本发明涉及钻井液评价领域，具体涉及深水浅部弱胶结地层钻井液稳定井壁作用评价的方法和装置。
背景技术：
海洋深水油气资源丰富，潜力巨大。我国南海是世界四大海洋油气富集区之一。据估计，我国南海油气地质储量约为230～300亿吨，其中70％蕴藏于深水区。与陆地或浅海钻井相比，海洋深水钻井面临着许多特殊的技术问题，其中之一便是深水浅部弱胶结地层钻井过程中的井塌井漏问题。深水特殊的沉积特征导致浅部地层欠压实，胶结性差，强度低。因此，在浅部地层钻井中，容易发生井壁失稳，影响钻井作业的顺利进行。深水钻井日费极高，可达100万美元，因此，浅部地层井壁失稳造成钻井作业无法顺利进行，钻井周期延长，造成巨大的经济损失，并可能造成钻井安全风险及环境危害。由于钻井过程中钻取地层岩心和岩样成本很高，无法满足大量室内系统研究需要，必须通过实验室自制实验装置，模拟深水浅部弱胶结地层特征，开展钻井液稳定井壁作用评价实验。目前，针对常规地层的钻井作业，石油工业界已建立成熟的钻井液稳定井壁室内模拟评价方法，即利用粘土等矿物，通过压力机高压压制人造柱状岩心，测试岩心在钻井液中的膨胀率等，评价钻井液抑制粘土水化作用。由于常规的陆地和浅海钻井，岩石成岩性好，压实程度高，因此室内压制的岩心可在一定程度上模拟常规地层。而海洋深水浅部地层由于欠压实作用，弱胶结，成岩性差，经常为疏松、不成型的岩样，钻井液稳定井壁的关键在于对地层岩样的胶结和加固作用，而不仅仅是针对常规泥页岩地层的抑制粘土水化作用。因此，常规的压制岩心的方法无法制备和模拟这种未成岩的弱胶结地层特征，也就无法针对性开展深水浅部地层井壁稳定性模拟实验研究，尤其是评价钻井液对深水弱胶结地层井壁的物理化学胶结加固作用，这制约了深水浅层防塌钻井液的研究和发展。通过检索，目前未见深水浅部弱胶结地层钻井液稳定井壁物理化学作用测试相关的模拟实验装置与方法。国内外学者主要通过力学模型计算手段开展深水浅部弱胶结地层井壁稳定性力学分析，缺乏实验研究手段，很难真实反映弱胶结地层特征。
针对上述情况，有必要设计一种实验装置和方法，来模拟评价深水浅部弱胶结地层钻井液稳定井壁作用，分析不同钻井液对弱胶结地层的胶结加固作用，为优选和研制具有胶结加固井壁作用的钻井液处理剂以及钻井液体系，解决深水浅部地层井壁失稳技术难题提供基础条件。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有的钻井液评价的方法和装置无法针对性开展深水浅部弱胶结地层井壁稳定性模拟实验研究的问题，提供深水浅部弱胶结地层钻井液稳定井壁作用评价的方法和装置，该装置和方法可以模拟深水浅部弱胶结地层特征，从而可以针对性开展深水浅部弱胶结地层井壁稳定性模拟实验研究。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种深水浅部弱胶结地层钻井液稳定井壁作用评价的方法，其中，该方法包括：
(a)将模拟砂土和模拟海水的混合物置于釜体中，压实，制成岩样；
(b)将釜体内的温度调节至目标地层温度，向釜体内继续注入模拟海水，使岩样被模拟海水充分饱和；
(c)向釜体内继续注入体积为v的模拟海水，加压至目标地层压力，使模拟海水从釜体底部出口流出，记录体积为v的模拟海水完全漏失的时间t1，计算单位时间内模拟海水通过岩样的平均流量
(d)排空釜体中的气体，分别测试岩样上表面和侧面的针入度；
(e)重复步骤(a)和(b)，将釜体内的温度调节至目标地层温度，向釜体内注入测试液，使岩样被测试液充分作用，将釜体内气体排出，并通过从釜体底部出口排出测试液；
(f)重复步骤(c)，记录体积为v的模拟海水完全漏失的时间t2，计算单位时间内模拟海水通过岩样的平均流量
(g)重复步骤(d)。
本发明第二方面提供一种深水浅部弱胶结地层钻井液稳定井壁作用评价的装置，其中，该装置包括；
(a)钻井液侵入地层模拟系统，包括：釜体、温度控制单元和压力控制单元；
所述釜体包括顶盖10、釜体侧壁13和釜体底座19，所述顶盖10上设置有进气孔7、注液孔9和泄压阀8，所述釜体侧壁13上设置有可拆卸的密封堵头14；
