CN108071361A - 一种用于对页岩微裂缝封堵的装置及其封堵效果评价方法 - Google Patents

一种用于对页岩微裂缝封堵的装置及其封堵效果评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于对页岩微裂缝封堵的装置及其封堵效果评价方法，包括通过管路依次相连接的第一加压机构、岩心夹持器、盛液器和第二加压机构，岩心夹持器还与环压泵相连接，岩心夹持器上设置有环压压力表，第一加压机构与岩心夹持器之间的管路上设置有后端压力表，岩心夹持器和盛液器之间的管路上设置有钻井液压力表，钻井液压力表与一计算机相连接，盛液器与第二加压机构之间的管路上设置有前端压力表；本发明中通过采用在岩心夹持器内设置真实页岩的方式，降低了制作模拟泥页岩进行试验导致误差较大的问题；采用设置有钻井液压力表的方式，即通过检测钻井液的实时压力，来检测出不同种类封堵剂或者不同含量封堵剂对真实页岩的封堵效果。

Description

一种用于对页岩微裂缝封堵的装置及其封堵效果评价方法
技术领域
本发明涉及石油钻井工程中井壁稳定技术领域，特别是涉及一种用于对页岩微裂缝封堵的装置及其封堵效果评价方法。
背景技术
页岩气(英文：shale gas)是指从页岩地层中开采出来的一种非常重要的非常规天然气资源。我国主要盆地和地区页岩气资源量约为15万亿～30万亿立方米，与美国28.3万亿立方米大致相当，经济价值巨大。
页岩气具有储量大，生产周期长等特点，针对页岩气的成藏特征，页岩气开发多以浅层大位移井、丛式水平井的布井方式为主。由于页岩地层层理和微裂缝发育、水敏性强，在长水平段钻井过程中，钻井液滤液极易沿着页岩表面微裂缝侵入到页岩内部，这会导致页岩膨胀，脱落，掉块，垮塌等严重井壁失稳问题，从而使页岩气的开发难度加大。因此，解决页岩井壁失稳等问题就成为了在开发页岩气资源，钻取长水平井的关键技术之一。
研究表明，页岩的井壁失稳与其自身的天然裂缝和井下钻具扰动所致的诱导裂缝具有密切关系，其中页岩微裂缝、层理发育是导致井壁失稳的主要内在因素，加强钻井液对微裂缝的封堵、固结井壁能力，快速、有效地封堵裂缝性页岩纳/微米级孔隙和裂缝，阻缓压力传递与滤液侵入，是解决钻井液稳定井壁的关键所在。据统计分析，我国页岩气储层孔隙尺寸多处于微纳米尺度，孔径主体分布范围为5～200nm。
目前，对于页岩井壁失稳的问题，主要有两方面的技术措施，一种方案是使用新型抑制剂，阻止页岩地层粘土矿物的水化、膨胀和分散；另一种方案是使用纳米封堵材料，对页岩表面微裂缝进行快速、高效的封堵，阻缓压力传递到页岩内部地层，延长页岩稳定的安全周期，从而顺利地完成钻井施工过程。根据统计研究，我国四川长宁-威远和重庆涪陵龙马溪页岩水化分散性较弱，所以解决页岩失稳问题主要以对微裂缝的封堵为主。
中国发明专利“一种评价纳米材料封堵效果的方法”(申请号：201511003487.X)提供一种评价纳米材料封堵效果的方法，在不同的物理、化学条件下制备与泥页岩物理性质相似的泥饼，利用制得的泥饼模拟泥页岩，对纳米钻井液的封堵性能进行评价。本发明用泥饼模拟泥页岩测定纳米钻井液的封堵性能结果具有直接性；另外，用泥饼模拟泥页岩与直接使用泥页岩相比，具有较低的成本，操作简单，且对试验仪器的要求不高的优势。泥饼可以大规模的制备，试验重复性强。
