CN106153856B - 一种含裂缝泥页岩稳定性评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种含裂缝泥页岩稳定性评价装置，该装置主要包括：釜体，用于固定岩心并模拟岩心周边环境；与釜体相连的温控组件，控制所述温控组件对岩心进行加热、控温以模拟地层实际温度；与釜体相连的压力组件，用于给所述岩心施加实验所需的围压，以模拟地层覆压；回压控制组件，用于岩心的回压控制；气源供给控制组件，用于给岩心进口端提供恒压气源；与釜体相连的液体介质组件，用于给所述岩心提供清水或泥浆，用于模拟钻井液循环的压力作用；与釜体相连的岩心形变测量组件，用于测量岩心形变；数据测量与采集组件，其分别与上述组件连接，用于进行膨胀应变、裂缝岩心的孔隙压力传递规律及穿透的周期监测结果的获取。

Description

一种含裂缝泥页岩稳定性评价装置及方法

技术领域

本发明属于石油勘探开发过程中关于井壁稳定性技术领域，涉及一种含裂缝泥页岩稳定性评价装置及方法。

背景技术

泥页岩井壁稳定一直是困扰石油勘探开发的一大难点。目前随着我国页岩气资源勘探开发战略步伐的加快，研究人员更加关注泥页岩基本物理力学特性珠研究。因为页岩气勘探开发过程中遇到的泥页岩井壁稳定问题和裂缝性泥页岩漏失问题都与泥页岩在赋存的地质环境、地层流体分布情况、地应力及工程因素条件下泥页岩所表现出的物理力学性能有着密不可分的关系。目前室内针对泥页岩井壁稳定性展开的实验主要分为两大类：一是直接实验法，即测定钻井液对井壁直接作用的程度，如分散性、膨胀性、水化应力、膜效率等；二是间接实验法，即测定影响井壁失稳的各种因素，如岩石矿物组份分析、扫描电镜结构分析、阳离子交换量、比表面积等。这些针对泥页岩的物理力学特性研究成果并不鲜见，但是针对含裂缝的硬脆性泥页岩的稳定性评价研究还不多。工程上普遍认为含裂缝泥页岩稳定性受钻井液液柱压力作用下的裂缝孔隙压力传递、水化变形的影响十分显著，造成裂缝地层的力学强度减弱及漏失，因此含裂缝的硬脆性泥页岩的稳定性评价研究是该领域研究的重点和难点。由于传统的稳定性评价方法不适用于含裂缝泥页岩的稳定性评价，因而专门针对于含裂缝的泥页岩稳定性评价的方法，目前国内研究的相对较少。

目前，国内用于室内评价井壁稳定性的试验方法主要有以下几种：

分散性(回收率)实验：包括以下两种：(1)页岩滚动实验，该实验是按照SY/T5613-2000《泥页岩理化性能实验方法》中制订的实验方法，采用滚动加热炉和高温罐完成实验。该方法主要用于评价泥页岩的分散性，钻井液对地层分散能力的抑制程度。(2)是CST(毛细管吸入时间)实验，该实验可测定液体通过特性滤纸上标定距离所需的时间，用于评价泥页岩在水中的分散情况。

膨胀性实验：包括常温常压膨胀性实验和高温高压膨胀性实验两种。其实验原理是，先测定一定质量干泥页岩的体积/高度，再测泥页岩与试液接触一定时间后的体积/高度，其膨胀体积占原样体积/高度的百分数称为该泥页岩的膨胀率，两者均可用于优化钻井液体系的性能。

分散及膨胀性实验采用的实验岩样是实际岩样经捣碎后重新压制形成的人造岩样，这种实验操作基本上破坏了原始岩样的结构特性(裂缝、层理特性)，并不适用于含裂缝泥页岩的稳定性评价。

水化应力的测定实验：目前较好的是采用应变片法进行测定。实验原理是利用应变片绕岩样一周，将岩样与试液接触后发生的变形以信号的形式导出，而实验前岩样应变为0，因此两者之间的差值即为水化应力值。

膜效率的测定实验：主要通过以下两种方法完成：(1)利用化学势差作用下的压力传递作用；(2)利用不同离子浓度(化学势)的电阻率不同测定膜效率。

此外，室内评价泥页岩井壁稳定性的方法还较多，例如：介电常数的测定实验、页岩稳定指数法、岩心浸泡实验、X射线衍射与扫描电镜实验、泥页岩比表面积测定实验等。这些实验方法各有侧重点，均直接或间接建立起钻井液与井壁稳定之间的联系，但多以完整岩心为研究对象，未能反映出在钻井过程中钻井液是如何与裂缝地层相互作用、做到井壁稳定性的定量与定性分析。