所述温度控制单元包括可控恒温水浴箱21、水浴循环管线20和环空保温层11，所述环空保温层11位于釜体侧壁13的外周，所述可控恒温水浴21通过水浴循环管线20与环空保温层11连通；
所述压力控制单元包括气瓶31，所述气瓶31与所述进气孔7连通；
(b)岩样针入度测量系统，包括：针入度测试单元和数据采集单元39，所述针入度测试单元包括位移传感器1、载荷3、位移旋钮4、针连杆5和标准针6，所述位移传感器1分别与所述数据采集单元39和载荷3连接，所述标准针6设置在所述针连杆5的一端，所述载荷3通过所述位移旋钮4与所述针连杆5的另一端连接；
(c)渗透率测试系统，包括：出液口25和滤液收集容器29，所述出液口25设置在所述釜体底座19上，所述出液口25与所述滤液收集容器29连通。
本发明的深水浅部弱胶结地层钻井液稳定井壁作用评价装置和方法具有以下优点：
(1)可以模拟深水浅部地层弱胶结、成岩性差的特征，克服了传统的井壁稳定性室内实验方法只能压制人造岩心柱，无法模拟弱胶结地层的缺点，并可通过改变实验岩样的矿物组成、粒度分布及压实程度等参数，模拟不同海域深水浅部地层开展井壁稳定性研究；
(2)以钻井液对弱胶结地层的穿透漏失速率、对地层渗透率的改变、对地层针入度的改变，优选还包括对地层抗压强度的改变作为表征钻井液稳定井壁作用的特性参数，与传统的压制人造岩心柱测膨胀率等手段相比，可更好地表征钻井液对深水浅部弱胶结地层井壁稳定性的影响，尤其是可体现钻井液对弱胶结、成岩性差的地层的物理化学胶结加固作用，而不仅仅是传统的抑制泥页岩水化作用，或是岩石力学参数的变化，这是现有的室内评价方法无法实现的；
(3)可通过实验模拟分析钻井液处理剂、钻井液配方以及钻井液性能参数对浅部弱胶结地层井壁稳定性的影响规律，为优选可胶结加固深水浅部弱胶结地层的钻井液处理剂或钻井液体系、优化钻井液性能参数提供技术支持。
附图说明
图1是本发明的一种实施方式的深水浅部弱胶结地层钻井液稳定井壁作用评价的装置示意图；
图2是本发明的岩样抗压强度测试系统示意图。
附图标记说明
1位移传感器；2启动按钮；
3荷载；4位移旋钮；
5针连杆；6标准针；
7进气孔；8泄压阀；
9注液孔；10顶盖；
11环空保温层；12压力传感器；
13釜体侧壁；14密封堵头；
15垫片；16测试液；
17温度传感器；18过滤网；
19釜体底座；20模拟地层
21可控恒温水浴箱；22水浴循环管线；
23可视化窗口；24釜体支架中间横梁；
25出液口；26液体流出管线；
27出液阀门；28液体流量计；
29滤液收集容器；30釜体支架底座；
31气瓶；32气源阀门；
33恒压恒速泵；34气体流量计；
35釜体支架上横梁；36釜体支架侧臂；
37针入度测试单元；38针入度数据传输管线；
39数据采集单元；40旋转轮；
41连杆；42压力表；
43支撑架；44压头。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明一方面提供一种深水浅部弱胶结地层钻井液稳定井壁作用评价的方法，其中，该方法包括：
(a)将模拟砂土和模拟海水的混合物置于釜体中，压实，制成岩样；
(b)将釜体内的温度调节至目标地层温度，向釜体内继续注入模拟海水，使岩样被模拟海水充分饱和；
(c)向釜体内继续注入体积为v的模拟海水，加压至目标地层压力，使模拟海水从釜体底部出口流出，记录体积为v的模拟海水完全漏失的时间t1，计算单位时间内模拟海水通过岩样的平均流量
(d)排空釜体中的气体，分别测试岩样上表面和侧面的针入度；
(e)重复步骤(a)和(b)，将釜体内的温度调节至目标地层温度，向釜体内注入测试液，使岩样被测试液充分作用，将釜体内气体排出，并通过从釜体底部出口排出测试液；
(f)重复步骤(c)，记录体积为v的模拟海水完全漏失的时间t2，计算单位时间内模拟海水通过岩样的平均流量
(g)重复步骤(d)。
本发明中，所述模拟砂土可以根据目标地层的矿物组成、粒度分布等进行制备，例如，根据模拟的深水区域浅部沉积物矿物组成和粒度分布特征，选择合适比例和粒度分布的石英砂与膨润土混合物，按比例将石英砂和膨润土混合均匀。