中国发明专利“一种可视化模拟泥页岩微裂缝封堵能力测试系统及其测试方法”(申请号：201210189864.3)涉及一种可视化模拟泥页岩微裂缝封堵测试系统及其测试方法，通过把含有不同浓度、不同种类封堵剂的溶液或钻井液，在不同压差和时间等实验条件下，对单一或组合微裂缝页岩进行驱替封堵评价实验，对比侵入深度等指标和直接描述钻井中内泥饼的形成状况，并可利用高分辨率显微镜等放大成像仪器对侵入微裂缝中的渗滤物质进行微观观察分析，实现对各种钻井液封堵剂或钻井液的封堵机理和效果进行直观和微观分析研究，以及优选合适的钻井液封堵剂和优化钻井液体系配方，解决了以往不能进行泥页岩微裂缝封堵可视化模拟评价的实验条件，为石油工程裂缝性泥页岩地层井壁稳定技术领域的有关科研和生产提供一种新的评价实验研究手段。
上述页岩封堵评价方法均存在一定的缺陷和不足；其一，封堵材料并没有真正进入页岩微裂缝地层，不能真实地反映对微裂缝的有效封堵；其二，通过对比侵入深度的深和浅，只能表明哪种封堵剂侵入页岩的速度慢；其三，以往方法都没有从根本上解决页岩井壁失稳的问题，要保持页岩井壁的稳定，必须确保钻井流体压力不能传递到页岩内部。
发明内容
本发明的目的是提供一种封堵实验效果好、准确度高的用于对页岩微裂缝封堵的装置及其封堵效果评价方法，使得现有用于对页岩微裂缝封堵的装置和封堵评价方法中通过封堵剂侵入模拟泥页岩深度的方式存在实验误差的问题得以解决。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于对页岩微裂缝封堵的装置，包括通过管路依次相连接的第一加压机构、岩心夹持器、盛液器和第二加压机构，所述岩心夹持器还与环压泵相连接，所述岩心夹持器上设置有环压压力表，所述第一加压机构与所述岩心夹持器之间的管路上设置有后端压力表，所述岩心夹持器和所述盛液器之间的管路上设置有钻井液压力表，所述钻井液压力表与一计算机相连接，所述盛液器与所述第二加压机构之间的管路上设置有前端压力表。
优选的，所述第一加压机构和所述第二加压机构均为氮气瓶。
优选的，所述第一加压机构与所述后端压力表之间的管路上设置有第一阀门，所述钻井液压力表与所述盛液器之间的管路上设置有第二阀门，所述前端压力表与所述第二加压机构之间的管路上设置有第三阀门。
优选的，所述岩心夹持器包括进液口、出液口、围压入口、夹持器两端固定件和岩心测试舱；所述进液口与所述盛液器的出口相连，所述出液口与所述第一加压机构相连接，所述围压入口与所述环压泵相连接，所述夹持器两端固定件将待测岩心固定设置在所述岩心测试舱内。
优选的，所述待测岩心为页岩。
本发明还提供一种应用上述用于对页岩微裂缝封堵的装置的封堵效果评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
对待测岩心切割成页岩岩心块；
将切割好的页岩岩心块放入岩心夹持器中，将环压泵与所述岩心夹持器的围压入口相连，所述环压泵对所述岩心夹持器施加环压，同时所述岩心夹持器对页岩岩心块进行加热；
将所述岩心夹持器的进液口与盛液器的一端相连接，开启第二阀门，所述盛液器中盛放的钻井液输入至岩心夹持器中，并在页岩岩心块的前端和后端注满钻井液；
将所述岩心夹持器的出液口与第一加压机构相连接，将所述盛液器的另一端与第二加压机构相连接，并打开第一阀门和第三阀门，通过前端压力表和后端压力表分别将页岩岩心块的前端压力调节到300psi，页岩岩心块的后端压力调节到50psi；
恒定温度和压力保持15h后，通过钻井液压力表的测量，计算机记录下游钻井液压力值P1，恒定温度和恒定压力保持24h后，通过钻井液压力表的测量，计算机记录下游压力P2；
将上游钻井液更换为添加不同量的纳米封堵材料的钻井液，并重复上一步实验，重新记录下游钻井液压力值P1，恒定温度和恒定压力保持24h后，通过钻井液压力表的测量，计算机记录下游压力P2；
根据添加不同量的纳米封堵材料后，测得的下游钻井液压力值P1和P2，计算封堵效果值：
K＝(P1-P2)/P1
其中，若K值越大，则封堵效果越好，反之，则封堵效果越差。
优选的，所述页岩岩心块的直径为20mm，长度为5mm的页岩小块。