以下涉及井壁稳定的评价方法虽然较为先进，但均关注井壁受损情况，尚未关注到裂缝孔隙压力传递及水化应变这些影响含裂缝泥页岩稳定性的关键因素：

中国专利CN200420096536.X公开了一种高温、高压井壁稳定性实验：该实验采用了人工井壁循环系统，利用声波测量+信号采集系统测定井壁受钻井液冲刷的变形程度及造壁情况的影响。

见中国专利CN201110421883.X公开了一种高温高压泥页岩井壁稳定性评价装置，该装置包括人工井壁模拟装置、高温高压三轴压力室、压力、温度和围压控制系统、钻井液循环系统、数据采集处理系统等组成。该装置能够在模拟井下温度、压力和循环流体流动的条件下，对模拟井壁进行钻井液冲涮损害试验，通过超声波测量及成像手段模拟井壁被外来流体浸蚀后的扩径、缩径及垮塌的和程度，可实时观测和记录模拟井壁测涮的程度及造壁情况，为综合评价钻井液完井液对井壁失稳以及垮塌程度的影响提供了新的综合测试手段。

中国专利CN201410012192.8公开了一种模拟全尺寸井壁稳定的评价方法，该方法利用全尺寸井壁稳定模拟器对岩心施加实验所要求的围压、孔隙压力、水平压力、上覆岩层压力、泥浆循环压力和钻井液循环介质，并通过井径测量仪测量在实验的过程中岩心井眼的扩径情况，通过地层滑行波声速测试系统，测量在实验过程中不同循环介质下经钻井液的浸泡后井壁处岩样声波特性变化，通过井壁可视与成像系统直接观察经过钻井液浸泡后的井眼实际变化情况。该方法主要用于全直径岩心井壁稳定分析，虽能真实地模拟井下环境、能动态的评价井壁稳定情况，可改变循环介质，有助于优选钻井方式与钻井液体系；能综合评价近井壁地层渗透性和岩石声波特性，实现井壁成像等。但是，该模拟器不能模拟含裂缝泥页岩在地层环境下的吸水膨胀产生的膨胀应变、裂缝地层孔隙压力穿透规律等井壁稳定性的重要影响因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于含裂缝泥页岩稳定性评价的室内方法，该方法是利用具有高温高压功能的含裂缝泥页岩稳定性评价的装置，能够模拟不同钻井条件下(欠平衡、过平衡)岩心尺度的硬脆性泥页岩地层的裂缝孔隙压力、水化变形特征等物理力学特征的变化规律，确定含裂缝泥页岩地层压力穿透规律及周期，实现硬脆性泥页岩的稳定性评价。

本发明提供一种用于含裂缝泥页岩稳定性评价装置，该装置主要包括：

釜体，用于固定岩心并模拟岩心周边环境；

与釜体相连的温控降温组件，控制所述温控降温组件对岩心进行加热、控温以模拟地层实际温度；

与釜体相连的压力梯度装置及压力梯度采集组件，用于给所述岩心施加实验所需的围压以模拟地层覆压；

与釜体相连的循环泥浆组件，用于模拟钻井液循环的压力作用；

与釜体相连的岩心形变测量组件，用于测量岩心形变；

数据测量与采集组件，其分别与温控降温组件、压力梯度装置及压力梯度采集组件、循环泥浆组件以及岩心形变测量组件连接，用于进行膨胀应变、裂缝岩心的孔隙压力传递规律及穿透的周期监测结果的获取。

该装置可以模拟不同钻井条件下(欠平衡、过平衡)岩心尺度的硬脆性泥页岩地层裂缝孔隙压力、水化变形特征等物理力学特征的变化规律。而且在本发明还在该装置基础上，通过相应的实验流程、测试数据及图表，设计出了一套用于含裂缝泥页岩稳定性评价的室内方法。

本发明还提供了一种用于含裂缝泥页岩稳定性评价方法，包括：

1)提供实验岩心；

2)提供所述含裂缝泥页岩稳定性评价装置，将所述试验岩心所述装置中；

3)给所述岩心施加实验所需的围压以模拟地层覆压，并给岩心进行加热、控温以模拟地层实际温度；

4)给岩心进口端提供恒压源，模拟地层原始的孔隙压力；

5)给岩心的出口端提供一定压力的循环泥浆，模拟钻井液循环的压力作用；

6)测定岩心在与钻井液接触后的水化膨胀情况；

7)测定岩心在裂缝岩心中的孔隙压力传递情况；

8)进行膨胀应变、裂缝岩心的孔隙压力传递规律及穿透的周期监测结果的获取；

9)对获取的结果进行评价。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的岩心的尺寸为直径20mm～50mm，高度100mm。

