CN106324189B - 一种砂床封堵胶结测定仪和测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种砂床封堵胶结测定仪和测定方法。所述高温高压釜包括釜体、分别安装在釜体上部和下部的顶盖和底盖、安装在底盖之上与釜体内侧壁密封装配的内砂床杯，所述顶盖上设置有通孔，用于通入气体管线、压力传感器管线和测试液体管线，所述底盖上设置有贯通该底盖的滤液排出管，所述内砂床杯为顶部开口、底部设置有滤网的杯体，所述内砂床杯还设置有内砂床杯拉出杆。本发明的装置和方法能够在模拟地层条件下，对沥青质材料参与泥饼的形成过程及最终的作用结果进行评价，并定性或定量的评价沥青质材料对破碎地层的胶结能力。

Description

一种砂床封堵胶结测定仪和测定方法

技术领域

本发明属于井壁稳定剂性质测试装置领域，具体涉及一种用于砂床封堵胶结测定仪的高温高压釜、装备有该高温高压釜的砂床封堵胶结测定仪及利用该砂床封堵胶结测定仪测定井壁稳定剂封堵胶结能力的方法，用于测试和评价井壁稳定剂对破碎地层封堵及胶结能力。

背景技术

地层失稳是钻井工程中十分常见的现象，引起井壁失稳的原因比较复杂，形式也多种多样，但处理难度比较大、容易造成井下复杂情况或事故的则以弱水敏性的硬脆性泥页岩、侵入性火成岩(玄武岩)为比较严重。据不完全统计，全球钻井行业因井壁失稳导致的井下复杂情况或事故造成的经济损失每年高达数十亿美元之巨，对此，世界上各大石油公司的科研部门每年均要投入大量的人力、物力进行这方面的研究，目前，这方面的研究工作取得了较大进展，同时也累积了一些成功经验，但由于各种因素综合作用导致地层失稳具有很高的随机性，在现代技术手段下仍然无法避免钻井工程中发生较大规模的井壁失稳现象。

针对水与泥页岩相互作用机理的研究结果表明，滤液(水)的浸入会使泥页岩中含水量增加，密度下降，并使泥页岩表面产生微裂缝(沿井眼周围)，从而泥页岩的强度降低。尽管在钻井液中加入KCl之类的无机盐能够有效抑制泥页岩膨胀，进而抑制微裂缝的发展，但当钻进过程中钻井液密度偏低不足以平衡地层压力时，井眼周围仍会有大量的微裂缝产生。这表明滤液侵入泥页岩和应力平衡的丧失是井眼不稳定问题的根本原因。因此有效提高井壁稳定性的手段除了设法控制和消除泥页岩的孔隙压力穿透效应外，还必须对已形成的裂缝进行封堵和胶结，以便使液柱压力能够有效平衡地层应力。

实验结果表明，加入具有封堵功能的材料能够有效降低泥页岩的渗透性，显著降低由于孔隙压力穿透作用造成的井壁附近泥页岩孔隙压力的增加，这相当于采用提高钻井液密度的手段提高井壁稳定性。此外很多具有封堵功能的材料同时也具有一定的地层微裂缝胶结作用，在封堵材料通过表面涂敷效应阻止微裂隙进一步扩展的同时，胶结效应则对已形成微裂隙进行修补与弥合，降低或消除因微裂隙扩张造成的泥页岩坍塌压力增高的现象。现场经验表明，通过强化钻井液的封堵胶结能力是提高井壁稳定性的一个非常重要的手段，一般是采用沥青类材料来实现这一目标。沥青具有在高温情况下变软直至成为流体的功能，通过对沥青质材料进行改性处理，可以使其具有不同的软化点，亦即可以根据不同的地层温度有针对性的选用沥青类封堵材料，目的是使沥青材料形成的封堵层具有一定的抗破坏能力，以便能够对破碎性地层实施有效的封堵，从而达到井壁稳定效果。

但现场情况表明，地层封堵胶结材料的使用效果以及相应的井壁稳定技术手段的实施情况缺乏科学而客观的评价方法，包括对井壁稳定材料进行评价的室内实验手段，这直接导致了现场施工的盲目性和相关材料研究方面缺乏明确的实验指导。造成这种情况的原因除地层存在变化状态的可预测性较低的客观因素以外，室内缺乏相应的实验手段和实验方法对封堵防塌剂进行符合实际的测定与评价是导致封堵防塌材料使用效果无法客观鉴定和相关新材料研发缺乏实验手段指导的主要原因。从这一点看，研制开发封堵防塌材料模拟评价装置和提出相应的实验评价方法对施工现场制定合理的井壁稳定技术方案和合理使用井壁稳定剂具有重大的技术指导意义。

