CN101109739B - 高温高压泥饼封堵承压强度实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一种高温高压泥饼封堵承压强度实验仪，能模拟井下静态条件测试油(气)井钻井过程中泥浆滤液侵入深度、泥饼承压强度、裂缝封堵和承压强度。主要由泥饼性能评价实验釜总成、压力管路系统、温控系统、位移记录系统、自动清洗系统、计算机数据处理系统六个部分组成。该实验仪器的研制成功，可全面模拟井下温度、压力和地层物性(渗透率)，测定泥饼封堵、承压强度，优化钻井液设计，达到安全、快速钻井目的，因而具有十分广阔的推广应用前景。

Description

高温高压泥饼封堵承压强度实验仪

技术领域

本发明涉及石油工程勘探开发领域石油钻井科研实验仪器，一种高温高压泥饼封堵承压强度实验仪，更具体地说，涉及在实验室环境下模拟井下静态条件测试油(气)井钻井过程中钻井液滤液侵入砂岩深度、泥饼承压强度、裂缝封堵和承压强度的实验仪器。

背景技术

目前对于高温高压条件下泥饼性质、泥饼裂缝封堵和承压的室内测试方法和仪器较少，测量仪器功能单一，还没有一种集成设备能模拟地层条件测定泥饼滤失性能(如滤液侵入砂岩深度)和泥饼强度(如承压能力)的技术参数。

FA型无渗透钻井液滤失仪：该实验仪在使用有机透明玻璃作为实验筒，通过氮气加压直观测量泥浆滤液侵入模拟岩床深度。实验条件：常温、中压0.69MPa。人工测量泥浆滤液侵入岩床深度。实验直观、简单，功能单一。

期刊杂志《西南石油学院学报》1994年第4期文章“泥浆滤液侵入对岩石物性及电性影响的实验研究”：该文献中使用的装置在摸拟地层温度和围压下测量饱和了流体的岩石电阻率的变化.通过泥浆滤液侵入前后岩心电阻率的多点测量，来确定滤液侵人深度。

期刊杂志《油田化学》1999年第4期“破碎性地层钻井液防塌剂评价方法及应用”：该文献中使用的装置为一种高温高压动态失水仪，使用一定孔喉的人造岩芯，通过测滤失量来确定泥饼的封堵能力，实验用岩芯不能重复使用。

现有的测量设备如API中压滤失仪和71型高温高压滤失仪等虽能测量钻井液的滤失量，但两者使用的过滤介质均为滤纸，无法实现滤液侵入岩样深度的直观测量；泥饼针入度仪只能测定泥饼厚度和强度，无法测量模拟条件下泥饼的承压能力；FA型无渗透钻井液滤失仪虽然能直观测量泥浆滤液侵入模拟岩床深度，但只能在常温、中压条件下使用，不能用于高温高压条件下的测量，也不能实现实验数据的实时记录。

发明内容

本发明为了解决本领域中的现有测量仪存在的不能在高温高压下模拟井下条件进行实时测量、不能实现数据实时记录的缺点，提出了一种高温高压泥饼封堵承压强度实验仪，能模拟井下静态条件测试油(气)井钻井过程中泥浆滤液侵入模拟岩床深度、泥饼承压强度、不同尺寸裂缝封堵和承压强度变化实验，实现实验数据的实时记录。

本发明的高温高压钻井液泥饼封堵承压强度实验仪主要包括高温高压泥饼性能评价实验釜23、中间容器21、压力系统、温控系统、位移传感记录系统、自动清洗与冷却系统和计算机数据处理系统，其特征在于，所述高温高压泥饼性能评价实验釜23包括耐压中间筒体48，中间筒体48上下分别配有实验釜下盖49和实验釜上盖42，中间筒体48中可以装有砂床滤网38和密封活塞39或模拟裂缝52物件；实验釜上盖42上设有实验釜侧孔接头43和釜体中间孔50，活塞杆44通过釜体中间孔50与密封活塞39连接，活塞杆44上装有位移传感器47的位移杆45，位移传感器47记录密封活塞39的位移量；实验釜侧孔接头43上可以通过连接管线22与中间容器21连接，所述中间容器21上设有侧孔接头33和中心接头34，侧孔接头33可以连接气源顶替管线19或清洗水管线20或增压管线14，中间容器21设有一插底中心管36，中心管36与中心接头34连接。

