CN112067749A - 裂缝封堵层形成机制微观可视化实验装置及模拟观测方法 - Google Patents

裂缝封堵层形成机制微观可视化实验装置及模拟观测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种裂缝封堵层形成机制微观可视化实验装置及模拟观测方法，该装置包括动力系统、压力监测系统、过程监测系统、可视化裂缝芯片、悬浮液回收系统。所述裂缝模拟系统，依据三维激光扫描天然裂缝数据，采用激光刻蚀玻璃，模拟真实地层裂缝形态，实现微观可视化，具备了精度高、周期短、透光性好、操作简便的特点。本发明可模拟一定压力条件下堵漏材料在裂缝形成封堵层的过程，监测堵漏材料运移与滞留行为，观测裂缝封堵层结构，揭示裂缝封堵层形成机制。有效评价裂缝封堵层形成效率及封堵能力，为研究人员对堵漏材料选择及堵漏配方优化提供依据。

Description

裂缝封堵层形成机制微观可视化实验装置及模拟观测方法
技术领域
本发明涉及钻井完井过程中工作液漏失控制技术领域，具体涉及一种裂缝封堵层形成机制微观可视化实验装置及采用该装置模拟观测裂缝封堵层形成机制的方法。
背景技术
钻井液漏失是钻井过程中长期面临的重大难题，损失钻井时间、消耗大量堵漏材料、甚至引起卡钻和井喷等重大事故，造成重大经济损失，严重制约勘探开发进程。使用颗粒、纤维等堵漏材料对裂缝漏失通道进行封堵，是漏失控制的主要手段。
现场资料显示，钻井液漏失普遍发生在钻井作业过程中，且常规堵漏作业一次成功率低。提高堵漏配方的适应性，提升堵漏成功率，是控制漏失的关键。目前国内外堵漏装置多数不能做到可视化的效果，且存在实验流程复杂、操作难度大、实验条件粗犷等问题。因此研制一套操作简便，模拟天然裂缝条件下堵漏材料在裂缝形成封堵层的过程，监测堵漏材料运移与滞留行为，对裂缝封堵层形成机制进行微观机理研究，具有重要意义。
发明内容
鉴于以上技术问题，本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种裂缝封堵层形成机制微观可视化实验装置，其操作简单、能够可视化，可通过本发明解释裂缝封堵层的形成机制。本发明采用以下技术方案为：
一种裂缝封堵层形成机制微观可视化实验装置，包括依次连接的动力系统、可视化裂缝芯片和回收系统，还包括监控压力变化的压力监测系统和监控所述可视化裂缝芯片的过程监测系统，所述可视化裂缝芯片由入口端、悬浮液缓冲区、裂缝通道、出口端和载体组成。
本发明的一种实施方式在于，所述入口端、悬浮液缓冲区、裂缝通道和出口端均设于所述载体上，所述入口端连接悬浮液缓冲区，所述悬浮液缓冲区连接裂缝通道，所述裂缝通道连接出口端。
本发明的一种实施方式在于，所述动力系统由注射泵和注射器组成，所述注射器与所述入口端连接。
本发明的一种实施方式在于，所述注射器和所述可视化裂缝芯片之间连接管道的内径、所述注射器的出口的内径和所述入口端的内径均相等，且三者的内径均不小于试验用堵漏材料颗粒粒径的三倍。
本发明的一种实施方式在于，所述压力监测系统包括压力传感器，所述压力传感器设于所述可视化裂缝芯片的入口端。
本发明的一种实施方式在于，所述过程监测系统包括光学显微镜及高速摄像机，用于观测并记录实验过程中所述可视化裂缝芯片内的变化。
本发明的一种实施方式在于，所述裂缝通道采用以下方式制得：通过包括三维扫描在内的方式获取裂缝参数，通过获得的参数对基板进行刻蚀以获得所述裂缝通道。
本发明还公开了一种采用该上述装置模拟观测裂缝封堵层形成机制的方法，包括以下步骤：
(1)安装好整个实验装置，并在管线及裂缝芯片内充满流体；
(2)打开注射泵将含有堵漏材料的悬浮液泵入裂缝芯片，并通过压力监测系统和过程监测系统监控并记录整个实验过程；
(3)实验结束，关闭电源，拆卸并清洗可视化裂缝芯片。
本发明的一种实施方式在于，所述步骤(1)中，所述流体为配置悬浮液的基础溶液、地层水或钻井液中的一种。