关于封堵防塌剂对破碎地层封堵与胶结能力的评价目前尚未见到专用的实验装置，也没有成型的实验方法，为了考查封堵防塌剂尤其是沥青类材料对泥饼质量的改善情况，一些科研人员借助于API滤失量测定仪对钻井液配伍沥青质材料以后形成的泥饼进行清水渗透性变化的实验评价，这种方法与工程实际比较接近，但缺点也显而易见，即该方法无法模拟井下实际情况，无法就封堵防塌剂对泥饼的改善效果进行评价，特别是无法在较高温度和压力下对封堵层的封堵效果进行模拟评价，更无法在模拟地层条件下对封堵防塌剂的胶结效果进行实验评价。从现场实际需要和研究探索方面的情况看，井壁防塌在重视材料封堵效果的同时，其胶结能力越来越受到重视，就新型封堵防塌材料研发方面的信息看，材料的物理或化学胶结能力已经成为不可或缺的考查指标之一，这是因为在对付破碎性地层的工程实践中，具有良好胶结功能的材料能够有效提高地层的坍塌压力，进而延长地层的失稳周期。从上述实际需要看，相应的实验评价仪器的缺乏和实验方法与工程实际的脱节已经成为制约封堵防塌剂功能进一步改善和提高的主要障碍，急需在这方面有所突破。

专利CN201020685460.X(沥青封堵模拟试验装置)，该装置采用电加热方式对实验样品进行升温，采用气体压力源对实验样品进行加压，用以模拟钻井工程中遇到高温高压地层的情况。为了考查沥青混合物对漏失层的封堵效果，设计中采用了不同开有宽度狭缝的圆盘模拟井壁漏层，于设计的温度和压力下对封堵层进行实验评价，最终根据漏失情况(漏液量、漏失速度等)考查封堵层的对不同裂缝的封堵效果以及封堵层可以承受的温度、压力等参数，并能确定完成封堵过程所需要的时间。但该装置无法直接用于进行封堵防塌剂使用效果的评价，原因是①配伍封堵防塌剂后形成的封堵层其主要功能是通过涂覆作用降低地层的渗透性，进而降低液柱的压力穿透效应，而主要不是用于评价封堵层的堵漏能力；②无法用其评价封堵防塌材料对破碎地层的胶结与稳定能力。即便是作为漏失层封堵效果评价仪使用，专利CN201020685460.X也存在机械性模拟漏失层的方法与实际情况存在较大差别的缺点。除此之外，国内尚没有与本发明相似的仪器和实验方法。

由上述分析可以看出，地层失稳与井壁稳定是一个非常复杂的技术问题，由于影响因素众多，并且各种因素之间又存在着复杂的制约关系，因此在关于井壁稳定材料和相关的技术评价上，一直难以开发出成型且为技术界所公认的实验方法和评价手段，已有的实验手段无法客观而明确的对井壁稳定材料尤其是沥青质材料的地层稳定效果进行量化评价。因此必须以沥青质材料的特点为依据，研制开发适合于封堵胶结型井壁稳定剂效果评价的专用仪器，为井壁稳定现场操作和新材料的研究奠定实验基础。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种用于砂床封堵胶结测定仪的高温高压釜、装备有该高温高压釜的砂床封堵胶结测定仪及利用该砂床封堵胶结测定仪测定井壁稳定剂封堵胶结能力的方法，能够在模拟地层条件(压力、温度)下，对沥青质材料参与泥饼的形成过程及最终的作用结果进行评价，并定性或定量的评价沥青质材料对破碎地层的胶结能力。

本发明提供一种砂床封堵胶结测定仪，所述砂床封堵胶结测定仪包括温度调控系统、压力调控系统、样品测试系统总成、高温高压釜升降系统和支撑与固定系统；其中，

所述温度调控系统包括：套装在高温高压釜13外部的电加热套38、安装在电加热套38上的温度控制面板及管线3、插入高温高压釜13的温度传感器17、分别通过数据线与温度传感器17和温度控制面板及管线3连接的控制与数据采集单元8；

所述压力调控系统包括：通过高压氮气管线15与顶盖28的通孔连通的气瓶1，所述高压氮气管线15上依次设置有气源阀门4、高压气源调节阀7和高压气源截止阀11，所述气瓶1还通过回压管线16与所述高温高压釜13底部的滤液排出管33连通，所述回压管线16上依次设置有气源阀门4、回压压力调节阀6、回压控制阀12；所述压力调控系统还包括与顶盖28的通孔连通的压力传感器18，以及通过数据线与压力传感器18连接的控制与数据采集单元8；

所述样品测试系统总成为上述的高温高压釜；

所述高温高压釜升降系统包括低速变频电机46、用于控制所述低速变频电机46转速的变频调速器45、与所述低速变频电机46连接的滑轮系统41，所述滑轮系统41通过升降绳索40与高温高压釜13连接，以控制高温高压釜13的升降；

所述支撑与固定系统包括支架44和底座42，所述滑轮系统41设置在支架44的顶部；

其中，高温高压釜包括釜体22、分别安装在釜体22上部和下部的顶盖28和底盖37、安装在底盖37之上与釜体22内侧壁密封装配的内砂床杯23，所述顶盖28上设置有通孔，用于通入气体管线、压力传感器管线32和测试液体管线，所述底盖37上设置有贯通该底盖37的滤液排出管33，所述内砂床杯23为顶部开口、底部设置有滤网24的杯体，所述内砂床杯23还设置有内砂床杯拉出杆34；