所述高温高压钻井液泥饼封堵承压强度实验仪还优选包括回压容器25，回压容器25通过管线与高温高压泥饼性能评价实验釜23的底部连接，回压容器25下端设有滤失水接收阀26，通过滤失水接收阀26与集液器27连接。

所述压力系统包括压力源和连接管线，所述压力源优选包括氮气源2、空压机3和水源8，在连接管线上还设有增压泵13，根据实际需要选择不同的压力源与实验釜23或中间容器21的侧孔接头连接。

计算机数据处理系统包括数据采集控制器28和计算机29，所述数据采集控制器28包括压力传感和检测系统、温度传感和检测系统以及位移传感和检测系统。

所述位移传感记录系统包括位移传感器47、高温高压泥饼性能评价实验釜中间筒体48内的密封活塞39、活塞杆44和位移杆45，密封活塞39接触并同时作用于钻井液，钻井液在压力作用下推动密封活塞39下移，位移传感器47记录密封活塞39的位移量，位移传感器47与数据采集控制器28连接，在计算机屏幕上实时显示密封活塞39的位移量。

所述温控系统包括实验釜和中间容器外侧的釜体加热套30和冷却水循环进回管线16、17。

本发明的高温高压泥饼封堵承压强度实验仪区别于其它实验设备的主要特点如下：

(一)多功能性

利用该发明的高温高压泥饼封堵承压强度实验仪可以开展多项实验：1可模拟井下条件(温度和压力)，实现泥浆在模拟地层表面形成泥饼的过程，并对形成的泥饼承压性能、滤液侵入砂床深度进行评价；2可进行不同规格裂缝(缝宽0.1mm～8mm)的封堵、承压实验，以评价工作液的封堵性能；3为其他与泥饼性能、清洗液性能、特种工作液性能相关实验提供实验平台。

(二)直观性

利用该发明的高温高压泥饼封堵承压强度实验仪实验效果直观：1泥浆滤液侵入深度可通过与计算机相连的特殊设计位移传感器记录并在计算机屏幕上实时显示；2泥饼承压和裂缝封堵实验压力和温度通过相关传感器传输到计算机实时显示。

(三)重复使用性

泥浆滤失介质为含一定粒径砂的砂床；裂缝封堵、承压实验中采用不同裂缝宽度的刚性模件，这两种介质均可重复使用；

(四)可采用两种压力源

在中低压力实验中可采用气源为压力源，较高压力实验可采用高压水泵供压。

(五)模拟井下压力和温度范围高，依据实验要求可设置；本发明模拟井下压力和温度高，实验最高压力30MPa，最高温度175℃，温控系统和压力系统工作稳定。

(六)辅助降温和自动清洗设计

实验结束后，打开冷却阀可通过循环自来水冷却釜体；打开清洗阀可通过自来水循环清洗釜腔；打开气阀可排出釜腔内残余水。

(七)系统采用程序控制、数据采集处理由计算机系统完成；实验数据曲线可以存储、打印，自动以实验报告的格式生成文件。

利用本发明的高温高压泥饼封堵承压强度实验仪，可实现在模拟井下静态条件下的钻井液滤液侵入模拟砂床深度、泥饼承压强度的直观测量和效果评价，模拟井下压力和温度范围高，模拟地层渗透率范围宽，可快捷选择适合封堵不同裂缝尺寸宽度的堵漏材料，裂缝宽度范围0.1mm～8mm，为石油钻探中复杂井下堵漏配方的设计提供实验数据，有利于优质钻井液快速优化设计。

