据本实用新型的用于测试钻井液与岩石间压力传递的实验装置的结构示意图；

图2是图1所示的岩芯夹持装置的结构的横截面示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。

这里所介绍的细节是示例性的，并仅用来对本实用新型的实施例进行例证性讨论，它们的存在是为了提供被认为是对本实用新型的原理和概念方面的最有用和最易理解的描述。关于这一点，这里并没有试图对本实用新型的结构细节作超出于基本理解本实用新型所需的程度的介绍，本领域的技术人员通过说明书及其附图可以清楚地理解如何在实践中实施本实用新型的几种形式。

图1显示了根据本实用新型提供的一种用于测试钻井液与岩石间压力传递的实验装置100的结构示意图。该装置100包括依次连接在一起的钻井液循环装置、岩芯夹持装置和数据采集处理装置。

根据本实用新型，钻井液循环装置中的钻井液经钻井液循环装置循环流经岩芯夹持装置，钻井液循环过程中对岩芯加持装置中的岩芯样品13的不同位置产生不同的压力，该不同的压力变化通过数据采集处理装置进行采集和输出，从而实现对井下钻井液动态循环过程的模拟。

如图1所示，钻井液循环装置包括通过管路连通在一起的盛液罐1、循环泵2和模拟钻具5，模拟钻具5与岩芯加持装置相连通，以使得盛液罐1中的钻井液在循环泵2的作用下通过管路依次流经模拟钻具5和岩芯加持装置后循环回盛液罐1。

在如图1所示的实施例中，将钻井液放入盛液罐1中，开启循环泵2，钻井液即分别通过进液管3、模拟钻具5、模拟钻具5与第一缸体6之间的环空、第一缸盖7上的回流孔8和回流管线9，流入盛液罐1以实现动态循环。其中，钻井液的循环压力可以通过第三压力传感器4进行准确测定；钻井液的温度可以通过包裹在第一缸体6和第二缸体12外表面的加热套10进行调整，具体温度值由控温仪11进行控制，从而模拟钻井施工现场钻井液的动态循环过程。

根据本实用新型，如图1所示，岩芯夹持装置包括与模拟钻具5相连通的第一缸体6和用于夹持岩芯样品13的第二缸体12，第一缸体6和第二缸体12相互连通。优选地，第二缸体12与第一缸体6相互垂直。第一缸体6的开口端设置有第一缸盖7，模拟钻具5通过第一缸盖7固定于第一缸体6内。同时，第一缸盖7上还设置有回流孔8，回流孔8与盛液罐1相连通。值得注意的是，第一缸体6和第二缸体12也可以是一体式结构。

根据本实用新型，如图2所示，第二缸体12与岩芯样品13之间对扣式设置有承压板17和加压板18以使得岩芯样品13被承压板17和加压板18完全包围。优选地，承压板17和加压板18与岩芯样品13之间还设置有橡胶套14。

结合图1和图2所示，将岩芯样品13放入第二缸体12中，盖上密封盖15。开启第一压力控制器19，控制加压板18向承压板17的方向挤压，从而给予岩芯样品13一定的围压。橡胶套14包裹在岩芯样品13的外表面，从而保证围压值的稳定性。

回到图1，第二缸体12的与承压板17相接触的外壁上设置有延伸至岩芯样品13的测试孔20。优选地，测试孔20的个数为沿第二缸体12的轴向上均匀分布的多个。由于钻井液动态循环过程会引起岩芯样品13不同位点的压力值变化，因此通过设置多个测试孔20(图中仅示意性地标出了一个)可以对岩芯样品13的不同位点的压力值进行检测。该压力值通过连接测试孔20的第二压力传感器21进行测定。优选地，位于密封盖15上的封端测试孔16连接的第二压力传感器21可以测定压力击穿岩芯样品13时的压力变化值，其测定结果通过与第二压力传感器21连接的计算机22进行收集和分析，从而实现了钻井液与岩石间压力传递测试的目的。

应注意的是，前面所述的例子仅以解释为目的，而不能认为是限制了本实用新型。虽然已经根据示例性实施例对本实用新型进行了描述，然而应当理解，这里使用的是描述性和说明性的语言，而不是限制性的语言。在当前所述的和修改的所附权利要求的范围内，在不脱离本实用新型的范围和精神的范围中，可以对本实用新型进行改变。尽管这里已经根据特定的方式、材料和实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不仅限于这里公开的细节；相反，本实用新型可扩展到例如在所附权利要求的范围内的所有等同功能的结构、方法和应用。