本发明的一种实施方式在于，所述步骤(2)中，通过高速摄像机实时记录堵漏材料在裂缝中的架桥、沉积等滞留堵塞行为，处理采集图像，即得到裂缝封堵层形成过程；通过压力监测系统记录裂缝入口端的压力。
本发明的有益效果是：
(1)实验装置简易、精确、操作方便，实现了封堵层形成的可视化，为揭示裂缝封堵层的形成机制提供了可靠保障；
(2)可视化裂缝芯片以三维激光扫描仪扫描真实裂缝，利用所得三维数据对玻璃芯片进行激光刻蚀，或设计成一定几何形貌裂缝，使得可视化裂缝芯片的裂缝通道更加符合实际的地层裂缝，裂缝芯片可重复使用；
(3)采用显微镜和高速摄像机观测裂缝芯片，实现了裂缝封堵层形成全过程微观可视化，采用注射泵和注射器作为动力系统，其形成精确，可实现精准定量注入悬浮液；
(4)注射器出口内径、管线内径和裂缝芯片入口内径相等，保证了悬浮液在进入裂缝前整个系统不会发生堵塞；设置悬浮液缓冲区，保证了悬浮液以稳定、均匀的状态进入裂缝。
说明书附图
图1为本发明装置的总体结构示意图；
图2为可视化裂缝芯片的结构示意图；
图3为本发明实施时的实物图；
图中，1-单通道注射泵，2-注射器，3-可视化裂缝芯片，4-回收系统，5-压力监测系统，6-工业显微镜，7-高速摄像机，8-计算机，
31-载体，32-入口端，33-悬浮液缓冲区，34-裂缝通道，35-出口端。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
如图1和图2所示，一种裂缝封堵层形成机制微观可视化实验装置，包括依次连接的动力系统、可视化裂缝芯片3和回收系统4，还包括监控压力变化的压力监测系统5和监控所述可视化裂缝芯片3的过程监测系统，所述可视化裂缝芯片3由入口端32、悬浮液缓冲区33、裂缝通道34、出口端35和载体31组成。
在本实施例中，动力系统由单通道注射泵1、注射器2组成。注射泵1最大行程160mm，行程分辨率0.078μm，流量范围1nL/min～281mL/min，注射器2容积为0.5mL～200mL，注射器2出口尺寸与管线内径保持一致，不小于堵漏材料颗粒粒径的三倍。
压力监测系统5包括压力传感器，过程监测系统包括工业显微镜6、高速摄像机7和计算机8。计算机8电连接压力传感器、高速摄像机7和工业显微镜6，用于实时记录裂缝入口压力，观测堵漏材料运移与滞留行为，监测裂缝封堵层形成过程，同时可以观察在不同压力条件下裂缝中堵漏材料的运移和滞留行为。
如图2所示，可视化裂缝芯片3包括一个载体31，载体31上设有入口端32，入口端32与注射器2通过管线连接，且入口端32内径、注射器2出口内径以及两者连接的管线的内径均相同，这样的设置保证了悬浮液在进入裂缝前整个系统不会发生堵塞。入口端32后设有悬浮液缓冲区33，悬浮液缓冲区33后设有裂缝通道34，裂缝通道34后设有出口端35，载体的选择根据实验压力及需求设定，在实验压力为5-10MPa时，选择硼硅玻璃作为载体，在实验压力相对较低时，可采用普通玻璃和亚力克板作为载体，在本实施例中，采用的载体为硅硼玻璃。
在本实施例中，为了保证裂缝通道35与实际岩心相符，以三维激光扫描仪扫描真实裂缝，利用所得三维数据对玻璃芯片进行激光刻蚀，或设计成一定几何形貌裂缝(楔形、起伏等)，设计好的可视化裂缝芯片3还可重复使用。入口端的内径32不小于堵漏材料颗粒粒径的三倍，设置的悬浮液缓冲区33，能够保证悬浮液稳定均匀的进入裂缝通道34。
在本实施例中，回收系统为废液罐。
采用本发明的裂缝封堵层形成机制微观可视化实验装置的对裂缝封堵层形成机制的模拟观测方法如下：
根据实验需求制备相应的可视化裂缝芯片3，选取合适尺寸的注射器2和管道，并连接好各个部件，在管线和可视化裂缝芯片3内充满流体，打开计算机8准备采集并记录数据，打开注射泵1，将含有堵漏材料的悬浮液泵入可视化裂缝芯片3，即开始实验，在整个实验过程中，通过显微镜6和高速摄像机7实时记录堵漏材料在裂缝中的架桥、沉积等滞留堵塞状态，并通过压力监测系统记录各个过程中的压力变化。