所述内砂床杯23优选通过密封圈31与釜体22内侧壁密封装配。

优选地，所述滤网上设置有组合砂床25，所述组合砂床25的厚度为70-80mm。

优选地，通过测试液体管线的通孔为设置于顶盖28的中心通孔，液体通过液流注入器通入高温高压釜内，所述液流注入器包括穿过所述中心通孔的通入管27和设置在通入管27底部的液流缓冲板36。

所述液流缓冲板36的作用是均匀分散测试液体，可以为任意形状，优选为伞状。

所述内砂床杯23的大小可以根据需要调节，通常地，高度为75-90mm，杯壁厚度为1.2-1.5mm，有效容积为157-181ml。

所述釜体22的大小也可以根据需要条件，优选地，所述釜体22为筒状，高度为390-410mm，内径为52-60mm。

优选地，所述釜体22的侧壁或顶盖28开有通孔，用于插入温度传感器17。例如，在釜体22的壁上开深度约70mm的小孔，实验时将温度探针(金属杆温度计)插到小孔里面。

优选地，所述压力调控系统还包括通过高压空气管线14与顶盖28的通孔连通的空压机2、所述高压空气管线14上依次设置有压缩空气总阀5、增压泵9、增压阀门10，所述压缩空气总阀5通过管线与高压氮气管线15连通。

优选地，所述砂床封堵胶结测定仪还包括放空阀21，所述放空阀21通过单独的管线与高压空气管线14连通，连通位置位于增压阀门10与高温高压釜13的顶盖28之间。

本发明还提供一种井壁稳定剂封堵胶结能力的测定方法，该测定方法通过上述的砂床封堵胶结测定仪进行，该方法包括以下步骤：

(a)调节温度调控系统预热电加热套38；

(b)在滤网24上装填破碎地层模拟材料，将安装好的内砂床杯23放置于所述高温高压釜13中；

(c)密封高温高压釜(13)并利用滑轮系统41将高温高压釜13放置于电加热套38中；

(d)连接所述砂床封堵胶结测定仪的所有管线；

(e)通过测试液体管线向所述高温高压釜13通入测试用工作液39；

(f)利用温度调控系统和压力调控系统使所述高温高压釜13达到设定的温度和压力；

(g)测量从滤液排出管33中流出的液体量。

所述破碎地层模拟材料可以根据需要选择选择与实际地层性质最为接近的材料，优选地，可以为碎石或河砂。

本发明的方法特别适用于沥青质材料的井壁稳定剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的实验装置结构简单、操作方便、计量准确，本发明的方法可以根据需要或人工模拟实际情况的客观环境(如温度、压力、破碎性)，采用相应粒径的河砂或碎石灵活组合受试地层，这种模拟方法比较接近地层破碎时的真实情况，并且各种化学剂与地层的作用结果也更具代表性，便于采用实验手段对其作用效果进行评价。此外，本发明的装置能够在各种温度(室温-180℃)、压差(0-5MPa)条件下测定配伍沥青质材料或其它井壁稳定材料对模拟地层的封堵和胶结效果，也可以结合现场实际或科研工作需要进行T-P组合设计，使实验结果与科研和生产实际能够更加有效的结合。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图。

图2为本发明装置中的高温高压釜的结构示意图。

图3为本发明装置中的高温高压釜升降系统的结构示意图。

附图标记说明

1、气瓶 2、空压机 3、温度控制面板及管线

4、气源阀门 5、压缩空气总阀 6、回压压力调节阀

7、高压气源调节阀 8、控制与数据采集单元 9、增压泵

10、增压阀门 11、高压气源截止阀 12、回压控制阀

13、高温高压釜 14、高压空气管线 15、高压氮气管线

16、回压管线 17、温度传感器 18、压力传感器

19、回压/排液阀 20、计量容器 21、放空阀

22、釜体 23、内砂床杯 24、滤网

25、组合砂床 26、滤饼 27、通入管

28、顶盖 29、紧固螺丝 30、密封件

31、密封圈 32、压力传感器管线 33、滤液排出管

34、内砂床杯拉出杆 36、液流缓冲板 37、底盖

38、电加热套 39、测试用工作液 40、升降绳索

41、滑轮系统 42、底座 43、支撑杆

44、支架 45、变频调速器 46、低速变频电机

具体实施方式

下面结合附图1-3对本发明作进一步详细描述：

(A)实验与评价装置

如图1所示，本发明的装置主要包括以下五部分：①温度调控系统；②压力调控系统；③样品测试系统总成；④高温高压釜升降系统；⑤支撑与固定系统。

①温度调控系统：包括电加热套38、温度传感器17、温度控制面板及管线3、控制与数据采集单元8。

具体地，置于电加热套38中的高温高压釜13(也称HTHP釜体或样品测试釜总成)由支撑杆43固定于支架44上，电加热套38的底部开有导流槽，一方面防止实验时渗出流体，继而在高温下碳化将釜体与加热套粘死，影响实验结束后的拆装；另一方面也可以在渗出流体较多时能及时导至下部的计量容器20内。

