CN112360430B - 一种裂缝堵漏模拟评价的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裂缝堵漏模拟评价的实验装置，包括主循环回路和第一支路，主循环回路包括堵漏浆罐、地层水罐、上循环管路、下循环管路、裂缝堵漏模拟器和脉冲电磁阀，其中脉冲电磁阀能控制主循环回路中液压的大小，在计算机控制下，脉冲电磁阀使主循环回路中产生波动的压力，用于建立模拟钻井过程中的钻井液循环过程中的动态变化的压差，从而对在贯穿裂缝内形成的堵漏层进行正向和反向承压测试以及正反向交替作用下的承压能力测试，考察堵漏层的封堵能力，从而真实的评价模拟钻井过程中的堵漏浆堵漏及堵漏完成后在后续打钻过程中堵漏层持续的封堵能力，通过堵漏层形成时可达到的最高压力和漏失量来评价堵漏材料的堵漏效果。

Description

一种裂缝堵漏模拟评价的实验装置

技术领域

本发明涉及石油钻井用测试仪器，具体涉及一种裂缝堵漏模拟评价的实验装置。

背景技术

井漏是在钻井、固井、测井等各种井下作业中，钻井液、水泥浆、完井液及其它流体等各种工作液在压差作用下漏入地层的现象。钻井液漏失是钻井作业中一种常见的井下复杂情况。井漏可以发生在浅、中及深层中，也可以在不同的地质年代如从第四系直到古生界发生。而且，各类岩性的地层中都可能出现。

一旦漏失发生，不仅延误钻井时间，损失钻井液，干扰地质录井工作，而且还可能引发井塌、卡钻、井喷等一系列复杂情况与事故，甚至导致井眼报废，造成重大的经济损失。若在油气层发生井漏，还易造成对产层的损害，影响生产，因为漏失导致了生产测试和样品测试的失败，而生产层的堵塞使生产效率下降。从某种程度上讲，井漏比某些钻井事故给油气勘探开发带来的损失更大。因此，在钻井过程中，需向钻井液中加入各种堵漏材料，对裂缝进行堵漏。堵漏材料的选择要考虑到地层物理化学性质、地层承压能力等多方面的因素，常用的堵漏材料有石墨颗粒、碳酸钙颗粒以及各种聚合物。

防漏堵漏室内评价方法是评价钻井液及防漏堵漏材料效果的重要实验手段。而该方法主要通过堵漏模拟评价仪器来实现的。现有的堵漏评价装置很多，如中国发明专利《模拟钻井液动态漏失与堵漏的实验装置及实验方法》(公布号为CN103953332A)，《承压堵漏测试仪》(公布号为CN102400677A)和《智能高温高压动态堵漏评价实验仪》(申请号为200510019252.X)等。

然而，现有的评价装置没有考虑真实钻井过程中压力波动对堵漏过程的影响，以及没有考虑由于压力波动产生负压差后堵漏材料反吐现象；也没有考虑钻井液对已完成的堵漏层的冲刷后堵漏层承压能力；此外，现有大裂缝没有考虑地层的渗透率特征，也不能真实反应堵漏过程。由于没有考虑这些重要的因素，现有的堵漏评价装置及其评价方法的实验有效性偏低，通过现有装置及方法得出的结论不能指导实践，无法真正用于综合评价堵漏材料的堵漏效果及堵漏层的承压能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种裂缝堵漏模拟评价的实验装置，考虑真实钻井过程中压力波动对堵漏过程的影响等因素，用以解决现有的堵漏评价装置及其评价方法的实验有效性偏低的问题。

