CN101798917B - 多功能煤层钻井液动态污染评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能煤层钻井液动态污染评价装置，属煤层气钻井液伤害评价技术领域。它由气体增压泵、三轴应力煤心夹持器、计量轴压泵、气体质量流量计、计算机采集板、泥浆容器、烘箱、精密平流泵等构成。气体增压泵置于烘箱的左侧；气体储气罐、精密平流泵、计量轴压泵、气体质量流量计置于烘箱的下部；三轴应力煤心夹持器、泥浆容器置于烘箱的工作间内。该评价装置不仅能模拟煤层真三轴应力条件下钻井液对煤层的侵入、侵入深度和程度；还能模拟正压差、负压差、平衡钻井过程中的泥浆动态污染过程，使煤层污染过程和渗流测试过程一体化。解决了目前评价装置不能在三个轴向上加载不同轴压的问题，具有操作方便、实验数据标准化的特点。

Description

多功能煤层钻井液动态污染评价装置

技术领域：

本发明涉及一种模拟煤层真三轴应力条件下的钻井液对煤层的侵入、侵入煤层的深度和程度，以及进行各种真三轴应力条件下煤层各向异性特征研究的多功能煤层钻井液动态污染评价装置，属煤层气钻井液伤害评价测试仪器技术领域。

背景技术：

煤层气的勘探与开发技术是在常规油气的勘探与开发技术的基础上发展起来的，常规油气的勘探开发技术大部分也能成功运用于煤层气勘探开发中，给煤层气的勘探与开发工作带来了很大的经济效益。

但是，煤层与常规储油气层有着很大的不同之处，煤层潜在的损害因素表现为：1、煤层孔隙和裂隙发育，钻井液中的固相和液相进入煤层裂隙深处；2、煤是大分子结构的有机物，易对钻井液水和高分子聚合物吸附，从而影响煤层的渗透性；3、煤层水易与钻井液发生化学反应，从而堵塞煤层裂隙；4、煤层压力低，易发生井漏，对煤层造成损害；5、煤层具有应力敏感性，钻井过程中液柱压力控制失当，容易造成渗透流降低；6、煤的机械强度低，钻井施工过程中产生的煤粉易堵塞煤层孔隙和裂隙。

钻井液对煤层的伤害主要有：一是钻井液被煤体吸附或吸收，二是钻井液中固相颗粒对煤中裂隙通道的充填堵塞，三是钻井液柱压力与煤层压力之差造成煤层端面割理闭合，致使煤层透气性变差，影响产气量。同时钻井压力对地层也存在诸多损害，如在过平衡钻进时，井内循环液压力大于煤层压力，使作用在井筒附近的纯应力降低，引起煤层渗透率增高。但这加大了钻井液对煤层的侵入速度和侵人半径，从而使渗透率降低；而在欠平衡钻进时，井内循环液压力小于煤层压力，使作用附近的纯应力增高，引起煤层塑性变形，造成渗透率大幅度降低。这种作用于煤层的高应力，足以引起煤层渗透性滞后现象，造成渗透率的永久性降低。钻柱压力变化和下钻时引起的压力激动，也会通过钻井液或直接对煤层造成伤害。在微过平衡钻井的持续正压差和欠平衡钻井中的脉冲正压差均会成为钻井液中固相和滤液进入地层的动力。

目前，国内只有油气层保护研究单一的模拟钻井的入井流体损害装置和测量岩心受入井流体损害深度和程度的动态损害评价系统。但煤层保护工作贯穿煤层勘探开发的各个生产过程，是一项涉及多学科的综合配套技术，上述仪器装置远不能满足实际生产的需要。因此，研制出能够模拟煤层真三轴应力条件下的钻井液对煤层的侵入、以及侵入煤层的深度和程度，以及进行煤层的各种三轴应力方面的评价试验的动态污染评价装置意义非常重大，以满足煤层保护工作实际生产的需要。