优选的，所述钻井液为水基钻井液或油基钻井液。
本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：
1、本发明提供的用于对页岩微裂缝封堵的装置及其封堵效果评价方法中通过采用在岩心夹持器内设置真实页岩的方式，使得普通钻井液和添加有不同种类或者含量封堵材料的钻井液真正进入页岩的微裂缝中，进而真实地反映普通钻井液和添加有不同种类或者含量封堵材料的钻井液对页岩中微裂缝的封堵效果，降低了现有技术中制作模拟泥页岩进行试验导致模拟泥页岩与真实页岩存在较大误差的问题，进而提高了封堵实验效果和准确度。
2、本发明提供的用于对页岩微裂缝封堵的装置及其封堵效果评价方法中采用在岩心夹持器和盛液器之间的管路上设置有钻井液压力表的方式，即通过检测普通钻井液和添加有不同种类或者含量封堵材料的钻井液的实时压力，来表不同种类封堵剂或者不同含量封堵剂对真实页岩的封堵效果，进而实现了寻找出钻井液压力不能传递到页岩内部的封堵剂的技术目的，保证了页岩井壁的稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中用于对页岩微裂缝封堵的装置的整体结构示意图；
其中，1-第一加压机构、2-岩心夹持器、3-盛液器、4-第二加压机构、5-环压泵、6-计算机、7-后端压力表、8-环压压力表、9-钻井液压力表、10-前端压力表、11-第一阀门、12-第二阀门、13-第三阀门。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种润滑油处理效果好、处理效率高的用于对页岩微裂缝封堵的装置，使得现有用于对页岩微裂缝封堵的装置中存在的润滑油处理效果差以及不能持续进行污水处理导致处理效率低的问题得以解决。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种用于对页岩微裂缝封堵的装置，包括通过管路依次相连接的第一加压机构1、岩心夹持器2、盛液器3和第二加压机构4，所述岩心夹持器2还与环压泵5相连接，所述岩心夹持器2上设置有环压压力表8，所述第一加压机构1与所述岩心夹持器2之间的管路上设置有后端压力表7，所述岩心夹持器2和所述盛液器3之间的管路上设置有钻井液压力表9，所述钻井液压力表9与一计算机6相连接，所述盛液器3与所述第二加压机构4之间的管路上设置有前端压力表10。
其中，第一加压机构1用于对岩心夹持器2的后端进行加压，并通过后端压力表7进行压力检测，第二加压机构4用于对岩心夹持器2的前端进行加压，并通过前端压力表10进行压力检测，环压泵5用于对岩心夹持器2施加环向压力，并通过环压压力表8进行压力检测；钻井液压力表9用于对岩心夹持器2和盛液器3之间管路内的钻井液压力进行实时监测，并将钻井液的压力值实时传递给计算机6。
本发明中所述第一加压机构1和所述第二加压机构4均为氮气瓶。
为了方便装置的使用，本发明中所述第一加压机构1与所述后端压力表7之间的管路上设置有第一阀门11，当后端压力表7监测到的压力值达到预设阈值，且压力值稳定后，将第一阀门11关闭；所述钻井液压力表9与所述盛液器3之间的管路上设置有第二阀门12，当钻井液压力表9监测到的压力值达到预设阈值，且压力值稳定后，将第二阀门12关闭；所述前端压力表10与所述第二加压机构4之间的管路上设置有第三阀门13，当前端压力表10监测到的压力值达到预设阈值，且压力值稳定后，将第三阀门13关闭。
本发明中岩心夹持器2为现有技术中常用的仪器，其中，岩心夹持器2包括进液口、出液口、围压入口、夹持器两端固定件和岩心测试舱；所述进液口与所述盛液器3的出口相连，所述出液口与所述第一加压机构1相连接，所述围压入口与所述环压泵5相连接，所述夹持器两端固定件将待测岩心固定设置在所述岩心测试舱内。