电加热套38用于放置高温高压釜13内，其尺寸可以根据需要调节。本发明的实施例中，电加热套38的总高度为450±5mm，外径为200mm(或180×180mm正方形状)，内径为84-86mm。温度计量采用数字显示方式，由温度传感器17、温度控制面板及管线3和控制与数据采集单元8组成。其中，温度控制面板的主要功能是根据实验需要设置和调节工作温度，温度控制面板和电加热套作成为一体，但和加热套之间要有良好的热绝缘，这种结构可以保证装置布局紧凑。控制与数据采集单元8的作用包括：当工作温度超过设置高限时电路断开，以确保安全；工作温度低于设置低限时电路接通，继续加热直至达到设计温度值。此外，优选在温控面板里设置温度超限报警装置，例如，当温度达到190℃时，报警并自动切断加热电源。

②压力调控系统：采用自动控制方式控制工作压力，主要由气瓶1(可装载压缩氮气)、空压机2、气源阀门4、压缩空气总阀5、高压气源调节阀7、高压气源截止阀11、增压泵9、增压阀门10、高压空气管线14、高压氮气管线15、回压控制阀12、回压压力调节阀6、回压管线16、压力传感器18、控制与数据采集单元8组成，该系统可以按照设计要求或实验研究需要在0-10MPa范围调节压差。

其中，高压空气管线14只提供压缩空气；高压氮气管线15提供气体的成分取决于气瓶1中装载的气体种类，如果装载空气，就提供高压空气，如果装载氮气，就提供高压氮气。实验时，除了由高压空气管线14或高压氮气管线15提供正向压力以外，同时还要利用回压管线16通过釜体底部的回压/排液阀19向釜体内部提供一个反向压力，这个压力的数值一般为1MPa，主要作用是防止以水为主要成分的滤液在高温下直接以气体的方式散逸，导致无法收集和计量排出液的数量，加压以后可以将水的汽化热降低至常态，过热蒸汽变为液体便于收集。

③样品测试系统总成：指高温高压釜13，具体包括釜体22、内砂杯床23、滤网24、通入管27、顶盖28、紧固螺丝29、密封件30、密封圈31、内砂床杯拉出杆34、密封圈35、液流缓冲板36、底盖37。所述滤网24的孔径可以根据实验需要变换，用于通过流体；滤网24的外缘尺寸优选与杯子的内径相同，根据本发明一种优选实施方式，所述滤网24的有效过滤面积为1440-1460mm²，根据滤液产生量计算HTHP滤失量时的校正系数为3.16。实验时可以根据需要选用不同孔径的筛网和是否加装HTHP滤纸。杯壁的外侧装有两个耐油耐高温的密封圈31，实验时可以防止工作液不经过砂床直接排出；所述液流缓冲板36的作用是当液流由通入管27注入时，在液流缓冲板36的作用下，可以均匀的向四周散开，不至于对砂床表面因直接冲刷造成破坏，影响实验效果，因此，所述液流缓冲板36优选为伞状。内砂床杯拉出杆34的作用是用于内杯的放置和取出，可以为“V”型提手。液体从底部滤液排出管33排出后，在组合砂床25上形成滤饼26。

釜体22两端各分布有6个紧固螺丝孔，用于旋入专用内六方紧固螺丝29，将顶盖28、底盖37与釜体22固定并密封。根据实验需要，参照表1所列粒径组合方式于内砂床杯23中完成砂床组合。装好一端的端盖(顶盖28、底盖37)并固定，形成高温高压釜13，利用升降系统将高温高压釜13送入电加热套38中。将盛放砂床的内砂床杯23利用内砂床杯拉出杆34送入高温高压釜体13中并安放平稳。通过通入管27向高温高压釜体13中小心注入特定数量的待评价流体，装上顶盖28并固定，完成样品测试系统的组装。

④高温高压釜升降系统：该系统包括低速变频电机46、变频调速器45、滑轮系统41和升降绳索40，所述低速变频电机为500W的直流大扭矩低速伺服马达。伺服马达采用变频调速器45控制转速，可以实现0-100rpm的无级变速，使用时通过控制马达转向实现高温高压釜体13的升降。

⑤支撑与固定系统：包括支架44和底座42，滑轮系统41安装于支架44顶部，支架44优选采用双杆式，以确保电加热套38固定稳定。底座42可采用厚度20mm铸钢制作；根据本发明一种优选实施方式，电加热套38底部与底座42之间的高度应不小于25cm，便于拆装气源管线和放置量筒类计量器具。

与现有技术相比，本发明装置的改进还包括：①按照专利实验操做要求加大了釜体的长度和直径，增加了工作腔的有效容积，并对尺寸变化以后的釜体进行了强度校核；②根据内杯底部结构对釜体两端及端盖进行了改进，使之能够与内杯底部形成一体化的配合，提高了实验的成功率；③加装了动力升降系统，实现了一机单人操作，并提高了实验工作的安全性；④增加了数据接口，使温度和压力既可人工控制，也可以借助电脑自动控制。

