CN102562040B - 高温高压钻井液漏失动态评价仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温高压钻井液漏失动态评价仪，主要由循环釜体、搅拌电机、电机及温控系统、裂缝模块、中间容器、氮气源组成，搅拌电机固定于釜体顶盖并与循环釜体密封连接，带动循环釜体内的转轴和搅拌叶片转动，中间容器的进气孔连接氮气源，排液孔连接循环釜体排液阀，循环釜体下部连接裂缝模块，裂缝模块主要由上柱体、下柱体和加热板组成，带凹槽的上、下柱体中间放置橡胶垫片形成裂缝。本发明具有自动化程度高、功能齐全、裂缝模块类型齐全且尺寸大、实时监测钻井液滤失等特点，克服了常规堵漏装置尺寸规模偏小及裂缝类型单一而不能模拟复杂的缝洞性漏失、裂缝壁面滤失测试和评价堵漏封堵层位置及其渗透性方面的不足。

Description

高温高压钻井液漏失动态评价仪

所属技术领域

本发明涉及石油与天然气行业室内高温高压钻井液漏失控制评价的大型实验设备，该设备可模拟深井复杂缝洞性地层漏失，监测记录钻井液漏失过程及其漏失速率和漏失通道壁面的滤失情况，评判堵漏封堵层的形成位置、渗透性能和其双向承压能力，属于石油与天然气勘探开发过程中针对井下复杂地层漏失的油气层保护方面的实验设备。

背景技术

随着油气勘探开发目标进一步面向复杂地区、深层海相层系，钻井工程面临着技术难度不断加大等多重压力。复杂深井钻探中遇到了强烈的非均质、地层缝洞发育，并具有强应力敏感性，使漏失通道显著变宽、漏失控制难度更大；超深井、长裸眼井段经常是多压力系统并存，潜在漏点漏层多，录井监测响应滞后，使漏层位置判断和漏失量估算更加复杂；钻遇中-大型裂缝网络系统时，堵漏材料未经过室内实验评价优选，往往现场漏失控制试验不成功，导致钻井速度慢、复杂事故多、钻井周期长且成本高，严重影响到油气资源勘探开发的进程。深井超深井钻井过程中的井漏问题非常普遍，也是最严重的储层损害方式，如果处理不及时或不成功，将导致开发过程中油气井建产产能低，成本回收滞后等严重后果。

通过室内开展钻井液漏失控制实验，评价原钻井液和堵漏液对不同宽度裂缝的封堵层渗透性、封堵强度，针对不同潜在漏失层的特点，筛选及开发新型防漏堵漏材料，在室内实验模拟的基础上，评价优化防漏堵漏配方，有助于制定现场施工工艺，提高堵漏成功率，形成大中型漏失防漏堵漏综合技术。

目前，堵漏实验装置仅能模拟高温高压条件下的微裂缝漏失，由于现有装置尺寸的限制，如：储液罐容积、裂缝宽度及长度等参数较小，对于缝洞性地层中、大裂缝导致的漏失不能监测漏失动态发展过程；针对堵漏材料在长裂缝中形成的封堵层位置难以开展实验研究，且无法实验评价封堵层位置、渗透性能与其承压能力的关系；现有堵漏装置注重堵漏效果及承压能力，而忽视了对封堵层渗透性及裂缝壁面滤失测试及记录。因此，研制适用于高温高压下缝洞性地层漏失的漏失量及漏失速率监测、记录裂缝壁面滤失数据、评价封堵层封堵位置、渗透性能及其正反向承压能力的多功能钻井液漏失动态评价装置具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供针对缝洞性地层的高温高压钻井液漏失动态评价仪，它具有自动化程度高、功能齐全、裂缝模块类型齐全且尺寸大、实时监测钻井液滤失等特点，能够模拟钻遇缝洞系统等复杂地层时所发生的井漏，克服了常规堵漏装置尺寸规模偏小及裂缝类型单一而不能模拟复杂的缝洞性漏失、裂缝壁面滤失测试和评价堵漏封堵层位置及其渗透性方面的不足。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