发明内容：

本发明的目的在于：提供一种模拟煤层真三轴应力条件下的钻井液对煤层的侵入、以及侵入煤层的深度和程度，同时还可以进行煤层的各种真三轴应力条件下的煤层各向异性特征研究，以及煤层气液两相渗透率测试的多功能煤层钻井液动态污染评价装置。

本发明是通过如下技术方案来实现上述目的的：

一种多功能煤层钻井液动态污染评价装置，它由气体增压泵、三轴应力煤心夹持器、计量轴压泵、回压调节器、气体质量流量计、气水分离器、电子天平、计算机采集板、泥浆容器、低压压力传感器、高压压力传感器、烘箱、高压液体容器、加湿容器、精密平流泵、ISCO100DX泵、气体储气罐构成，其特征在于：气体增压泵置于烘箱的左侧；气体储气罐、精密平流泵、加湿容器、计量轴压泵、回压调节器、气体质量流量计、气水分离器、电子天平置于烘箱的下部，ISCO100DX泵置于烘箱的右侧；高压调压保护阀、高压减压阀、回压加压阀、泥浆污染阀、低压调压保护阀、高压加压阀、低压减压阀、低压加压阀、进口压力表、出口压力表置于烘箱左边面板上；计算机采集板、低压压力传感器、高压压力传感器置于烘箱左边面板的后面；高压液体容器、三轴应力煤心夹持器、泥浆容器置于烘箱的工作间内。

所述的三轴应力煤心夹持器的左右端通过不锈钢管线和两端的六通阀门座连接，左端的六通阀门座通过管线与加湿容器、高压液体容器连接，右端的六通阀门座通过管线与回压调节器、回压阀、气体质量流量计、气水分离器连接。

所述的气体增压泵、气体储气罐与高压减压阀、低压减压阀、加湿容器通过管线连接；ISCO100DX泵、精密平流泵通过管线与高压液体容器连接。

所述的三轴应力煤心夹持器在X轴、Y轴和Z轴三个方向上开有轴压加压口，分别通过管线和轴压压力表与三台计量轴压泵连接；所述的三轴应力煤心夹持器右侧设置有泥浆污染通道，泥浆污染通道进口与泥浆容器相连，泥浆容器顶部通过管线与泥浆污染阀连接，泥浆污染通道出口与泥浆收集桶连接。

所述的低压压力传感器、高压压力传感器、气体质量流量计通过电线与计算机采集板连接。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

该多功能煤层钻井液动态污染评价装置不仅能模拟煤层真三轴应力条件下的钻井液对煤层的侵入、侵入煤层的深度和程度；同时还可以进行各种真三轴应力条件下煤层各向异性特征的研究，测量煤层煤心在各向异性应力条件下渗透率变化以及在真三维压力状态下煤层钻井液动态污染前后的渗流变化规律；还能模拟正压差、负压差、平衡钻井过程中的泥浆动态污染过程，使煤层污染过程和渗流测试过程一体化，避免多次装夹煤样产生应力效应；适用于煤层气液两相渗透率测试。解决了目前评价实验中常用的伪三轴夹持器不能在三个轴向上加载不同轴压的问题，克服了流体驱替实验、泥浆污染试验、气液两相驱替试验要单独进行的缺陷；具有流程清晰，操作方便、实验软件模块化、实验数据标准化等特点。

附图说明

附图为多功能煤层钻井液动态污染评价装置的结构示意图。

图中：1、低压调压阀，2、气体增压泵，3、气体高压表，4、高压调压保护阀，5、高压减压阀，6、回压加压阀，7、泥浆污染阀，8、低压调压保护阀，9、高压加压阀，10、低压减压阀，11、低压加压阀，12、六通阀门座，13、进口压力表，14、轴压加压阀，15、轴压压力表，16、三轴应力煤心夹持器，17、出口压力表，18、计量轴压泵，19、回压压力表，20、回压调节器，21、回压阀，22、气体质量流量计，23、气水分离器，24、电子天平，25、计算机采集板，26、泥浆容器，27、低压压力传感器，28、高压压力传感器，29、烘箱，30、高压液体容器，31、加湿容器，32、精密平流泵，33、驱替液，34、ISCO100DX泵，35、气体储气罐。

