CN101793142A - 真三轴钻井堵漏模拟评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种真三轴钻井堵漏模拟评价装置，该装置由伺服增压系统、液压稳压源、声发射仪、堵漏液分离器和真三轴漏层模拟结构构成；真三轴漏层模拟结构包括有人造岩心，人造岩心固定设置在一架体内，液压稳压源向人造岩心外侧的空间三个方向施加压力；人造岩心外侧面至少设有一个向声发射仪发出信号的声发射探头；人造岩心由顶面向下设有一裸眼井筒，由井筒内壁面向岩心内部设有模拟裂缝和模拟孔隙；井筒上端的井口部设有密封结构，密封结构上设有通孔，通孔与堵漏液分离器的堵漏液出口连通，伺服增压系统连接于堵漏液分离器并控制堵漏液注入裸眼井筒。本发明模拟地层的真实受力状态，为裂缝型地层和孔隙型地层的堵漏力学机理研究提供了有效保证。

Description

真三轴钻井堵漏模拟评价装置

技术领域

本发明是关于一种钻井堵漏模拟实验系统，尤其涉及一种真三轴钻井堵漏模拟评价装置。

背景技术

钻井及完井作业过程中发生井漏给石油工程界带来极大的挑战，一旦发生漏失势必造成井塌、井喷和卡钻等复杂事故，井漏已成为制约提高钻井速度的技术瓶颈之一。尤其是钻预应力敏感性地层时，由于孔隙类型的不同以及裂缝形态复杂多样，导致地层压力体系变化异常，使得漏失问题更加突出。

深井钻井过程中，同一裸眼井段往往穿越多套压力层系，井漏以及因井漏导致的井下复杂情况相当严重，因此，深部裂缝型和孔隙型地层的堵漏作业是一个十分复杂的物理过程。目前国内外针对裂缝型和孔隙型地层漏失所采用的堵漏评价装置，主要是采用不同宽度的刚性割封板和不同大小的钢球来模拟裂缝型和孔隙型漏失通道，这种装置不能有效模拟地层内部裂缝和孔隙的真实形态；既使采用人造岩心模拟裂缝型和孔隙型地层，但是堵漏装置也只能对圆柱形人造岩心加载围压进行测试，不能对岩心加载三个方向的主应力，无法模拟地层内岩心的真实受力状态。

由于现有实验条件与实际地层性质差别较大，导致实验结果与现场应用结果存在较大差距，无法对实际地层情况进行更加真实有效的评价。本发明人针对裂缝型和孔隙型地层的漏失特征，研制出室内真三轴模拟堵漏实验装置，利用相似理论方法有效的模拟了真实环境下地层的堵漏试验，为裂缝型和孔隙型地层的堵漏机理和现场应用研究提供了理论依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真三轴钻井堵漏模拟评价装置，该装置可以有效的模拟裂缝型和孔隙型地层特征，对人造岩心加载三个方向的主应力，真实模拟漏层处岩石的受力状态和井下的堵漏过程，以对复杂裂缝型和孔隙型漏失地层堵漏工艺的研究以及堵漏剂性能的评价提供理论依据。

本发明的目的是这样实现的，一种真三轴钻井堵漏模拟评价装置，该堵漏模拟评价装置由伺服增压系统、液压稳压源、声发射仪、堵漏液分离器和真三轴漏层模拟结构构成；所述真三轴漏层模拟结构包括有人造岩心，该人造岩心固定设置在一架体内，液压稳压源向人造岩心外侧的空间三个方向施加压力；所述人造岩心外侧面至少设有一个向声发射仪发出信号的声发射探头；所述人造岩心由顶面向下设有一裸眼井筒，由该井筒内壁面向岩心内部设有模拟裂缝和模拟孔隙；该井筒上端的井口部设有密封结构，该密封结构上设有通孔，该通孔与堵漏液分离器的堵漏液出口连通，伺服增压系统连接于堵漏液分离器并控制堵漏液注入裸眼井筒。

在本发明的一较佳实施方式中，所述人造岩心为正方体形状，其底面和周围四个侧面各设有一扁千斤压力板；该扁千斤压力板是由能前后相对移动的内外两个板体构成，两个板体之间形成密封腔体，所述外板体固定于架体，内板体抵靠于人造岩心的相应侧面，由液压稳压源向扁千斤压力板的密封腔体内注入压力油液，使内板体相对外板体移动并将压力传递到人造岩心的相应侧面。