在本发明的一个优选实施方式中，所述恒压源的压力为0～40MPa。

本发明有益效果：

本发明利用含裂缝泥页岩稳定性评价装置，就可以开展以下几方面的有关泥页岩稳定性评价：

(1)不同钻井条件对地层岩心的物理力学特征(孔隙压力传递前后岩心渗透率的改变，水化应变、孔隙压力传递的峰值)的影响效应；

(2)含裂缝泥页岩地层压力穿透规律及周期；

(3)硬脆性泥页岩的承压能力评价(通过实验中获取的压力传递图表中可以读出)实现对含裂缝泥页岩的稳定性评价。

本发明方法综合考虑了多种影响井壁失稳的因素，能够分析不同钻井条件下(欠平衡、过平衡)对岩心尺度的硬脆性泥页岩地层孔隙压力、水化变形特征等物理力学特征(渗透率、力学参数)的影响效应，含裂缝泥页岩地层压力穿透规律及周期，实现模拟地层钻井环境下岩心尺度的硬脆性泥页岩的稳定性评价。克服了传统方法多以人工压制岩样开展稳定性评价破坏岩心所含裂缝结构面的弊端，实现了对含裂缝泥页岩稳定性的评价。

附图说明

图1为本发明的一个具体实施例的方法示意图。

附图标记：氮气瓶1、调压阀2、调压阀压力表3、恒压调压器5、恒压调压器压力表4、入口进气阀6、入口排气阀7、入口稳压阀8、气体稳压罐9、岩心端气阀10、入压传感器11、压力梯度传感器12、岩心长度形变采集原件13、岩心端14、釜体15、压力梯度胶套16、长度形变传感器17、加热元件18、放液手阀19、油箱20、围压泵21、安全阀22、围压传感器23、降温元件24、回压手阀25、回压器26、气体流量计量系统27、端面形变传感器28、电阻测量仪29、回压控制系统30、回控手阀31、输液泵32、泥浆容器输入阀33、泥浆容器34、泥浆容器输出阀35、泥浆容器压力表36、清水容器输入阀37、清水容器38、清水容器输出阀39、清水容器压力表40、注液阀41、井筒压力传感器及显示仪表42。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明方法具体实施过程作进一步的说明。

具体实施如下：将直径38mm×长度100mm的岩心装入釜体15，先通过围压泵21向釜体15中加围压30MPa。关闭泥浆容器输入阀33和泥浆容器输出阀35，打开清水容器输入阀37、清水容器输出阀39和注液阀41。调节输液泵32的压力为5MPa，经盛有清水的清水容器38向釜体15中的井筒中注入清水。在实验过程中，数据采集组件记录和保存井筒压力传感器42、入压传感器11、端面形变传感器28、长度形变传感器17和压力梯度胶套16上9只压力传感器的数据变化，并绘出各数据的实时曲线图。通过对实验数据的分析，可以找到该岩心在特定条件下的压力传递规律和水化膨胀情况。

具体包括以下步骤：

S1，按照SY/T5336-1996《岩心常规分析方法》进行制取实验岩心：直径38mm×长度100mm；

S2，将准备好的岩心按仪器操作规程装入所述装置的釜体15的井筒中；

S3，操作含裂缝泥页岩稳定性评价的装置中的压力组件(包括围压传感器23、与围压传感器23连接的围压泵21和安全阀22、分别与围压泵21和安全阀22连接的油箱20)，以给岩心施加实验所需的围压；

S4，利用含裂缝泥页岩稳定性评价的装置中的温控组件中的加热元件18，给釜体15及岩心进行加热、控温到实验所需温度；

S5，操作含裂缝泥页岩稳定性评价的装置中的气源供给控制组件(如图1包括：分别与调压阀2连接的氮气瓶1、压力表3和恒压调压器5，分别与恒压调压器5连接压力表4和入口进气阀6，分别与入口进气阀6连接的入口排气阀7、入口稳压阀8、岩心端气阀10和入压传感器11，与入口稳压阀8连接的气体稳压罐9)，给岩心进口端提供0～10MPa的恒压气源；