同时，采用本发明的裂缝封堵层形成机制微观可视化实验装置，通过改变实验过程中的压力，可以观察堵漏材料在不同的注入压力下的沉积、封堵情况，监测裂缝封堵层的形成过程，为合理使用堵漏材料提供数据支持，还能够用于观察和测量裂缝封堵层的失稳过程和承压能力。
为了进一步说明本发明的方法，选用红色近球形尼龙砂颗粒作为堵漏材料，开展微观可视化实验。悬浮液由入口端进入裂缝，堵漏材料随液体一同进入并在裂缝中流动，随着堵漏材料颗粒之间、堵漏材料与裂缝面之间相互作用加剧，堵漏材料在裂缝内形成架桥。入口端压力不断升高，架桥不稳定时发生破坏，而后再次发生架桥直至稳定。发生稳定架桥后，后续堵漏材料堆积填充，最终形成封堵层，结果如图3所示。
本发明在上文已优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描述本发明，而不应理解为限制本发明的范围。在不脱离本发明原理的前提下，对本发明的进一步改进也应视为在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种裂缝封堵层形成机制微观可视化实验装置，其特征在于，包括依次连接的动力系统、可视化裂缝芯片和回收系统，还包括监控压力变化的压力监测系统和监控所述可视化裂缝芯片的过程监测系统，所述可视化裂缝芯片由入口端、悬浮液缓冲区、裂缝通道、出口端和载体组成。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入口端、悬浮液缓冲区、裂缝通道和出口端均设于所述载体上，所述入口端连接悬浮液缓冲区，所述悬浮液缓冲区连接裂缝通道，所述裂缝通道连接出口端。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述动力系统由注射泵和注射器组成，所述注射器与所述入口端连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述注射器和所述可视化裂缝芯片之间连接管道的内径、所述注射器的出口的内径和所述入口端的内径均相等，且三者的内径均不小于试验用堵漏材料颗粒粒径的三倍。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力监测系统包括压力传感器，所述压力传感器设于所述可视化裂缝芯片的入口端。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述过程监测系统包括光学显微镜及高速摄像机，用于观测并记录实验过程中所述可视化裂缝芯片内的变化。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述裂缝通道采用以下方式制得：通过包括三维扫描在内的方式获取裂缝参数，通过获得的参数对基板进行刻蚀以获得所述裂缝通道。
8.一种裂缝封堵层形成机制模拟观测方法，其特征在于，利用权利要求1-7任一所述的裂缝封堵层形成机制微观可视化实验装置进行实验，包括以下步骤：
(1)安装好整个实验装置，并在管线及裂缝芯片内充满流体；
(2)打开注射泵将含有堵漏材料的悬浮液泵入裂缝芯片，并通过压力监测系统和过程监测系统监控并记录整个实验过程；
(3)实验结束，关闭电源，拆卸并清洗可视化裂缝芯片。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述流体为配置悬浮液的基础溶液、地层水或钻井液中的一种。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，通过高速摄像机实时记录堵漏材料在裂缝中包括架桥、沉积、滞留、堵塞在内的行为，处理采集图像，即得到裂缝封堵层形成过程；通过压力监测系统记录裂缝入口端的压力。
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