在本发明的一较佳实施方式中，所述液压稳压源设有三个液压稳压泵，每个液压稳压泵连接到一个空间方向上的扁千斤压力板。

在本发明的一较佳实施方式中，所述人造岩心由水泥和砂子混合浇铸而成，其外形尺寸为300mm×300mm×300mm；裸眼井筒直径为20mm，裸眼井筒深度为250mm。

在本发明的一较佳实施方式中，所述模拟裂缝由在裸眼井筒周围预先埋好不同厚度的纸片被浇铸后形成。

在本发明的一较佳实施方式中，所述模拟孔隙由在裸眼井筒周围预先埋好不同粒径的砂粒被浇铸后形成。

在本发明的一较佳实施方式中，所述声发射探头设有四个，分别设置在人造岩心两个相邻侧面的对角线的两端。

在本发明的一较佳实施方式中，所述密封结构由一刚性井筒和设置在该刚性井筒中的密封堵头构成；所述刚性井筒一体成型于所述裸眼井筒上端的井口部，该刚性井筒的内径与裸眼井筒的直径相同。

在本发明的一较佳实施方式中，所述刚性井筒的外侧设有能与人造岩心紧密连接的多个环形槽；所述密封结构上的通孔设置在所述堵头上。

本发明提供的真三轴钻井堵漏模拟评价装置，主要应用于不同产状、不同特征的复杂裂缝性地层堵漏模拟实验，既可以模拟地层真实的应力状态(上覆岩层压力、水平最大地应力和水平最小地应力)，还可以在井筒周围模拟不同产状、不同特征的裂缝性漏层和不同孔隙类型的孔隙型漏层的堵漏模拟实验研究。该评价装置的研制为将力学和化学相结合进行漏失机理研究提供了新的思路，同时也为复杂裂缝型和孔隙型漏失地层堵漏工艺的研究以及堵漏剂性能的评价提供了一种有效的实验评价方法。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1：为本发明真三轴钻井堵漏模拟评价装置的结构示意图。

图2：为本发明中人造岩心的结构示意图。

图3：为本发明中声发射探头的一种设置方式。

图4：为本发明中声发射探头的另一种设置方式。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2所示，本发明提出一种真三轴钻井堵漏模拟评价装置，该堵漏模拟评价装置100由伺服增压系统1、堵漏液分离器2、真三轴漏层模拟结构3、液压稳压源4和声发射仪5构成；所述真三轴漏层模拟结构3包括有人造岩心31，该人造岩心31固定设置在一架体(实验架)32内，液压稳压源4向人造岩心31外侧的空间三个方向施加压力，以模拟出人造岩心31受到的水平两个方向和垂直方向的真三轴应力状态；所述人造岩心31外侧面至少设有一个向声发射仪5发出信号的声发射探头51，以监测人造岩心31内部的破裂信号；所述人造岩心31由顶面向下设有一裸眼井筒311，由该井筒311内壁面向人造岩心内部设有模拟裂缝312和模拟孔隙313；该井筒311上端的井口部设有密封结构314，该密封结构314上设有通孔3143，该通孔与堵漏液分离器2的堵漏液出口连通，伺服增压系统1连接于堵漏液分离器2并控制堵漏液注入裸眼井筒311。

由上所述，当人造岩心31被固定安装在实验架32后，首先启动液压稳压源4，由液压稳压源4向人造岩心31外侧的空间三个方向分别施加恒定压力，然后设定伺服增压系统1中伺服增压泵的排量，并驱使堵漏液分离器2中的堵漏液逐渐向裸眼井筒311内注入，随着裸眼井筒311内压力的逐渐升高，堵漏液会对漏层(模拟裂缝312和模拟孔隙313)形成封堵，当压力超过封堵强度时人造岩心31会产生新的破裂；在开始向裸眼井筒311内注入堵漏液的同时，启动声发射仪5监测人造岩心31破裂时发出的声发射信号，并结合泵注压力曲线可以有效评价堵漏材料的封堵效果。

在本实施方式中，如图1、图2所示，所述人造岩心31为正方体形状，其底面和周围四个侧面各设有一扁千斤压力板41(图1中只表示出左、右侧面和底面上的扁千斤压力板，前、后侧面的扁千斤压力板没有示出)；该扁千斤压力板41是由能前后相对移动的内、外两个板体构成的，两个板体之间形成密封腔体(图中未示出)，所述外板体固定于架体32，内板体抵靠于人造岩心31的相应侧面，由液压稳压源4向扁千斤压力板的密封腔体内注入压力油液，使内板体相对外板体移动并将压力传递到人造岩心31的相应侧面。由于扁千斤压力板为现有结构，故对其具体结构在此不再赘述。