S6，操作含裂缝泥页岩稳定性评价的装置中的液体介质供给组件(包括：输液泵32、通过泥浆容器输入阀33与输液泵32连接的泥浆容器34、分别与泥浆容器34连接的泥浆容器输出阀35和泥浆容器压力表36、通过清水容器输入阀37与输液泵32连接的清水容器38、分别与清水容器38连接的清水容器输出阀39和清水容器压力表40、分别与清水容器输出阀39和清水容器压力表40连接的注液阀41、以及分别与注液阀41和与釜体15的井筒连接的井筒压力传感器42组成)，给岩心出口端提供一定压力的循环泥浆或清水；

S7，操作含裂缝泥页岩稳定性评价的装置中的回压控制组件(包括：回压控制器30、通过回控手阀31与回压控制器30连接的输液泵32，所述输液泵32还与泥浆容器输入阀33连接，与回压控制器30连接的回压器26，所述回压器26还分别与回压手阀25和气体流量计量组件27连接)，在进行高温高压实验时用于岩心的回压控制；

S8，操作含裂缝泥页岩稳定性评价的装置中的气体流量计量组件27，测定岩心初始渗透率和污染后的渗透率、欠平衡泥浆压力传递实验；

S9，操作含裂缝泥页岩稳定性评价的装置中的形变传感器组件(包括：电阻测量仪29、与所述电阻测量仪29连接的端面形变传感器28、长度形变传感器17，所述端面形变传感器28和长度形变传感器17分别与釜体15中的井筒连接，且所述长度形变传感器17与所述岩心长度形变采集原件13连接)，测定岩心在与钻井液接触后的水化膨胀情况；

S10，操作含裂缝泥页岩稳定性评价的装置中的数据测量与采集组件中的压力梯度测量组件(包括：设置在所述釜体15的井筒上的压力梯度胶套16、三纵三横9只均布压力传感器、与所述压力梯度胶套16和三纵三横9只均布压力传感器连接的压力梯度采集原件12)，测定岩心在过平衡泥浆压力传递情况、钻孔压力传递情况和欠平衡泥浆压力传递情况；

S11，操作含裂缝泥页岩稳定性评价的装置中的温控组件中的降温元件24，可以对实验完后的釜体15进行快速降温，降温介质为自来水；

S12，操作含裂缝泥页岩稳定性评价的装置中的数据测量与采集组件中的数据采集原件进行实验数据的采集、存储、回放和曲线报表生成；

S13，对生成的采集的数据进行处理后，对含裂缝泥页岩的稳定性进行评价。

本发明利用含裂缝泥页岩稳定性评价装置，可以开展以下几方面的有关泥页岩稳定性评价：(1)不同钻井条件对地层岩心的物理力学特征的影响效应模拟实验；(2)含裂缝泥页岩地层压力穿透规律及周期；(3)硬脆性泥页岩的承压能力评价，实现对含裂缝泥页岩的稳定性评价。

Claims (10)

1.一种含裂缝泥页岩稳定性评价装置，该装置主要包括：

釜体，用于固定岩心并模拟岩心周边环境；

与釜体相连的温控组件，用于控制所述温控组件对岩心进行加热、控温以模拟地层实际温度；

与釜体相连的压力组件，用于给所述岩心施加实验所需的围压，以模拟地层覆压；

回压控制组件，用于岩心的回压控制；

气源供给控制组件，用于给岩心进口端提供恒压气源；

与釜体相连的液体介质组件，用于给所述岩心出口端提供清水或泥浆，用于模拟钻井液循环的压力作用；

与釜体相连的岩心形变测量组件，用于测量岩心形变，所述岩心形变测量组件包括电阻测量仪、与所述电阻测量仪连接的端面形变传感器、长度形变传感器，所述端面形变传感器和所述长度形变传感器分别与所述釜体中的井筒连接，且所述长度形变传感器与所述岩心长度形变采集元件连接；

数据测量与采集组件，其包括压力梯度测量组件，所述压力梯度测量组件包括设置在所述釜体的井筒上的压力梯度胶套、三纵三横9只均布压力传感器、与所述压力梯度胶套和所述三纵三横9只均布压力传感器连接的压力梯度采集元件，并分别与温控组件、压力组件、气源供给控制组件、液体介质组件以及岩心形变测量组件连接，用于进行膨胀应变、裂缝岩心的孔隙压力传递规律及穿透的周期监测结果的获取。

2.根据权利要求1所述的含裂缝泥页岩稳定性评价装置，其特征在于，所述压力组件包括围压传感器、与所述围压传感器连接的围压泵和安全阀、分别与所述围压泵和所述安全阀连接的油箱。