本发明中，所述目标地层温度例如可以为0-4℃；所述目标地层压力例如可以为5-10mpa，该压力为模拟深水地层的静液柱压力。
本发明中，步骤(b)中，岩样被模拟海水充分饱和的过程可以在一定压力下进行，例如在压力为0.5-3mpa下进行。
本发明中，步骤(e)中，岩样被测试液充分作用的过程可以在一定压力下进行，例如在压力为0.5-3mpa下进行。
本发明中，在无特殊说明书的情况下，所述压力指的是表压。
本发明中所述测试液可以为钻井液处理剂溶液或钻井液体系。
本发明中，所述模拟海水直接使用目标地层的海水，也可以根据目标地层的海水成分自己制备，例如，所述模拟海水可以包括清水、24.53g/lnacl、5.2g/lmgcl2、4.09g/lna2so4和1.16g/lcacl2的混合物。
本发明中，步骤(a)中，所述压实的程度可以根据目标深水地层的渗透率进行选择。
本发明中，步骤(c)中，所述“模拟海水完全漏失”是指从釜体底部不再流出模拟海水为止，也即底部流出体积为v的模拟海水。
本发明中，步骤(d)中，所述针入度的测试方法可以采用针入度测试装置进行测试，详见下文。
本发明中，步骤(d)中，测试岩样侧面的针入度时，优选测试侧面不同位置的针入度。
本发明中，步骤(a)至(d)相当于空白样，可平行操作3-5次。
根据本发明的一种优选实施方式，该方法还包括：分别测试步骤(d)和(g)得到的岩样的抗压强度。
所述抗压强度的测试可以采用抗压强度装置实施，详见下文。
本发明的方法可通过改变测试液与岩样作用的温度，研究温度对测试液胶结加固深水浅部弱胶结地层井壁作用的影响；可以模拟不同水深钻井作业压力环境；通过改变实验釜体内砂土混合比例、石英砂粒径和压实程度，可模拟不同海域浅部地层特征。
本发明第二方面提供一种深水浅部弱胶结地层钻井液稳定井壁作用评价的装置，其中，如图1所示，该装置包括；
(a)钻井液侵入地层模拟系统，包括：釜体、温度控制单元和压力控制单元；
所述釜体包括顶盖10、釜体侧壁13和釜体底座19，所述顶盖10上设置有进气孔7、注液孔9和泄压阀8，所述釜体侧壁13上设置有可拆卸的密封堵头14；
所述温度控制单元包括可控恒温水浴箱21、水浴循环管线20和环空保温层11，所述环空保温层11位于釜体侧壁13的外周，所述可控恒温水浴21通过水浴循环管线20与环空保温层11连通；
所述压力控制单元包括气瓶31，所述气瓶31与所述进气孔7连通；
(b)岩样针入度测量系统，包括：针入度测试单元和数据采集单元39，所述针入度测试单元包括位移传感器1、载荷3、位移旋钮4、针连杆5和标准针6，所述位移传感器1分别与所述数据采集单元39和载荷3连接，所述标准针6设置在所述针连杆5的一端，所述载荷3通过所述位移旋钮4与所述针连杆5的另一端连接；
(c)渗透率测试系统，包括：出液口25和滤液收集容器29，所述出液口25设置在所述釜体底座19上，所述出液口25与所述滤液收集容器29连通。
本发明中，所述温度控制单元可以调节的温度范围可以为-10℃-90℃。
本发明中，所述釜体上优选还设置有压力传感器12和温度传感器17。所述压力传感器12设置在釜体侧壁13靠上的位置，用于测试釜体内的压力；所述温度传感器17设置在釜体侧壁13靠下的位置，用于测试釜体内的模拟地层20的温度。
本发明中，优选地，所述釜体侧壁13上还设置有可视化窗口23，用于观测釜体内的情况。
根据本发明的另一种优选实施方式，在所述压力控制单元中，在所述气瓶31与所述进气孔7之间设置有气源阀门32、恒压恒速泵33和气体流量计34。所述气源可以为氮气。
本发明中，优选地，所述针入度测试单元还包括启动按钮2，所述启动按钮2设置在位移传感器1上。
本发明中，优选地，在所述渗透率测试系统中，在所述出液口25与所述滤液收集容器29之间还设置有出液阀门27和液体流量计28。
本发明中，为了全面评价岩样的针入度，优选地，所述装置包括两个岩样针入度测量系统，所述两个岩样针入度测量系统分别位于所述釜体的上面和侧面，用于分别测量釜体中的岩样表面和岩样侧面的针入度。