附图说明

图1是本发明的高温高压泥饼封堵承压实验仪的构造示意图。

图2是本发明的高温高压泥饼封堵承压实验仪中的中间容器的截面图。

图3是本发明的高温高压泥饼封堵承压实验仪用于泥饼承压实验时的实验釜的截面图。

图4是本发明的高温高压泥饼封堵承压实验仪用于泥饼裂缝封堵实验时的实验釜的截面图。

图5是表示一类钻井液体系滤液侵入砂床深度的实验结果的图。

图6是表示泥饼承压强度的实验结果的图。

图7是表示裂缝封堵的实验结果的图。

附图中符号含义如下：

1氮气源阀门  2氮气源  3空压机  4压缩空气总阀  5气源压力调节器  6水源阀  7釜体冷却进水阀  8清水  9增压泵气源压力微调阀  10清洗水阀  11增压泵开关  12气源顶替阀  13增压泵  14增压管线  15压力传感器  16冷却进水管线  17冷却回水管线  18冷却回水阀  19气源顶替管线  20清洗水管线  21中间容器  22中间容器到实验釜的连接管线  23实验釜  24实验釜到回压容器的管线  25回压容器  26失水接收阀  27集液器  28数据采集控制器  29计算机  30釜体加热套  31回压压力调节器  32卸压阀  33中间容器侧孔接头  34中间容器中心接头35手柄  36中间容器的中心管  37中间容器釜盖  38砂床滤网  39密封活塞  40实验釜  41活塞杆密封件  42实验釜上盖  43实验釜侧孔接头44活塞杆  45位移杆  46位移杆套筒  47位移传感器  48实验釜中间筒体  49实验釜下盖  50釜体中心孔  51釜体中心孔堵头  52模拟裂缝53裂缝  54模拟裂缝出液口

具体实施方式

首先介绍本发明的高温高压泥饼封堵承压强度实验仪的基本组成。

在该模拟评价仪器中，氮气源2、空压机3、水源8、增压泵13为实验工作环境提供试验工作压力，根据实验性质和压力范围可提供空气压、氮气压、水压等多种压力源；实验釜23、中间容器21组成了实验工作环境，实验釜23、增压泵13、压力传感器15、位移传感器47及模拟裂缝52是实验的主要部件；分布在其周围的釜体加热套30和冷却水进回管线16、17提供升温和冷却条件；各种管路和和各种阀门完成仪器的升温、增压、冷却循环、卸压等实验程序；增压泵13通过中间容器21及中间容器到实验釜的连接管线，将压力作用于实验釜23，压力传感器15、位移传感器47记录实验数据并传送到数据采集控制器28，由计算机29程序处理实验数据并输出打印。

下面结合实验操作流程进一步解释本发明的高温高压泥饼封堵承压强度实验仪。

(1)高温高压钻井液滤失实验

试验前，各阀门均处于关闭状态。取出实验釜23，卸开实验釜下盖49和实验釜上盖42，在实验釜下盖49上装好模拟砂床滤网38，装上实验釜下盖49，装入模拟地层砂层，倒入实验用的钻井液，装上密封活塞39及其活塞杆44，装好实验釜上盖42，将活塞杆密封件41装在釜体中心孔50上，把位移传感器47的位移杆45放在活塞杆44上，将气源顶替管线19接在实验釜侧孔接头43上，在数据采集控制器28上设置实验温度，开始加热，打开计算机29程序，将其界面设置到升温界面上，记录升温的过程。

当温度升至设定值时，打开氮气源阀门1，将气源压力调节器5调到所需实验压力，将回压压力调节器31调整到所需的回压(温度高于100℃时，必须加回压，温度低于100℃时，可不加)，计算机29程序界面设置到泥浆滤失界面上，给位移传感器47清零，启动程序记录数据，同时打开气源顶替阀12，开始实验，在气源压力作用下推动活塞39同时作用于钻井液，钻井液在压力作用下会渗入到模拟地层砂床，这时活塞39会下移，位移传感器47就会记录活塞39的位移量，从而计算出钻井液浸入模拟地层砂床的深度，若是钻井液全部穿过模拟地层砂床，滤液就会沿实验釜到回压容器的管线24进入到回压容器25，观察回压容器25上的压力表(见图1)，若有回压升高时，打开失水接收阀26，将失水收到集液器27中，该实验持续30min，实验完毕后，全开失水接收阀26记录集液器27中的失水。

(2)泥饼承压实验

接上面(1)的实验，计算机29程序界面设置到泥饼承压界面上，先用回压压力调节器31卸掉回压容器25的压力，接着用气源压力调节器5卸掉实验釜23内的压力，卸下气源顶替管线19，关闭气源顶替阀12和氮气源阀门1，将增压管线14接在实验釜侧孔接头43上，打开压缩空气总阀4，调节气源压力调节器5和增压泵气源压力微调阀9到增压泵所需的工作压力，打开水源阀6，打开增压泵开关11同时让计算机29程序记录数据，这时增压泵开始工作；在压力作用下推动活塞39同时作用于钻井液，压力上升，压力传感器15记录压力值，当泥饼在一定压力下承压破裂时，计算机压力曲线上出现有明显拐点，此时关闭增压泵开关11停止实验，关闭加热器，打开釜体冷却进水阀7和釜体冷却回水阀18对釜体进行冷却，当冷却到室温时，打开卸压阀32卸掉阀体内的压力，取下实验釜23对其进行清洗。