(B)操作方法

以下描述本发明的优选操作方法：

(1)接通电源，根据设计要求设置好最高温度限，使电加热套38进入预温状态。

(2)按照设计或研究工作要求向内砂床杯23加装合适粒径(砂粒粒径组合与模拟地层裂缝的关系，如表1所示)的河砂或碎石模拟破碎地层并轻轻压平，厚度为7-8cm(约400-410g)；于内砂床杯23的上下两端凹槽处装好上下密封圈；装上内砂床杯拉出杆34将盛放砂床的内砂床杯23安放到位。

表1

(3)将高温高压釜13一端的端盖装好密封，装上回压/排液阀19并使该阀处于关闭状态，此端作为底部送入电加热套38内，将盛放砂床的内砂床杯23利用内砂床杯拉出杆34送入高温高压釜13中并安放平稳。向高温高压釜13中注入特定数量(约450ml)的待评价流体，装上顶盖28并固定，完成样品测试系统的组装。

(4)紧固高温高压釜13的顶盖；挂上提升挂钩，启动低速变频电机46将高温高压釜13装入电热加温套38中，将温度传感器17插入釜壁上的插孔中。

(5)连接好气源管线：高压空气管线14、高压氮气管线15、回压管线16，保持高温高压釜13底部的回压/排液阀19处于关闭状态。如果采用高压氮气瓶加压，使高压气源截止阀11处于开启状态，关闭增压阀门10；如果采用压缩空气系统，则使增压阀门10处于开启状态，关闭高压气源截止阀11。正向加压1MPa，待釜体22温度上升至设计值以后开始计时，这一过程为封堵层形成的过程，操作时间设定为30min。这一期间注意对比观察温度控制面板显示与釜体22温度传感器17(杆式温度计)所显示的温度值，根据二者的变化情况随时调整加热温度，以便最终使釜体22与电加热套38的温度趋于一致。

(6)封堵层形成过程结束以后，将正向压力加至设计值(该数值是正向压力与反向压力之差)，同时自回压/排液阀19加反向回压1MPa，并开始计时。操作时的工作压力如高于5MPa，则启用由空压机2和增压泵9组成的增压系统代替气瓶气源。计时期间每隔5min左右，或者是回压/排液阀19的压力升至0.5Mpa以上时，开启一次回压/排液阀19，以便及时排出滤出液，用计量容器20收集并计量排出液体积。这一过程持续30min结束。

(7)实验结束以后，按照下列程序操作仪器：①旋紧高温高压釜13顶盖28上的杆阀同时关闭加热电源；②停止加压并关闭气源阀门4或压缩空气总阀5，打开回压/排液阀19排尽积存滤出液和回压管线中的残留压力气体；③缓慢开启气源阀门4、增压阀门10或高压气源截止阀11上的旁通阀(旁通阀和高压气源截止阀是做成一体的，进气时走旁通阀，气压达到设计值以后关闭截止阀，这样可以防止压力管线的某个连接部位密封性不好时导致仪器HTHP釜体工作腔中的压力发生泄漏)，排空加压管线中的残留压力气体，之后旋紧底盖37上的回压/排液阀，防止操作中不断有余液渗出；④高温高压釜13与升降系统连接，开动低速变频电机46使高温高压釜13自电加热套38中提出，置于支架44上冷却至室温，之后保持釜体22正向垂立(与实验时的方向一致，亦即砂床在下方)，小心旋开顶盖28的杆阀，泄掉釜体中的余压；⑤确信釜体中的残留压力气体排尽以后，卸掉顶盖28，将剩余的测试液体小心倒出。

(8)如需定性测定砂床的封堵效果，则根据研究工作需要自通入管27小心通入清水(测试封堵层对清水的封堵能力)，或者装好顶盖28与底盖37，参照步骤(5)通入压缩空气(测试封堵层的气密性)对砂床的封堵效果进行实验评价。实验结束以后参照(7)的步骤拆卸高温高压釜13，将内砂床杯23拿出，表面冲洗干净后备用。

下面，利用本发明的装置完成以下工作：

①不同种类的井壁稳定剂对砂床裂缝封堵能力评价；②温度和压力变化对井壁稳定剂封堵能力影响评价；③井壁稳定剂配伍效果评价；④井壁稳定剂对不同粒径砂床封堵能力评价。

此处所说的“井壁稳定剂”一般是指以沥青类材料为主或含有一定数量沥青质材料并具有胶结作用的钻井液助剂，具有胶结粘合作用的非沥青质材料也适合于采用本专利装置进行评价，如人工合成的聚合物类材料。

其中，装置的安装步骤如上所述，并且，电加热套38的总高度为450±5mm，外径为200mm，内径为84-86mm。升温高限为180±2.5℃。高温高压釜的釜体总长为400±2mm，外径为83±0.5mm，上下密封端盖处内径为62±0.02mm，工作腔内径为58.5+0.3mm，有效容积为850ml。支架总高为180cm，底座采用厚度20mm铸钢制作，规格为30×70cm；加热套底部与底座之间的高度不小于25cm。