本发明中所述待测岩心为页岩，优选的，该页岩采用取至重庆涪陵龙马溪页岩岩样；即本发明中通过采用在岩心夹持器2内设置真实页岩的方式，使得普通钻井液和添加有不同种类或者含量封堵材料的钻井液真正进入页岩的微裂缝中，进而真实地反映普通钻井液和添加有不同种类或者含量封堵材料的钻井液对页岩中微裂缝的封堵效果，降低了现有技术中制作模拟泥页岩进行试验导致模拟泥页岩与真实页岩存在较大误差的问题，进而提高了封堵实验效果和准确度
本发明中还提供一种应用上述用于对页岩微裂缝封堵的装置的封堵效果评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
对待测岩心切割成页岩岩心块；
将切割好的页岩岩心块放入岩心夹持器2中，将环压泵5与所述岩心夹持器2的围压入口相连，所述环压泵5对所述岩心夹持器2施加环压，同时所述岩心夹持器2对页岩岩心块进行加热；
将所述岩心夹持器2的进液口与盛液器3的一端相连接，开启第二阀门12，所述盛液器3中盛放的钻井液输入至岩心夹持器2中，并在页岩岩心块的前端和后端注满钻井液；
将所述岩心夹持器2的出液口与第一加压机构1相连接，将所述盛液器3的另一端与第二加压机构4相连接，并打开第一阀门11和第三阀门13，通过前端压力表10和后端压力表7分别将页岩岩心块的前端压力调节到300psi，页岩岩心块的后端压力调节到50psi；
恒定温度和压力保持15h后，通过钻井液压力表9的测量，计算机6记录下游钻井液压力值P1，恒定温度和恒定压力保持24h后，通过钻井液压力表9的测量，计算机6记录下游压力P2；
将上游钻井液更换为添加不同量的纳米封堵材料的钻井液，并重复上一步实验，重新记录下游钻井液压力值P1，恒定温度和恒定压力保持24h后，通过钻井液压力表9的测量，计算机6记录下游压力P2；
根据添加不同量的纳米封堵材料后，测得的下游钻井液压力值P1和P2，计算封堵效果值：
K＝(P1-P2)/P1
其中，若K值越大，则封堵效果越好，反之，则封堵效果越差。
本发明中所述页岩岩心块的直径为20mm，长度为5mm的页岩小块。
本发明中所述钻井液为水基钻井液或油基钻井液。
以下为本发明中对上述装置和评价方法进行的具体实验：
首先，选取一段完整的龙马溪地层岩心作为待测岩心，并将待测岩心切割成长度均为5mm的岩心块；
配制油基钻井液：称量10.0g主乳化剂和2.0g辅助乳化剂，再准确量取320ml 3#白油于钻井液高搅杯中，搅拌20min；再加入4.0g碱度调节剂和8.0g有机土，搅拌30min；最后加入80ml 26％氯化钙水溶液，搅拌30min；
老化条件：90℃老化16h；
采用上述操作方法，分别评价纳米材料NP-A加量为2％，4％，6％，8％，10％时的封堵效果；如表1所示采用NP-A纳米材料加量变化对封堵效果的影响：
NP-A加亮 P1(psi) P2(psi) 封堵效果K(％)
0 267 / /
2％ 267 114 57.30
4％ 261 93 64.37
6％ 258 67 74.03
8％ 263 58 77.95
10％ 268 55 79.48
表1
通过上表实验数据可知：
1)纳米材料NP-A的加入，能起到封堵页岩微裂缝的效果；
2)随着纳米材料NP-A的加量逐渐增加，P2逐渐减小的，说明纳米材料加量越大，对压力传递的；
其次，取涪陵礁石坝某页岩气井现场的油基钻井液，采用上述的操作方法，分别评价纳米材料NP-A、NP-B、NP-C、NP-D、NP-E、NP-F的封堵效果；如表2所示不同纳米材料对封堵效果的评价情况：
6％纳米材料 P1(psi) P2(psi) 封堵效果K(％)
NP-A 258 67 74.03