高温高压钻井液漏失动态评价仪主要由钻井液供给和循环系统、裂缝模块系统、控制系统和数据采集系统组成。

所述钻井液供给和循环系统主要由钻井液循环釜体、搅拌电机、钻井液中间容器和氮气源组成，首先将钻井液放入钻井液中间容器，在氮气源提供的压力下将中间容器内的钻井液压入循环釜体中，选用此种钻井液加入方法是考虑到安装于钻井液循环釜体顶部的电机搅拌器不便于频繁拆卸，同时保持其顶部密封性能。钻井液循环釜体底部有钻井液入孔，与钻井液供给系统连接，当实验完成时，剩余的钻井液亦可从此孔排出。电机置于钻井液循环釜体的顶部，搅拌器深入钻井液循环釜体内部，其上分布四组叶片，位置分别位为钻井液循环釜体内底部、循环釜体与裂缝模块连接处、循环釜体中部及顶部，叶片倾角约为45°。电机通过转轴带动钻井液循环釜体内的叶片旋转，使循环釜体内的钻井液旋转运动从而悬浮固相颗粒，实现了对裂缝模块端面剪切循环，达到模拟钻井过程中的钻井液循环运动的效果。

所述裂缝模块系统主要由长度约为1m的两块内壁开槽的不锈钢半圆柱体、裂缝出口端节流球阀、均匀安装于裂缝模块上部的一组压力传感器系统组成，内壁开槽的两块不锈钢半圆柱体由分布于两端的铆钉紧密相接，其间放置抗高温垫片，以达到密封的作用，两半圆柱体的开槽部分即形成了一条长约1m的裂缝空间，装配有各种毫米级厚度的不锈钢钢板，将不同厚度的钢板插入裂缝空间，即实现了不同厚度、定长度的裂缝。不锈钢钢板壁面可刻画为不同粗糙程度，模拟具有不同粗糙程度的裂缝类型。不锈钢钢板上可加工出不同尺寸的孔洞，用于模拟缝洞系统。上部的不锈钢半圆柱体有与裂缝上壁面连通的数个压力传感器及滤失孔阀，压力传感器用于监测裂缝模块内部的压力分布，明确堵漏材料形成的封堵层位置，滤失孔阀连接体积计量装置，测量裂缝壁面的钻井液滤失量。下部不锈钢半圆柱体安装有并联式加热带，可对裂缝模块加温来模拟井下高温条件。裂缝出口端安装有大尺寸节流球阀，用于堵漏评价实验时实现对漏失液的无阻计量，同时另备有小尺寸的出口配件，以便用于裂缝内部封堵层的反向承压能力评价实验。

所述控制系统由电机调节器、温控仪、加热板和加热带组成。电机调节器调节电机及转轴转速来控制钻井液循环釜体内的钻井液剪切速率。温控仪可分别对缠绕于钻井液循环釜体内壁上的加热带和下柱体底部的加热板控制加温，最高温度可达150℃，以充分模拟高温地层漏失环境。

所述数据采集系统由计算机、电子天平和压力传感器组成。压力传感器均匀安装于裂缝模块不同部位，测量裂缝模块内部的压力分布，识别裂缝封堵层位置和评价其承压能力。电子天平用于计量由裂缝模块出口端球形阀流出的钻井液重量，计算机可全过程记录压力传感器及流出的钻井液重量，实现了计算机采集记录压力值和漏失量及漏失速率等实验参数，自动化程度更高。