实施例1

该实施例为不同种类的井壁稳定剂对砂床裂缝封堵能力评价。

选取3种沥青质的井壁稳定剂，分别是表面改性沥青粉1型SMFF-1(软化点85-110℃)、表面改性沥青粉2型SMFF-2(软化点120-150℃)和阳离子改性沥青粉YKH(软化点130-160℃)与聚磺钻井液体系配伍形成聚磺防塌体系。采用分离粒径20/40目河砂作为砂床(裂缝当量宽度0.15mm)，对聚磺防塌体系的裂缝封堵能力进行评价。砂床缝隙当量值参考表1确定。

按照表2所列配伍方案配制聚磺防塌体系，配制好的待评价钻井液体系于室温下静置24h，以便使体系中配伍的各种添加剂充分水化溶解。使用50目滤网作为过滤层，并加装实验用HTHP滤纸，压差3.5MPa。

表2

实验结果表明，SMFF-1和SMFF-2两种井壁稳定剂的裂缝封堵能力要明显优于YKH，如果在其合适的软化点温度范围内，SMFF-1和SMFF-2具有较为显著的封堵能力。例如在100℃时，添加有SMFF-1的浆体其滤失量可以由26.2ml降低至19ml，随着温度的升高，沥青质材料的封堵能力变差，表现为滤液数量增多；在150℃时，添加有SMFF-2的浆体其滤失量可以由48ml降低至18.4ml，表明在该温度下SMFF-2具有最佳的封堵能力。

实施例2

该实施例为温度和压力变化对井壁稳定剂封堵能力影响评价。

评价实验用浆体组成：聚磺体系+30g/l SMFF-2，其他条件同实施例1。

表3

实验结果表明，温度和压力对井壁稳定剂的裂缝封堵能力均有影响，其中压力的影响更大一些。以135℃下的实验数据为例，该温度是SMFF-2的最佳作用温度，在这一温度下，砂床的渗滤效应可以降至最低。从实验结果看，随着压力的增大，滤液的透过率也随之增大，在助剂的最佳作用温度范围内，压力的影响相对较低，否则，影响程度会明显增大。

实施例3

该实施例为井壁稳定剂配伍效果评价。井壁稳定剂在聚磺体系中的配伍方式及配伍量见表4，实验时加装HTHP滤纸，其他条件同实施例1。

表4

实验结果表明，井壁稳定剂在聚磺体系中的配伍总量达到30g/l以上时，对裂隙封堵能力的提高变得非常有限，达到40g/l以上时，封堵能力基本不再提高；此外，实验结果也表明，当体系中SMFF-1含量固定为10g/l时，SMFF-2的添加量保持在15-20g/l为较好。如果继续配伍其它种类的井壁稳定剂时，其最佳配伍方式的实验评价方法相同。

实施例4

该实施例为井壁稳定剂对不同粒径砂床封堵能力评价。

评价实验用浆体组成：聚磺体系+50g/l SMFF-2。该组实验中不加装HTHP滤纸，压差为3.5Mpa，其他条件同实施例1。

表5

实验结果表明，SMFF-2对0.04mm以细的裂隙具有较好的封堵效果，但随着裂隙的增大，封堵效果变差。一般而言，当裂隙当量宽度小于0.04mm(40-60目砂床)时，在SMFF-2的最佳作用温度范围内，封堵效果趋于变好；裂隙当量宽度大于0.04mm时，随着温度的升高，封堵效果急剧变差。SMFF-2对于当量宽度大于0.1mm(30目以粗砂床)的裂隙基本不具有封堵效果。

实施例5

该实施例为经沥青防塌剂作用以后砂床密封性评价。

实验配方：聚磺体系+SMFF-2，SMFF-2配伍量见表6，实验温度130℃。该组实验加装HTHP实验用滤纸，实验压差为3.5MPa。

表6

从实验结果可以看出，SMFF-2对砂床缝隙具有较好的填封作用，砂床经添加有SMFF-2的钻井液作用以后，更换清水作为透过介质，随着SMFF-2加量的增大，透过率(滤失量)明显降低，例如不添加SMFF-2时的滤失量为35.5ml，当SMFF-2增加到50g/l时，滤失量也随之降低至21.4ml。

实施例6

该实施例为不同种类沥青防塌剂配伍以后砂床密封性评价。

实验配方：聚磺体系+SMFF-1+SMFF-2，SMFF-2配伍量见表7，实验温度130℃。该组实验加装HTHP实验用滤纸，实验压差为3.5MPa。

表7

从表7的实验结果看，在130℃的实验温度下，SMFF-1对40/60目砂床基本不具有封堵效果，这是因为该温度下SMFF-1绝大部分已经完全融化，但配伍SMFF-2以后，情况有明显改善。例如当SMFF-2配伍量达到40g/l以后，砂床的密封效果达到了最佳状态，继续增大SMFF-2加量，其HTHP滤失量基本上已不再降低。这表明，在SMFF-1含量为20g/l的时候，作为提高裂隙封堵能力之用，SMFF-2的有效含量宜保持在30-40g/l。

