CN109653736A - 一种用于评价钻井液防塌性能的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了评价钻井液防塌性能的实验装置及方法。装置包括：模拟井壁、盛液罐、模拟钻具、循环压力泵、注压控制器和计算机；模拟井壁包括：缸体、加热套、控温仪、实心柱、提手和覆压块；缸体外部套有加热套，加热套连接温控仪；缸体上设置有刻度线，实心柱套在缸体内部，实心柱上设置有提手；模拟钻具穿过密封盖深入缸体内，密封盖上设置有回流孔，回流管线连接回流孔和盛液灌；上水管线一段连接盛液管，另一端连接循环压力泵后连接模拟钻具；模拟井壁侧壁设置有注压塞，注压塞连接注压控制器；循环压力泵、注压控制器和温控仪连接计算机。可评价钻井液在循环过程中冲刷井壁对井壁稳定性的影响，为钻井过程中井壁稳定研究提供技术支持。

Description

一种用于评价钻井液防塌性能的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及油田钻井技术领域，进一步地说，是涉及一种用于评价钻井液防塌性能的实验装置及方法。

背景技术

在钻井或完井过程中出现的井壁坍塌、缩径和地层压裂等复杂情况统称为井壁失稳，其大多发生在泥页岩地层中。井壁失稳不仅严重影响地质录井、延长钻井周期和增加钻井成本，而且还会污染储层，造成重大经济损失。造成井壁失稳的原因，不外乎不可避免的先天因素和钻井施工造成的后天因素。先天因素主要包括：地层岩石的组成和物理化学性质、地质构造类型、原地应力状态、地层倾角，以及岩石层之间的胶结程度的强弱、岩石强度大小与承压能力大小等。后天因素主要包括：钻完井方式、井眼轨迹和钻具对井壁的碰撞等，但更集中于钻井液性能方面，如钻井液滤液侵入地层的深度、钻井液的抑制性与封堵性等方面。

向钻井液中加入防塌剂是一种最常用维护井壁稳定的方法。一般而言，钻井液用防塌剂根据类别不同可以抑制性防塌剂和封堵性防塌剂。抑制性防塌剂主要是通过抑制易水化泥页岩的水化分散而达到维护井壁稳定目的的，一般借鉴抑制剂的评价方法来考察防塌效果的优劣，如滚动回收率评价法、页岩膨胀率评价法等；封堵性防塌剂主要是通过封堵井壁微孔隙，减缓钻井液与井壁周围岩石之间的压力传递，即减小井筒围岩的水平应力的改变量，延长坍塌周期而达到维护井壁稳定的目的，一般借鉴降滤失剂的评价方法来考察防塌效果的优劣，如滤失量测定法、砂床滤失量测定法等。而在实际的钻井施工中，引起井壁失稳往往是泥页岩水化和压力传递共同作用造成的，如由易水化粘土矿物(一般为易水化泥页岩)胶结的硬脆性泥页岩井段的井壁失稳即是典型实例，井壁稳定即要考虑钻井液的抑制水化能力，又要考虑钻井液的封堵性，同时也要考虑井下温度与地层压力。因此，目前所采用的防塌性能评价方法，只能根据抑制性能或滤失性能的优劣评价钻井液防塌性能的强弱，而实验结果对实际的钻井施工中的钻井液防塌性能实际效果有较大出入。所以，有必要形成一种用于专门针对用于评价钻井液防塌性能的实验装置与方法。

发明内容

为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种用于评价钻井液防塌性能的实验装置及方法，本发明的装置可模拟易垮塌井壁、井下条件和钻井液动态循环过程，可评价钻井液在循环过程中冲刷井壁对井壁稳定性的影响，为钻井过程中井壁稳定研究提供技术支持。

本发明的目的之一是提供一种用于评价钻井液防塌性能的实验装置。

所述装置包括：

模拟井壁、盛液罐、模拟钻具、循环压力泵、注压控制器和计算机；

所述模拟井壁包括：缸体、加热套、控温仪、实心柱、提手和覆压块；缸体外部套有加热套，加热套连接温控仪；缸体上设置有刻度线，实心柱套在缸体内部，实心柱上设置有提手；

进行测试时，页岩样品至于模拟井壁缸体内的实心柱与缸体之间的空间内，实心柱取出，页岩样品上放置填充块，模拟井壁顶部设置有密封盖，模拟钻具穿过密封盖深入缸体内，密封盖上设置有回流孔，回流管线连接回流孔和盛液灌；上水管线一段连接盛液管，另一端连接循环压力泵后连接模拟钻具；模拟井壁侧壁设置有注压塞，注压塞连接注压控制器；