本发明高温高压钻井液漏失动态评价仪，主要由循环釜体、搅拌电机、电机及温控系统、裂缝模块、中间容器、氮气源组成，其特征在于，所述搅拌电机固定于釜体顶盖上并带动循环釜体内的转轴和搅拌叶片转动，循环釜体壁缠绕加热带，循环釜体外有防护罩；所述循环釜体底部有釜体排液阀，中间容器的进气孔连接氮气源，中间容器的排液孔连接釜体排液阀；所述循环釜体下部和裂缝模块通过法兰密封连接，所述裂缝模块主要由上柱体、下柱体和加热板组成，带凹槽的不锈钢上、下柱体中间放置橡胶垫片实现密封，形成裂缝，上柱体有压力传感器及滤失孔阀，下柱体有并联式加热板，裂缝模块还有出口端法兰和球形控制阀，球形控制阀连接电子天平，所述压力传感器和电子天平均与计算机相连；所述电机及温控系统由电机开关、电机调节器和温控仪组成。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)弥补了目前堵漏装置中模拟裂缝模块较小的不足。该裂缝模块系统设计长约1m，且通过更换具有不同粗糙程度和不同尺寸孔洞的不锈钢钢板来模拟复杂的漏失通道，达到实验模拟复杂缝洞性地层的漏失；

(2)评价仪储积钻井液量大，可维持一定时间下连续漏失来模拟钻井液漏失动态过程，达到监测并评价漏失动态发展过程和堵漏封堵层的形成；

(3)裂缝模块出口端配有小尺寸阀门，可进行堵漏封堵层的反向承压能力实验，评价堵漏封堵层及滤饼的突破压力。其顶部的压力传感器系统及滤失孔阀，在监测封堵层位置及承压能力的同时，可计量钻井液在裂缝壁面的滤失量，测量并评价封堵层渗透性能，综合分析封堵层的承压能力和其渗透性能的规律；

(4)实验全过程实现了自动记录数据参数。计算机采集裂缝模块内部的压力值分布及裂缝壁面的滤失量数据、出口端钻井液漏失量及漏失速率，具有记录数据快速、准确、自动化程度高的特点。

附图说明

图1为本发明评价仪结构示意图。

图2为裂缝模块结构示意图。

图3为循环釜体结构示意图。

图中：1.循环釜体，2.搅拌电机，3.裂缝模块，4.裂缝模块出口端，5.仪器支架，6.电机及温控系统，7.电机开关，8.电机调节器，9.温控仪，10.排气孔，11.进气孔，12.釜体顶盖，13.釜体排液阀，14.中间容器，15.进气孔，16.排液孔，17.氮气源，18.法兰，19.底座，20.计算机，21.压力传感器，22.电子天平，23.A型丝扣铆钉，24.上柱体，25.下柱体，26.加热板，27.滤失孔阀，28.出口端法兰，29.球形阀，30.B型丝扣铆钉，31.支撑柱，32.转轴，33.釜体壁，34.加热带，35.搅拌叶片，36.防护罩，37.排液管。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明。

参看图1。高温高压钻井液漏失动态评价仪，主要由循环釜体1、搅拌电机2、电机及温控系统6、裂缝模块3、中间容器14、氮气源17组成，所述循环釜体1的釜体顶盖12上有排气孔10和进气孔11，所述搅拌电机2固定于釜体顶盖并与循环釜体密封连接，所述循环釜体1底部有釜体排液阀13，所述中间容器14的进气孔15连接氮气源17，中间容器14的排液孔16连接釜体排液阀13；所述循环釜体1下部和固定在底座19上的裂缝模块3通过法兰18密封连接，裂缝模块3有压力传感器21和裂缝模块出口端4，所述裂缝模块出口端4连接电子天平22，所述压力传感器和电子天平均与计算机20相连。

所述搅拌电机2、加热带34和加热板26由电机及温控系统6控制，所述电机及温控系统6由电机开关7、电机调节器8和温控仪9组成，电机调节器调节电机及转轴转速来控制钻井液循环釜体内的钻井液剪切速率，温控仪可对釜体壁上的加热带和下柱体底部的加热板控制加温，最高温度可达150℃，以充分模拟高温地层漏失环境。

所述循环釜体1和电机及温控系统6固定于仪器支架5上。

实验时，将钻井液预先置于钻井液中间容器14中，钻井液中间容器顶盖的进气孔15连接氮气源17，向中间容器中增压，将钻井液由底部的排液孔16经管线连接至釜体排液阀13，注入钻井液到循环釜体1中。注液过程中，釜体1顶盖上的进气孔11及排气孔10均为打开状态。钻井液注至钻井液循环釜体1后，关闭排液阀13及排气孔10，将氮气源17接至进气孔11，实现向钻井液循环釜体1中增压。