实施例7

该实施例为沥青质防塌封堵剂对较大裂缝封堵能力评价。

实验配方：聚磺体系+20g/l SMFF-1+30g/l SMFF-2+刚性粒子封堵材料，刚性封堵材料配伍量见表G，实验温度130℃。该组实验不加装HTHP实验用滤纸，目的是使一定数量的刚性粒子能够顺利进入到砂床缝隙中形成一次封堵，以便为二次封堵创造条件，实验压差为3.5MPa。

表8

注：①—实验开始的5min内漏失量大于120ml；②—实验10min时漏失量大于90ml；③—实验15min时漏失量达到80ml；④—完成全部实验过程所收集的液体的数量(实验进行了30min)。

由实验结果可以看出，聚磺体系配伍沥青质防塌封堵材料形成防塌体系以后，如果不配伍相应尺寸的刚性粒子，对砂床的封堵能力非常有限，即便是缝隙较小的20/60目砂床，其封堵效率也很低，甚至无法形成封堵；配伍刚性封堵材料以后情况会有较大改善，并且随着刚性封堵材料配伍数量的增大，封堵效率也有显著提高。例如对于20/50目砂床，当刚性封堵材料配伍量达到15g/l以后，其漏失速度即可降低至能够完成全部的实验过程。进一步采用更细的50/100目砂床对聚磺体系(不添加沥青封堵防塌材料)封堵能力进行评价，发现刚性封堵材料对裂隙的有效封堵起着决定性作用，在不配伍沥青封堵防塌材料的情况下，当体系中刚性封堵材料配伍量达到10g/l时，即具有比较好的封堵效果。该组评价实验结果揭示了以下规律：①沥青质材料对于封堵较小的裂隙(砂床封堵实验中60目以细砂床具有的裂隙)效果较好，并且形成封堵以后对裂隙具有弥合和粘接效应；②封堵较大裂隙(砂床封堵实验中40目以粗砂床具有的裂隙)时，工作流体中必须配伍一定数量的刚性粒子材料才能完成封堵过程；③环境温度低于沥青质材料的软化点温度时，沥青材料具有部分替代刚性粒子封堵材料的功效。

通过上述实施例可以看出，本发明装置的优点在于：

(1)可以根据现场或科研工作需要设置封堵防塌剂的实验和评价参数，由于封堵防塌剂的种类、特点、技术性能等各不相同，实验时无法在固定的技术条件下对其性能进行评价，但实际使用时又必须要明确防塌剂在何种情况下才能够发挥出最优的封堵和涂覆效果，以及材料的失效方式和失效参数极限。本发明装置充分考虑到了这些技术需要，实验时可以按照实际需要对温度(T)、压力(P)二参数进行灵活组配，从而得到明确的T、P变化规律和T-P综合变化趋势线，对合理而有效的使用材料提供科学指导。

(2)直接采用砂粒或碎石模拟破碎地层，考虑到实际施工中地层的客观存在方式比较复杂，为了使实验结论能够最大限度的与实际情况相结合，可以按照封堵防塌剂的技术特点组合砂床，以便能够得到尽可能接近实际情况的实验评价结论。例如可以采用1-100目(或者是更大范围)任意粒径的砂粒组合砂床构成模拟地层，便于更好的达到实验目的。

此外，本发明装置在结构上具有如下特点：

①组装紧凑，安全性好，占地面积小(不超过2m²)，操作灵活，具有模拟实际地层状态的功能；

②温度可在室温-180℃范围任意调节；

③可以根据需要任意调节组成砂床的碎石粒径组合，满足科研实验要求与防塌钻井液配方的优化与评价；

④自动化程度较高，可以有效降低实验工作的强度，提高了操作过程的安全性；

⑤利用本发明装置可以得到封堵防塌剂对于模拟地层(砂床)表面涂覆效应的强弱、防塌剂对破碎地层胶结能力、防塌剂发挥作用的最佳条件(温度、压力及其组合)等参数。

本发明为一种用于测定和评价石油钻井(或地质钻探)以及相关行业用防塌剂对易破碎地层以及裂隙发育地层稳定效果和防塌剂与钻井工作液配伍效果的装置，可以模拟地层实际情况定性或定量测定和评价防塌剂对裂缝性地层的胶结封堵能力，并可以直观的观察防塌剂对于破碎性地层的胶结和封堵过程。为了定量评价防塌剂对破碎性地层的再胶结能力，采用冲击法测定经配伍防塌剂的钻井液作用以后砂床的抗破碎能力，测定结果可以直接数量化，能够定量评估防塌剂对破碎性地层的胶结稳定能力。此外，该装置也可以用于对经过防塌剂作用以后的模拟破碎地层进行封堵能力的实验评价。利用该装置得到的实验评价数据可以为钻井液防塌剂的优选、配伍方案优化、防塌剂技术性能的改进等提供明确的指导，对于改善和提高钻井过程中的井壁稳定能力具有重要的参考价值。本发明装置可根据科研或生产需要对防塌剂性能、配伍效果、作用能力等参数进行客观而带量的测试评价，有助于改善和提高钻井过程中的井壁稳定能力，降低井下事故率。整套装置结构简单、实用性强、安装操作方便。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (12)