本发明提供一种裂缝堵漏模拟评价的实验装置，包括主循环回路和第一支路，所述主循环回路包括堵漏浆罐、地层水罐、上循环管路、下循环管路和裂缝堵漏模拟器，所述裂缝堵漏模拟器内设置有狭长的贯穿裂缝，所述贯穿裂缝包括贯穿裂缝进液端、贯穿裂缝出液口和裂缝通道，所述贯穿裂缝进液端粗大、贯穿裂缝出液口细小，所述贯穿裂缝进液端和所述贯穿裂缝出液口分别设置于所述裂缝通道的两端；所述贯穿裂缝进液端的两端分别设置有进液端进液口和所述进液端出液口；所述堵漏浆罐和所述地层水罐的顶部设置有出液口，所述堵漏浆罐和所述地层水罐的出液口并联连通于所述上循环管路的进液口，所述上循环管路上设置有泥浆泵；所述上循环管路的出液口与所述进液端进液口连通，所述进液端出液口与所述下循环管路的进液口连通，所述堵漏浆罐和所述地层水罐的底部设置有回液口，所述堵漏浆罐和所述地层水罐的回液口并联连通于所述下循环管路的出液口，由此形成主循环回路；所述贯穿裂缝出液口与所述第一支路的进液端连通，所述第一支路的出液端的正下方设置有第一废液池；其中，所述堵漏浆罐和所述地层水罐的出液口与所述上循环管路的进液口之间的管路上分别设置有堵漏浆罐出液控制阀和地层水罐出液控制阀，所述泥浆泵与所述上循环管路的进液口之间的管路上设置有脉冲电磁阀，所述脉冲电磁阀连接有计算机；所述堵漏浆罐和所述地层水罐的回液口与所述下循环管路的出液口之间的管路上分别设置有堵漏浆罐回液控制阀和地层水罐回液控制阀。

优选地，所述上循环管路和所述下循环管路上分别设置有第一压力表和第二压力表；所述下循环管路上设置有第一回压阀。

优选地，所述下循环管路和所述第一支路上分别设置有第一阀门和第二阀门。

优选地，所述第一支路连通有手压泵，所述第一支路上设置有第二回压阀和第三压力表。

优选地，所述泥浆泵与所述上循环管路的出液口之间的上循环管路上设置有泄压阀和第四阀门，其中，所述泄压阀位于泥浆泵与所述第四阀门之间。

优选地，所述裂缝堵漏模拟器包括一个外筒，两块裂缝板拼接形成的裂缝模拟件设置于该外筒内，所述裂缝板的进液端和出液端分别设置有密封垫，其中所述裂缝板进液端的密封垫设有金属压头，该金属压头设有螺栓孔，通过两组旋转螺栓将裂缝模拟件固定于该外筒内。

优选地，还包括第二支路，所述贯穿裂缝为由两块相同的带有斜面的裂缝板拼接而成的楔形裂缝，所述裂缝板是采用3D打印技术打印的具有渗透性的多孔材料板；所述裂缝堵漏模拟器出液侧的底部设置有渗透液出孔；所述贯穿裂缝的渗透液出孔与第二支路的进液端连通，所述第二支路的出液端的正下方设置有第二废液池。

优选地，所述第二支路上设置有第三回压阀。

优选地，所述第二支路上设置有第三阀门。

优选地，所述堵漏浆罐、所述裂缝堵漏模拟器和所述地层水罐外部设置有加热套，该加热套配置有控温装置。

本发明的有益效果是：

本发明公开了一种裂缝堵漏模拟评价的实验装置，脉冲电磁阀能控制主循环回路中液压的大小，在计算机控制下，脉冲电磁阀使主循环回路中产生波动的压力，可建立模拟钻井过程中的钻井液循环过程中的动态变化的压差，从而对在贯穿裂缝内形成的堵漏层进行正向和反向承压测试以及正反向交替作用下的承压能力测试，考察堵漏层的封堵能力，从而真实的评价模拟钻井过程中的堵漏浆堵漏及堵漏完成后在后续打钻过程中堵漏层持续的封堵能力，通过堵漏层形成时可达到的最高压力和漏失量来评价堵漏材料的堵漏效果。此外，脉冲电磁阀与第一回压阀和/或第二回压阀一起形成交替的正向、反向或正反向交替的压差，可以模拟钻井过程中循环流体对堵漏层冲刷后的，考察堵漏层稳定性和承压能力。

附图说明

图1为本发明实施例1和实施例2提供的裂缝堵漏模拟评价的实验装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