(3)钻井液裂隙封堵实验

试验前，各阀门均处于关闭状态。取出实验釜23，卸开实验釜下盖49和实验釜上盖42，在实验釜中间筒体48内装好模拟裂缝52，装上实验釜下盖49，倒入实验用的钻井液，装上实验釜上盖42，在釜体中心孔50上拧上釜体中心孔堵头51，用手柄35拧开中间容器釜盖37，倒入实验用的钻井液，再手柄35拧好中间容器釜盖37，将实验釜与中间容器连接管线22一头接在中间容器中心接头34上，另一头接在中间容器侧孔接头43上，气源顶替管线19接在中间容器侧孔接头33上，在数据采集控制器28上设置实验温度，开始加热，打开计算机29程序，将其界面设置到升温界面上，记录升温的过程。

当温度升至设定值时，打开氮气源阀门1，将气源压力调节器5调到所需实验压力，将回压压力调节器31调整到所需的回压(温度高于100℃时，必须加回压，温度低于100℃时，可不加)，计算机29程序界面设置到裂缝封堵界面上，填好实验数据，打开气源顶替阀12同时让计算机29程序记录数据，在气源压力作用下，中间容器21的泥浆经中间容器中心管36通过实验釜与中间容器连接管线22进入实验釜23，实验釜23内的泥浆会在压力作用下通过裂缝53，通过裂缝53泥浆顺着模拟裂缝出液口54进入釜体下盖49的出液口(见图4)，沿实验釜到回压容器的管线24进入到回压容器25中，观察回压容器25上的压力表(见图1)，若有回压升高时，打开滤失水接收阀26，将泥浆收到集液器27中，该实验持续30min时，当裂缝封堵成功时，气源压力稳定不变。

(4)裂隙封堵后的耐压实验

接上面(3)的实验，先用回压压力调节器31卸掉回压容器25的回压，接着用气源压力调节器5卸掉中间容器21和实验釜23的压力，在中间容器21上卸开气源顶替管线19，关闭气源顶替阀12和氮气源阀门1，将增压管线14接在中间容器侧孔接头33上，打开压缩空气总阀4，拧气源压力调节器5和增压泵气源压力微调阀9到增压泵所需的工作压力，打开水源阀6，计算机29程序界面设置到裂缝封堵承压界面上，填好实验数据，打开增压泵开关11同时让计算机29程序记录数据，这时增压泵开始工作，中间容器21的泥浆经中间容器中心管36通过实验釜与中间容器连接管线22进入实验釜23，实验釜23内的泥浆在压力作用下通过裂缝53，裂缝封堵好时，压力会上升，压力传感器15记录压力值，当封堵的裂缝在一定压力下破裂时，计算机压力曲线上有拐点出现，此时关闭增压泵开关11停止实验。

(5)实验釜和中间容器的冷却与清洗

关闭加热器，打开釜体冷却进水阀7和釜体冷却回水阀18对釜体进行冷却，当冷却到室温时，关闭釜体冷却进水阀7和釜体冷却回水阀18，打开卸压阀32卸掉阀体内的压力，将实验釜与中间容器连接管线22接在实验釜侧孔接头43卸开，放入到水桶中，卸开增压管线14，接上清洗水管线20，打开清洗水阀10，在水压作用下，清水顶替中间容器21泥浆进入水桶中，当看到进入水桶中的液体为清水颜色时，关闭清洗水阀10，卸开清洗水管线20，接上气源顶替管线19，打开气源顶替阀12，在气源压力作用下，压缩容气顶替中间容器21清水进入水桶中，当有气体排出时，关闭气源顶替阀12，卸开气源顶替管线19和接在中间容器中心孔接头上的实验釜与中间容器连接管线22，用气源压力调节器5卸掉管线内的气体压力，关闭压缩容气总阀4，关闭水源阀6，取下实验釜23对其进行清洗。