1.一种砂床封堵胶结测定仪，其特征在于，所述砂床封堵胶结测定仪包括温度调控系统、压力调控系统、样品测试系统总成、高温高压釜升降系统和支撑与固定系统；其中，

所述温度调控系统包括：套装在高温高压釜(13)外部的电加热套(38)、安装在电加热套(38)上的温度控制面板及管线(3)、插入高温高压釜(13)的温度传感器(17)、分别通过数据线与温度传感器(17)和温度控制面板及管线(3)连接的控制与数据采集单元(8)；

所述压力调控系统包括：通过高压氮气管线(15)与顶盖(28)的通孔连通的气瓶(1)，所述高压氮气管线(15)上依次设置有气源阀门(4)、高压气源调节阀(7)和高压气源截止阀(11)，所述气瓶(1)还通过回压管线(16)与所述高温高压釜(13)底部的滤液排出管(33)连通，所述回压管线(16)上依次设置有气源阀门(4)、回压压力调节阀(6)、回压控制阀(12)；所述压力调控系统还包括与顶盖(28)的通孔连通的压力传感器(18)，以及通过数据线与压力传感器(18)连接的控制与数据采集单元(8)；

所述样品测试系统总成为高温高压釜；

所述高温高压釜升降系统包括低速变频电机(46)、用于控制所述低速变频电机(46)转速的变频调速器(45)、与所述低速变频电机(46)连接的滑轮系统(41)，所述滑轮系统(41)通过升降绳索(40)与高温高压釜(13)连接，以控制高温高压釜(13)的升降；

所述支撑与固定系统包括支架(44)和底座(42)，所述滑轮系统(41)设置在支架(44)的顶部；

其中，高温高压釜包括釜体(22)、分别安装在釜体(22)上部和下部的顶盖(28)和底盖(37)、安装在底盖(37)之上与釜体(22)内侧壁密封装配的内砂床杯(23)，所述顶盖(28)上设置有通孔，用于通入气体管线、压力传感器管线(32)和测试液体管线，所述底盖(37)上设置有贯通该底盖(37)的滤液排出管(33)，所述内砂床杯(23)为顶部开口、底部设置有滤网(24)的杯体，所述内砂床杯(23)还设置有内砂床杯拉出杆(34)；

其中，所述内砂床杯(23)通过密封圈(31)与釜体(22)内侧壁密封装配。

2.根据权利要求1所述的砂床封堵胶结测定仪，其中，所述滤网上设置有组合砂床(25)，所述组合砂床(25)的厚度为70-80mm。

3.根据权利要求1所述的砂床封堵胶结测定仪，其中，通过测试液体管线的通孔为设置于顶盖(28)的中心通孔，液体通过液流注入器通入高温高压釜内，所述液流注入器包括穿过所述中心通孔的通入管(27)和设置在通入管(27)底部的液流缓冲板(36)。

4.根据权利要求3所述的砂床封堵胶结测定仪，其中，所述液流缓冲板(36)为伞状。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的砂床封堵胶结测定仪，其中，所述内砂床杯(23)的高度为75-90mm，杯壁厚度为1.2-1.5mm，有效容积为157-181ml。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的砂床封堵胶结测定仪，其中，所述釜体(22)为筒状，高度为390-410mm，内径为52-60mm。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的砂床封堵胶结测定仪，其中，所述釜体(22)的侧壁或顶盖(28)开有通孔，用于插入温度传感器(17)。

8.根据权利要求1所述的砂床封堵胶结测定仪，其中，所述压力调控系统还包括通过高压空气管线(14)与顶盖(28)的通孔连通的空压机(2)、所述高压空气管线(14)上依次设置有压缩空气总阀(5)、增压泵(9)、增压阀门(10)，所述压缩空气总阀(5)通过管线与高压氮气管线(15)连通。

9.根据权利要求1或8所述的砂床封堵胶结测定仪，其中，所述砂床封堵胶结测定仪还包括放空阀(21)，所述放空阀(21)通过单独的管线与高压空气管线(14)连通，连通位置位于增压阀门(10)与高温高压釜(13)的顶盖(28)之间。

10.一种井壁稳定剂封堵胶结能力的测定方法，其特征在于，该测定方法通过权利要求1-9中任意一项所述的砂床封堵胶结测定仪进行，该方法包括以下步骤：

(a)调节温度调控系统预热电加热套(38)；

(b)在滤网(24)上装填破碎地层模拟材料，将安装好的内砂床杯(23)放置于所述高温高压釜(13)中；

(c)密封高温高压釜(13)并利用滑轮系统(41)将高温高压釜(13)放置于电加热套(38)中；

(d)连接所述砂床封堵胶结测定仪的所有管线；

(e)通过测试液体管线向所述高温高压釜(13)通入测试用工作液(39)；

(f)利用温度调控系统和压力调控系统使所述高温高压釜(13)达到设定的温度和压力；

(g)测量从滤液排出管(33)中流出的液体量。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述破碎地层模拟材料为碎石或河砂。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述井壁稳定剂为沥青质材料。