实施例1提供一种裂缝堵漏模拟评价的实验装置，下面对结构进行详细描述。

参考图1，该裂缝堵漏模拟评价的实验装置包括主循环回路和第一支路61。

主循环回路包括堵漏浆罐1、地层水罐2、上循环管路3、下循环管路4和裂缝堵漏模拟器5。

裂缝堵漏模拟器5内设置有狭长的贯穿裂缝51，贯穿裂缝51包括贯穿裂缝进液端511、贯穿裂缝出液口513和裂缝通道512，贯穿裂缝进液端511粗大、贯穿裂缝出液口513细小，贯穿裂缝进液端511和贯穿裂缝出液口513分别设置于裂缝通道512的两端；

贯穿裂缝进液端511的两端分别设置有进液端进液口514和进液端出液口515；

堵漏浆罐1和地层水罐2的顶部设置有出液口，堵漏浆罐1和地层水罐2的出液口并联连通于上循环管路3的进液口，上循环管路3上设置有泥浆泵31；上循环管路3的出液口与进液端进液口514连通，进液端出液口515与下循环管路4的进液口连通，堵漏浆罐1和地层水罐2的底部设置有回液口，堵漏浆罐1和地层水罐2的回液口并联连通于下循环管路4的出液口，由此形成主循环回路；

贯穿裂缝出液口513与第一支路61的进液端连通，第一支路61的出液端的正下方设置有第一废液池610；

其中，堵漏浆罐1和地层水罐2的出液口与上循环管路3的进液口之间的管路上分别设置有堵漏浆罐出液控制阀11和地层水罐出液控制阀21，泥浆泵31与上循环管路3的进液口之间的管路上设置有脉冲电磁阀32，脉冲电磁阀32连接有计算机33；

堵漏浆罐1和地层水罐2的回液口与下循环管路4的出液口之间的管路上分别设置有堵漏浆罐回液控制阀12和地层水罐回液控制阀22。

为了模拟钻井过程中堵漏材料对地层裂缝的堵漏过程，进而根据压力、漏失量等指标评价出堵漏材料的封堵效果和封堵层的承压能力，在上述裂缝堵漏模拟评价的实验装置的方案中，还需要对下循环管路4和述第一支路61排液控制、管路内部压力监控，以及冲刷堵漏层100等，上述方案有待进一步优化。

为了控制裂缝堵漏模拟器5向下循环管路4和述第一支路61排液，下循环管路4和第一支路61上分别设置有第一阀门71和第二阀门72。

为了监控上循环管路3和下循环管路4的管路内部压力情况，上循环管路3和下循环管路4上分别设置有第一压力表81和第二压力表82。

为了监测和掌握第一支路61的管路内部压力情况，第一支路61上设置有第三压力表83。具体地，第三压力表83设置于贯穿裂缝出液口513与第二阀门72之间。

为了模拟钻井液对已完成的堵漏层100的冲刷后堵漏层100的承压能力，有必要调节裂缝堵漏模拟器5的进液端出液口515的排液量并实现精确控制，下循环管路4上设置有第一回压阀91，其中第二压力表82设置于裂缝堵漏模拟器5的进液端出液口515与第一回压阀91之间的管路上。

为了实现了通过贯穿裂缝出液口513对贯穿裂缝51施加反向压力，从外部给第一支路61加压，第一支路61连通有手压泵6。同时为了维持施加压力的稳定，第一支路61上设置有第二回压阀92。

为了快速排出主循环回路的液体，实现对实验装置的清洗，以及保证操作安全的需要，泥浆泵31与上循环管路3的出液口之间的上循环管路3上设置有泄压阀34和第四阀门74，其中，泥浆泵31、泄压阀34、第四阀门74和第一压力表81从上循环管路3的进液端至出液端依次排列。

其中，堵漏浆罐1的作用是提供堵漏浆。

地层水罐2的作用是：利用地层水饱和裂缝板50并让裂缝板50内部孔隙内充满地层水，以及利用地层水冲洗实验后的管路。

脉冲电磁阀32为成熟的现有技术，其通过导线将电磁阀体内线圈输入脉冲信号，脉冲阀受脉冲喷吹控制仪输出信号的控制，依靠阀的前后两个气室的压力变化，使橡胶膜片曲挠变形实现脉冲阀的开启和关闭。脉冲电磁阀32由计算机33控制，其作用是控制主循环回路中液压的大小，用于建立模拟钻井过程中的钻井液循环过程中的动态压差。其中，在计算机33控制下，脉冲电磁阀32使主循环回路中产生波动的压力，进一步与第一回压阀91和/或第二回压阀92和/或第三回压阀93一起形成交替的正反向循环压差。