具体实施方式：

该多功能煤层钻井液动态污染评价装置由低压调压阀1、气体增压泵2、气体高压表3、高压调压保护阀4、高压减压阀5、回压加压阀6、泥浆污染阀7、低压调压保护阀8、高压加压阀9、低压减压阀10、低压加压阀11、六通阀门座12、进口压力表13、轴压加压阀14、轴压压力表15、三轴应力煤心夹持器16、出口压力表17、计量轴压泵18、回压压力表19、回压调节器20、回压阀21、气体质量流量计22、气水分离器23、电子天平24、计算机采集板25、泥浆容器26、低压压力传感器27、高压压力传感器28、烘箱29、高压液体容器30、加湿容器31、精密平流泵32、驱替液33、ISCO100DX泵34、气体储气罐35组成(参见附图)。

气体增压泵2置于烘箱29的左侧；气体储气罐35、精密平流泵32、加湿容器31、计量轴压泵18、回压调节器20、气体质量流量计22、气水分离器23、电子天平24置于烘箱29的下部，ISCO100DX泵34置于烘箱29的右侧。高压调压保护阀4、高压减压阀5、回压加压阀6、泥浆污染阀7、低压调压保护阀8、高压加压阀9、低压减压阀10、低压加压阀11、进口压力表13、出口压力表17置于烘箱29左边面板上。计算机采集板25、低压压力传感器27、高压压力传感器28置于烘箱29左边面板的后面。高压液体容器30、三轴应力煤心夹持器16、泥浆容器26置于烘箱29的工作间内。

所述的三轴应力煤心夹持器16的左右端通过不锈钢管线和两端的六通阀门座12连接，左端的六通阀门座12通过管线与加湿容器31、高压液体容器30连接，右端的六通阀门座12通过管线与回压调节器20、回压阀21、气体质量流量计22和气水分离器23连接。

所述的气体增压泵2、气体储气罐35与高压减压阀5、低压减压阀10、加湿容器31通过管线连接；ISCO100DX泵34、精密平流泵32通过管线与高压液体容器30连接。

所述的三轴应力煤心夹持器16在X轴、Y轴和Z轴三个方向上开有轴压加压口，分别通过管线和轴压压力表15与三台计量轴压泵18连接，适用于煤层钻井液动态污染前后的渗流变化规律，以及煤层三维各向异性特征的评价实验。所述的三轴应力煤心夹持器16的右侧设置有泥浆污染通道，泥浆污染通道进口与泥浆容器26相连，泥浆容器26的顶部通过管线与泥浆污染阀7连接，泥浆污染通道的出口与泥浆收集桶连接。

所述的低压压力传感器27、高压压力传感器28、气体质量流量计22通过电线与计算机采集板25连接。电子天平24、精密平流泵32、ISCO100DX泵34、计算机采集板25通过通讯线与计算机连接。计算机通过应用软件控制仪器运行、数据采集和数据处理报表打印等工作。所述的烘箱29由智能温度控制器控制加热，通过PT100传感器采集温度信号，由风机提供循环风量，保证烘箱29工作间温度均匀一致(计算机、风机、PT100传感器图中未画出)。

实验前，先把煤块制成50×50×50cm的标准试样，并按实验标准要求进行预处理。启动空气压缩机，并将气压增至0.7Mpa，关闭气体储气罐35的出口阀，逐步调节低压调压阀1的压力，启动气体增压泵2，将气体储气罐35的压力增至32Mpa备用，增压时压力的大小由气体高压表3控制。