本发明中，所述釜体内的底部优选设置有过滤网18，所述过滤网18可以防止釜体中的砂土随液体流出。进一步优选地，所述过滤网18为金属网。
本发明中，所述釜体侧壁13上优选设置有两个可拆卸的密封堵头14，所述两个可拆卸的密封堵头14按照上下相对位置设置。通过调整侧壁的针入度测试单元37的位置可以检测到岩样不同位置的针入度。
本发明中，为了增加釜体的气密性，优选地，所述釜体侧壁13与所述密封堵头14设置有垫片15。
根据本发明的另一种优选实施方式，该装置还包括岩样抗压强度测试系统，如图2所示，所述岩样抗压强度测试系统包括旋转轮40、连杆41、压力表42、支撑架43和压头44，所述旋转轮40和所述刻度表42通过所述连杆41连接，所述刻度表42和所述压头44通过所述支撑架43连接。
本发明中，优选地，所述装置还可以包括釜体支架，所述釜体支架包括釜体支架横梁35、釜体支架侧臂36、釜体支架底座30、釜体支架中间横梁24。所述釜体可以放置在釜体支架中间横梁24上，所述岩样针入度测量系统可以固定在釜体支架侧臂36和釜体支架横梁35上，所述渗透率测试系统可以固定在釜体支架底座30上。
下面结合图1装置进一步说明对采用该装置进行深水浅部弱胶结地层钻井液稳定井壁作用评价的方法：(a)将模拟砂土和模拟海水的混合物通过注液孔9注入釜体中，压实，制成岩样；(b)通过调节温度控制单元将釜体内的温度调节至目标地层温度，通过注液孔9向釜体内继续注入模拟海水，打开出液阀门27，通过调节压力控制单元将釜体内的压力调节至0.5-3mpa，使模拟海水从出液口25流出，同时使岩样被模拟海水充分饱和；(c)通过注液孔9向釜体内继续注入体积为v的模拟海水，通过调节压力控制单元加压至目标地层压力，打开出液阀门27，使模拟海水从出液口25流出，记录模拟海水完全漏失的体积v1和时间t1，计算单位时间内模拟海水通过岩样的平均流量，并计算渗透率，计算方法如上文所述；(d)关闭出液阀门27，打开泄压阀8排空釜体中的气体，打开釜体顶盖10，利用釜体顶部的岩样针入度测量系统测试岩样上表面针入度，打开釜体侧壁13上的密封堵头14，利用釜体侧面的岩样针入度测量系统测试岩样侧面的针入度；岩样上表面针入度测试方法为：调节顶部针入度测试装置位移旋钮4，慢慢放下针连杆5，使标准针6针尖恰好与岩样表面接触，按下启动按钮2，在150g的荷重下(这个标准指针上加载150g的标准件，实验靠这150g的重量来下压)，进行实验，至5s时实验自动停止，通过数据采集单元39读取标准针位移数据；岩样侧面针入度测试方法为：卸下实验釜体侧面的两个密封堵头14，两个密封堵头14分别对应岩样上部和岩样下部，调节侧面针入度测试装置位移旋钮4，使针入度测试装置标准针6针尖恰好与岩样侧表面接触，按下启动按钮2，在150g的荷重下，进行实验，至5s时实验自动停止，通过数据采集单元39读取标准针位移数据；将岩样置于岩样抗压强度测试系统中，测试岩样的抗压强度，测试方法如下：将岩样放置在抗压强度测试系统中，将压力表42指针对准0刻度，并调到峰值测试模式，转动上端的旋转轮40，带动压头44向下对岩样进行施力，压力表42指针读数逐渐增大，直至达到峰值不再变化，停止转动旋转轮40，读取压力峰值，实验结束，将压力峰值代入抗压强度计算公式
(e)重复步骤(a)和(b)，将釜体内的温度调节至目标地层温度，通过注液孔9向釜体内注入测试液，将釜体内的压力调节至0.5-3mpa，打开出液阀门27，使测试液完全浸泡岩样，然后关闭出液阀门27，静置，使岩样被测试液充分作用，打开泄压阀8，将釜体内气体排出，并从釜体底部出液口25排出测试液；(f)重复步骤(c)，记录模拟海水完全漏失的体积v2和时间t2，计算单位时间内模拟海水通过岩样的平均流量，并计算渗透率，计算方法如上文所述；(g)重复步骤(d)。
以下将通过实施例进行详细描述。
实施例1
(a)将70体积％的石英砂(粒径范围为150μm-180μm，平均粒径为165μm)与30体积％的膨润土(粒径范围为75μm-96μm，平均粒径为85.5μm)混合得到模拟砂土，配置模拟海水(清水、24.53g/lnacl、5.2g/lmgcl2、4.09g/lna2so4和1.16g/lcacl2的混合物，粘度为1.25mpa·s)，将模拟砂土与模拟海水的混合物通过注液孔9注入釜体中，压实，制成岩样(长度为5.3cm，横截面积为19.6cm2)；