泥浆泵31的作用是将堵漏浆罐1中的堵漏浆泵入管路，并进入裂缝堵漏模拟器5，然后流入至第一废液池610、第二废液池620，待堵漏层100形成后，堵漏浆会通过第一阀门71进入堵漏浆灌1。此外，可利用泵入流量控制钻井液循环的流度，对贯穿裂缝51内已经形成的堵漏层100进行冲刷，观察循环冲刷过程中堵漏层100堵漏效果，从而模拟堵漏层100形成后，继续钻井过程中钻井液对堵漏层100的影响，避免堵漏层100失效。

本装置可通过堵漏层100形成时可达到的最高压力和漏失量来评价堵漏材料的堵漏效果，同时，还可利用脉冲电磁阀32和手压泵6，让贯穿裂缝进液端511和贯穿裂缝出液口513产生交替的正向、反向压或正反向交替的压差，从而对在贯穿裂缝51内形成的堵漏层100进行正向和反向承压测试以及正反向交替作用下的承压能力测试，考察堵漏层的封堵能力。

实施例2

为了克服现有大裂缝没有考虑地层的渗透性特征、不能真实反应堵漏过程的不足，在实施例1的基础上，实施例2提供的裂缝堵漏模拟评价的实验装置还包括第二支路62，下面对该第二支路62的结构进行详细介绍。

继续参考图1，贯穿裂缝51为由两块相同的带有斜面的裂缝板50拼接而成的楔形裂缝，裂缝板50不同于现有裂缝模拟采用的密实板，裂缝板50是采用3D打印技术打印的具有渗透性的多孔材料板，该多孔材料板实质为带有孔隙分布的非密实板，裂缝板50内部分布的孔隙用于模拟地层渗透作用下的钻井液堵漏。

裂缝堵漏模拟器5出液侧的底部设置有渗透液出孔516，贯穿裂缝51的渗透液出孔516与第二支路62的进液端连通，第二支路62的出液端的正下方设置有第二废液池620。

通过改变裂缝板50斜面处的厚度来调整贯穿裂缝51的宽度，贯穿裂缝51的宽度在0～5mm之间变化。

为了提高裂缝堵漏模拟器5的密封性能，两块裂缝板50可直接插入到裂缝堵漏模拟器5内，并通过密封垫500、金属压头501和旋转螺栓对裂缝板50进行固定和密封。具体地，裂缝堵漏模拟器5包括一个外筒，两块裂缝板50拼接形成的裂缝模拟件设置于该外筒内，裂缝板50的进液端和出液端分别设置有密封垫500，其中裂缝板50进液端的密封垫500设有金属压头501，该金属压头501设有螺栓孔，通过两组旋转螺栓将两块裂缝板50拼接形成的裂缝模拟件固定于该外筒内。其中，外筒用于储存通过裂缝通道512的流体。

为了控制裂缝堵漏模拟器5向第二支路62排液，第二支路62上设置有第三阀门73。

为了对裂缝堵漏模拟器5的排液实现精确控制，第二支路62上设置有第三回压阀93。

进一步地，为了控制温度变化，对堵漏浆进行加温而达到模拟地层温度的效果，堵漏浆罐1、裂缝堵漏模拟器5和地层水罐2外部设置有加热套，该加热套配置有控温装置，该控温装置为成熟现有技术，这里不再赘述。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种裂缝堵漏模拟评价的实验装置，其特征在于，包括主循环回路、第一支路(61)和第二支路(62)，

所述主循环回路包括堵漏浆罐(1)、地层水罐(2)、上循环管路(3)、下循环管路(4)和裂缝堵漏模拟器(5)，

所述裂缝堵漏模拟器(5)内设置有狭长的贯穿裂缝(51)，所述贯穿裂缝(51)包括贯穿裂缝进液端(511)、贯穿裂缝出液口(513)和裂缝通道(512)，所述贯穿裂缝进液端(511)粗大、贯穿裂缝出液口(513)细小，所述贯穿裂缝进液端(511)和所述贯穿裂缝出液口(513)分别设置于所述裂缝通道(512)的两端；所述贯穿裂缝进液端(511)的两端分别设置有进液端进液口(514)和所述进液端出液口(515)；