进一步，在本实施方式中，所述液压稳压源4设有三个液压稳压泵，每个液压稳压泵连接到其中一个空间方向上的扁千斤压力板41。在本实施方式中，人造岩心31的前、后两侧面的扁千斤压力板41为一对，该对扁千斤压力板41与第一个液压稳压泵连接；人造岩心31的左、右两侧面的扁千斤压力板41为另一对，该另一对扁千斤压力板41与第二个液压稳压泵连接；人造岩心31的底面的扁千斤压力板41单独构成一对(人造岩心31的顶面设有一固定压板，应与底面的扁千斤压力板41构成一对施压结构)，该单独的扁千斤压力板41与第三个液压稳压泵连接；所述三对扁千斤压力板对人造岩心31施加水平两向和一个垂向共三个空间垂直方向的主应力。

在本实施方式中，所述密封结构314由一刚性井筒3141和设置在该刚性井筒3141中的密封堵头3142构成；所述刚性井筒3141一体成型于所述裸眼井筒311上端的井口部，该刚性井筒3141的内径与裸眼井筒311的直径相同。为了使刚性井筒3141与人造岩心31上端的井口部连接更加紧密，并防止堵漏液从刚性井筒3141外侧流出，在本实施方式中，所述刚性井筒3141的外侧设有能与人造岩心31紧密连接的多个环形槽31411；所述密封结构上的通孔3143设置在所述堵头3142上。

在本实施方式中，由于采用刚性的扁千斤压力板41向人造岩心31的侧面及底面施加压力，所以对人造岩心31各侧面的平行度要求较高，其不平行度一般不大于0.01mm。因此，本实施方式中加工了专用模具制作混凝土人造岩心试样，所述人造岩心31是在水泥中加入石英砂浇铸而成，加砂比例为1∶1，水泥牌号为425建筑水泥。所述人造岩心31其外形尺寸为300mm×300mm×300mm；裸眼井筒311直径为20mm，裸眼井筒311深度为250mm。所述模拟裂缝312由在裸眼井筒311周围预先埋好不同厚度的纸片浇铸后形成；所述模拟孔隙313由在裸眼井筒311周围预先埋好不同粒径的砂粒浇铸后形成。

在浇铸人造岩心31的同时，将外径为20mm、长为400mm的塑料管外表面涂上黄油后插入到刚性井筒3141中并一起预置在人造岩心31中，塑料管下端离人造岩心31底部距离50mm，由此成型出模拟裸眼井筒311。刚性井筒3141的内径也为20mm、长度为100mm，其外表面加工有多个环形槽。

所述模拟裂缝312是在浇灌水泥过程中，在距离试样底部120mm处利用不同厚度打印纸模拟预置裂缝，放在塑料管两侧，然后待水泥试样稍稍凝固成型后，从刚性井筒3141内抽出塑料管，待水泥完全凝固后会在刚性井筒3141下端形成一段含有模拟裂缝的裸眼井段。模拟孔隙313是在距离试样底部120mm处的塑料管周围浇灌水泥时，预埋不同粒径的砂粒模拟孔隙型地层，然后待水泥试样稍稍凝固成型后，从刚性井筒3141内抽出塑料管，最终会在裸眼井段周围形成不同类型孔隙型地层。所述模拟裂缝312和模拟孔隙313也可以在人造岩心31成型时同时加工完成。

该刚性井筒中密封堵头3142上的通孔3143通过一高压管线与堵漏液分离器2连接，使堵漏液分离器里的堵漏液压入到裸眼井筒311内进行堵漏模拟试验。堵漏液分离器2用于储存堵漏液，其工作压力为60MPa，容积为3000ml，堵漏液分离器2是活塞式结构，可以把堵漏液与液压油隔离。

在本实施方式中，所述的伺服增压系统1包括有伺服增压泵和控制该伺服增压泵压力的计算机监控装置，可以监测和记录堵漏液压力、排量等参数数据。

在本发明中，所述的声发射探头51可以设置在人造岩心31任意侧面上。在本发明的一较佳实施方式中，所述声发射探头51设有四个，分别设置在人造岩心31两个相邻侧面的对角线的两端。如图3所示，人造岩心31相邻两个侧面A和B的两条对角线的两端各设置一个声发射探头51；即：从人造岩心31侧面A和侧面B的正方向来看，所述四个声发射探头51分别设置在侧面A和侧面B左下角和右上角，当然，也可以分别设置在侧面A和侧面B左上角和右下角(如图4所示)。由这四个声发射探头51就可以有效监测人造岩心31内部任意位置的破裂信号，还能够增加对破裂信号监测的灵敏度。