实验时，把样品装入三轴应力煤心夹持器16内，拧紧三轴应力煤心夹持器16的X轴压盖和右柱塞，连接好X轴压、Y轴压、Z轴压与计量轴压泵18之间的加压管线，准备好计量轴压泵18的液压油。将高压液体容器30的活塞采用手动或气压推到底部，将模拟水和实验油装入高压液体容器30内，盖好液体容器的顶盖，连接好精密平流泵32与高压液体容器30与ISCO100DX泵34之间的管线，准备好驱替液33。连接三轴应力煤心夹持器16进出口到六通阀门座12的管线，连接好六通阀门座12到回压阀21、电子天平24、气体质量流量计22之间的管线。将回压调节器20中注满水，装好顶盖并连接好进出口管线。关闭泥浆容器26的下出口阀，将实验泥浆装入泥浆容器26内，盖上顶盖，连接好加压管线。关闭计量轴压泵18的泄压阀，打开轴压加压阀14，顺时针摇动计量轴压泵18的手柄，开始按X轴、Z轴、Y轴的顺序逐步增加轴压，待轴压达到设计压力时停止加压，三向轴压值必须高于流动压力2Mpa左右。启动烘箱29上的智能温度控制器，设置实验温度开始加热，待温度控制在设定温度范围之内1小时后，便可开始测试实验。

(1)、三轴应力条件下的煤层渗透率测试。打开计算机，进入多功能煤层钻井液动态污染评价系统操作主界面，选择煤层渗透率测试。根据实验计划选择气体渗透率测试或液体渗透率测试，当进行气体渗透率测试时，打开烘箱29面板上的高压调压保护阀4，将高压减压阀5调节到5MPa，再依次打开低压调压保护阀8和低压加压阀11，将低压减压阀10调节到0.1Mpa，低压气体通过六通阀门座12进入三轴应力煤心夹持器16的左端，通过测试样品后从三轴应力煤心夹持器16的右端流出；打开气水分离器23的进口阀，关闭气水分离器23的出水阀，使实验气体通过气体质量流量计22流出，计算机自动记录气体的流量、压差、时间，并根据计算公式自动计算出实验结果。

当进行液体渗透率测试时，打开高压液体容器30以及对应的ISCO100DX泵34和精密平流泵32，实验流体通过六通阀门座12进入三轴应力煤心夹持器16左端，通过测试样品后从三轴应力煤心夹持器16的右端流出，打开回压阀21前的进口阀，打开烘箱29面板上的高压调压保护阀4，将高压减压阀5调节到2Mpa或实验设计的回压值，打开回压加压阀6加回压，打开气水分离器23的出口阀，让实验流体进入电子天平24上的量杯，由计算机自动记录实验流体的质量、压差、时间，并根据计算公式自动计算出实验结果。该项实验能完成煤层在各向异性应力条件下的渗透率变化以及煤层三维方向的渗透率测试，评价煤层三维各向异性特征，同时作为评价煤层受钻井液动态污染评价实验的基础。

(2)、煤层钻井液动态污染评价实验。按三轴应力条件下的煤层渗透率测试步骤，首先进行煤层液相原始渗透率测试；完成后，再打开三轴应力煤心夹持器16的泥浆通道，打开烘箱29面板上的高压调压保护阀4，将高压减压阀5调节到3.5Mpa或实验设计的泥浆污染压力；打开泥浆污染阀7、泥浆容器26下面的出口阀，调节泥浆通道上的出口阀，保证有污染泥浆流出，同时通过三轴应力煤心夹持器16的左端计量泥浆污染煤层滤液的滤失量。在污染实验过程中，可以根据不同实验方案，通过从三轴应力煤心夹持器16左端加注不同的流体压力模式，模拟欠平衡、正压差、平衡钻井过程中的泥浆动态污染过程，完成煤层污染过程和渗流测试过程一体化，避免多次装夹煤样产生应力效应。如当三轴应力煤心夹持器16的右柱塞退出一定距离打开泥浆污染通道时，通过高压调压保护阀4加压，泥浆在一定压力下从泥浆污染通道进口流入，由样品端面开始污染，从泥浆污染通道出口流出，从而实现模拟正压差钻井过程中的泥浆动态污染过程。负压差、平衡钻井过程中的泥浆动态污染可通过调节岩心入口压力和出口端泥浆污染压力实现。泥浆污染完成后，再按煤层渗透率测试方法测试污染后的煤层渗透率，由计算机根据污染前后的渗透率变化，综合评价煤层受钻井液污染的程度和深度。