循环压力泵、注压控制器和温控仪连接计算机。

优选：

刻度线设置在缸体的上部。

实心柱的直径比缸体内径小8～12cm。

本发明的目的之二是提供一种评价钻井液防塌性能的方法。

所述方法包括：

(1)将实心柱放到缸体中间位置；称取易水化粘土和岩石样品加入到由缸体和实心柱之间的环空空间，在环空上放置覆压块，将易水化粘土和岩石样品构成的混合体压实至刻度线位置，取出覆压块；

(2)将实心柱提出，在模拟井壁上部放置填充块，同时将模拟钻具深入由模拟井壁构成的井筒内，盖上密封盖；

(3)待加热套加热至预定温度后，启动循环压力泵的同时，通过注压塞给井壁施加压力，以模拟深部地层压力，其压力大小可通过注压控制器确定；

(4)待达到测定时间时，停止钻井液循环，取出钻井液中岩石样品，洗净后烘干，称量质量，其质量的大小直接表达钻井液防塌性能的优劣。

优选：

步骤(3)中，预定温度为不高于200℃。

步骤(3)中，通过注压塞给井壁施加压力，压力不高于12MPa。

步骤(4)中，测定时间为1～10小时。

本发明具体可采用以下技术方案：

提供一种具有以下结构的用于评价钻井液防塌性能的实验装置，包括：

缸体、加热套、控温仪、刻度线、实心柱、提手、覆压块、填充块、密封盖、回流孔、回流管线、盛液罐、模拟钻具、循环压力泵、上水管线、注压塞、注压控制器和计算机

测试时，将实心柱放到缸体中间位置；定量称取易水化粘土和一定粒径分布(也可以是统一粒径)的岩石样品(也可以是其他难水化固相颗粒，如玻璃球、水泥块等)加入到由缸体和实心柱之间的环空空间，在环空上放置覆压块，将易水化粘土和岩石样品构成的混合体压实至刻度线位置，取出覆压块，由此模拟井下由易水化粘土矿物胶结岩石的井壁。

通过提手将实心柱提出，在模拟井壁上部放置填充块，同时将模拟钻具深入由模拟井壁构成的井筒内，盖上密封盖。通过连有循环压力泵的上水管线将模拟钻具与盛液罐相连，通过回流管线将密封盖上的回流孔与盛液罐相连，从而模拟井下钻井液的动态循环。

待加热套加热至预定温度后，启动循环压力泵的同时，通过注压塞给井壁施加一定压力，以模拟深部地层压力，其压力大小可通过注压控制器确定。钻井液循环时，模拟井壁中的易水化粘土会有部分水化而使模拟井壁岩石之间的胶结能力变差，则会有部分岩石样品脱离模拟井壁而进入钻井液；同时，在一定模拟地层压力条件下，动态循环中钻井液的压力会在模拟井壁内发生压力传递，随着时间的延长，当超出井壁的坍塌周期，模拟井壁则会发生坍塌，即部分岩石样品则会脱离井壁而进入钻井液。

待达到测定时间时，停止钻井液循环，取出钻井液中岩石样品，洗净后烘干，称量质量，其质量的大小可直接表达钻井液防塌性能的优劣，即在针对相同井壁的实验环境下，且相同循环时间后得到的岩石样品的量越少，钻井液的防塌效果越差。从而实现了评价钻井液防塌性能的目的。

本发明通过模拟钻井液从盛液罐流经进液管，然后再沿模拟钻具与缸体形成的环形空间向上流动，经回流孔和回流管线流入盛液罐的流动过程，真实再现了现场施工过程中钻井液的循环过程，温控功能实现了对井下地层温度条件的模拟；其次，该装置通过易水化粘土和岩石样品混合后压实，模拟了由易水化粘土与难水化岩石构建的井壁，同时施加围压，在很大程度上模拟了井下易垮塌地层的实际情况，使测定的结果可以真实反映钻井液的防塌性能的优劣。