在本实施方式中，可以在所述人造岩心31上设置声发射探头的侧面与扁千斤压力板之间放置声发射探头托盘(图中未示出)，以方便所述声发射探头的安装。

本发明提供的真三轴钻井堵漏模拟评价装置，主要应用于不同产状、不同特征的复杂裂缝性地层堵漏模拟实验，既可以模拟地层真实的应力状态(上覆岩层压力、水平最大地应力和水平最小地应力)，还可以在井筒周围模拟不同产状、不同特征的裂缝性漏层和不同孔隙类型的孔隙型漏层的堵漏模拟实验研究。该评价装置的研制为将力学和化学相结合进行漏失机理研究提供了新的思路，同时也为复杂裂缝型和孔隙型漏失地层堵漏工艺的研究以及堵漏剂性能的评价提供了一种有效的实验评价方法。

由上所述，本发明的真三轴钻井堵漏模拟评价装置具有如下优点：

1.在进行堵漏模拟时更为接近地层的真实受力状态，为裂缝型地层和孔隙型地层的堵漏力学机理研究提供了有效的保证。

2.利用声发射仪通过探头可以监测到人造岩心的破裂信号，由此，可利用声发射仪监测不同堵漏材料的堵漏效果。

3.试验后打开人造岩心能够观察到堵漏剂在漏层内的分布形态以及堵漏浆的滤失情况。

4.本发明还可以进一步利用数据采集系统记录堵漏液压力、排量等参数，监控堵漏效果；解决了传统的刚性堵漏仪无法从力学角度分析，以及仅能加载围压的堵漏模拟装置无法更有效模拟真实地层的受力情况等问题，将力学和化学相结合对漏失性地层进行堵漏评价。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种真三轴钻井堵漏模拟评价装置，其特征在于：该堵漏模拟评价装置由伺服增压系统、液压稳压源、声发射仪、堵漏液分离器和真三轴漏层模拟结构构成；所述真三轴漏层模拟结构包括有人造岩心，该人造岩心固定设置在一架体内，液压稳压源向人造岩心外侧的空间三个方向施加压力；所述人造岩心外侧面至少设有一个向声发射仪发出信号的声发射探头；所述人造岩心由顶面向下设有一裸眼井筒，由该井筒内壁面向岩心内部设有模拟裂缝和模拟孔隙；该井筒上端的井口部设有密封结构，该密封结构上设有通孔，该通孔与堵漏液分离器的堵漏液出口连通，伺服增压系统连接于堵漏液分离器并控制堵漏液注入裸眼井筒。

2.如权利要求1所述的真三轴钻井堵漏模拟评价装置，其特征在于：所述人造岩心为正方体形状，其底面和周围四个侧面各设有一扁千斤压力板；该扁千斤压力板是由能前后相对移动的内外两个板体构成，两个板体之间形成密封腔体，所述外板体固定于架体，内板体抵靠于人造岩心的相应侧面，由液压稳压源向扁千斤压力板的密封腔体内注入压力油液，使内板体相对外板体移动并将压力传递到人造岩心的相应侧面。

3.如权利要求2所述的真三轴钻井堵漏模拟评价装置，其特征在于：所述液压稳压源设有三个液压稳压泵，每个液压稳压泵连接到一个空间方向上的扁千斤压力板。

4.如权利要求2所述的真三轴钻井堵漏模拟评价装置，其特征在于：所述人造岩心由水泥和砂子混合浇铸而成，其外形尺寸为300mm×300mm×300mm；裸眼井筒直径为20mm，裸眼井筒深度为250mm。

5.如权利要求4所述的真三轴钻井堵漏模拟评价装置，其特征在于：所述模拟裂缝由在裸眼井筒周围预先埋好不同厚度的纸片被浇铸后形成。

6.如权利要求4所述的真三轴钻井堵漏模拟评价装置，其特征在于：所述模拟孔隙由在裸眼井筒周围预先埋好不同粒径的砂粒被浇铸后形成。

7.如权利要求1所述的真三轴钻井堵漏模拟评价装置，其特征在于：所述声发射探头设有四个，分别设置在人造岩心两个相邻侧面的对角线的两端。

8.如权利要求1所述的真三轴钻井堵漏模拟评价装置，其特征在于：所述密封结构由一刚性井筒和设置在该刚性井筒中的密封堵头构成；所述刚性井筒一体成型于所述裸眼井筒上端的井口部，该刚性井筒的内径与裸眼井筒的直径相同。

9.如权利要求8所述的真三轴钻井堵漏模拟评价装置，其特征在于：所述刚性井筒的外侧设有能与人造岩心紧密连接的多个环形槽；所述密封结构上的通孔设置在所述堵头上。

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