NP-B 261 65 75.10
NP-C 258 81 68.60
NP-D 267 65 75.66
NP-E 268 63 76.49
NP-F 257 66 74.32
表2
通过以上实验数据可知：
1)不同的纳米材料，对页岩微裂缝的封堵效果是不一样的；
2)对比K值的大小，可以发现纳米材料NP-E对页岩微裂缝的封堵效果最好。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种用于对页岩微裂缝封堵的装置，其特征在于，包括通过管路依次相连接的第一加压机构、岩心夹持器、盛液器和第二加压机构，所述岩心夹持器还与环压泵相连接，所述岩心夹持器上设置有环压压力表，所述第一加压机构与所述岩心夹持器之间的管路上设置有后端压力表，所述岩心夹持器和所述盛液器之间的管路上设置有钻井液压力表，所述钻井液压力表与一计算机相连接，所述盛液器与所述第二加压机构之间的管路上设置有前端压力表。
2.根据权利要求1所述的用于对页岩微裂缝封堵的装置，其特征在于，所述第一加压机构和所述第二加压机构均为氮气瓶。
3.根据权利要求1所述的用于对页岩微裂缝封堵的装置，其特征在于，所述第一加压机构与所述后端压力表之间的管路上设置有第一阀门，所述钻井液压力表与所述盛液器之间的管路上设置有第二阀门，所述前端压力表与所述第二加压机构之间的管路上设置有第三阀门。
4.根据权利要求1所述的用于对页岩微裂缝封堵的装置，其特征在于，所述岩心夹持器包括进液口、出液口、围压入口、夹持器两端固定件和岩心测试舱；所述进液口与所述盛液器的出口相连，所述出液口与所述第一加压机构相连接，所述围压入口与所述环压泵相连接，所述夹持器两端固定件将待测岩心固定设置在所述岩心测试舱内。
5.根据权利要求4所述的用于对页岩微裂缝封堵的装置，其特征在于，所述待测岩心为页岩。
6.一种用于纳米材料对页岩微裂缝封堵的封堵效果评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
对待测岩心切割成页岩岩心块；
将切割好的页岩岩心块放入岩心夹持器中，将环压泵与所述岩心夹持器的围压入口相连，所述环压泵对所述岩心夹持器施加环压，同时所述岩心夹持器对页岩岩心块进行加热；
将所述岩心夹持器的进液口与盛液器的一端相连接，开启第二阀门，所述盛液器中盛放的钻井液输入至岩心夹持器中，并在页岩岩心块的前端和后端注满钻井液；
将所述岩心夹持器的出液口与第一加压机构相连接，将所述盛液器的另一端与第二加压机构相连接，并打开第一阀门和第三阀门，通过前端压力表和后端压力表分别将页岩岩心块的前端压力调节到300psi，页岩岩心块的后端压力调节到50psi；
恒定温度和压力保持15h后，通过钻井液压力表的测量，计算机记录下游钻井液压力值P1，恒定温度和恒定压力保持24h后，通过钻井液压力表的测量，计算机记录下游压力P2；
将上游钻井液更换为添加不同量的纳米封堵材料的钻井液，并重复上一步实验，重新记录下游钻井液压力值P1，恒定温度和恒定压力保持24h后，通过钻井液压力表的测量，计算机记录下游压力P2；
根据添加不同量的纳米封堵材料后，测得的下游钻井液压力值P1和P2，计算封堵效果值：
K＝(P1-P2)/P1
其中，若K值越大，则封堵效果越好，反之，则封堵效果越差。
7.根据权利要求6所述的用于纳米材料对页岩微裂缝封堵的封堵效果评价方法，其特征在于，所述页岩岩心块的直径为20mm，长度为5mm的页岩小块。
8.根据权利要求6所述的用于纳米材料对页岩微裂缝封堵的封堵效果评价方法，其特征在于，所述钻井液为水基钻井液或油基钻井液。
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