附图说明

图1所示是本发明的钻井液防塌性能评价装置的结构图；

图2模拟井壁的结构示意图

附图标记说明：

1缸体，2加热套，3控温仪，4刻度线，5实心柱，6提手，7覆压块；8填充块，9密封盖，10回流孔，11回流管线，12盛液罐，13模拟钻具，14循环压力泵，15上水管线，16注压塞，17注压控制器，18计算机。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实验浆1(淡水基浆)：在高搅杯中加入40L自来水，在不断搅拌下定量加入膨润土1600g，再加入Na₂CO₃，其加量为膨润土质量的5.0％。搅拌60min，其间至少停两次，以刮下粘附在容器壁上的粘土，在密封容器中养护24h，备用。

实验浆2(淡水基浆+3.0％KCl)：在实验浆1的基础上，加入1200kg KCl，高速搅拌60min，其间至少停两次，以刮下粘附在容器壁上的粘土，备用。

实验浆3(淡水基浆+3.0％KCl+0.2％超细碳酸钙(800目)+0.1％超细碳酸钙(1280目)+0.05％超细碳酸钙(2500目))：在实验浆1的基础上，依次加入1200kg KCl、80g超细碳酸钙(800目)、40g超细碳酸钙(1280目)和20g超细碳酸钙(2500目)，高速搅拌60min，其间至少停两次，以刮下粘附在容器壁上的粘土，备用。

实验浆4(淡水基浆+3.0％KCl+0.2％超细碳酸钙(800目)+0.1％超细碳酸钙(1280目)+0.05％超细碳酸钙(2500目)+3.0％褐煤树脂)：在实验浆3的基础上，加入1200kg褐煤树脂(降滤失剂)，高速搅拌60min，其间至少停两次，以刮下粘附在容器壁上的粘土，备用。

实施例1

测试时，将实心柱5放到缸体1中间位置；称取5.0kg膨润土和25.0kg天然硬脆性泥岩(源自中国石化东北油气分公司北8井3150～3200m处棕褐色硬脆性泥岩，构造位置：断陷达尔罕断突带南端，地理位置：吉林省松原市长岭县长岭镇龙凤村东南方向2.42km)加入到由缸体1和实心柱5之间的环空空间，在环空上放置覆压块7，将易水化粘土和岩石样品构成的混合体压实至刻度线4位置，取出覆压块7，由此模拟井下由易水化粘土矿物胶结岩石的井壁。

通过提手6将实心柱5提出，在模拟井壁上部放置填充块8，同时将模拟钻具深入由模拟井壁构成的井筒内，盖上密封盖9。将实验浆1加入到盛液罐中，通过连有循环压力泵14的上水管线15将模拟钻具与盛液罐12相连，通过回流管线11将密封盖上的回流孔10与盛液罐12相连，从而模拟井下钻井液的动态循环。

待加热套2加热至120℃后，启动循环压力泵14的同时，通过注压塞16给井壁施加8.0MPa，以模拟深部地层压力，其压力大小可通过注压控制器17确定。钻井液循环时，模拟井壁中的易水化粘土会有部分水化而使模拟井壁岩石之间的胶结能力变差，则会有部分岩石样品脱离模拟井壁而进入钻井液；同时，在一定模拟地层压力条件下，动态循环中钻井液的压力会在模拟井壁内发生压力传递，随着时间的延长，当超出井壁的坍塌周期，模拟井壁则会发生坍塌，即部分岩石样品则会脱离井壁而进入钻井液。

待达到8h时，停止钻井液循环，取出缸体1中岩石样品，洗净后烘干，称量质量，记为E1，其质量的大小可直接表达钻井液防塌性能的优劣，从而实现了评价钻井液防塌性能的目的。

实施例2

采用实施例1的操作步骤和测试条件，只将实验浆1改换成实验浆2，称量缸体1中洗净烘干后的岩石样品，记为D1。

实施例4

采用实施例1的操作步骤和测试条件，只将实验浆1改换成实验浆3，称量缸体1中洗净烘干后的岩石样品，记为D2。

实施例3

采用实施例1的操作步骤和测试条件，只将实验浆1改换成实验浆4，称量缸体1中洗净烘干后的岩石样品，记为D3。

实施例5

4种钻井液实验浆防塌性能评价

表1 4种钻井液实验浆中岩石样品的重量

序号	剩余量(kg)	损失率(％)
			实施例1	6.81	72.76
实施例2	11.57	53.72
			实施例3	16.50	34.00
实施例4	18.36	25.56