实施例1

按照上面描述的操作流程进行实际操作。

将本发明的高温高压泥饼封堵、承压强度实验仪完成调试，应用于科研实验。实验操作步骤与上述仪器操作流程相同。

图5表示一泥浆体系滤液侵入砂床深度的实验结果。实验条件：压力3.5MPa，温度95℃。

在图5中，位移曲线为位移变化线。实验开始前位移为零，加压后泥浆下渗并形成泥饼，在非渗透泥饼形成前位移传感器下移，非渗透泥饼形成后不再有滤液下渗时位移传感器基本停止下移，因此，该曲线可直观地说明泥浆滤液下渗深度。

图6表示泥饼承压强度的实验结果。

在图6中曲线为泥饼承压曲线。实验过程为：加压-稳压-加压-稳压，实验最高压力为15MPa。突破泥饼强度后出现陡线。该曲线可直观地说明泥浆泥饼承压能力。

图7表示裂缝封堵的实验结果，实验缝模缝宽：0.4mm。

在图7中，曲线为施加压力线。实验过程：加压-漏失-封堵-加压-漏失-封堵，实验最高压力为12MPa。该曲线可直观地说明在不同压力下泥饼封堵一定宽度裂缝的过程，可评价不同类型的封堵材料。

Claims (6)

1.一种高温高压钻井液泥饼封堵承压强度实验仪，所述实验仪主要包括高温高压泥饼性能评价实验釜(23)、中间容器(21)、压力系统、温控系统、位移传感记录系统、自动清洗与冷却系统和计算机数据处理系统，其特征在于，所述高温高压泥饼性能评价实验釜(23)包括耐压中间筒体(48)，中间筒体(48)上下分别配有实验釜下盖(49)和实验釜上盖(42)，中间筒体(48)中装有砂床滤网(38)和密封活塞(39)；实验釜上盖(42)上设有实验釜侧孔接头(43)和釜体中间孔(50)，活塞杆(44)通过釜体中间孔(50)与密封活塞(39)连接，活塞杆(44)上装有位移传感器(47)的位移杆(45)，位移传感器(47)记录密封活塞(39)的位移量；实验釜侧孔接头(43)上通过连接管线(22)与中间容器(21)连接，所述中间容器(21)上设有侧孔接头(33)和中心接头(34)，侧孔接头(33)可以连接气源顶替管线(19)或清洗水管线(20)或增压管线(14)，中间容器(21)设有一插底中心管(36)，中心管(36)与中心接头(34)连接。

2.如权利要求1所述的高温高压泥饼封堵承压强度实验仪，其特征在于，所述高温高压钻井液泥饼封堵承压强度实验仪还包括回压容器(25)，回压容器(25)通过管线与高温高压泥饼性能评价实验釜(23)的底部连接，回压容器(25)下端设有滤失水接收阀(26)，通过滤失水接收阀(26)与集液器(27)连接。

3.如权利要求1所述的高温高压泥饼封堵承压强度实验仪，其特征在于，所述压力系统包括压力源和连接管线，所述压力源包括氮气源(2)、空压机(3)和水源(8)，在连接管线上还设有增压泵(13)，根据实际需要选择不同的压力源与实验釜(23)或中间容器(21)的侧孔接头连接。

4.如权利要求1所述的高温高压泥饼封堵承压强度实验仪，其特征在于，计算机数据处理系统包括数据采集控制器(28)和计算机(29)，所述数据采集控制器(28)包括压力传感和检测系统、温度传感和检测系统以及位移传感和检测系统。

5.如权利要求1所述的高温高压泥饼封堵承压强度实验仪，其特征在于，所述位移传感记录系统包括位移传感器(47)、高温高压泥饼性能评价实验釜中间筒体(48)内的密封活塞(39)、活塞杆(44)和位移杆(45)，密封活塞(39)接触并同时作用于钻井液，钻井液在压力作用下推动密封活塞(39)下移，位移传感器(47)记录密封活塞(39)的位移量，位移传感器(47)与数据采集控制器(28)连接，在计算机屏幕上实时显示密封活塞(39)的位移量。

6.如权利要求1所述的高温高压泥饼封堵承压强度实验仪，其特征在于，所述温控系统包括高温高压泥饼性能评价实验釜和中间容器外侧的釜体加热套(30)和冷却水循环进回管线(16)、(17)。

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