(3)、气液相对渗透率测试。首先将饱和模拟水的煤层样品装入三轴应力煤心夹持器16，根据三轴应力条件下的煤层渗透率测试步骤，测试模拟水的渗透率。打开烘箱29面板上的高压调压保护阀4，将高压减压阀5调节到5MPa，再依次打开低压调压保护阀8和低压加压阀11，并将低压减压阀10调节到0.1Mpa。低压气体通过六通阀门座12进入，启动精密平流泵32，设定恒压模式，用0.1Mpa的设定压力驱替，打开六通阀门座12的出口端，使两相流体进入三轴应力煤心夹持器16的煤层样品，流出的两相流体经过气水分离器23分离，气体进入气体质量流量计22计量，液体进入电子天平24上的量杯，由计算机自动记录实验流体的质量、压差、时间，按气水相对渗透率非稳态法计算方法计算实验结果。

Claims (3)

1.一种多功能煤层钻井液动态污染评价装置，它由气体增压泵(2)、三轴应力煤心夹持器(16)、计量轴压泵(18)、回压调节器(20)、气体质量流量计(22)、气水分离器(23)、电子天平(24)、计算机采集板(25)、泥浆容器(26)、低压压力传感器(27)、高压压力传感器(28)、烘箱(29)、高压液体容器(30)、加湿容器(31)、精密平流泵(32)、ISCO100DX泵(34)、气体储气罐(35)构成，其特征在于：气体增压泵(2)置于烘箱(29)的左侧；气体储气罐(35)、精密平流泵(32)、加湿容器(31)、计量轴压泵(18)、回压调节器(20)、气体质量流量计(22)、气水分离器(23)、电子天平(24)置于烘箱(29)的下部，ISCO100DX泵(34)置于烘箱(29)的右侧；高压调压保护阀(4)、高压减压阀(5)、回压加压阀(6)、泥浆污染阀(7)、低压调压保护阀(8)、高压加压阀(9)、低压减压阀(10)、低压加压阀(11)、进口压力表(13)、出口压力表(17)置于烘箱(29)左边面板上；计算机采集板(25)、低压压力传感器(27)、高压压力传感器(28)置于烘箱(29)左边面板的后面；高压液体容器(30)、三轴应力煤心夹持器(16)、泥浆容器(26)置于烘箱(29)的工作间内；

所述的三轴应力煤心夹持器(16)的左右端通过不锈钢管线和两端的六通阀门座(12)连接，左端的六通阀门座(12)通过管线与加湿容器(31)、高压液体容器(30)连接，右端的六通阀门座(12)通过管线与回压调节器(20)、回压阀(21)、气体质量流量计(22)、气水分离器(23)连接；

所述的三轴应力煤心夹持器(16)在X轴、Y轴和Z轴三个方向上开有轴压加压口，分别通过管线和轴压压力表(15)与三台计量轴压泵(18)连接；所述的三轴应力煤心夹持器(16)右侧设置有泥浆污染通道，泥浆污染通道进口与泥浆容器(26)相连，泥浆容器(26)顶部通过管线与泥浆污染阀(7)连接，泥浆污染通道出口与泥浆收集桶连接。

2.根据权利要求1所述的多功能煤层钻井液动态污染评价装置，其特征在于：所述的气体增压泵(2)、气体储气罐(35)与高压减压阀(5)、低压减压阀(10)、加湿容器(31)通过管线连接；ISCO100DX泵(34)、精密平流泵(32)通过管线与高压液体容器(30)连接。

3.根据权利要求1所述的多功能煤层钻井液动态污染评价装置，其特征在于：所述的低压压力传感器(27)、高压压力传感器(28)、气体质量流量计(22)通过电线与计算机采集板(25)连接。

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