从表1可以看出，4种钻井液实验浆的防塌性：实验浆1＜实验浆2＜实验浆3＜实验浆4

实施例1中所采用的淡水基浆对模拟井壁的冲蚀性较大，随着时间的延长，模拟井壁中的硬脆性泥岩逐渐被剥落，从而易引发井壁失稳；实施例2中采用的实验浆2是在淡水基浆中加入了抑制膨润土水化的KCl，由于KCl可以在一定程度上抑制模拟井壁中膨润土的水化作用，起到了稳定模拟井壁中岩石之间胶结物强度的作用，从而具有一定的防塌效果，这与目前钻井工程中采用KCl钻井液体系维护井壁稳定的措施是一致的；实施例3采用的实验浆3是在实验浆2的基础上添加了起封堵作用的超细碳酸钙颗粒，可以在一定程度上封堵模拟井壁上的微裂缝，阻碍并减缓井筒内实验浆与井壁周围岩石之间的压力传递，即减小井筒围岩的水平应力的改变量，延长坍塌周期而达到维护井壁稳定的目的；实施例4采用的实验浆4是在实验浆3的基础上加入了降低失水的褐煤树脂，从而有利于实验浆在模拟井壁上形成致密的泥饼，防止实验浆中的水向模拟井壁深部侵入，一方面抑制了模拟井壁深部膨润土的水化，提高了模拟井壁内部的胶结能力，另一方面进一步减缓了井筒内实验浆与井壁周围岩石之间的压力传递，达到维护井壁稳定的目的，这与现场实践中通过改善钻井液性能提高井壁稳定性的做法和效果是一致的。

Claims (7)

1.一种用于评价钻井液防塌性能的实验装置，其特征在于所述装置包括：

模拟井壁、盛液罐、模拟钻具、循环压力泵、注压控制器和计算机；

所述模拟井壁包括：缸体、加热套、控温仪、实心柱、提手和覆压块；缸体外部套有加热套，加热套连接温控仪；缸体上设置有刻度线，实心柱套在缸体内部，实心柱上设置有提手；

模拟钻具穿过密封盖深入缸体内，密封盖上设置有回流孔，回流管线连接回流孔和盛液灌；上水管线一段连接盛液管，另一端连接循环压力泵后连接模拟钻具；模拟井壁侧壁设置有注压塞，注压塞连接注压控制器；

循环压力泵、注压控制器和温控仪连接计算机。

2.如权利要求1所述的用于评价钻井液防塌性能的实验装置，其特征在于：

刻度线设置在缸体的上部。

3.如权利要求1所述的用于评价钻井液防塌性能的实验装置，其特征在于：

实心柱的直径比缸体内径小8～12cm。

4.一种采用如权利要求1所述装置的评价钻井液防塌性能的方法，其特征在于所述方法包括：

(1)将实心柱放到缸体中间位置；称取易水化粘土和岩石样品加入到由缸体和实心柱之间的环空空间，在环空上放置覆压块，将易水化粘土和岩石样品构成的混合体压实至刻度线位置，取出覆压块；

(2)将实心柱提出，在模拟井壁上部放置填充块，同时将模拟钻具深入由模拟井壁构成的井筒内，盖上密封盖；

(3)待加热套加热至预定温度后，启动循环压力泵的同时，通过注压塞给井壁施加压力，以模拟深部地层压力，其压力大小可通过注压控制器确定；

(4)待达到测定时间时，停止钻井液循环，取出钻井液中岩石样品，洗净后烘干，称量质量，其质量的大小直接表达钻井液防塌性能的优劣。

5.如权利要求4所述的评价钻井液防塌性能的方法，其特征在于：

步骤(3)中，预定温度为不高于200℃。

6.如权利要求5所述的评价钻井液防塌性能的方法，其特征在于：

步骤(3)中，通过注压塞给井壁施加压力，压力不高于12MPa。

7.如权利要求4所述的评价钻井液防塌性能的方法，其特征在于：

步骤(4)中，测定时间为1～10小时。