参看图2。所述循环釜体下部和裂缝模块通过法兰18和A型丝扣铆钉23密封连接，所述裂缝模块主要由上柱体24、下柱体25和加热板26组成，带凹槽的不锈钢上、下柱体由分布于柱体上的B型丝扣铆钉30紧密连接，中间放置橡胶垫片实现密封，形成长约1000mm、宽为50mm、高度为10mm的裂缝，其中裂缝宽度的调节由向裂缝中安装等长、等宽、不同厚度的各种不锈钢钢板来实现，不锈钢钢板可选用具有不同粗糙程度的板面和不同孔洞分布的多种类型以模拟复杂漏失通道。

上柱体24有压力传感器21及滤失孔阀27，压力传感器用于监测裂缝模块内部的压力分布，明确堵漏材料形成的封堵层位置，由裂缝模块3的裂缝面滤失的钻井液经滤失孔阀27流出，滤失孔阀连接体积计量装置，测量裂缝壁面的钻井液滤失量，下柱体25有并联式加热板26，由电机及温控系统6控制，可对裂缝模块加温来模拟井下高温条件，裂缝模块出口端法兰28通过B型丝扣铆钉30与裂缝模块末端对接，球形阀29控制其开关，实验前球形阀29处于关闭状态，当搅拌电机打开时，球形阀29则打开。

参看图3。所述搅拌电机2通过支撑柱31固定于釜体顶盖12并与循环釜体密封连接，带动循环釜体内的转轴32和搅拌叶片35转动，起到搅拌钻井液的作用，循环釜体的釜体壁33缠绕加热带34对釜体内钻井液加热，循环釜体外有防护罩36对釜体起到隔热保温和防护作用；所述循环釜体底部有釜体排液阀13连接排液管37。当实验结束后，钻井液循环釜体内的残余钻井液通过排液管37排出。

所述搅拌叶片35有四组，位置分别位为循环釜体内底部、循环釜体与裂缝模块连接处、循环釜体中部及顶部，叶片倾角约为45°。

Claims (1)

1.高温高压钻井液漏失动态评价仪，主要由循环釜体(1)、搅拌电机(2)、电机及温控系统(6)、裂缝模块(3)、中间容器(14)、氮气源(17)组成，其特征在于，所述循环釜体(1)的釜体顶盖(12)上有排气孔(10)和进气孔(11)，所述搅拌电机(2)固定于釜体顶盖并与循环釜体密封连接，带动循环釜体内的转轴(32)和搅拌叶片(35)转动，循环釜体的釜体壁(33)缠绕加热带(34)，循环釜体外有防护罩(36)；所述循环釜体(1)底部有釜体排液阀(13)，所述中间容器(14)的进气孔(15)连接氮气源(17)，中间容器(14)的排液孔(16)连接釜体排液阀(13)；所述循环釜体(1)下部连接裂缝模块(3)，所述裂缝模块(3)主要由上柱体(24)、下柱体(25)和加热板(26)组成，带凹槽的上、下柱体中间放置橡胶垫片形成裂缝，上柱体(24)有压力传感器(21)及滤失孔阀(27)，下柱体(25)连接并联式加热板(26)，裂缝模块出口端(4)连接电子天平(22)，所述压力传感器和电子天平均与计算机(20)相连；所述搅拌电机(2)、加热带(34)和加热板(26)由电机及温控系统(6)控制，所述电机及温控系统由电机开关(7)、电机调节器(8)和温控仪(9)组成；所述裂缝模块(3)有出口端法兰(28)和球形阀(29)；所述裂缝的宽度由向裂缝中安装等长、等宽、不同厚度的各种不锈钢钢板来调节，不锈钢钢板选用具有不同粗糙程度的板面和不同孔洞分布的多种类型以模拟复杂漏失通道；所述搅拌叶片(35)有四组，位置分别位为循环釜体内底部、循环釜体与裂缝模块连接处、循环釜体中部及顶部，叶片倾角为45°。