(b)通过调节温度控制单元将釜体内的温度调节至4℃，通过注液孔9向釜体内继续注入模拟海水，打开出液阀门27，通过调节压力控制单元将釜体内的压力调节至0.7mpa，使模拟海水从出液口25流出，同时使岩样被模拟海水充分饱和；
(c)通过注液孔9向釜体内继续注入体积为400cm3的模拟海水，通过调节压力控制单元加压至5mpa，打开出液阀门27，使模拟海水从出液口25流出，记录体积为400cm3的模拟海水完全漏失的时间t1＝14s，单位时间内模拟海水通过岩样的平均流量q1＝28.6cm3/s，渗透率k1＝192.8×10-3μm2；
(d)关闭出液阀门27，打开泄压阀8排空釜体中的气体，打开釜体顶盖10，利用釜体顶部的岩样针入度测量系统测试岩样上表面针入度，打开釜体侧壁13上的密封堵头14，利用釜体侧面的岩样针入度测量系统测试岩样侧面的针入度；岩样上表面针入度测试方法为：调节顶部针入度测试装置位移旋钮4，慢慢放下针连杆5，使标准针6针尖恰好与岩样表面接触，按下启动按钮2，在150g荷重下，进行实验，至5s时实验自动停止，通过数据采集单元39读取标准针位移数据为4mm；岩样侧面针入度测试方法为：卸下实验釜体侧面的两个密封堵头14，两个密封堵头14分别对应岩样上部和岩样下部，调节侧面针入度测试装置位移旋钮4，使针入度测试装置标准针6针尖恰好与岩样侧表面接触，按下启动按钮2，在150g荷重下下，进行实验，至5s时实验自动停止，通过数据采集单元39读取标准针位移数据，侧面上部的标准针位移数据为2.5mm，侧面下部的标准针位移数据2.5mm；
将岩样置于岩样抗压强度测试系统中，测试岩样的抗压强度，测试方法如下：将岩样放置在抗压强度测试系统中，将压力表42指针对准0刻度，并调到峰值测试模式，转动上端的旋转轮40，带动压头44向下对岩样进行施力，压力表42指针读数逐渐增大，直至达到峰值不再变化，停止转动旋转轮40，读取压力峰值为225n，实验结束，将压力峰值代入抗压强度计算公式
(e)重复步骤(a)和(b)，将釜体内的温度调节至4℃，通过注液孔9向釜体内注入钻井液，将釜体内的压力调节至3mpa，打开出液阀门27，使测试液完全浸泡岩样，然后关闭出液阀门27，静置，使岩样被测试液充分作用，打开泄压阀8，将釜体内气体排出，并从釜体底部出液口25排出测试液；
(f)重复步骤(c)，记录模拟海水完全漏失时间为t2＝270s，单位时间内模拟海水通过岩样的平均流量q2＝1.48cm3/s，渗透率k2＝10.0×10-3μm2；
(g)重复步骤(d)，测得岩样上表面的标准针位移数据为1.0mm，岩样侧面上部的标准针位移数据为1.0mm，岩样侧面下部的标准针位移数据为1.0mm；岩样的抗压强度p2为148.969kpa。
分别对比该实施例中的模拟海水完全漏失时间为t1与t2、渗透率k1与k2、钻井液作用前后岩样的针入度以及抗压强度p1与p2，可分析该钻井液对深水浅部弱胶结地层钻井液稳定井壁的作用：岩样经钻井液作用前，模拟海水完全漏失时间为14s，岩样的渗透率为192.8×10-3μm2，岩样端面针入度为4.0mm，侧面针入度为2.5mm，岩样的抗压强度为114.592kpa；经钻井液作用后，模拟海水完全漏失时间从14s增加到270s，岩样的渗透率从192.8×10-3μm2降低至10.0×10-3μm2，岩样端面针入度从4.0mm降低至1.0mm，侧面针入度从2.5mm降低至1.0mm，岩样的抗压强度从114.592kpa提高至148.969kpa。通过对比可知，模拟深水浅部弱胶结地层经钻井液作用后，岩样的渗透率降低了94.8％，端面针入度降低了75％，侧面针入度降低了60％，抗压强度提高了30％，说明钻井液具有明显的胶结加固作用。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。