所述贯穿裂缝(51)为由两块相同的带有斜面的裂缝板(50)拼接而成的楔形裂缝，所述裂缝板(50)是采用3D打印技术打印的具有渗透性的多孔材料板；

所述裂缝堵漏模拟器(5)包括一个外筒，两块裂缝板(50)拼接形成裂缝模拟件，所述裂缝模拟件设置于该外筒内，所述裂缝板(50)的进液端和出液端分别设置有密封垫(500)，所述裂缝板(50)进液端的密封垫(500)设有金属压头(501)，该金属压头(501)设有螺栓孔，通过两组旋转螺栓将裂缝模拟件固定于该外筒内；

所述堵漏浆罐(1)和所述地层水罐(2)的顶部设置有出液口，所述堵漏浆罐(1)和所述地层水罐(2)的出液口并联连通于所述上循环管路(3)的进液口，所述上循环管路(3)上设置有泥浆泵(31)；所述上循环管路(3)的出液口与所述进液端进液口(514)连通，所述进液端出液口(515)与所述下循环管路(4)的进液口连通，所述堵漏浆罐(1)和所述地层水罐(2)的底部设置有回液口，所述堵漏浆罐(1)和所述地层水罐(2)的回液口并联连通于所述下循环管路(4)的出液口，由此形成主循环回路；

所述贯穿裂缝出液口(513)与所述第一支路(61)的进液端连通，所述第一支路(61)的出液端的正下方设置有第一废液池(610)；

所述裂缝堵漏模拟器(5)出液侧的底部设置有渗透液出孔(516)，所述贯穿裂缝(51)的渗透液出孔(516)与第二支路(62)的进液端连通，所述第二支路(62)的出液端的正下方设置有第二废液池(620)；

其中，所述下循环管路(4)上设置有第一回压阀(91)，所述第一支路(61)连通有手压泵(6)，所述第一支路(61)上设置有第二回压阀(92)和第三压力表(83)，所述第二支路(62)上设置有第三回压阀(93)；

所述堵漏浆罐(1)和所述地层水罐(2)的出液口与所述上循环管路(3)的进液口之间的管路上分别设置有堵漏浆罐出液控制阀(11)和地层水罐出液控制阀(21)，所述堵漏浆罐(1)和所述地层水罐(2)的回液口与所述下循环管路(4)的出液口之间的管路上分别设置有堵漏浆罐回液控制阀(12)和地层水罐回液控制阀(22)；

所述泥浆泵(31)与所述上循环管路(3)的进液口之间的管路上设置有脉冲电磁阀(32)，所述脉冲电磁阀(32)连接有计算机(33)；

其中，所述脉冲电磁阀(32)在所述计算机(33)的控制下，使所述主循环回路中产生波动的压力，并与所述第一回压阀(91)和/或所述第二回压阀(92)和/或所述第三回压阀(93)一起形成交替的正反向循环压差。

2.如权利要求1所述的裂缝堵漏模拟评价的实验装置，其特征在于，

所述上循环管路(3)和所述下循环管路(4)上分别设置有第一压力表(81)和第二压力表(82)。

3.如权利要求2所述的裂缝堵漏模拟评价的实验装置，其特征在于，

所述下循环管路(4)和所述第一支路(61)上分别设置有第一阀门(71)和第二阀门(72)。

4.如权利要求1所述的裂缝堵漏模拟评价的实验装置，其特征在于，

所述泥浆泵(31)与所述上循环管路(3)的出液口之间的上循环管路(3)上设置有泄压阀(34)和第四阀门(74)，其中，所述泄压阀(34)位于泥浆泵(31)与所述第四阀门(74)之间。

5.如权利要求1所述的裂缝堵漏模拟评价的实验装置，其特征在于，

所述第二支路(62)上设置有第三阀门(73)。

6.如权利要求1所述的裂缝堵漏模拟评价的实验装置，其特征在于，

所述堵漏浆罐(1)、所述裂缝堵漏模拟器(5)和所述地层水罐(2)外部设置有加热套，该加热套配置有控温装置。

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