3.根据权利要求1所述的含裂缝泥页岩稳定性评价装置，其特征在于，

所述温控组件包括加热元件和降温元件。

4.根据权利要求1所述的含裂缝泥页岩稳定性评价装置，其特征在于，

所述气源供给控制组件包括：分别与调压阀连接的氮气瓶、压力表和恒压调压器，分别与所述恒压调压器连接的压力表和入口进气阀，分别与入口进气阀连接的入口排气阀、入口稳压阀、岩心端气阀和入压传感器，与入口稳压阀连接的气体稳压罐。

5.根据权利要求1所述的含裂缝泥页岩稳定性评价装置，其特征在于，

所述液体介质组件包括：输液泵、通过泥浆容器输入阀与所述输液泵连接的泥浆容器、分别与所述泥浆容器连接的泥浆容器输出阀和泥浆容器压力表、通过清水容器输入阀与所述输液泵连接的清水容器、分别与所述清水容器连接的清水容器输出阀和清水容器压力表、分别与所述清水容器输出阀和所述清水容器压力表连接的注液阀以及分别与所述注液阀和所述釜体的井筒连接的井筒压力传感器。

6.根据权利要求1所述的含裂缝泥页岩稳定性评价装置，其特征在于，

所述回压控制组件包括：回压控制器、通过回控手阀与所述回压控制器连接的输液泵，所述输液泵还与泥浆容器输入阀连接，与所述回压控制器连接的回压器，所述回压器还分别与回压手阀和气体流量计量组件连接。

7.一种含裂缝泥页岩稳定性评价方法，包括：

1)提供试验岩心；

2)提供根据权利要求1-6中任意一项所述的含裂缝泥页岩稳定性评价装置，将所述试验岩心置入所述装置中；

3)给所述岩心施加实验所需的围压以模拟地层覆压，并给岩心进行加热、控温以模拟地层实际温度；

4)给所述岩心进口端提供恒压源，模拟地层原始的孔隙压力；

5)给岩心的出口端提供一定压力的循环清水或泥浆，模拟钻井液循环的压力作用；

6)测定岩心在与钻井液接触后的水化膨胀情况；

7)测定钻井液在裂缝岩心中的孔隙压力传递情况；

8)进行膨胀应变、裂缝岩心的孔隙压力传递规律及穿透的周期监测结果的获取；

9)对获取的结果进行评价。

8.一种含裂缝泥页岩稳定性评价方法，包括以下步骤：

S1，制取试验岩心；

S2，将准备好的所述岩心装入根据权利要求6所述的含裂缝泥页岩稳定性评价装置的釜体的井筒中；

S3，操作含裂缝泥页岩稳定性评价装置中的压力组件，以给岩心施加实验所需的围压；

S4，利用含裂缝泥页岩稳定性评价装置中的温控组件中的加热元件，给所述釜体及所述岩心进行加热、控温到实验所需温度；

S5，操作含裂缝泥页岩稳定性评价装置中的气源供给控制组件，给所述岩心进口端提供恒压气源；

S6，操作含裂缝泥页岩稳定性评价装置中的液体介质组件，给所述岩心出口端提供一定压力的循环泥浆或清水；

S7，操作含裂缝泥页岩稳定性评价装置中的回压控制组件，在进行高温高压实验时用于岩心的回压控制；

S8，操作含裂缝泥页岩稳定性评价装置中的气体流量计量组件，测定岩心初始渗透率和污染后的渗透率、欠平衡泥浆压力传递实验；

S9，操作含裂缝泥页岩稳定性评价装置中的岩心形变测量组件，测定岩心在与钻井液接触后的水化膨胀情况；

S10，操作含裂缝泥页岩稳定性评价装置中的数据测量与采集组件中的压力梯度测量组件，测定岩心在过平衡泥浆压力传递情况、钻孔压力传递情况和欠平衡泥浆压力传递情况；

S11，操作含裂缝泥页岩稳定性评价装置中的温控组件中的降温元件，可以对实验完后的所述釜体进行快速降温，降温介质为自来水；

S12，操作含裂缝泥页岩稳定性评价装置中的数据测量与采集组件中的数据采集元件进行实验数据的采集、存储、回放和曲线报表生成；

S13，对生成的采集的数据进行处理后，对含裂缝泥页岩的稳定性进行评价。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述的岩心的尺寸为直径20mm～50mm，高度80mm～100mm。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述恒压源的压力为0～40MPa。